面對當今的互聯(lián)網(wǎng)需求，TCP/IP有些不堪重負，研究人員想要用新的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議棧取代它，這個新協(xié)議被稱為“命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(Named Data Networking)”。

互聯(lián)網(wǎng)并沒有被構建為支持Netflix，并且在過去相當長的時間內(nèi)，這是完全沒問題的。

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當互聯(lián)網(wǎng)的架構師開始互連通信網(wǎng)絡時，從現(xiàn)在的標準來看，他們當時需要支持的應用類型很簡單：遠程登錄、電子郵件、文件傳輸，以及后來的Web訪問。而互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議組TCP/IP非常適合完成這些任務。

在20世紀80年代初公共互聯(lián)網(wǎng)誕生的不久后，業(yè)界就開發(fā)了域名系統(tǒng)(DNS)來將端點的數(shù)字IP地址轉(zhuǎn)換成域名，例如acme.com。這樣做的目的是更便于人們和應用的理解來交換數(shù)據(jù)。但對TCP/IP和DNS的依賴導致創(chuàng)建了兩個單獨的命名空間，一個用于數(shù)字，一個用于名字，研究人員稱這個系統(tǒng)已經(jīng)變得越來越復雜和麻煩。這是因為現(xiàn)在的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)非常不同，它包括流媒體、點播視頻內(nèi)容、電子商務交易、數(shù)字和社交媒體、智能手機應用和云計算軟件等。

加州大學洛杉磯分校(UCLA)計算機科學系教授Lixia Zhang表示：“你傳輸數(shù)據(jù)包到數(shù)據(jù)包中指定的目標IP地址，而你使用的應用則是采用域名地址。”Zhang同時也是命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(NDN)項目的首席研究員，她帶領著一組研究人員致力于構建新的互聯(lián)網(wǎng)架構來取代TCP/IP。他們的目標是創(chuàng)建可支持單個命名空間且消除數(shù)字IP地址的協(xié)議，使消費者和應用只能使用名稱來訪問這些數(shù)據(jù)。

這是一個大膽的舉動，但這可以顯著改進IP流量的處理方式。Frost &Sullivan新興電信研究主管Ronald Gruia表示，對于運營商來說，通過更好的安全性和更智能的路由及數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)，NDN可以為互聯(lián)網(wǎng)增加靈活性。對于企業(yè)來說，這可能意味著，他們可以不必確定地址，而是簡單地指向某個話題，移動大量數(shù)據(jù)，這可以加速信息流動。

然而，實驗室是遠離生產(chǎn)環(huán)境的世界，NDN仍然處于實驗室階段。他們真的可以做到嗎?NDN可以淘汰互聯(lián)網(wǎng)的基礎TCP/IP嗎?更重要的是，IT行業(yè)是否會認真對待NDN?

從大學到生態(tài)系統(tǒng)

命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡項目在2010年推出，作為美國國家科學基金會(NSF)資助的未來互聯(lián)網(wǎng)架構(Future Internet Architecture)研究項目，該項目最初完全由美國10家機構的計算機科學家?guī)ьI。它脫胎于一個更早期的項目—內(nèi)容數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(Content-Data Networking)，這是由TCP/IP主要貢獻者之一Van Jacobson架構的網(wǎng)絡。

該項目已經(jīng)獲得大約1500萬美元的NSF資助。在去年秋天，隨著全球各地其他研究機構以及整個行業(yè)對NDN的興趣增加，該項目已經(jīng)擴展為命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡聯(lián)盟。該項目已經(jīng)向美國以外的一些學術研究人員敞開了大門，還有MITRE Corporation等組織和一些IT供應商，包括阿爾卡特朗訊、思科、華為、松下、VeriSign以及戴爾等。以營利為目的的公司必須貢獻2.5萬美元以加入該聯(lián)盟，并獲得投票權。然而，該聯(lián)盟開發(fā)的任何協(xié)議和架構都將作為開放標準來公布。

“思科很擅長應對技術過渡，以及保持其在網(wǎng)絡領域的整體行業(yè)領先地位，”Gruia表示，“從他們通過加入NDN聯(lián)盟，我們看到了這一點。顯然，他們的主要動機是在下一次升級周期到來時，他們可以保持其地位。”

