計算機網絡的發(fā)展現(xiàn)狀及網絡體系結構涵義分析 - 圖文-

1、計算機科學2007Vol13413計算機網絡的發(fā)展現(xiàn)狀及網絡體系結構涵義分析3楊鵬顧冠群(東南大學計算機科學與工程學院南京210096(東南大學計算機網絡和信息集成教育部重點實驗室南京210096摘要自身存在種種缺陷與不足的傳統(tǒng)網絡體系結構,已不再適宜用來指導現(xiàn)今互聯(lián)網向下一代網絡的演進。有必要在正確認識當前計算機網絡發(fā)展現(xiàn)狀和重新審視網絡體系結構涵義的基礎上,展開對滿足下一代網絡發(fā)展需求的新一代網絡體系結構的研究。為此,本文專門對以互聯(lián)網為代表的計算機網絡所面臨的發(fā)展現(xiàn)狀以及近年來計算機網絡演進與發(fā)展的主要趨勢進行了總結和分析,并重點對網絡體系結構的涵義進行了全方位、多角度的深入剖析。主張在

2、綜合考慮網絡體系結構的普適性、特指性、抽象性和過程性等特征的基礎上,運用發(fā)展的眼光和系統(tǒng)的觀點來全面認識和把握其本質,并提出了合理的“網絡體系結構認知框架”。本文研究結論對新一代網絡體系結構的研究有重要的參考價值和指導意義。關鍵詞計算機網絡,互聯(lián)網,網絡體系結構,網絡體系結構認知框架Current State of the Art in Computer N etw orks and Connotation Analysis of N et w ork ArchitectureYAN G PengGU Guan2Qun(School of Computer Science and Engine

3、ering,Sout heast University,Nanjing210096 (Key Laboratory of Computer Network and Information Integration(Sout heast University,Ministry of Education,Nanjing210096AbstractTraditional network architecture with pitfalls and deficiencies would be better not chosen to guide the evolu2 tion of current In

4、ternet to next generation network any more.It is urgent to research new generation network architec2 ture that sufficing new requirements after well2estimating current state of the art in computer networks and reflecting the essence of network architecture.This paper analyzes the current status as w

5、ell as the evolution and development trends of computer networks represented by Internet,and specifically it presents an in2depth anatomy of the essence of network architecture f rom multiple perspectives.In order to get complete recognition and understanding of the essence of network architecture,i

6、t demonstrates the necessity to synthetically consider the characteristics of network architec2 ture such as generality,individuality,abstractiveness,and proceduralness f rom both systematic and evolutionary per2 spectives.Correspondingly,this paper suggests a rational Cognitive Framework for Networ

7、k Architecture,and results in this research are provided as valuable reference and guidance for further research on new generation network archi2 tecture.K eyw ordsCcomputer Inetworks,Internet,Network architecture,Cognitive f ramework for network architecture計算機網絡在短短幾十年之間經歷了一個從無到有、從簡單到復雜的飛速發(fā)展過程,特別是作

8、為計算機網絡典型代表的互聯(lián)網,已經呈現(xiàn)出一種遍布全球的、開放集成的、可承載多種網絡應用的異構網絡互聯(lián)格局,并且對于世界各國的政治、經濟、科技和文化等諸方面都產生了巨大的影響。然而近年來,隨著互聯(lián)網商業(yè)化趨勢的進一步加劇、新興網絡技術的大量涌現(xiàn)、互聯(lián)網應用的飛速發(fā)展、各種新的應用需求的不斷提出,現(xiàn)行互聯(lián)網及其體系結構所存在的一些缺陷也開始變得日益明顯和突出1,如服務質量難以保證、服務不能靈活定制、網絡透明性逐漸喪失、網絡安全缺乏保障、軟/硬件實現(xiàn)越來越復雜、扭斗(tussle現(xiàn)象2日漸凸現(xiàn)和激化等。種種跡象表明,現(xiàn)階段以互聯(lián)網為代表的計算機網絡在表現(xiàn)出從未有過的興盛和繁榮的同時,其相應體系結構也

9、表現(xiàn)出從未有過的脆弱和不足。正確認識當前計算機網絡的現(xiàn)狀,深刻洞悉計算機網絡發(fā)展的趨勢,全方位重新審視計算機網絡體系結構的涵義,對于研究和建立滿足下一代網絡發(fā)展需求的新一代網絡體系結構,具有重要的參考價值和指導意義。因此,本文對以互聯(lián)網為代表的計算機網絡所面臨的發(fā)展現(xiàn)狀以及近年來計算機網絡研究的主要發(fā)展趨勢進行了總結和分析,并重點對“網絡體系結構”這個雖然重要但至今仍然未被嚴格定義的概念進行了全方位、多角度的深入剖析。1當前計算機網絡所面臨的主要問題考慮到今天的互聯(lián)網不僅具有規(guī)模巨大、用戶眾多、影響深遠和應用基本成功等諸多優(yōu)點,而且它也是目前唯一的一個可供參考的、覆蓋全球的、成功運行的、現(xiàn)實的

