具有互补双结构的新型网络及关键技术研究

Internet is now becoming a scale-free (power-law) network, and the mainstream application paradigm of Internet has also been shifting to ubiquitous content sharing, which is characterized by the content-centric features. Focusing on the mismatching between the fundamental end-to-end transmission model of the current Internet architecture and Internet's content-oriented mainstream application paradigm, and by absorbing new concepts of Information-Centric Networking, the main aim of this project is to construct a complementary dual-structural future network architecture, which consists of a primary structure (the current Internet architecture) and a secondary structure (the asynchronous broadcast-storage network based on Radiation-Cashing Model). By deconstructing the architectural core elements of the complementary dual-structural future network, this project covers the seamlessly collaborative and operational mechanism of the primary structure and the secondary structure, the uniform content label, the methods for converging of popular contents and providing personalized active services, the algorithms of efficient content routing and optimizing in-network caching, the new approaches to ensure content security and trustworthy. Based on these key technologies, this project will development the collaborative distributing gateway which integrates the functions of asynchronous broadcast and content routing, and then implement a prototype of this complementary dual-structural future network for testing, analyzing and experimental verification. The expected research results can validate that the complementary dual-structural future network provides a cost-efficient innovative approach to future network research, and it has the advantages of both keeping the existing predominance of the current Internet architecture and avoiding the ineluctable resistances for reconstructing a new future network in a clean-slate way.

互联网已经演化为服从幂律的无标度网络，互联网的主流应用范型也已转变为"以内容为中心"的内容服务类应用。针对现有互联网端到端对流传输模型与面向内容的主流应用范型的不匹配问题，吸纳信息中心网络（ICN）的合理因素，为现有互联网增添基于"辐射-复制"模型的异步广播次结构，建立兼含主、次双结构的二元互补新型网络。通过解构二元互补新型网络的体系结构核心要素，研究主、次结构无缝并合的运行机制和协作机理，进而研究统一内容标识方法、热门内容聚敛与个性化主动服务、高效内容路由与网络缓存优化、内容安全与可信等关键技术，并研制融合异步广播与路由分发两种模式的内容协同分发网关，开发二元互补新型网络原型系统，进行测试分析和实验验证。通过研究，确保二元互补新型网络既能最大程度发挥现有互联网自身优势，又可化解试图再造全新网络的现实阻力，为未来新型网络研究提供成本高效（cost-efficient）的创新解决思路。

互联网体系结构正在面临规模化内容共享和内容大数据带来的巨大挑战。互联网已经演化为服从幂律（power-law）的无标度（scale free）网络，互联网的主流应用范型也已转变为“以内容为中心”的内容服务类应用。互联网发展困境的根源在于，互联网端到端对流传输模型与面向内容的主流应用范型之间的显著失配。采取基于物理变革和多种网络优势互补的研究思路，提出以广播辐射传输和泛在内容存储为特征的播存网络作为次结构，辅佐作为主结构的现有互联网体系结构，建立具有互补双结构的新型网络。着重研究二元互补新型网络的网络体系结构，以及主、次结构无缝并合的运行机制，进而研究统一内容标识方法、内容聚类与主动服务、高效内容路由与网络缓存优化等关键技术，并开发二元互补新型网络原型系统，进行测试分析和实验验证。研究成果主要包括如下三点：给出了二元互补新型网络的网络体系结构核心理念、主要特色和设计原则，给出了二元互补新型网络的网络体系结构普适模型及数学描述，总结了次结构播存网络的主要实现模式，对二元互补新型网络的内容共享能力进行了深入分析；基于原创的新型内容元数据统一内容标签UCL（Uniform Content Label），研制了《统一内容标签格式规范》，已由国家标准化管理委员正式颁布为中华人民共和国国家标准（标准号GB/T 35304-2017）；对二元互补新型网络的关键实现技术展开了比较全面的研究，在内容聚类与个性化推荐技术、高效内容路由与网络缓存优化等面取得若干研究进展，并将这些技术集成到二元互补新型网络原型系统。二元互补新型网络能在最大程度保持现有互联网特色和优势的同时，为未来互联网带来前所未有的物理变革，研究工作在国家标准研制方面取得重大突破，有助于提升我国在未来新型网络体系结构研究方面的水平和影响力。