該項目的創(chuàng)始人認為，隨著互聯(lián)網(wǎng)流量的增長，一臺服務器和IP地址無法應對人們和應用制造的數(shù)千到數(shù)百萬信息請求。該行業(yè)正在試圖通過任播(anycast)和內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(CDN)來解決這一挑戰(zhàn)，任播即發(fā)送請求數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)包到很多機器中的一臺，而CDN則在靠近網(wǎng)絡邊緣的多個位置復制數(shù)據(jù)。不過，CDN仍然要求DNS服務器查找和提供所需的信息。

根據(jù)NDN支持者表示，目前我們需要使用這些方法來解決TCP/IP的局限性，但隨著命名數(shù)據(jù)和內(nèi)容的發(fā)展，這些做法會讓TCP/IP變得更加復雜。

參與該項目的思科工作人員David Oran表示：“現(xiàn)在的問題是，是否有更好的協(xié)議架構考慮了互聯(lián)網(wǎng)中應用不斷變化的性質(zhì)?”

NDN聯(lián)盟正在努力回答這個問題，其目標是構建一個架構，可以消除對DNS的需要，并基于其名字來傳輸內(nèi)容。

Oran稱：“對于互聯(lián)網(wǎng)，這是全新的3層網(wǎng)絡，而且它將取代TCP。”

多路徑路由

在基于NDN的網(wǎng)絡中，數(shù)據(jù)本身可以有多個位置。NDN協(xié)議將通過結合NDN路由和被稱為轉(zhuǎn)發(fā)策略(forwarding strategy)的機制來決定使用哪個位置以滿足數(shù)據(jù)請求。NDN轉(zhuǎn)發(fā)被設計為可以使用多路徑路由，即在NDN路由器中，路由表條目可以制定多個輸出接口。轉(zhuǎn)發(fā)策略決定使用哪個輸出接口。

華盛頓大學計算機科學與工程副教授兼NDN研究人員Patrick Crowley解釋說：“現(xiàn)在NDN測試平臺最常見的默認轉(zhuǎn)發(fā)策略會跟蹤每個接口的性能，并選擇最佳性能接口，同時偶爾循環(huán)其他替代接口。”

當為數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)NDN請求時，路由器會考慮其數(shù)據(jù)包緩沖是否已經(jīng)包含所請求的數(shù)據(jù)，它最近是否轉(zhuǎn)發(fā)過此數(shù)據(jù)的請求，以及它應該使用什么輸出接口來轉(zhuǎn)發(fā)這個請求。如果路由器的內(nèi)容存儲(網(wǎng)絡內(nèi)緩存)已經(jīng)包含該數(shù)據(jù)，則NDN路由器可以立即發(fā)送該數(shù)據(jù)。如果所請求的數(shù)據(jù)已經(jīng)在傳輸過程中—NDN路由器可以使用待定請求表(Pending Interest Table)來確定這一點，該路由器可以聚集對相同數(shù)據(jù)的進一步請求，并減少上游流量。

Crowley表示：“對于廣播和多播，這是非常有效和自然的機制。”NDN路由器可以基于路由表來確定將所請求的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到哪里，路由表這非常類似于IP路由表，不過它包含名稱前綴而不是IP地址前綴。

UCLA的Zhang表示，該請求只需檢索所需的數(shù)據(jù)—實際的來源并不重要，只要數(shù)據(jù)包是由原始制造者簽名，這可以允許消費者確定他們得到其所請求的東西。

“該請求并不一定會發(fā)送到數(shù)據(jù)制造者，數(shù)據(jù)可以來自端點、緩存或制造者。網(wǎng)絡會將所請求的數(shù)據(jù)從最近的位置帶回來，”她解釋說，“NDN可以做IP所做的一切事情，并且可以比IP做更多事情，而不需要額外的調(diào)整，例如組播交付或網(wǎng)絡內(nèi)緩存。NDN內(nèi)置了這些功能，而IP需要多次跳轉(zhuǎn)來支持它們。”#p#

