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计算机网络现状和发展综述
-I-
现代网络与
通信作业
中期作业
学号:
计算机网络现状和发展综述
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教师:
2011年10月
摘要
在当今世界,计算机互连网络Internet的热潮依然冲击着整个世界。
本文介绍了中国第一个国家范围的学术性计算机互连网络:
中国教育和科研计算机网络CERNET,简要论述了中国教育和科研计算机网的现状,包括对教育网整个结构的描述,CERNET采用的主要技术以及一些技术上的更新,例如从IPV4到IPV6的一个跨越,IPV4地址的耗尽制约了互联网的发展,也决定了IPV6网络时代的到来,在此基础上,介绍了下一代互联网(NextGenerationInternet)以及关键技术,最后对下一代网络的发展方向进行展望。
关键词:
中国教育和科研计算机网,IPV4,IPV6,下一代互联网
第一章绪论
中国教育和科研计算机网CERNET是由国家投资建设,教育部负责管理,清华大学等高等学校承担建设和运行的全国性学术计算机互联网络,是全国最大的公益性计算机互联网网络,也是世界上最大的国家学术互联网。
它是我国开展现代远程教育的重要平台;是我国互联网研究的排头兵;具有雄厚的技术实力CERNET还是中国开展下一代互联网研究的试验网络;它以现有的网络设施和技术力量为依托,建立了全国规模的IPV6试验床。
然而,随着网络规模的持续扩大和新业务需求不断增长,以及新的终端设备的投入使用,全球互联网发展遇面临着前所未有的挑战,如IP地址严重不足、网络安全等。
发达国家相继制定了下一代互联网发展计划,我国也必须对此做出战略性抉择。
我国IP地址的全球资源占有率非常低(目前不足全球10%,而网民却占世界总数的20%还要多),迫切需要大量地址资源。
面对全球IPv4地址已经分配完毕的严峻形势,想下一代互联网过度已经迫在眉睫。
1.1选题背景
二十世纪八十年代以来,世界上几乎所有发达国家都已相继建成了国家级的教育和科研计算机网络,并相互连成覆盖全球的国际性学术计算机网络Internet。
这种全球计算机信息网络的产生加快了信息传递速度,为广大教师学生,以及科研人员提供了一个全新的网络计算环境,从根本上改变并促进了他们之间的信息交流、资源共享、科学计算和科研合作,成为这些国家教育和科研工作最重要的基础设施,从而促进了这些国家教育和科研事业的迅速发展。
近年来,许多发达国家为进一步保持其在经济和技术领域的领先地位,在“信息高速公路(InformationHighway)”计划之后,又相继提出了下一代互联网计划,并正在紧锣密鼓地付诸实施。
1.2选题意义
中国目前正处于一个全力发展经济、建立完善的社会主义市场经济的特殊阶段。
拥有一个现代化的网络,有利于中国教育科研事业、中国国民经济以及中国信息技术的发展。
而发达国家发展信息高速公路网络技术的计划和经验表明,首先建立由政府资助的教育和科研试验网是非常重要的环节。
CERNET的建设将为建设中国的现代化信息网络作好各种技术准备和进行部分试验,积累经验,锻炼队伍,为缩小中国与发达国家的差距,在下一世纪信息高速公路的世界竞争中处于较为主动的地位做出巨大贡献。
第二章CERNET现状
2.1CERNET介绍
CERNET是中国第一个覆盖全国的、由国内科技人员自行设计和建设的国家级大型计算机网络。
该网络由教育部主管;由清华大学、北京大学、上海交通大学、西安交通大学、东南大学、华中理工大学、华南理工大学、北京邮电大学、东北大学和电子科技大学等十所高校承担建设,于1995年11月建成。
全国网络中心设在清华大学,八个地区网点分别设立在北京、上海、南京、西安、广州、武汉、成都、和沈阳。
CERNET是为教育、科研和国际学术交流服务的非盈利性网络。