10、計算機網絡,因此本文對于當前計算機網絡所面臨現(xiàn)狀的討論主要以互聯(lián)網作為研究對象(同時也兼顧考慮了OSI/RM等較具代表性的網絡體系結構參考模型。如果從Klernrock在1961年首次發(fā)表論及“分組交換”理論的博士論文3算起,互聯(lián)網已經走過了40余年的研究、建設和發(fā)展歷程?；ヂ?lián)網之所以能夠取得成功,除了在其發(fā)展過程中所采取的一系列重大決策的正確與及時,以及其管理機構的相對健全和運營機制的比較合理等非技術因素以外,一個非常重要的原因就是得益于其體系結構的支持:靈活的分組交換技術、簡單的分層模型和開放的協(xié)議標準等。這些特點較好地適應了在互聯(lián)網發(fā)展初期主要以傳送離散型正文數據為基礎的各種簡單應用的需

11、求,因而有效地支持和促進了E2mail、Telnet、FTP等傳統(tǒng)互聯(lián)網應用類型的快速發(fā)展和廣泛普及。然而,自從20世紀90年代初WWW技術的出現(xiàn),以及美國NSF解除互聯(lián)網上的商3國家重點基礎研究發(fā)展973計劃資助項目(2003CB314801、國家自然科學基金資助項目(90604003。楊鵬博士,講師,研究方向為新一代網絡體系結構;顧冠群教授,博導,中國工程院院士,研究領域為計算機網絡。業(yè)限制以后,互聯(lián)網便進入了應用與服務的蓬勃發(fā)展階段,而傳統(tǒng)網絡體系結構的缺陷與不足也隨之逐漸顯露出來。1.1缺乏高效的資源控制能力已成為互聯(lián)網性能的瓶頸現(xiàn)有的互聯(lián)網體系結構在20世紀70、80年代就已基本建立

12、和大體成型,主要采用的是以“統(tǒng)計復用”(statistical multiplexing和“存儲2轉發(fā)”(store and forward為基礎的分組交換技術,網絡本身只提供“盡力而為”的數據傳輸服務,而把差錯處理、擁塞控制等復雜功能放到網絡端系統(tǒng)上去實現(xiàn)。在網絡資源的控制和管理方面,傳統(tǒng)互聯(lián)網體系結構并沒有引起高度重視,也沒有建立起在全網范圍內實施高效資源控制的可行方案和技術,因此它能夠為上層應用提供的服務質量支持相當有限,也非常簡單。然而,近年來由于人們日益增長的多樣化應用需求的驅動,在線點播、視頻會議、遠程教育等實時多媒體應用迅速發(fā)展,這就要求網絡必須能夠為這些實時多媒體應用系統(tǒng)提供在

13、帶寬、時延、抖動和差錯等方面的QoS保證,這時傳統(tǒng)互聯(lián)網就顯得越來越難以勝任。盡管人們先后提出了IntServ模型、Diff Serv模型、流量工程(Traffic Engineering等服務質量保證方案,并且展開了關于資源預留、接納控制、擁塞控制、流量整形、QoS路由、主動隊列管理AQM等多種服務質量實現(xiàn)機制的研究,然而這些在理論上看似非常完美、在試驗床上運行良好的方案,在互聯(lián)網廣域范圍內的實際部署卻并沒有像人們所預期的那樣完全取得成功,離真正解決傳統(tǒng)互聯(lián)網因缺乏高效資源控制能力而導致的服務質量問題尚有差距。1.2互聯(lián)網薄弱的服務定制能力已不能滿足用戶的需求傳統(tǒng)的計算機網絡研究比較偏重于將

14、計算機網絡視為能夠滿足互連、互通和互操作的通信基礎設施,研究的重點大多是圍繞網絡系統(tǒng)的連接、傳輸等相關的功能展開。但是,隨著互聯(lián)網自身發(fā)展步伐的逐漸加快,互聯(lián)網在人類社會中所扮演的角色也正在逐漸發(fā)生改變,它已經超越了傳統(tǒng)計算機網絡單純作為通信基礎設施的原初意義,而變成了支撐人類社會全面信息化的一個重要載體。但現(xiàn)在互聯(lián)網所能提供的少數幾種固定不變的服務,已經不能滿足人們日益增長的多樣化應用和服務需求,人們迫切希望互聯(lián)網能夠按照他們的個性化需求快速、靈活、高效、動態(tài)地提供各種網絡服務。但是,傳統(tǒng)的互聯(lián)網體系結構本身卻存在著許多缺點和不足,比如:協(xié)議棧比較固定、應用和服務模式相對單一、難以根據用戶的