設計用于視頻和安全

思科的Oran表示，基于NDN的網(wǎng)絡中的路由器將有“相當大”的存儲容量來支持緩存,它們將執(zhí)行數(shù)據(jù)緩存，在網(wǎng)絡中中間根據(jù)需要自動優(yōu)化。

這個功能存在兩個動機。其一是電影和視頻在互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容的比重越來越大，并且它們具有海量數(shù)據(jù)。與CDN的原則類似，基于NDN的網(wǎng)絡可以緩存更接近用戶的數(shù)據(jù)，以減少中央服務器的負載，并減少等待時間。但在NDN中緩存還有另一個目的。

Oran稱：“在電源和電池有限的傳感器網(wǎng)絡，你不需要總是‘喚醒’傳感器。你想要傳感器緩存其在網(wǎng)絡中的讀取內(nèi)容，這樣當有人需要這些內(nèi)容時，你不需要再回到設備并再次喚醒它，耗盡電池壽命。”在網(wǎng)絡中緩存數(shù)據(jù)，而不是在設備緩存數(shù)據(jù)，這可以有利于物聯(lián)網(wǎng)，其中包括這樣的傳感器網(wǎng)絡。

NDN支持者表示，他們的架構還可以比IP更好地保護流量，因為攻擊者很容易欺騙IP地址。對于NDN，當設備接收到對命名數(shù)據(jù)請求的答復時，數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)會包含數(shù)據(jù)發(fā)布服務器的加密簽名。

Crowley稱：“這讓接收者可以獨立地核實所請求名字和所接受數(shù)據(jù)之間的關系。”

NDN真的可以取代TCP/IP嗎?

然而，在學術界之外，有些網(wǎng)絡工程師并不那么確信NDN可以取代TCP/IP。

IT咨詢公司Xi Group的Ivo Vachov是具有網(wǎng)絡背景的軟件工程師，他表示：“在我看來，另一個協(xié)議棧需要很長的時間才能實現(xiàn)TCP/IP目前的成熟度、部署率和部署質(zhì)量。”

“我不相信新的協(xié)議棧會迅速席卷整個世界，”他補充說，“人們已經(jīng)投入的精力和金錢不會允許迅速采用一項新技術。底層技術棧，數(shù)據(jù)鏈路層技術(以太網(wǎng)、移動和DSL)更難以改變。這將需要一段時間我們才可以從TCP/IP轉(zhuǎn)移。”

該聯(lián)盟的成員承認，NDN仍然處于研究的早期階段，現(xiàn)在尚不清楚它是否會取代TCP/IP。如果NDN確實會取代IP，這個過程將非常緩慢，因為對大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)進行淘汰并取代的工作根本無法很快完成。

“新架構的部署模式是開始作為IP之上的覆蓋網(wǎng)絡，然后隨著時間的推移，隨著流量轉(zhuǎn)變和經(jīng)濟驅(qū)動這種變化，我們會淘汰IP，并運行NDN，”思科的Oran表示，“大多數(shù)這么大的變動需要花20到30年時間。在接下來的20年，我們?nèi)詫⒖吹絀P作為互聯(lián)網(wǎng)的主要協(xié)議之一，但如果當這個新的NDN架構受到擁護時，IP可能會作為新架構的一種傳輸工具。”

作為新的3層網(wǎng)絡協(xié)議，NDN將基于數(shù)據(jù)包請求數(shù)據(jù)，這類似于HTTP協(xié)議請求URL。

華盛頓大學的Crowley表示：“HTTP已被證明非常有效，但存在大量浪費的基礎設施被用于映射HTTP流量到端到端IP信道。”NDN最終可能移除對這些浪費基礎設施和額外映射的需要，從而加快數(shù)據(jù)請求。

然而，新互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議的存在(更不用說完成)并不能保證它的成功。Vachkov指出，已經(jīng)存在的其他替代選擇還沒有流行開來，Vachkov同時也是新保加利亞大學網(wǎng)絡領域講師。

他說道：“即使是像谷歌這樣的公司試圖推廣的新互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議SPDY也沒有成功，SPDY位于TCP/IP之上，它試圖通過使用HTTP來解決問題。”