1.5 计算机网络技术发展趋势

人们常用C&C(computer and communication)来描述计算机网络,但从系统观点看,这还很不够,计算机和通信系统是计算机网络中非常重要的基本要素,但计算机网络并不是计算机和通信系统的简单结合,也不是计算机或通信系统的简单扩展或延伸,而是融合了信息采集、存储、传输、处理和利用等一切先进信息技术,是具有新功能的新系统。因此,对于现代计算机网络的研究和分析,应该特别强调“计算机网络是系统”的观点,站在更高的高度来重新认识计算机网络结构、性能及网络工程技术和网络实际应用中的重要问题,便于把握计算机网络的发展趋向。

1.计算机网络的支撑技术

从系统的观点看,计算机网络是由单个结点和连结这些结点的链路所组成。单个结点主要是连入网内的计算机以及负责通信功能的结点交换机、路由器,这些设备的物理组成主要是集成电路,而集成电路的一个重要支撑就是微电子技术。网络的另一个组成部分就是通信链路,负责所有结点间的通信,通信链路的一个重要支撑就是光电子技术。为了对计算机网络的发展有所把握,我们首先要对计算机网络的两个重要的支撑技术,即微电子技术和光电子技术进行简要介绍。

微电子技术的发展是信息产业发展的基础,也是驱动信息革命的基础。其发展速度可用摩尔定理来预测,即微电子芯片的计算功能每18个月提高一倍。这一发展趋势到2010年趋于成熟,那时芯片最多可包含1010个元件,理论上的物理极限是每个芯片可包含1011个元件。对于典型的传统逻辑电路,每个芯片可包含的元件数少于108到109个。每个芯片的实际元件数可能因经济上的限制而低于物理上的极限值。自1980年以来,微处理器的速度一直以每5年10倍的速度增长。PC的处理能力在2000年达103MIPS(Million Instructions Per Second),预测在2011年可达105MIPS。Metcalfe定理用于预测网络性能的增长,该定理预测网络性能的增长是连到网上的PC能力的平方。这表示网络带宽的增长率是每年3倍。不久的将来会出现每秒1015位的网络带宽需求。新的微电子工艺正在开发一种称为Cu(铜)的芯片技术,其具有低阻抗、低电压、高计算能力特点。IBM研制的第一块Cu芯片,其运行频率可达到400M～500MHz,包含150M～200M个晶体管。另一种用紫外平面印刷技术的EUV(Extreme Ultraviolet Radiation)工艺是0.1微米的新一代的芯片制造技术,目前Intel、AMD、Motorola均提供巨额经费进行研究。Intel有望在2011年能生产每个芯片包含109个晶体管的产品。

驱动信息革命的另一个支撑技术是光电子技术。光电子技术是一个较为庞大的领域,可应用于信息处理的各个环节,这里我们讨论的是在信息传输中的光电子技术——光纤通信。评价光纤传输发展的标准是,传输的比特率和信号需要再生前可传输距离的乘积。在过去10年间,该性能每年翻一番,这种增长速度可望持续10到15年。第一代光纤传输使用0.8μm波长的激光器,传输速率可达280Mbps。第二代光纤使用1.3μm波长的激光器和单模光纤,传输速率可达560Mbps。第三代光纤使用单频1.5μm波长的激光器和单模光纤。目前使用的第四代光纤采用光放大器,数据传输率可达10G～20Gbps。随着光发大器的引入,它给光纤传输带来了突破性的进展。而波分复用技术对于传输容量的提高有极大影响,如一个40Gbps的系统能在同一光纤中传送16种波长的信号,每一波长速率为2.5Gbps。因为允许所有波长同时放大,所以光放大器能提供很大的容量。在单芯光纤上传输100Gbps含40种波长的商用系统已在2000年实现,可同时传送100万个话音信号和1500个电视频道。

2.计算机网络的关键技术

上面我们从系统物理组成的角度分析了计算机网络的发展趋势,下面我们再从系统的层次结构对计算机网络进行分析。计算机网络的发展方向将是IP技术+光网络,光网络将会演进为全光网络。从网络的服务层面上看将是一个IP的世界;从传送层面上看将是一个光的世界;从接入层面上看将是一个有线和无线的多元化世界。因此,从计算机网络系统的结构上看,目前比较关键的技术主要有软交换技术、IPv6技术、光交换与智能光网络技术、宽带接入技术、3G以上的移动通信系统技术等。