15、需求進行動態(tài)變化等,因而已經不能適應在商業(yè)化運營環(huán)境中的互聯(lián)網發(fā)展要求。針對傳統(tǒng)互聯(lián)網體系結構在服務定制方面所存在的種種缺陷與不足,近年來研究人員們雖然已經開展了主動網4、可編程網5、Grid、Web Services等相關研究工作,但仍然還存在很多問題尚待解決。1.3在互聯(lián)網無信用的環(huán)境中提供用戶管理越來越困難早期的互聯(lián)網(即ARPAN ET是一個具有濃厚軍方背景的科研性質的網絡,其建設者和使用者多是一些高?；蚩蒲袡C構中受過良好教育的科研人員,彼此之間比較容易在信任關系、安全制度等方面達成共識和默契。因此在DARPA 關于互聯(lián)網的早期設計目標6中幾乎沒有考慮到關于用戶管理的問題,也沒有制定出

16、合理的全局性網絡安全保障方案。但是,隨著網絡規(guī)模的不斷擴大、用戶人數的不斷增多和應用領域的廣泛普及,互聯(lián)網的安全薄弱和信任缺失問題也日益彰顯。在無信用約束且沒有安全保障的現(xiàn)今互聯(lián)網環(huán)境中,各種各樣的問題(如垃圾郵件、網絡病毒、不良信息等都開始暴露無遺,嚴重影響和干擾了網絡的正常運行。事實上,這些問題都與傳統(tǒng)互聯(lián)網體系結構本身所普遍存在的種種脆弱性有關。當互聯(lián)網所仰賴的信任假設不再成立時,互聯(lián)網在為人們帶來越來越多便利的同時,也不可避免地面臨著越來越大的安全性考驗。盡管當前提出了RSA、DES、MD5、SHA等各種密碼算法和加密技術,IPSec、SSL/TSL、S2H T TP等網絡安全協(xié)議,以

17、及防火墻、入侵檢測(IDS等網絡安全檢測和防御技術,但它們并沒有為互聯(lián)網中日益凸現(xiàn)的安全問題帶來根本性的解決。如何在當前信用普遍喪失的互聯(lián)網中重構完整的網絡安全體系,以及如何建立起傳統(tǒng)互聯(lián)網中所欠缺的完備的用戶管理體系,從而為網絡安全、網絡計費、個人移動管理等提供良好的支持,是當前計算機網絡研究所面臨的巨大挑戰(zhàn)。2近年來計算機網絡演進與發(fā)展的主要趨勢網絡三大難題(即資源控制、服務定制和用戶管理的長期困擾以及扭斗現(xiàn)象的日漸凸現(xiàn),一直是近年來互聯(lián)網在演進與發(fā)展之路上極不和諧的伴音。文1的研究表明,傳統(tǒng)的網絡體系結構參考模型(包括OSI/RM和TCP/IP基本成型于上個世紀70、80年代,而由WWW

18、技術所引發(fā)的計算機網絡應用熱潮卻開始于上個世紀90年代,這必然導致傳統(tǒng)網絡體系結構在設計時所考慮的情況與具體的應用環(huán)境之間存在不一致性,這種不一致性恰恰是導致今天的互聯(lián)網面臨種種困境和挑戰(zhàn)的根源所在。于是,研究人員在千方百計彌補傳統(tǒng)網絡體系結構的缺陷與不足的同時,也開始展望和著手研究一些新型網絡體系結構。縱觀近年來國際和國內網絡研究界在改造傳統(tǒng)網絡體系結構和探索新型網絡體系結構這兩方面所做的種種努力,這些研究工作實質上已經反映出了當前關于互聯(lián)網演進與發(fā)展的兩個嶄新趨勢。2.1傳統(tǒng)互聯(lián)網中過于簡單的網絡核心功能應該得到適當增強隨著分組交換技術基礎地位的確立及TCP/IP協(xié)議的設計成功和廣泛實現(xiàn),

19、早期互聯(lián)網便基本上奠定了“核心簡單,邊緣智能”的體系結構格局。尤其是20世紀80年代初“端到端原則”(End2to2End Argument7的提出,進一步強化了“互聯(lián)網的核心應該盡量保持簡單,而把復雜的處理都放到端系統(tǒng)上去實現(xiàn)”的觀念。但是,隨著20世紀90年代初以來各種網絡應用和服務的蓬勃發(fā)展,傳統(tǒng)互聯(lián)網中核心網絡功能過于簡單的缺陷也開始逐漸引起人們的關注,近年來的許多研究工作實質上都在圍繞這一問題而展開。比如在InterServ/ RSV P模型中增設了確保服務(guaranteed service和負載受控服務(controlled2load service兩種QoS保證服務,它們都需

