从geni计划到akari计划的启示 7页

第八届中国光电通信论坛会议论文集从GENI计划到AKARI计划的启示筒水生(中国科学院院士北京交通大学教授)目录一、GENI计划提出的原因及目的二、AKARI计划提出的时代背景三、AKARI计划的简介四、光路交换是互联网革命的必由之路五、支持光路交换的关键器件及技术1、GENI计划提出的原因及目的1．1GENI计划的提出美国的科学顾问曾向总统建议：要确保国家安全、要在未来信息化战争中居于不败之地，必须建立一个全新的、安全的网际网。2005年8月底美国NSF(NationalScienceFoundation，国家科学基金)提出了GENI(GlobalEnvironmentforNetworkingInvestegations，全球网络探索环境)计划，2006年2月改为GlobalEnvironmentforNetworkInnovations(网络创新的全球化环境)。这一更名体现了其革命性的主旨。GENI计划的核心是要解决网络安全问题，高度强调原始创新原则，除了以下三方面不改变外：光纤通信不变；采用基于麦克斯威方程组的电磁波传送不变；Inter-Net原则不变，即网际网原则不变。其他任何颠覆性的建议都有可能支持。其目的是构建一个全新的、安全的、能够连接所有设备的互联网。为什么要建立这种新的网络?原因如下：1．2互联网不能确保其网元不受攻击互联网始于五角大楼的ARPA网络，就是在冷战时期为预防可能的核战争造成国家的主要命令和控制中心失控时而为政府通信开发的一个数据传输的保密网络。但是，在网络总体设计上，认为所有的用户都是可信可靠的、能自律的，没有考虑在网．2．n络结构上如何确保网元不受到攻击。由ARPA网所发展起来的IP网是基于边缘网的设计理念。采用的是路由器，实现了包交换或分组交换，其优点是端到端，无连接，尽力面为，提高了电路的使用效率，筒化了交换设备。以TCP／IP协议为基础的IPv4互联网进入大规模商用后暴露出来的安全性，QoS，网络智能管理、赢利商业模式等多方面问题，使互联网的发展面临严峻挑战。目前IPv4地址码已显不足，这样IPv6对IP协议的重大改进具有战略价值。其价值就是把地址空间从32位变成128位，IPv6的地址数是如此巨大，约为IPv4地址量的8万兆兆平方倍，可以满足全世界的需求。但是，由于IPv6的交换容量剧增，加大了电交换瓶颈的压力。目前全球已拥有约10亿IPv4用户。IPv4与IPv6的非无缝兼容特征，如果不能把这么多的IPv4的应用平移到IPv6上去，将成为其业务快速有效演进的障碍与阻力。需要在时间、金钱、资源方面的巨大投入。实际上，IPv6并没有解决安全性、OoS控制等根本问题。目前，在互联网上病毒流行、黑客猖獗、黄色垃圾泛滥、网上赌博、网上盗窃等等不仅严重影响社会的安全、青少年的健康成长，也牵涉到国家的安危。造成信息不安全的原因是，在发信者与受信者之间没有固定的电路相连接，没有信令系统，使受信者不能实时准确知道发信者地址码，网络中的主机可以向其它主机发送任何内容，而受信的主机无法拒绝接收这种任意发送的信息。这就逐步形成了网络的攻击，互联网络不安全的根本原因就在于此。只有端对端有连接由信令系统的网络，才能从根本上解决信息安全的问题。1．3网络犯罪已成为严重的全球性威胁2007年6月11～12日，欧洲委员会在法国斯特拉斯堡召开了打击网络犯罪国际会议，来自55个国家、国际组织和民间组织的140位反网络犯罪专家参加了这次会议，着重分析讨论了网络犯罪的威胁和网络犯罪立法的实效性等问题。欧洲委员会副秘书长莫德．德布尔在会议开幕式致词中指出，目前世界互联网用户有10多亿，而且还在以惊人的速度增长。每年有数以万计的新病毒和恶意代码被截获，每天有数百万个试图窃取网络用户信息的事件发生，有组织的网上犯罪越来越严重，互联网上的儿童色情问题非常严重，恐怖分子也在加紧利用互联网，还造成了惊人的经济损失，并指出，。网络犯罪已成为严重的全球性威胁”。