可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系研究*

趙 靚，汪斌強，張 鵬

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450002）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是20世紀最令人興奮的科技成果之一，并且已經(jīng)從最初的出于學術(shù)研究需要的、僅是一個只有幾十個站點的研究項目發(fā)展成為一個連接世界各大洲數(shù)十億人的通信系統(tǒng)。隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，人們一方面享受著互聯(lián)網(wǎng)帶來的新興生活方式，一方面也在不斷地對互聯(lián)網(wǎng)的可靠性、有效性和安全性等方面的問題進行詬病。

事實上，當人們要求一個本來只是用于學術(shù)研究的網(wǎng)絡(luò)來滿足人類經(jīng)濟生活需求時，網(wǎng)絡(luò)通信傳統(tǒng)的可靠性、有效性和安全性問題就已經(jīng)發(fā)生了質(zhì)的變化，就會不可避免地出現(xiàn)這樣那樣的問題。雖然，網(wǎng)絡(luò)研究者們一直在致力于解決互聯(lián)網(wǎng)面向新需求時出現(xiàn)的問題，但是時至今日，互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)雖然已經(jīng)變得越來越復雜，可是仍然無法提供令人滿意的服務(wù)。如何走出這個困局，研究者們一直在探索[1～3]。

事實已經(jīng)證明，那種修修補補式的發(fā)展方式永遠也跟不上互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求的發(fā)展，必須在下一代網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建過程中采取“推倒重來（clean slate）”式的發(fā)展模式。這種“推倒重來”式的發(fā)展并不是指將現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施都廢棄不用，通過研制新設(shè)備、新技術(shù)來構(gòu)建一個全新的大一統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)，而是指在思想、理論和技術(shù)體系 (thought，theory and technology architecture)方面進行創(chuàng)新，使得下一代網(wǎng)絡(luò)既能夠融合現(xiàn)有底層網(wǎng)絡(luò)通信基礎(chǔ)設(shè)施的異構(gòu)性，保持網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一致性和連貫性，又能夠充分考慮未知網(wǎng)絡(luò)、能夠支撐各個領(lǐng)域全面信息化、滿足可管可控可信的需求。

在這一過程中思想體系的創(chuàng)新尤為重要。本文主要是從思想體系方面入手，提出了一種以服務(wù)提供為目標、以可重構(gòu)技術(shù)為實現(xiàn)手段、能夠滿足不同業(yè)務(wù)個性化需求的可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系。該網(wǎng)絡(luò)體系打破了原有封閉式體系架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)功能進行層次劃分，再分而治之，既有利于將復雜的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進行分解，降低技術(shù)門檻，又利于解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及未來網(wǎng)絡(luò)可能出現(xiàn)的問題。

2 相關(guān)工作

針對如何構(gòu)建下一代網(wǎng)絡(luò)這個課題已經(jīng)爭論了十余年，目前還存在很多不同的聲音[4]，但基本形成了兩大技術(shù)路線：一種是“演進性”路線，即在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)上不斷“改良”和“完善”；另一種是“革命性”路線，即重新設(shè)計全新的互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，滿足未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展需要。

早在2000年，美國就啟動了NewArch項目，該項目主要研究互聯(lián)網(wǎng)變化的需求，并對一些關(guān)鍵的體系結(jié)構(gòu)問題和思想進行了探索，但在其具體實現(xiàn)方案中仍然沿用了現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)。2003年，美國科學基金會(NSF)啟動Clean Slate 100×100研究計劃，針對“推倒重來，從零開始”的設(shè)計方法論、全面的網(wǎng)絡(luò)框架及網(wǎng)絡(luò)拓撲設(shè)計、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧設(shè)計等3個方面展開研究，計劃到2010年實現(xiàn)1億家庭以100 Mbit/s的速率上網(wǎng)。該項目現(xiàn)已結(jié)束，并未達到預期的目標。此后，美國NSF還啟動了FIND、SING、NGNI等研究項目。2005年，美國NSF又啟動全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境GENI項目，提出了許多新的概念，并引入了OpenFlow作為實驗平臺。2010年美國NSF設(shè)立了未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)(FIA)計劃，其目標是設(shè)計和驗證下一代互聯(lián)網(wǎng)的綜合的新型的體系結(jié)構(gòu)。Nebula[5]項目致力于建立一個以云計算為中心的體系結(jié)構(gòu)。在這一未來的模型中，數(shù)據(jù)中心被高速的、可靠的、安全的骨干網(wǎng)絡(luò)連接在一起。XIA[6]項目致力于構(gòu)建一種未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)，具有可信、支持長期更新的多種使用模型、支持長期的技術(shù)革新、支持不同網(wǎng)絡(luò)組成角色間的明晰的接口等特點。

