ip網(wǎng)標(biāo)度的涌現(xiàn)與回歸 emergence and return of ip networks

1、IP網(wǎng)絡(luò)標(biāo)度的涌現(xiàn)與平抑Emergence and return of scaling in IP networks,李幼平2010,7,26liyp@cae.cn第六屆全國(guó)網(wǎng)絡(luò)科學(xué)論壇,一個(gè)老年人的感悟,焦?fàn)柺鞘睾愕模忍乜梢苑窍蘖浚╯cale-free）復(fù)制信息共享不該象物質(zhì)共享那樣艱難互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)面臨重大補(bǔ)充,網(wǎng)站：呈現(xiàn)規(guī)模差異的技術(shù)環(huán)境,網(wǎng)站（website），存儲(chǔ)內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)容一旦寫入網(wǎng)站，就可供全球各地不限

2、次數(shù)（scale free）地讀出規(guī)模不受限的“文件生產(chǎn)力”“自我繁殖”或“散度>o” 的節(jié)點(diǎn)，“連接度” 涌現(xiàn)規(guī)模效應(yīng)，最終形成scale-free的熱門節(jié)點(diǎn)少數(shù)熱門節(jié)點(diǎn)開始蠶食網(wǎng)絡(luò)的大半帶寬資源1999年10月，Barabasi和Albert在SCEIENCE發(fā)表《隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)中標(biāo)度涌現(xiàn)》著名論文，指出互聯(lián)網(wǎng)正在逐步演化為服從冪律的無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)指出top1000網(wǎng)站占用>80%的帶寬資源,網(wǎng)庫(kù)：平抑規(guī)模差異的技術(shù)環(huán)境

3、,CDN—P2P--PPcache—TVcache—MYcache，一步步演化，中國(guó)正在創(chuàng)造分布式網(wǎng)庫(kù)技術(shù)統(tǒng)稱“網(wǎng)庫(kù)” （web cache）：匯聚熱門網(wǎng)站內(nèi)容的數(shù)據(jù)庫(kù)三網(wǎng)融合，NGB正在許多城市營(yíng)造各式各樣的網(wǎng)庫(kù)繞開IP核心網(wǎng)，在最靠近用戶的地方吸納最常用的訪問(wèn)，大比例分流對(duì)熱門網(wǎng)站的直接訪問(wèn)平抑網(wǎng)站連接規(guī)模，迫使IP核心網(wǎng)向隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)方向回歸當(dāng)前，只是在中心城市營(yíng)造TVcache和PPcache幾年后，通過(guò)廣播在每一個(gè)人身

4、邊營(yíng)造MYcache順應(yīng)低碳：節(jié)約路由，節(jié)約帶寬，節(jié)約能源順應(yīng)全民：人人都有獲得公共文化服務(wù)的平等權(quán)力,演化與回歸,歷史總是合久必分，分久必合20年前，出現(xiàn)網(wǎng)站web-site，存儲(chǔ)共享文件的數(shù)據(jù)庫(kù)，文件實(shí)現(xiàn)不限規(guī)模的時(shí)間復(fù)制（scale-free copy on time），為全球廣泛服務(wù)，IP網(wǎng)逐步演化為無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前，出現(xiàn)網(wǎng)庫(kù)web-cache，在網(wǎng)絡(luò)邊緣匯聚常用熱門內(nèi)容，Top1000實(shí)現(xiàn)不限規(guī)模的空間復(fù)制（ scale

5、-free copy on space），阻檔無(wú)尺度流量進(jìn)入核心層，IP網(wǎng)核心層逐步朝向隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的方向回歸不是回到原點(diǎn)，而是螺旋式上了一個(gè)臺(tái)階網(wǎng)站提供“各獻(xiàn)所知”，網(wǎng)庫(kù)提供“各取所需”，兩種都用上，實(shí)現(xiàn)信息意義的共產(chǎn)主義理想,NGB的歷史貢獻(xiàn),NGB的提法，好像全球無(wú)先例NGB的科學(xué)技術(shù)價(jià)值在于web cache（website+webcache）才是完整的web服務(wù)Website造就內(nèi)容規(guī)模scale-free，各獻(xiàn)所知W

6、ebcache造就用戶規(guī)模scale-free，各取所需website發(fā)明后30年，中國(guó)人發(fā)明web cache最終體現(xiàn)信息共享的基本科學(xué)道理：1，焦?fàn)柺鞘睾愕?，但比特可以非限量（scale-free）復(fù)制2，信息共享不該象物質(zhì)共享那樣艱難3，互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)面臨重大補(bǔ)充,時(shí)代似乎遇到麻煩,后摩爾：比特速度不再每一年半增長(zhǎng)一倍后摩爾遇上超摩爾：IP流量十三年增長(zhǎng)千倍,峰回路轉(zhuǎn)：后摩爾催生后IP,摩爾定律失效，速度雖可貴，節(jié)約價(jià)更高