CERNET分四级管理,分别是全国信息网络中心;地区信息网络中心和地区主结点;省教育科研网;校园网。
CERNET全国信息网络中心设在清华大学,负责全国主干网的运行管理。
地区信息网络中心和地区主结点分别设在清华大学、北京大学、北京邮电大学、上海交通大学、西安交通大学、华中科技大学、华南理工大学、电子科技大学、东南大学、东北大学等10所高校,负责地区网的运行管理和规划建设。
CERNET省级结点设在36个城市的38所大学,分布于全国除台湾省外的所有省、市、自治区。
到2001年,CERNET主干网的传输速率已达到2.5Gbps。
CERNET已经有28条国际和地区性信道,与美国、加拿大、英国、德国、日本和香港特区联网,总带宽在100Mbps以上。
CERNET地区网的传输速率达到155Mbps,已经通达中国大陆的160个城市,联网的大学、中小学等教育和科研单位达895个(其中高等学校800所以上),联网主机100万台,网络用户达到749万人。
CERNET目前已基本具备了连接全国大多数高等学校的联网能力,并完成了CERNET八大地区主干网的升级扩容、建成了一个大型的中国教育信息搜索系统。
CERNET建成了总容量达800GB的全世界主要大学和著名国际学术组织的10个信息资源镜像系统和12个重点学科的信息资源镜像系统,以及一批国内知名的学术网站。
CERNET建成了系统容量为150万页的中英文全文检索系统和涵盖100万个文件的文件检索系统。
CERNET是我国开展现代远程教育的重要平台。
为了适应国家《面向21世纪教育振兴行动计划》中远程教育工程的要求,1999年,CERNET开始建设自己的高速主干网。
利用国家现有光纤资源,在国家和地方共同投入下,目前已完成覆盖全国29个中心城市总长为两万多公里的高速传输网的40%(即8000多公里)工程量,已开通北京-武汉-广州、武汉-南京-上海之间2.5G的高速信道,连接21个城市的中高速地区网(155M)正在紧张的建设之中。
目前已有40~50所高校以10M~100M的高速率接入到CERNET主干网。
CERNET是我国互联网研究的排头兵,具有雄厚的技术实力。
CERNET完全是由我国技术人员独立自主设计、建设和管理的计算机互联网络。
在网络建设的同时,CERNET还注重加强网络安全工作,1999年CERNET建成国内第一个网络紧急响应中心CCERT,并提供服务。
迄今为止CCERT小组已经先后处理了2000多网络安全事件的报告,有效的保证了CERNET正常的网络运行秩序,促进了CERNET网络管理水平的进一步提高。
CERNET还是中国开展下一代互联网研究的试验网络,它以现有的网络设施和技术力量为依托,建立了全国规模的IPV6试验床。
1998年CERNET正式参加下一代IP协议(IPv6)试验网6BONE,同年11月成为其骨干网成员。
CERNET在全国第一个实现了与国际下一代高速网INTERNET2的互联,目前国内仅有CERNET的用户可以顺利地直接访问INTERNET2。
CERNET也是我国信息网络人才重要的培养基地。
仅在"九五"国家重点科技公关项目"计算机信息网络及其应用关键技术研究"建设期间,CERNET研究人员与其他合作单位在国内外发表相关学术论文数百篇,培养了一批专业技术人才。
CERNET还支持和保障了一批国家重要的网络应用项目。
例如,全国网上招生录取系统在2000年普通高等学校招生和录取工作中发挥了相当好的作用。
CERNET的建设,加强了我国信息基础建设,缩小了与国外先进国家在信息领域的差距,也为我国计算机信息网络建设,起到了积极的示范作用。
2.2CERNET的结构
2.2.1CERNET的网络总体结构
CERNET网络总体结构分为三个层次,分别是CERNET主干网、省/市教育网和校园网。
第一层:
CERNET主干网
自1994年以来,国家投资建设CERNET主干网,1999年开始建设CERNET光纤传输网。