与会专家认为，造成如此后果的主要原因是互联网设计奉行网络自由主义和网络无政府主义，缺乏对网络的管理意识。从发现网络攻击至今，尚未彻底解决身份认证技术，完全无法实现对网民及传输内容的安全认证和必要的检查。实际上，互联网已逐渐发展成一个无序的、无警察．3．n第八届中国光电通信论坛会议论文集的、无政府的、无国界的虚拟世界。人们一方面生活在有序的、有警察的、有政府的、有国界的物质世界，同时也生活在无序的、可以为所欲为的虚拟的网络世界。这对于我们青少年的成长影响极大。网络的极端自由、可以为所欲为的虚拟世界，日复一日的影响着我们后代的成长。长此下去，这样的网络世界必将培养出许多极端的自由主义者和无政府主义者。将影响到我们社会主义国家的未来。世界上许多专家认为，急需建设一个能从整体上驾驭的、安全的网络世界。2、AKARI计划提出的时代背景2．1“网格”兴衰及其生存发展呼吁新的下一代网络的出现网格(Grid)的名称来源于电力网，1998年美国伊安．福斯特在题为《网格：21世纪信息技术基础设施的蓝图)>一书中做了这样的描述：“网格是构筑在因特网上的一组新兴技术，它将高速互联网、高性能计算机、大型数据库、传感器、远程设备等融为一体，为科技人员和普通百姓提供更多的资源、功能和交互性。因特网主要为人们提供电子邮件、网页浏览等通信功能，而网格功能更多更强，能让人们透明地使用计算、存储等其它资源。”2001年9月，美国“福布斯))杂志的科技版发表了一组文章，预告一种叫做“网格”的技术将引领信息技术的下一波大浪潮，并预测到了2020年，它将带动信息产业产生20万亿美元的产值。“网格”获得广泛的认同，美国、英国和日本等国很早就开始投入巨资开展网格方面的研究。然而，在经历了一段如火如茶的高潮期之后，网格研究的最早发源地一一美国、欧洲等地却陷入了低谷。2004年～2005年人们对“网格”概念本身提出了质疑，认为网格并没有提出新的科学问题，同时承诺的太多，而实际的成效却不理想。我国也建立了11个网格节点，这些节点大多相距数百至数干公里，并希望把高速并联运算每秒1000万亿次浮点计算能力的高性能计算机的发展寄托在“网格”的理念上。实际上，目前的互联网是不能胜任的。因为网络的电交换阻碍了网格节点间超高速数据通道的建立，同时互联网也不能保护这些网格节点不受到攻击。今年9月开始运行的大型强子对撞机(LHC)，是一种大型粒子加速器，可以帮助人类研究银河、行星以及地球上生命的形成过程。大型强子对撞机(LHC)实验时所收集的数据量将达到每秒大约700兆字节(MB)--5．6Gb／s，一年为31．5Ms，可产生的数据达176400Tb／s，这是天文数字。而存储和传输的问题将导致目前的互联网出现全球性的瘫痪。人们希望新型的“网格”能满足LHC信息传输和存储的需求。．．4．．n第八届中国光电通信论坛会议论文集显然，这种新型的“网格”一定要在其结构上解决安全的问题，能确保其网元不受任何攻击，病毒不能流行。时代呼唤着新的下一代网络的出现。2．2具有每秒1万亿次浮点运算强大处理能力的三维图形处理系统呼吁新的下一代网络在首届全球视觉计算展会上，美国英伟达公司的首席执行官黄仁勋说，“我们正在迎来一场‘显示革命’”，三维显示技术将给社会生活的诸多方面带来深远影响。目前“谷歌地球”三维地图软件推出后迅速流行，软件随后又增添三维街景等功能，使人们足不出户就能看遍天下。目前最先进的三维图形处理器已经拥有每秒1万亿次浮点运算的强大处理能力。显然，如果新的下一代网络能将最先进的三维图形处理器的巨大信息量实时传送到远方，这将在数千公里外重现具有每秒l万亿次浮点运算信息量的三维图形，为人类开创远程立体彩色电视会议的先河。在这种远程立体彩色电视会议上，参加者将如同身临其境的进行学术讨论和交流，既节省了旅途时问，又节约了大量的能源。而且还可以实现虚拟现实的旅游。这将为人类社会开辟一个崭新的“节能减排”的生存环境。3、AKARI计划的简介日本于2007年10月提出了AKARI计划。