7、低碳時(shí)代來(lái)臨，高冗余、高耗費(fèi)問(wèn)題急得破解互聯(lián)網(wǎng)演化為無(wú)尺度網(wǎng)絡(luò)，>90%流量源于有限的節(jié)點(diǎn)的有限內(nèi)容，大量?jī)?nèi)容相同的數(shù)據(jù)包在相同核心節(jié)點(diǎn)之間千遍萬(wàn)遍冗余傳輸互聯(lián)網(wǎng)耗全球電量5.4%，且每年8%～10%的增長(zhǎng)邊界網(wǎng)關(guān)BGP協(xié)議更新頻率平均達(dá)到6次/s，域間路由收斂變慢，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性下降互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)委員會(huì)在阿姆斯特丹會(huì)議正式認(rèn)定：路由增長(zhǎng)速度已超過(guò)硬件性能的提升速度告別Win-tele兩大巨頭帶來(lái)的耗費(fèi)資源的發(fā)展模式,后IP：

8、破解TCP/IP帶寬沖突,李德毅在NSFC規(guī)劃草稿中對(duì)后IP的希望是： 突破TCP/IP協(xié)議的局限，實(shí)現(xiàn)泛在聯(lián)接泛在：Ubiquitous，空間無(wú)處不在，時(shí)間無(wú)時(shí)不有TCP/IP已是無(wú)縫聯(lián)接，急需突破的重點(diǎn)是：從原理上破解共享沖突存儲(chǔ)己經(jīng)解脫時(shí)間沖突，輻射才能解脫帶寬沖突TCP/IP適用于對(duì)流或傳導(dǎo)的有線環(huán)境，局限于“點(diǎn)對(duì)點(diǎn)”的 “信息搬遷”，沒有反應(yīng)“點(diǎn)對(duì)面”的無(wú)線輻射環(huán)境 可以實(shí)現(xiàn)“信息在空間上的非限量再生”對(duì)

9、流、傳導(dǎo)和輻射三大運(yùn)動(dòng)形式，為什么唯缺輻射？存儲(chǔ)加上廣播，時(shí)間再生加上空間再生，稱為“播存結(jié)構(gòu)”，共同幫助TCP/IP擺脫共享沖突,后IP：幫助TCP/IP內(nèi)容認(rèn)證,網(wǎng)絡(luò)安全是后IP急需突破的另一重點(diǎn)TCP/IP環(huán)境自身，原理上很難解決安全問(wèn)題你可聯(lián)通全世界，又不讓全世界聯(lián)通你，難以辦到安全要靠法律，科學(xué)技術(shù)只是為執(zhí)法提供認(rèn)證手段凡希望在TCP/IP傳輸中獲得安全保證的文件，應(yīng)通過(guò)泛在全國(guó)的播存結(jié)構(gòu)上提供一個(gè)公開的數(shù)字簽名廣

10、播是法律授權(quán)的、物理上與外界隔離的唯一性環(huán)境經(jīng)公開密陰認(rèn)證的內(nèi)容才是法律意義安全的內(nèi)容總之，解決未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的性能與低碳問(wèn)題，安全與管理問(wèn)題，播存結(jié)構(gòu)都是后IP的一種可能選擇,背景之一：各地營(yíng)造城市網(wǎng)庫(kù),互聯(lián)網(wǎng)內(nèi)容緩存（IPCache）目的：網(wǎng)絡(luò)邊緣匯聚常用熱門內(nèi)容，阻檔無(wú)尺度流量進(jìn)入核心層如東方網(wǎng)信的PPCache，用數(shù)十TB容量緩存P2P和HTTH文件，就地回應(yīng) 網(wǎng)民需求有線電視的內(nèi)容緩存（TVCache）目的：實(shí)現(xiàn)數(shù)字電

11、視的按需服務(wù)如歌華有線高清交互服務(wù)：通過(guò)緩存提供7天內(nèi)25個(gè)電視頻道每天24小時(shí)（合計(jì)4200小時(shí)）的節(jié)目回看，以及10,000 小時(shí)影視VOD點(diǎn)播,背景之二：桌面平臺(tái)演示個(gè)人網(wǎng)庫(kù),2009年，北京市花園路和復(fù)興路的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室分別做了“MYcache”的臺(tái)面仿真實(shí)驗(yàn)用38Mbps的廣播推送Top1000網(wǎng)站，采用“禮讓并播”軟件，每24小時(shí)可以三遍推送>130GB的內(nèi)容（含2百萬(wàn)個(gè)標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)頁(yè)和2萬(wàn)分鐘標(biāo)清視頻）接納幾千種媒體