20、要在網絡中間結點引入接納控制、分組調度、流量整形等更多復雜的處理機制;主動網的研究則將移動代碼、主動控制和動態(tài)計算等技術引入到了核心網絡中,大大增加了路由器、交換機等網絡中間結點的計算能力和可編程能力;本世紀初Clark 等人展開了關于端到端原則的重新反思8,并提出了Knowl2 edge Plane9的概念,不但將更多的管理和控制功能納入到了互聯(lián)網中,而且指明未來的互聯(lián)網應該具有更多的智能認知能力。然而,應該引起注意的是,試圖僅僅通過改造核心網絡來直接滿足所有網絡上層應用需求的做法,已被實踐證明并不可行。由于應用的需求多種多樣、千變萬化,因此網絡中不太可能存在“one2size2fit2al

21、l”的技術10。另外,還應該注意到,如果所采取的措施不恰當或眼光不夠長遠,則不但不太可能解決眼前所遇到的問題,而且可能妨礙到網絡將來的發(fā)展,進而影響到整個互聯(lián)網演進過程的持續(xù)性和連貫性。例如近年來針對中間盒(middlebox問題所展開的諸多討論11就表明:在今天的互聯(lián)網中大量涌現(xiàn)出來的中介設備,雖然在一定程度上暫時緩解了傳統(tǒng)互聯(lián)網體系結構在功能和性能方面的某些緊張狀況,但同時隨之而來引發(fā)了許多新的問題和矛盾。2.2從服務角度來研究下一代網絡為互聯(lián)網帶來新的發(fā)展契機像互聯(lián)網這樣規(guī)模十分龐大的分布式系統(tǒng),將不可避免地面臨異構性、開放性、安全性、并發(fā)性、可縮放性等方面的諸多挑戰(zhàn),因此從位于核心網絡

22、之上且分布于網絡邊緣的互聯(lián)網端系統(tǒng)入手,致力于研究互聯(lián)網如何為用戶提供各種各樣的服務,以及如何用這些服務來支持和開發(fā)各種特定網絡應用的分布計算技術,便逐漸成為了互聯(lián)網研究中的一個重要分支和領域。在過去的二三十年中,逐步發(fā)展起來了諸如進程間通信、遠程調用、分布式命名、分布式文件系統(tǒng)、容錯和備份、分布式事務處理等一系列與分布式系統(tǒng)有關的理論和技術12,從而大大增強了互聯(lián)網的服務能力和豐富了互聯(lián)網的服務類型。從早期互聯(lián)網在端系統(tǒng)所提供的最基本的網絡傳輸服務(如Socket和XTI這類網絡A PI,到其后應運而生的中間件(middleware技術(其早期代表是RPC和DCE,再到20世紀80年代后期開

23、始出現(xiàn)的分布對象計算DOC(Dis2 tributied Object Computing技術(其主流有CORBA、COM/ DCOM、Java RMI等,它們不但使互聯(lián)網的服務類型、服務方式得到了充分擴展,而且使互聯(lián)網的服務提供、服務定制和服務集成能力也得到了顯著增強。隨著分布計算領域研究的逐漸深入以及相關支持技術的日趨成熟,網絡研究人員繼續(xù)沿著從網絡端系統(tǒng)入手來增強互聯(lián)網服務提供能力的思路,將研究視野和研究方法進行了更加充分地拓展,相關研究工作基本上涵蓋了近年來計算機網絡領域一些重要的研究熱點,包括覆蓋網(Overlay Net2 works13、Grid、Web Services等。比如

24、:覆蓋網主要采取以Overlay組網的方式,由網絡端系統(tǒng)在下層核心網絡之上構建一個能夠提供各種特定服務的虛擬網絡;網格試圖將地理上分布的大量有用資源(包括各種計算資源、通信資源、信息資源等通過互聯(lián)網進行高效整合,并以網絡服務的方式透明地提供給網絡用戶使用;而Web Services則關注了互聯(lián)網的服務本質,著力研究通過標準的網絡協(xié)議和數據格式來描述、發(fā)布、定位和調用網絡服務等。上述這些研究工作實際上已經表明,現(xiàn)代計算機網絡研究的重點正在從通信向服務進行躍遷,從服務角度來研究下一代網絡已經為互聯(lián)網帶來了新的發(fā)展契機。3全方位重新認識計算機網絡體系結構的涵義前面對于計算機網絡發(fā)展現(xiàn)狀的分析以及文1

25、的研究表明:基本上沿襲了傳統(tǒng)網絡體系結構舊制的現(xiàn)行網絡體系結構,與已經發(fā)生改變的應用環(huán)境之間的矛盾正變得越來越尖銳和激化。當前計算機網絡發(fā)展所面臨的嚴峻現(xiàn)實,迫使我們不得不回過頭來更加深刻地反思計算機網絡體系結構的本質和內涵,以期為研究和建立滿足下一代網絡發(fā)展需求的新一代網絡體系結構提供參考、借鑒和指導。然而,盡管“網絡體系結構”是在計算機網絡及其相關研究領域中幾乎隨處可見的高頻用詞,但這一名詞至今仍然沒有一個普遍認可的嚴格定義。人們往往出于各種不同的研究目的和表述需要,將名詞“網絡體系結構”或抽象或具體、或理性或感性、或寬泛或窄化地廣泛應用于涉及到計算機網絡的各種不同場合。那么,究竟應該怎樣