1995年,建成CERNET主干网,连接了国家网络中心和10个地区网络中心。
1999年,CERNET主干网的范围扩大到覆盖全国31个省/市/自治区的36个城市,建成拥有1个国家中心、38个主节点的CERNET主干网。
2000年,CERNET传输网开通,为CERNET主干网提供传输线路。
2003年开始,CERNET光纤传输网同时还为中国下一代互联网示范工程CNGI示范网络核心网CNGI-CERNET2提供带宽资源。
第二层:
省/市教育网
各省/市教育主管部门筹集各种资金,建设连接当地校园网的省/市教育网,通过当地CERNET主节点接入CERNET主干网。
第三层:
校园网
校园网由各学校筹集各种资金自行建设、运行、维护和管理。
根据各地条件不同,有的校园网通过当地省/市教育网接入CERNET主干网,有的直接接入CERNET主干网。
2.2.2CERNET的拓扑结构
CERNET与国内CSTNET、CHINANET和CHINAGBN实现互联。
在国际出口方面,CERNET已经有12条国际和地区性信道,与美国、加拿大、英国、德国、日本和香港特区联网,总带宽在100M以上。
截至2009年12月,CERNET主干网已经连接38个主节点,传输速率达到2.5Gbps-20Gbps,覆盖全国31个省市近200多座城市,与国内外其他互联网互联总带宽超过50G。
图-01CERNET的当前拓扑图,南北走向的北京-武汉-广州是主干线,而北京-上海-广州则是冗余线路以留作备用。
第三章CERNET的发展过程
十几年来,在国家一系列重大工程项目的支持下,在各级领导关怀下,经过全体科研和技术人员的艰苦努力,CERNET从无到有,由小变大,从弱到强,经历了五个重大的发展经历,已经成为我国互联网技术的研究试验基地,教育信息化的基础平台和国家信息基础设施的重要组成部分。
3.1CERNET阶段的发展
3.1.1从无到有
1994~1995年的“CERNET示范工程”,建成了64KbpsDDN专线的CERNET主干网,连接分布在8个城市的10个主干网节点,接入108所高校,获1996年国家教委科技进步一等奖,1997年国家科技进步二等奖。
1996~1998年的国家“九五”科技攻关项目-“计算机信息网络及其应用关键技术研究”,在CERNET环境下完成了我国第一批互联网技术的科技攻关,取得了一批重要研究成果,获2001年中国高校科学技术进步一等奖,2001年国家“九五”重大科技成果奖。
中国第一个互联网试验网CERNET试验网拓扑图。
3.1.2从小到大
正当CERNET面临严重通信线路困难的时候,1997年国家启动“CERNET主干网升级工程”,建成了一个覆盖全国20多个城市的CERNET卫星网络。
国家211工程“中国教育和科研计算机网地区主干网和重点学科信息服务体系”项目的实施,又使CERNET建成了遍布全国36个城市的网络运行和管理体系。
采用卫星和DDN相结合的方式组成的CERNET主干网,传输速率4Mbps以上,连接分布在36个城市的38个CERNET主干网节点,接入500多所高校。
CERNET分配的IPv6地址(/48)情况2000-2009
3.1.3从弱到强
面对CERNET发展中最困难的通信线路瓶颈,教育部领导在1999年做出重大决策,在国家面向21世纪教育振兴计划中,启动“中国教育和科研计算机网CERNET高速主干网建设”项目,安排专项经费,建设CERNET高速光纤传输网络。
2000年,采用先进DWDM/SDH技术,建成覆盖全国20000多公里的高速光纤传输网,传输容量达到80G。
CERNET高速主干网的传输速率达到2.5G,地区网传输速率则达到155M以上。
2003年开始实施的国家“十五”211工程,更使CERNET高速传输网的容量到达800G,CERNET主干网的传输速率达到2.5~10Gbps,地区网传输速率则达到155M~2.5Mbps。