该计划的新颖之处在于它提出了新一代网络的概念。这种网络的交换是全光交换，而且认为目前世界上所通用的下一代网络的交换是。一E—O，其交换容量小于peta—bps，到2010年需要逐步转向新一代网络。到2015年逐步完善全光交换的新一代网络。新一代网络的交换容量将超过peta—bps，其电能消耗只有O—E—o的l％，可以节省99％的能耗。更重要的是，新一代网络将为人们在家庭上班创造条件，为解决城市交通拥挤、尾气污染、节约能源做出极大的贡献。ConceptualPositioningofNewGenerationNetwork20102015—5．n第八届中国光电通信论坛会议论文集DifferencesNextGenerationNetwork(NGN)andNewGenerationNetworkAttributeNix[Genelat'IonNcru’orkNewGenerationNeru’0rkAssnuledBy2010二0l5OllaterImplellleIltaIloIltime(reationmethodAddQoSandaulheiltlCatioutO(‘reateIlewnenⅣOrkwithouteMuulgIPbeingconuniHedtOIPTnmklinecapactfyo·E一0con％+ersion：LessthanAll-Optical：C．neaterthanpeta·peta·b1)'capacitybmcapacttyASSUluedterlnuhal$hitec,ratiouandcreatlOllofUnkilowubuthi21flYdl、。er％eandapphcattonsad％allcedVersion．；ofeXIStiUo'Fail,ill9frolndex‘lcet,actinc,H1terlnlnalsandapphcattonssuchCOlljuuctlOllu’itliIllaSMSeastriple·ortluadmple-playlIlforltlatlOllserxersto[invSen。lCe’conllnIullcatiollde％ICeSsuchasabeii'0rPon’ercoustnliphonPOuerCOIlSUlUpIioIiatseveralPowerCOItSeI％。atlonbyafactormegax％‘allsOl_aflea％iltl00accordlttitO(transformersubstationscale)nnthi·wa、elengthoptical’ultClltlt2Sectu-itySlICCe％qlX’e、。loinIlOllSof(outfolspareOrDoS．1ttacksbyprinciplessuchaslirewalh．addressrracIIIoattdend·to-elidIPSec．attdIPtracebackflilllniter—IteDAorkSeclirlIvRobu'，liiess‘,ltppoaedbyellhancelnentofRobt,stnes，isprovidedbytheilhlllagellleUtftmct,onbynetworkitselfbu,,tlles，e～RoutingcontrolDi,,tributedcentrahzedCOtltl'OlIntroductionofcompletefollox、’tngIP．MPLSreqtmeddtsmbutedcontr01．Increaseintotlll斟I-speedreroutulg．．10ngfathire·1est,．1anceattdfaul!detectlonn[1illeadaptabthty．