26、系統(tǒng)、完整、全面地理解和把握網絡體系結構這個雖然重要但至今仍未被嚴格定義的概念呢?事實上,研究界歷來對此存有各種不同的看法,例如:McCabe 認為網絡體系結構是設計和構造一個網絡的藝術14,Tanen2baum認為網絡體系結構是分層和協(xié)議的集合15,Peterson 等人認為網絡體系結構是指導網絡設計與實現(xiàn)的通用藍圖16,而Clark等人則認為網絡體系結構是指導網絡技術設計(尤其是協(xié)議、機制和算法的設計的一組抽象設計原則17等。其中,Tanenbaum的觀點比較被廣大的計算機網絡研究人員所認同,一方面是因為OSI/RM的設計思想和TCP/IP 參考模型的協(xié)議實現(xiàn)對研究人員產生了根深蒂固的巨大

27、影響,另一方面是因為談論分層和協(xié)議這種“有形”的概念較容易被人們所接受。但是,我們認為,如果僅將網絡體系結構理解為分層和協(xié)議的集合,一方面可能讓人陷入到過于繁瑣的技術細節(jié)當中(結果往往是只見樹木,難見森林,另一方面也不太可能看到單純采用嚴格的結構分層原則所帶來的種種弊端(事實上結構分層原則僅僅是傳統(tǒng)網絡體系結構的眾多設計原則之一,并且它本身正在面臨諸多挑戰(zhàn)1。因此,不能夠不加修改地將嚴格的結構分層原則直接應用于新一代網絡體系結構的設計當中。綜合考慮計算機網絡的發(fā)展歷史和現(xiàn)狀,本文認為對“網絡體系結構”這一名詞的全面理解和正確把握,必須注意到網絡體系結構概念的如下六個方面涵義。3.1網絡體系結構

28、具有統(tǒng)領所有計算機網絡研究的普適性人們研究和建設計算機網絡時,盡管可能在具體需求目標和側重點上存在一些差異,但基本上都是為了突破地理上的限制,通過多機聯(lián)網實現(xiàn)遠程通信和資源共享等。同時,盡管各種計算機網絡在通信介質、拓撲結構、布網范圍、協(xié)議標準、設備類型等諸方面都千差萬別,但是計算機網絡必然存在許多共性,比如它們一般都會涉及到通信線路的復用方式、交換與路由技術、傳輸過程中的查錯與糾錯、流量的控制以及擁塞的處理、網絡資源的管理與分配、總體結構的層次劃分等概念。傳統(tǒng)網絡體系結構的一個重要研究領域就是致力于研究關于計算機網絡的這些帶普遍性和共性的內容14,16,17,由此而建立起了對于整個計算機網絡

29、的研究和建設都具有普適性的一套系統(tǒng)、科學的理論方法,以及一系列切實、可行的工程技術方法。為敘述方便,我們將傳統(tǒng)網絡體系結構的這部分研究工作稱為通用網絡體系結構研究。概括起來,通用網絡體系結構研究主要包括以下幾方面的內容1,17(字母A代表aspect:A1關于網絡系統(tǒng)構成要素及功能的研究;A2關于網絡中命名、編址和路由的研究;A3關于網絡協(xié)議設計和構造方法的研究;A4關于網絡系統(tǒng)中的狀態(tài)和功能部署位置的研究;A5關于資源的管理、控制和分配的研究;A6關于網絡的功能、性能和管理的研究等。3.2網絡體系結構具有針對某一特定計算機網絡的特指性當然,網絡體系結構也并不是一個完全空泛的概念,因為任何網絡

30、體系結構最終必然要落實到某一個具體的網絡系統(tǒng),才能使其具有現(xiàn)實的指導意義。由于各種特定計算機網絡系統(tǒng)在需求目標和側重點上的差異性,使得某一特定計算機網絡系統(tǒng)所對應的具體網絡體系結構,必然會在具有通用網絡體系結構研究共性的同時,又具有其自身鮮明的特殊性(即個性,也即是說網絡體系結構通常具有專門針對它所考慮的特定計算機網絡系統(tǒng)的特指性。總的來講,對于具體網絡系統(tǒng)的網絡體系結構而言,其主要研究任務就是要將人們關于通用網絡體系結構研究所得到的一些普適性原理、技術和方法,運用到具有特定需求目標的某種具體網絡系統(tǒng)的相關研究中來,從而最終形成專門針對這一具體網絡系統(tǒng)的特定網絡體系結構。比如,在計算機網絡的發(fā)