1995年11月,CERNET提前通过鉴定验收。
3.1.4从跟随到前列
1998年以来,CERNET在我国率先开展了下一代互联网的研究。
2001年,在国家自然基金委的支持下,CERNET率先在我国建成了第一个IPv6地区试验网。
2002年,CERNET开展了“下一代互联网中日IPv6合作项目”,进行下一代互联网的国际合作研究。
2003年,在国家发展改革委的主持下,由中国工程院牵头的“中国下一代互联网示范工程CNGI”启动,第二代中国教育和科研计算机网CNGI-CERNET2成为其中最大的核心网。
CNGI-CERNET2因为其在两代网过渡技术,基于真实的出Pv6原地址认证等方面的成就,先后两次被两院院士评为2004年、2006年我国十大科技进展之一,获2006年高校科技进步一等奖,2007年国家科技进步二等奖。
2008年,CERNET组织实施的上百所高校参加的CNGI试商用项目“教育科研基础设施IPv6技术升级和示范应用”,进一步推动了我国的下一代互联网发展从技术试验向试商用转型。
1998年,CERNET建设了中国第一个IPv6试验床。
从单一的科研体制到科研企业并存。
机制创新是CERNET不断发展壮大的重要原因。
为了提高运行质量和服务水平,满足教育信息化需求,大力发展CERNET信息资源和各种网络增值业务,加快CERNET发展,2000年8月,教育部党组批准CERNET转制方案,保持CERNET原有的科研体制不变,继续承担国家的科研项目;成立赛尔网络有限公司,委托其运营CERNET主干网并发展网络增值业务。
3.2CERNET2的发展
中国下一代互联网(CNGI)示范工程核心网建设项目CERNET2是国务院批准,国家发改委、科技部、信息产业部、国务院信息化工作办公室、教育部、中国科学院、中国工程院、国家自然基金会等8部委联合领导的中国下一代互联网示范工程的起步项目。
CERNET2项目由中国工程院协调负责。
由清华大学等25所大学联合承担的“CNGI-CERNET2主干网和CNGI-6IX”是该项目的重要组成部分。
3.2.1世界上最大规模的纯IPv6网络
覆盖全国20个主要城市,目前连接100所左右的高校和科研单位,明年将连接200所高校,每个学校将以1G—10G速率接入,是世界上规模最大的纯IPv6互联网;
互联网有试验物理学特性,很多关键技术及设备必须在真实的互联网上进行研究、试验。
如此大规模的CERNET2的建成,为我国研究下一代互联网提供了优越条件。
依托CERNET2进行大规模纯IPv6网络验证和试验,包括IPv4OverIPv6等。
3.2.2在下一代互联网关键技术研究上获得突破
在CERNET2上已经广泛使用了中国第一台IPV6路由器,在CERNET20个核心节点配置IPv6核心路由器和接入路由器,50%以上采用国产设备;这些标志着我国在下一代互联网关键技术上获得了突破性进展。
IPv6核心路由器是用于下一代互联网建设的关键技术设备,目前只有少数发达国家掌握其核心技术。
BE12016的研制成功并达到国际同类产品的技术水平,标志着我国已基本掌握了下一代互联网的核心路由器关键技术,对于保障我国互联网的安全运行和服务水平,提高我国在下一代互联网技术中的国际竞争力,具有重要的战略意义。
我国第一个IPv6核心路由器BE12016日前由清华大学计算机系和清华紫光比威公司共同研制成功。
目前,该路由器已成功地应用于国家863计划“新一代互联网技术综合试验环境”和我国第一个下一代互联网CERNET2试验网,可望成为我国下一代互联网示范工程中具有竞争力的国产设备。
我国具有完全软、硬自主知识产权的IPv6核心路由器BE12016,是一种可以提供IPv6/IPv4功能的双栈核心路由器,主要用于下一代互联网的核心主干网。