12、的圖文或視頻內(nèi)容隨時(shí)投入不管它們何時(shí)投入，都將分級(jí)禮讓、有序播出國(guó)家的緊急圖文，在幾秒鐘之內(nèi)就可以存入全國(guó)所有家庭通過(guò)衛(wèi)星廣播和地面有線、無(wú)線轉(zhuǎn)播，960萬(wàn)平方公里國(guó)土上的任一公民，都可以擁有>8GB的個(gè)人網(wǎng)庫(kù)統(tǒng)一內(nèi)容定位（UCL）是個(gè)人網(wǎng)庫(kù)的關(guān)鍵，它根據(jù)個(gè)人URL經(jīng)歷，判斷如何在Top1000中下載個(gè)人有興趣的內(nèi)容,數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì) --回歸隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)的可能性,張國(guó)強(qiáng)guoqiang@ict

13、.ac.cn2010-7-26,現(xiàn)狀,經(jīng)驗(yàn)性一般利用率超過(guò)35%考慮升級(jí)帶寬，教育網(wǎng)70%升級(jí)帶寬，科技網(wǎng)60%升級(jí)帶寬摩爾失效處理器的處理能力提升遇到瓶頸預(yù)測(cè)2014年后摩爾定律將會(huì)遇到麻煩網(wǎng)絡(luò)擁塞頻繁出現(xiàn)平均鏈路利用率低，但鏈路利用率分布嚴(yán)重不均衡,ISP的鏈路利用率統(tǒng)計(jì),問(wèn)題,從傳輸?shù)慕嵌?，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)是否合理？傳輸能力設(shè)計(jì)代價(jià)可擴(kuò)展性,流量模型(1),每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以產(chǎn)生、轉(zhuǎn)發(fā)、接收數(shù)據(jù)包每個(gè)時(shí)間步，R個(gè)數(shù)

14、據(jù)包注入網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包具有隨機(jī)的源和目標(biāo)地址每個(gè)節(jié)點(diǎn)i都被賦值了一個(gè)節(jié)點(diǎn)能力C(i) ,表示在一個(gè)時(shí)間步最多能處理的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)當(dāng)達(dá)到和新創(chuàng)建的數(shù)據(jù)包個(gè)數(shù)超過(guò)C(i)時(shí)，將被存儲(chǔ)在隊(duì)列中，以FIFO的方式在后面的時(shí)間步得到服務(wù)每個(gè)數(shù)據(jù)包都按照特定的路由算法路由如果有多條路徑，則隨機(jī)選一條,流量模型(2),當(dāng)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文產(chǎn)生率R較小時(shí)，每個(gè)報(bào)文都能得到及時(shí)處理。此時(shí)，網(wǎng)絡(luò)報(bào)文產(chǎn)生率與遞交率相等，網(wǎng)絡(luò)處于自由態(tài)。當(dāng)R增加到一定程度時(shí)，網(wǎng)絡(luò)

15、報(bào)文產(chǎn)生率R將超過(guò)網(wǎng)絡(luò)的遞交能力，網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入擁塞態(tài)。從自由態(tài)到擁塞態(tài)存在一個(gè)相變點(diǎn)Rc。,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)(1),網(wǎng)絡(luò)傳輸能力用Rc衡量,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)(2),網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)代價(jià)經(jīng)濟(jì)成本 節(jié)點(diǎn)代價(jià)一般隨處理能力成超線性增長(zhǎng) 技術(shù)瓶頸 處理能力能否用現(xiàn)有技術(shù)水平實(shí)現(xiàn),設(shè)計(jì)代價(jià)描述如下，在 固定的前提下，用 來(lái)表征一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)代價(jià),網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)(3),可擴(kuò)展性現(xiàn)實(shí)

16、的網(wǎng)絡(luò)特征大規(guī)模演化可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)投資者和運(yùn)營(yíng)者具有長(zhǎng)期的好處度量方法用Rc和Cmax隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長(zhǎng)趨勢(shì)來(lái)衡量,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)目標(biāo)(4),端到端性能通過(guò)平均傳輸路徑長(zhǎng)度衡量,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)選擇(1),拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨機(jī)網(wǎng)絡(luò)(ER)小世界網(wǎng)絡(luò)(WS)網(wǎng)格(Lattice)環(huán)(Ring)BAPAHOT,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)選擇(2),路由算法(topology-based)最短路徑路由有效路由(Yan’06)最小化路徑的節(jié)點(diǎn)度之

17、和,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)選擇(3),節(jié)點(diǎn)處理能力均勻與度成正比與介數(shù)成正比與有效介數(shù)成正比,結(jié)果(1),Rc,結(jié)果(2),Cmax,,,,,真實(shí)ISP路由器級(jí)拓?fù)湓诓煌瑤捹x值策略和路由協(xié)議組合下的結(jié)果：1 實(shí)際ISP的路由器級(jí)拓?fù)渑cHOT模型類似2 OSPF的weight賦值策略更傾向于聚合流量,結(jié)論,現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湓O(shè)計(jì)具有較嚴(yán)格的層次性，對(duì)路由不敏感，提高網(wǎng)絡(luò)傳輸能力的唯一方法在于提升核心節(jié)點(diǎn)的處理能力BA網(wǎng)絡(luò)對(duì)路由較敏感，可以通