31、展歷程中,已經產生過許多不同類型的網絡體系結構,如IBM提出的系統(tǒng)網絡體系結構SNA、DEC提出的數據網絡體系結構DNA 、ISO 提出的開放系統(tǒng)互連OSI 參考模型、以及互聯(lián)網所采用的TCP/IP 參考模型等。所有這些網絡體系結構在研究背景、總體結構、層次劃分、構成元素、組網形式、通信協(xié)議等方面都存在或多或少的差異。3.3網絡體系結構具有區(qū)別于網絡具體實現(xiàn)技術的抽象性由于網絡體系結構是對某種網絡系統(tǒng)的所有相關研究內容的總體概括,因此較之于各種具體的網絡實現(xiàn)技術而言,它更加具有概念上的抽象性和廣延性。這一點在OSI 網絡體系結構中得到了充分體現(xiàn),它所采用的通用七層模型和一系列抽象建模概念,已廣

32、泛用于指導各種網絡協(xié)議算法、網絡操作系統(tǒng)等具體實現(xiàn)技術的設計和開發(fā)?？梢?網絡體系結構是在一個較高的角度上全面聯(lián)系某一特定網絡系統(tǒng)的研究和建設中方方面面內容的經緯,它將所有這些內容全面、系統(tǒng)、有機地組織在一起,從而使針對這一特定網絡系統(tǒng)的所有相關研究形成一個統(tǒng)一的整體。另外,從目前計算機網絡研究領域對于名詞“網絡體系結構”的使用情況來看,在觀念和指向上還存在著涵蓋范圍大小的差異,比如既有涵蓋范圍極廣、幾乎包羅整個網絡系統(tǒng)的“OSI 網絡體系結構”、“互聯(lián)網體系結構”,也有涵蓋范圍相對較小或僅關注整個網絡系統(tǒng)的某些方面內容的“Diff Serv 體系結構”18、“互聯(lián)網安全體系結構”19等。現(xiàn)實

33、中人們對于網絡體系結構在觀念和指向上的差異性,可以從宏觀和微觀兩個層次全面把握。宏觀意義上的網絡體系結構,是指針對某一特定網絡系統(tǒng)的體系結構需求目標而提出的一系列具有指導意義的抽象設計原則及網絡總體結構規(guī)約,一般它們比具體的網絡實現(xiàn)技術更抽象、更通用和更長效。而微觀意義上的網絡體系結構,則比較注重特定網絡系統(tǒng)的某些部分或某些方面,它一般從子系統(tǒng)的整體入手,規(guī)定其中各個組成部分以及各部分之間的邏輯關系等。關于特定具體網絡系統(tǒng)完整意義上的網絡體系結構,必然是其宏觀網絡體系結構和微觀網絡體系結構的統(tǒng)一。3.4網絡體系結構具有從需求目標開始前后連貫的過程性傳統(tǒng)上人們對于某一具體網絡系統(tǒng)的網絡體系結構的

34、理解,往往是站在一個相對靜止的時間點(比如說,在制定該網絡體系結構的相關規(guī)范和標準的時候,或者認識主體在對該網絡體系結構進行認識的當時上,并且主要是從該網絡體系結構已制定的規(guī)范、已采用的技術和已實現(xiàn)的協(xié)議等少數幾個方面去認識。換言之,通常人們總是習慣于(自覺或不自覺地把某一特定網絡體系結構視為是由許多業(yè)已制定的相關技術規(guī)范和協(xié)議標準等所組成的文檔集合。與這種慣常理解方式所不同的是,本文特別強調網絡體系結構是一個過程性的概念。因為針對某一特定網絡體系結構的相應規(guī)范和標準,其制定并非朝夕之功,它們一定是在某一特定的歷史背景之下,出于對某些特定需求目標的考慮,然后在某些設計原則的指導之下逐步制定的。

35、而這些規(guī)范和標準的實施同樣也是一個過程,并且實施的過程必然會產生一系列具體的技術、方法以及相應的網絡體系結構特征,這些內容也理應成為這一網絡系統(tǒng)的體系結構的重要組成部分。同時,制定和實施了某些規(guī)范和標準以后,相應網絡系統(tǒng)的體系結構還必然會繼續(xù)不斷地向前發(fā)展。 圖1網絡體系結構認知框架因此,我們認為任何具體網絡系統(tǒng)的網絡體系結構都是一個過程性的、持續(xù)漸進發(fā)展的概念,對這一概念的全面認識和正確理解也應該站在縱觀其整個發(fā)展歷史的立場上。為此,我們提出了一個全面把握網絡體系結構概念的“網絡體系結構認知框架”,見圖1?！熬W絡體系結構認知框架”揭示了這樣的事實:任一特定具體網絡系統(tǒng)都將首先考慮并確定其特定