它采用高速分布式路由体系结构和先进的高速交换矩阵,具有每秒3200亿比特的信息交换能力和每秒9600万次的分组报文转发能力,达到400万条IPv4/IPv6动态可调路由表项,采用硬件技术实现了各种IPv6/IPv4分组报文的线速转发;它提供TCP,UDP,IP,ND,ICMP,RIPv2、RIPng、OSPFv2、OSPFv3、BGP4+和PIM组播路由协议,具有10/100/1000M以太网和155M/2.5GPOS接口接口类型;它还提供配置隧道、6to4隧道、4to6隧道、NAT-PT等过渡协议,SNMP网络管理协议,IPsec和IKE等安全协议,完善的访问控制和过滤机制,同时提供方便、友好的控制管理界面。
据悉,美国军方在2003年发表了一份IPv6备忘录,提出全面部署IPv6的重要决策,并作出了300亿美元以上的预算。
产业届人士预测,以IPv6为代表的下一代互联网建设已经不可避免,新经济机会已经来临。
3.3.3支持下一代互联网的关键应用
基于CERNET2进行真实IPv6地址访问相关技术的试验研究,为构件安全可信的下一代互联网奠定了基础;具有下一代互联网特征的关键应用开发,包括大规模点到点的多媒体通信系统、网格、高品质视频、共享虚拟现实、家庭网络等等。
不仅如此,科学家们还为我们描绘了下一代互联网的广阔前景:
支持大规模点到点的视频通信;支持大规模视频会议、高清晰度电视;支持远程仪器控制、虚拟实验室;实现真正的远程教育:
基于交互协同视频会议技术进行远程授课和辅导;基于高清晰度视频广播技术进行授课内容回放;基于按内容流媒体检索和点播技术实现随时随地按需学习;实现海量信息存储与检索等。
中国教育和科研计算机网(CERNET)专家委员会主任、清华大学教授吴建平说:
“在人类发展史上,火的使用是野人与文明人的分界线,下一代互联网对我们的意义与影响,就如火的使用。
”
第四章CERNET的主要技术
4.14over6的网络体系
随着互联网全球应用的广泛和普及,Internet网络节点数目呈现几何级数的增长。
目前互联网上使用的网络层协议IPv4,其地址空间为32位,可以提供
个IP地址,理论上支持40亿台终端设备的互联,它定义了A、B、C、D、E共5类IP地址,前3类分配给用户使用,D类用于多播寻址,E类则为实验应用保留。
IPV4一方面地址有限,另一方面其地址分类结构以及分配与管理的不当,以及其不可避免的浪费,再加上全球互联网规模的不断扩增,使IP地址消耗殆尽。
由于IP地址的短缺,在互联网上被迫使用大量转换地址(内部地址),严重影响着互联网本身的效益及安全。
1996年美国克林顿政府出台“下一代Internet”研究计划(NGI:
NextGenerationInternet),目前,美国的下一代互联网已经连接全国。
我国于1998年开始了NGI的研究(CNGI:
ChinaNextGenerationInternet),其他国家和地区也相继开始了下一代互联网的研究。
4.1.1IPV6的概念
IPv6是InternetProtocolVersion6的缩写,其中InternetProtocol译为“互联网协议”。
IPv6是IETF(互联网工程任务组,InternetEngineeringTaskForce)设计的用于替代现行版本IP协议(IPv4)的下一代IP协议。
目前IP协议的版本号是4(简称为IPv4),它的下一个版本就是IPv6。
4.1.2IPV6的特点和优势
IPV6地址具有如下特点
(1)具有更大的地址空间,其长度为128比特,地址空间相对IPV4来说增大了2的96次方倍;
(2)IP报文头部格式更加灵活,加快了报文处理速度;(3)IPV6简化了报文头部格式,加快报文转发,提高了吞吐量;(4)安全性更高。
身份认证和隐私权是IPV6的关键特性;(5)支持更多的服务类型;不仅仅是支持电脑,电脑以外的东西也支持;(6)协议支持演变,以便增加新的功能,使之适应未来技术的发展;
相对IPV4来说,IPV6具有如下优势。