inclusionofsenso!itetSorad-hocuet‘,RelationshipAlthoughtherearesotnePro％idesopetllicssfromaneutralbePxeeuusersandCOII'、IialIItSOftopetmessstandpohtt．andusersca．iibringthellelxt,orkstipulatedby乙rNI．ANI．andlienset、’icesNNI．1eliabdityiSincreasedQtmhryas$1il-allcePrioritycomro[foreachclassQuahtyassmancethatincludesbyUC,lltiIPbandy．tdfl,foleachflowusingpacket’、、7itchmgorpathsappr01)riately4、光路交换是互联网革命的必由之路AKARI计划明确提出了继下一代网络之后的新一代网络是全光交换。实际上，我们在2001年就提出了光路交换的概念。要实现光的交换，有两条路线：一是采用光的分组交换或突发交换；另一条路线是采用分布式的纤分和波分复用的光路交换。分组●交换需要有光的延时器件，有人提出用低温来降低光的传输速度。目前物理学家将温．6．n第八届中国光电通信论坛会议论文集度降至一273．149999。C，光速可降至每秒3米，耗能是巨大的，耗资也是巨大的。况且，光子是无静态质量的。当温度接近绝对零度时，光子也接近消失。显然，以降低温度来使光延时是不可能的。也就是说，光的延时器件的研制并没有获得突破性的进展。光的分组交换也就遥遥无期了。我们认为，目前每两根光纤所能传输的波长数可能达2万，而每根光纤的价格才10美元，在这种情况下采用分组(包)交换来提高每个光路的实际使用效率是没有意义的，恰恰相反，我们应该利用廉价的几乎是无限多的光路来确保网络的安全才是经济的。显然，剩下的路线就是：采用分布式的纤分、波分复用来实现光路交换。这种光路交换的设计理念是分布式的。在这种光路交换网络中，受信者与发信者之间有固定的光路连接，有其独特的信令系统，只有双方“握手”后，才可能进行信息的交流。从信息网的发展历程来看，互联网的“端对端，无连接，无信令系统一的分组(包)交换否定了电信网的“端对端，有电路连接，有信令系统”的交换形式，而“端对端，有光路连接，有信令系统”的光路交换又将否定互联网的“端对端，无连接，无信令系统”的分组(包)交换，完全符合辨证法的“否定之否定”，事物的发展是“螺旋上升的过程”。这是信息网由电到光革命的重要历程。5、1支持光路交换的关键器件及技术要实现这种新型的光路交换网，不仅要进一步研究、充实和完善这种网络的总体结构，还需要研制出细粒度的光路交换设备：l、具有1000--一5000个波长的超大规模直线波导的AWG；Z、基于光纤光栅不对称强耦合理论的大规模有源和无源的合波器和分波器；3、基于光纤光栅的新型调制器；基于双芯光纤的M-Z干涉原理的调制器；4、利用大功率二极管阵列和包层泵浦掺杂光纤光栅研制成一泵数十个不同波长的光纤光栅激光器(其波长皆符合ITUT建议标准)；5、利用大功率二极管阵列和包层泵浦掺杂光纤研制成一泵数十个不同波长的光纤放大器，可以激活已铺设的大量的暗光纤；6、可以覆盖O、E、S、C、L和AL所有波长范围的新型特种光纤；7、利用上述光纤研制出能覆盖o、E、S、C、L和AL所有波长范围的光纤光栅激光器和放大器。．7一n第八届中国光电通信论坛会议论文集在此基础上，可以研制出具有200～2000个用户的细粒度端对端有连接、有信令系统的光路交换试用网。这将是世界上第一个光路交换示范网。从GENI计划到AKARI计划给予我们的启示，不仅仅是信息网络的技术需要与时俱进的进行革命性的变革，而且还给予我们这样的启示：我们的电力电缆、电力输送线，有没有必要性和可能性进行革命性的变革?例如，能否用有机硅材料来取代目前的交联聚乙烯，是否要研究单晶铜和单晶铝在输电系统的应用，希望我国电力电缆行业方面的企业家能联合起来，攻克难关，开创电力输送的新局面。-8一