36、的需求目標,然后由這些需求目標導引出若干與之相適應的網絡體系結構設計原則(此即宏觀意義上的網絡體系結構,最后在這些網絡體系結構設計原則的指導之下進行具體的網絡體系結構設計、實現(xiàn)以及演化發(fā)展(通常,制定和頒布相應的網絡體系結構規(guī)范和技術標準等就在這一階段等?！熬W絡體系結構認知框架”實際上反映出網絡體系結構是一個從需求目標開始的、過程前后連貫的、各個認知階段之間存在緊密邏輯關系的、各相關內容要素之間存在內在有機聯(lián)系的系統(tǒng)概念。傳統(tǒng)上對于某一具體網絡系統(tǒng)的網絡體系結構的認識,多數情況下只是“網絡體系結構認知框架”所反映的過程中的一環(huán)。3.5網絡體系結構是一個時刻處在不斷演化中的發(fā)展概念回顧計算機網絡

37、的發(fā)展歷史,在不同的發(fā)展階段,網絡體系結構研究所關注的重點并不完全相同。在計算機網絡發(fā)展的最初階段,網絡體系結構的研究目標是實現(xiàn)具有同構系統(tǒng)兼容能力、易于同構系統(tǒng)互連的自封閉網絡系統(tǒng)。但由于這類網絡體系結構難以實現(xiàn)各種異構網絡系統(tǒng)之間的互連,所以制約了計算機網絡的進一步發(fā)展。為解決異構網絡系統(tǒng)的互連問題,Kahn 在20世紀70年代初提出了“open 2architec 2ture networking ”思想20,之后ISO 又專門針對異構計算機網絡系統(tǒng)的互連問題制定了OSI/RM 。但這一階段的網絡體系結構研究,基本上仍然視計算機網絡為一種通信基礎設施,而對于互連網絡系統(tǒng)面向應用和服務的特

38、性則關注不夠。20世紀90年代以后,各種新興網絡應用和服務大量涌現(xiàn)并蓬勃發(fā)展,計算機網絡的發(fā)展便進入了面向應用和服務的嶄新階段。與此同時,傳統(tǒng)網絡體系結構對計算機網絡發(fā)展的不適應性也便開始逐漸顯現(xiàn),集中地表現(xiàn)為扭斗困境和網絡3大難題。于是,在這一發(fā)展階段的網絡體系結構研究中,人們更多地關注了計算機網絡的應用和服務需求,開始注意到應該站到全球信息基礎設施的高度來看待和研究互聯(lián)網?？梢?網絡體系結構并不是一個一經建立就一成不變的靜態(tài)概念,而是一個時刻處在不斷演化中的動態(tài)發(fā)展概念,這主要是因為計算機網絡所處的環(huán)境、所面臨的矛盾都在時刻不停地發(fā)展變化,因而相應的網絡體系結構研究也必然要適應這種變化和反

39、映這種變化。比如互聯(lián)網中的信任問題就是很好的例子(見1.3節(jié),今天信任、安全和用戶管理等問題已成為新時期互聯(lián)網體系結構研究的主要關注內容2,8。所以,對于網絡體系結構的理解和分析必須具有發(fā)展的眼光,才可能對計算機網絡的現(xiàn)狀形成全面深刻的認識,從而發(fā)現(xiàn)傳統(tǒng)計算機網絡體系結構的局限性,并找到合理可行的解決辦法。3.6網絡體系結構是一個具有豐富內涵和外延的系統(tǒng)概念作為一門涉及內容多、涵蓋領域廣、知識跨度大的新興學科,計算機網絡與其他多門學科之間存在緊密的相關性、依賴性和交叉性,而網絡體系結構是包羅和統(tǒng)領計算機網絡研究方方面面內容的重要概念。隨著計算機網絡的飛速發(fā)展,與網絡體系結構相關的研究現(xiàn)已延伸和

40、拓展到了經濟學、物理學、生物學、系統(tǒng)科學、社會科學等多種學科和領域,網絡體系結構已經成為一個具有豐富內涵和外延的系統(tǒng)概念,如圖2(改自文14所示。尤其是今天的互聯(lián)網已演變成一個覆蓋全球的巨型人造系統(tǒng),對互聯(lián)網各種表觀現(xiàn)象及相應內在本質規(guī)律的深刻認識、對描述網絡系統(tǒng)的一些傳統(tǒng)理論模型合理性的重新審視、對新的更能準確反映計算機網絡系統(tǒng)本質的理論及模型的探索等,已經成為了近年來與網絡體系結構相關研究領域中的新的熱點。 圖2網絡體系結構概念具有豐富的內涵和外延比如,就計算機網絡流量模型理論而言,近年來研究人員在探求網絡流量特征及其突發(fā)性本質時發(fā)現(xiàn),網絡的流量特征與網絡的性能、擁塞控制機制以及資源分配機