(1)软交换技术

从广义上讲,软交换是指一种体系结构。利用该体系结构建立下一代网络框架,主要包含软交换设备、信令网关、媒体网关、应用服务器、综合接入设备等等。从狭义上讲,软交换是指软交换设备,其定位是在控制层。它的核心思想是硬件软件化,通过软件的方式来实现原来交换机的控制、接续和业务处理等功能。各实体之间通过标准的协议进行连接和通信,以便于在下一代网络中更快地实现有关协议及更方便地提供服务。

软交换技术作为业务/控制与传送/接入分离思想的体现,是下一代网络体系架构中的关键技术之一,通过使用软交换技术,把服务控制功能和网络资源控制功能与传送功能完全分开。根据新的网络功能模型分层,计算机网络将分为接入与传输层,媒体层,控制层,业务/应用层(也叫网络服务层)四层,从而可对各种功能作不同程度的集成。

通过软交换技术能把网络的功能层分离开,并通过各种接口规约(规程公约的简称),使业务提供者可以非常灵活地将业务传送和控制规约结合,实现业务融合与业务转移,非常适用于不同网络并存互通的需要,也适用于从话音网向数据网和多业务多媒体网演进。引入软交换技术的切入点随运营商的侧重点而异,通常从经济效果比较突出的长途局和汇接局开始,然后再进入端局和接入网。http://www.upzxt.com

(2)IPv6技术

未来的计算机网络是基于IPv6技术的网络。现有的IPv4技术在地址空间方面有很大的局限性,已成为网络发展的最大障碍。此外,IPv4在服u盘装系统步骤务质量,传送速度,安全性,支持移动性与多播等方面也有局限性,这些局限性妨碍网络的发展,使许多服务与应用难以开展。因此,在IPv6的设计过程中除了要根本解决地址短缺问题外,还要考虑在IPv4中解决不好的许多问题,例如提高网络吞吐量,改善服务质量,提高安全性,支持即插即用和移动性,更好地实现多播功能等。IPv6将使网络上升到一个新台阶,并将在发展过程中不断地完善。

(3)光交换与智能光网络技术

尽管波分复用光纤通信系统有巨大的传输容量,但它只提供了原始带宽,还需要有灵活的光网络结点实现更加有效与更加灵活的组网能力。当前组网技术正从具有上下光路复用(OADM,Optical Add/Drop Multiplexer)和光交叉连接(OXC,Optical Cross Connect)功能的光联网向由光交换机构成的智能光网络发展;从环形网向网状网发展;从光——电——光交换向全光交换发展。即在光联网中引入自动波长配置功能,也就是自动交换光网络(ASON, Automatic Switched Optical Network),使静态的光联网走向动态的光联网。其主要特点是:允许将网络资源动态的分配给路由;缩短业务层升级扩容的时间;显著增大业务层结点的业务量负荷,快速的业务提供和拓展;降低运营维护管理费用;具备光层的快速反应和业务恢复能力;也减少了人为出错的机会;还可以引入新的业务类型,例如按带宽需求分配业务,波长批发和出租,动态路由分配,光层虚拟专用网等;还具有可扩展的信令能力,提高了用户的自助性;提高了网络的可扩展性和可靠性等;总之,智能光网络将成为今后光通信网的发展方向和市场机遇。

(4)宽带接入技术

计算机网络必须要有宽带接入技术的支持,各种宽带服务与应用才有可能开展。因为只有接入网的带宽瓶颈问题被解决,核心网和城域网的容量潜力才能真正发挥。尽管当前宽带接入技术有很多种,但只要是不和光纤或光结合的技术,就很难在下一代网络中应用。目前光纤到户(FTTH,Fiber To The Home)的成本已下降至每户100～200美元,即将为多数用户接受。这里涉及两个新技术,一个是基于以太网的无源光网络(EPON,Ethernet Passive Optical Network)的光纤到户技术,一个是自由空间光系统(FSO,Free Space Optical)。