一,IPv6具有更大的地址空间。
IPv4中规定IP地址长度为32,而IPv6中IP地址的长度为128,地址范围远大于IPV4。
二,IPv6使用更小的路由表。
IPv6的地址分配一开始就遵循聚类(Aggregation)的原则,这使得路由器能在路由表中用一条记录(Entry)表示一片子网,大大减小了路由器中路由表的长度,提高了路由器转发数据包的速度。
三,IPv6增加了增强的组播(Multicast)支持以及对流的支持(FlowControl),这使得网络上的多媒体应用有了长足发展的机会,为服务质量(QoS,QualityofService)控制提供了良好的网络平台。
四,IPv6加入了对自动配置(AutoConfiguration)的支持。
这是对DHCP协议的改进和扩展,使得网络(尤其是局域网)的管理更加方便和快捷。
五,IPv6具有更高的安全性。
在使用IPv6网络中用户可以对网络层的数据进行加密并对IP报文进行校验,极大的增强了网络的安全性。
4.1.3IPV6技术的发展现状与问题
国内外IPV6技术的发展现状
1995年,IETF首次推出了IPV6,并于1996年建立了全球范围的IPV6试验床--6Bone。
目前6Bone已经扩展到全球54个国家和地区,成为IPV6研究、开发和实践的主要平台。
目前对IPV6的研究,主要涉及用于主机的单独IPV6协议栈软件,用于主机的支持IPV6的操作系统,独立的路由协议软件,用于路由器的支持IPV6的操作系统、应用程序实现以及硬件支持IPV6的路由器产生。
国外对IP的移动性研究是一个热点,它包括如何构成一个支持移动性的Internet的体系结构,如何把高速无线数据传输与移动通信系统的漫游功能联系为一体,以提供高效的Internet接入,支持包括E-mail、WWW浏览、FTP服务、IP电话、交互式多媒体等业务。
CERNET国家网络中心是我国最早开始研究IPV6的机构,于1998年6月加入了6Bone,同年11月成为其骨干网成员。
1999年,CERNET在国内教育网范围内组建了连接全国八大网络中心的IPV6试验床,并开始分配地址,进行有关IPV6各种特性的研究与开发。
国内许多公司也积极参与到IPV6各种特性的研究与开发中。
2004年3月,采用纯IPV6技术的CERNET2开通,开始提供IPV6服务,标志着我国的IPV6研究已经位于世界前列。
4.1.4IPv4overIPv6机制原理
随着IPv6技术的快速发展和纯IPv6主干网络的建成,大量IPv4网络需要通过IPv6主干网来实现互联互通的需求也日益增多。
在IPv4/v6互联的网络拓扑上,一些只运行IPv6协议栈的P路由器构成了纯IPv6主干网。
然而,由于现有大量IPv4应用将在一定时期内仍然广泛使用,因此该纯IPv6主干网需要向边界网络提供IPv4协议栈接入
随着IPv6技术的快速发展和纯IPv6主干网络的建成,大量IPv4网络需要通过IPv6主干网来实现互联互通的需求也日益增多。
在IPv4/v6互联的网络拓扑上,一些只运行IPv6协议栈的P路由器构成了纯IPv6主干网。
然而,由于现有大量IPv4应用将在一定时期内仍然广泛使用,因此该纯IPv6主干网需要向边界网络提供IPv4协议栈接入。
使用4over6机制进行传输的网络拓扑结构图
PE路由器作为地址簇边界路由器AFBR,同时运行IPv6和IPv4双协议栈。
PE路由器在主干网内使用IPv6协议连接纯IPv6主干网,对接入网络则使用IPv4协议栈与边缘网络的IPv4单协议栈CE路由器连接,从而对已有IPv4网络提供接入服务。
因此,需要设计一种机制,使得在CE路由器上只运行IPv4协议,而IPv6主干网作为传送IPv4分组的传输网络。
目前,大多数IPv4/IPv6网络过渡方案主要是解决
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