41、制有著密切的關系21,Poisson 模型并不能真實反映計算機網絡的流量特性,以太網流量22、廣域網流量23、視頻流24、Web 流量25等都具有統(tǒng)計自相似性(self 2similar nature 。再者,近年來人們展開了關于網絡拓撲模型、網絡性能模型、網絡行為模型等的研究,包括復雜網絡系統(tǒng)建模、網絡成長性分析、網絡性能模型的建模、網絡行為的仿真、網絡穩(wěn)定性分析等。例如,為描述像互聯(lián)網這類超大規(guī)模復雜系統(tǒng),Carlson 和Doyle 等人提出了HO T (Highly Optimized Tolerance 26模型;而最近關于復雜網絡(complex network 27,28的研究表

42、明,看似無序發(fā)展的互聯(lián)網,實則由其背后深刻的網絡動力學規(guī)律所支配,具有無尺度(scale 2f ree 特征的互聯(lián)網同時表現(xiàn)出具有健壯性和脆弱性的雙重特性29。上述這些研究課題真實地反映出網絡體系結構概念豐富而深刻的系統(tǒng)性,其中每一課題的研究進展都可能促進整個網絡體系結構研究的發(fā)展。因此,必須將網絡體系結構各個部分/方面的研究綜合起來,以發(fā)展的眼光和系統(tǒng)的觀點來看待,既不能囿于傳統(tǒng)網絡體系結構研究的思路、觀點和方法,也不能完全撇開數十年來人們在傳統(tǒng)網絡體系結構研究中所取得的若干重要成果和所積累的大量寶貴經驗,只有各課題不斷地彼此借鑒和相互促進,才能共同促成整個網絡體系結構研究持續(xù)、協(xié)調、穩(wěn)定地

43、向前發(fā)展。結束語本文首先對當前以互聯(lián)網為代表的計算機網絡所面臨的發(fā)展現(xiàn)狀進行了總結和分析,然后通過綜述近年來研究界在改造傳統(tǒng)網絡體系結構和探索新型網絡體系結構等方面所做的一些研究努力,對近年來以互聯(lián)網為代表的計算機網絡的演進與發(fā)展趨勢進行了概括。另外,考慮到目前人們對網絡體系結構這一重要概念還存在一些含混、模糊和片面的認識,因此本文重點對網絡體系結構的涵義進行了全方位、多角度地深入剖析。MIT 的Clark (網絡體系結構研究權威、端到端原則的主要提出者一直主張從哲學(Philosophy 的角度,借助于哲學的思辨和抽象來研究網絡體系結構,并專門為此撰寫了一系列文章7,6,30,17,8,2,

44、9,31,強調從設計原則(principle 的高度來抽象地理解網絡體系結構17。類似的研究觀點也反映在Lampson 32、Carpenter 33、Braden 34、Bush 35、Floyd 36、Kempf 11等的研究中。我們認為,由于網絡體系結構既具有統(tǒng)領所有計算機網絡研究的普適性,又具有區(qū)別于網絡具體實現(xiàn)技術的抽象性,因此從探尋抽象哲理和設計原則的角度來理解和研究網絡體系結構確實有其合理的一面;但是,體系結構設計原則并不是網絡體系結構研究的全部,因為網絡體系結構不但是一個時刻處在不斷演化中的發(fā)展概念,而且是一個具有豐富內涵和外延的系統(tǒng)概念,它在具有普適性和抽象性的同時,還具有針

45、對某一特定計算機網絡的特指性,和從需求目標開始前后連貫的過程性。為此,本文專門提出了一個全面把握網絡體系結構概念的“網絡體系結構認知框架”,強調對任何一個具體網絡系統(tǒng)的網絡體系結構的研究,都應該遵循“從網絡系統(tǒng)的需求目標、到體系結構設計原則、再到具體的網絡系統(tǒng)實現(xiàn)”的認知路線。本文的研究結論為計算機網絡體系結構的研究提供了系統(tǒng)、全面的方法學指導,相關研究方法已經被應用于指導我們關于新一代網絡體系結構的研究,且已產生了較好的實際效果。參考文獻2Clark D ,Wroclawski J ,Sollins D ,et al.Tussle in Cyberspace :defining tomorr

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56、, 推 導 Huber2 SV R 中的參數 與拉斯噪聲和均勻噪聲之間均呈近似線性 關系 ,這一理論推導結果也與實驗結果相吻合 .由于高斯噪 聲, 拉斯噪聲和均勻噪聲的典型性 ,在文 4 ,5 的基礎上 ,綜合 理論和實驗兩方面結果 ,可以進一步得 Huber2SV R 的參數與 輸入噪聲間呈近似線性關系這個更為一般的結論 .這一結論 可以為魯棒的 Huber2SV R 的參數選擇提供更完善的理論依 據. ( 上接第 5 頁 圖4 均勻噪聲下與間的近似線性關系 參 考 文 獻 1 Gao J B , Gunn S R , Ham ' C J . A probabilistic f ra

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