EPON是把全部数据都装在以太网帧内传送的网络。EPON的基本作法是在G.983的基础上,设法保留物理层PON(Passive Optical Network),而用以太网代替ATM(Asynchronous Transfer Mode)作为数据链路层,构成一个可以提供更大带宽,更低成本和更多更好业务能力的结合体。现今95%的局域网都是以太网,故将以太网技术用于对IP数据最佳的接入网是非常合乎逻辑的。由EPON支持的光纤到户,现正在异军突起,它能支持千兆比特的数据并且不久的将来成本会降到与数字用户线路(DSL,Digital Subscriber Line)和光纤同轴电缆混合网(HFC,Hybrid Fiber Cable)相同的水平。

FSO技术是通过大气而不是光纤传送光信号,它是光纤通信与无线电通信的结合。FSO技术能提供接近光纤通信的速率,例如可达到1Gbps,它既在无线接入带宽上有了明显的突破,又不需要在稀有资源无线电频率上有很大的投资,因为不要许可证。FSO和光纤线路比较,系统不仅安装简便,时间少很多,而且成本也低很多,大概是光纤到大楼成本(100000～300000美元)的1/3～1/10。FSO现已在企业和居民区得到应用。但是和固定无线接入一样,易受环境因素干扰。

(5)3G以上的移动通信系统技术

3G系统比现用的2G和2.5G系统传输容量更大,灵活性更高,它以多媒体业务为基础,已形成很多的标准,并将引入新的商业模式。3G以上包括后3G,4G,乃至5G系统,它们将更是以宽带多媒体业务为基础,使用更高更宽的频带,传输容量会更上一层楼。它们可在不同的网络间无缝连接,提供满意的服务;同时网络可以自行组织,终端可以重新配置和随身携带,是一个包括卫星通信在内的端到端的IP系统,可与其它技术共享一个IP核心网。它们都是构成下一代移动互联网的基础设施。

此外3G必将与IPv6相结合。欧盟认为,IPv6是发展3G的必要工具。制定3G标准的3GPP组织于2000年5月已经决定以IPv6为基础构筑下一代移动通信网,使IPv6成为3G必须遵循的标准。

3.计算机网络研究热点

(1)下一代Web研究

下一代的Web研究涉及4个重要方向:语义互联网、Web服务、Web数据管理和网格。语义互联网是对当前Web的一种扩展,其目标是通过使用本体和标准化语言,如XML,RDF(Resource Description Framework)和DAML(DARPA Agent Markup Language),使Web资源的内容能被机器理解,为用户提供智能索引,基于语义内容检索和知识管理等服务。Web服务的目标是基于现有的Web标准,如XML,SOAP(Simple Object Access Protocol),WSDL(Web Services Description Language)和UDDI(Universal Description, Discovery and Integration),为用户提供开发配置、交互和管理全球分布的电子资源的开放平台。Web数据管理是建立在广义数据库理解的基础上,在Web环境下,实现对信息方便而准确的查询与发布,以及对复杂信息的有效组织与集成。从技术上讲,Web数据管理融合了WWW技术、数据库技术、信息检索技术、移动计算技术、多媒体技术以及数据如何用u盘装xp系统挖掘技术,是一门综合性很强的新兴研究领域。网格计算初期主要集中在高性能科学计算领域,提升计算能力,并不关心资源的语义,故不能有效的管理知识,但目前网格已从计算网络发展成为面向服务的网格,语义就成为提供有效服务的主要依据。

(2)网络计算

网络已经渗透到我们工作和生活中的每个角落,Internet将遍布世界的大型和小型网络连接在一起,使它日益成为企事业单位和个人日常活动不可缺少的工具。Internet上汇集了大量的数据资源、软件资源和计算资源,各种数字化设备和控制系统共同构成了生产、传播和使用知识的重要载体。信息处理也已步入网络计算(Network Computing)的时代。

目前,网络计算还处于发展阶段。网络计算有四种典型的形式:企业计算、网格计算(Grid Computing)、对等计算(P2P, Peer-to–Peer Computing)和普适计算(Ubiquitous Computing)。其中P2P与分布式已成为当今计算机网络发展的两大主流,通过分布式,将分布在世界各地的计算机联系起来;通过P2P又使通过分布式联系起来的计算机可以方便的相互访问,这样就充分利用了所有的计算资源。并且网络计算的主要实现技术也已从底层的套接字(Socket)、远程过程调用(RPC,Remote Procedure Call),发展到如今的中间件(Middleware)技术。

(3)业务综合化

所谓业务综合化,是指计算机网络不仅可以提供数据通信和数据处理业务,而且还可提供声音、图形、图像等通信和处理业务。业务综合化要求网络支持所有的不同类型和不同速率的业务,如话音、传真等窄带业务;广播电视,高清晰度电视等分配型宽带业务;可视电话、交互式电视、视频会议等交互型宽带业务;高速数据传输等突发型宽带业务等等。为了满足这些要求,计算机网络需要有很高的速度和很宽的频带。例如,一幅640×480中分辨度的彩色图像的数据量为7.37Mb/帧。即便每秒传输一帧这样的图像,则网络传输率要大于7.37Mbps方可,假如要求实现图像的动态实时传输,网络传输速率还应增加十倍。

业务综合化带来多媒体网络。一般认为凡能实现多媒体通信和多媒体资源共享的计算机网络,都可称为多媒体计算机网。它可以是局域网、城域网或广域网。多媒体通信是指在一次通信过程中所交换的信息媒体不只一种,而是多种信息媒体的综合体。所以,多媒体通信技术是指对多媒体信息进行表示、存贮、检索和传输的技术。它可以使计算机的交互性、通信的分布性、电视的真实性融为一体。

(4)移动通信

便携式智能终端(PCS,Personal Communication System)可以使用无线技术,在任何地方以各种速率与网络保持联络。用户利用PCS进行个人通信,可在任何地方接收到发给自己的呼叫。PCS系统可以支持语音、数据和报文等各种业务。PCS网络和无线技术将大大改进人们的移动通信水平,成为未来信息高速公路的重要组成部分。

随着增加频谱、采用数字调制、改进编码技术和建立微小区和宏小区等措施,在未来十年里,无线系统的容量将增加1000倍以上。而且系统的容量通过动态信道分配技术将得到进一步的增长。利用自适应无线技术,将由电子信息组成的无线电波信号发送到接收方,并将其它的干扰波束清除,从而可降低干扰,提高系统的容量和质量。

第一代无线业务分为两类:一类是蜂窝/PCS广域网,提供语音业务,工作在窄带,服务区被分为宏小区;第二类是无线局域网,工作于更宽的带宽,提供本地的数据业务。新一代的无线业务将包括新的移动通信系统和宽带信道速率(64kps-2Mbps)在微小区之间进行的固定无线接入业务。

(5)网络安全与管理

当前网络与信息的安全受到严重的威胁,一方面是由于Internet的开放性和安全性不足,另一方面是由于众多的攻击手段的出现,诸如病毒、陷门、隐通道、拒绝服务、侦听、欺骗、口令攻击、路由攻击、中继攻击、会话窃取攻击等。以破坏系统为目标的系统犯罪,以窃取、篡改信息、传播非法信息为目标的信息犯罪,对国家的政治、军事、经济、文化都会造成严重的损害。为了保证网络系统的安全,需要完整的安全保障体系和完善的网络管理机制,使其具有保护功能、检测手段、攻击的反应以及事故恢复功能。

计算机网络从60年代末、70年代初的实验性网络研究,经过70年代中后期的集中式、闭关网络应用,到80年代中后期的局部开放应用,一直发展到90年代的开放式大规模推广,其速度发展之快,影响之大,是任何学科不能与之相匹致的。计算机网络的应用从科研、教育到工业,如今已渗透到社会的各个领域,它对于其它学科的发展具有使能和支撑作用。目前,关于下一代计算机网络(NGN,Next Generation Network)的研究已全面展开,计算机网络正面临着新一轮的理论研究和技术开发的热潮,计算机网络继续朝着开放、集成、高性能和智能化方向的发展将是不可逆转的大趋势。