中國也已較早地開展了下一代互聯(lián)網(wǎng)的研究，國家自然科學基金、國家重點基礎(chǔ)研究發(fā)展計劃（“973”計劃）項目、國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃（“863”計劃）項目、科技支撐計劃項目、中國下一代互聯(lián)網(wǎng)(CNGI)項目都是有力的支持，從基礎(chǔ)研究、關(guān)鍵技術(shù)突破、推廣應(yīng)用3個層次，展開下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究的探索與實踐。在這些計劃項目的支持下，“十五”、“十一五”期間先后構(gòu)建了CNGI試驗網(wǎng)和以大規(guī)模匯聚路由器 （ACR）為核心的“3TNet”試驗網(wǎng)，對下一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)及應(yīng)用推廣進行了有益探索。

從國內(nèi)外對下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)方面的研究來看，沿著“革命性”路線開展的研究雖然取得了一些成果，但是這些成果大部分都是偏重于解決某一個或某幾個方面的問題，對于全面解決網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)有及可能出現(xiàn)的問題，仍然沒有形成一種業(yè)界公認的網(wǎng)絡(luò)體系，目前還是處于百家爭鳴的階段。

3 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系

描述一個系統(tǒng)可以分3個層次：抽象層、邏輯層、物理層。抽象層描述的方法是模型，進行分層描述，主要關(guān)注業(yè)務(wù)、服務(wù)、協(xié)議和接口。邏輯層描述的方法是體系結(jié)構(gòu)，體系是構(gòu)成系統(tǒng)的諸元素，結(jié)構(gòu)是諸元素之間的關(guān)系。物理層描述的方法是技術(shù)方案，技術(shù)方案給出了系統(tǒng)的物理實現(xiàn)，是系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的具體化體現(xiàn)。本節(jié)主要對可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系進行抽象層的描述。

3.1 概念

可重構(gòu)就是“使用一系列準則和手法，對系統(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)或代碼進行調(diào)整或改進，以滿足系統(tǒng)對環(huán)境變化和應(yīng)用對象變化的適應(yīng)性要求?？芍貥?gòu)技術(shù)提供了一種高效且可受控的系統(tǒng)整理技術(shù)，從而使系統(tǒng)更容易被理解和修改”[7，8]?；谏鲜龆x，本文提出針對網(wǎng)絡(luò)體系的可重構(gòu)概念如下。

定義1 重構(gòu)對象是指通過執(zhí)行可重構(gòu)指令進行功能或性能調(diào)整以達到某種既定目標的實體。重構(gòu)對象可分為3個層次：網(wǎng)絡(luò)體系級重構(gòu)對象、節(jié)點級重構(gòu)對象、局部接口或功能級重構(gòu)對象。

定義2 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)是通過可重構(gòu)技術(shù)對網(wǎng)元進行功能、性能或相應(yīng)關(guān)系的調(diào)整，從而能夠滿足變化的業(yè)務(wù)需求的一種可變的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?？芍貥?gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)是對可重構(gòu)柔性信息網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)柔性通信網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)柔性業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)柔性服務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)柔性傳送網(wǎng)絡(luò)、可重構(gòu)柔性傳輸網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)稱。

3.2 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的5層模型

借鑒分層原理（layering principle），本文提出了一個可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)分層模型，自下而上分別定義為傳輸層、傳送層、服務(wù)層、業(yè)務(wù)層和應(yīng)用層，如圖1所示。本質(zhì)上，該分層模型把信息網(wǎng)絡(luò)要解決的問題分為幾個小問題，分別通過相應(yīng)的可重構(gòu)技術(shù)得以解決[9]。

分層是一種有效的方法，它能夠簡化網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，使每一層的設(shè)計獨立于其他層進行設(shè)計、實現(xiàn)和測試，避免了某一層軟硬件的重構(gòu)對其他層的可見的改變。

第1層是傳輸層，對應(yīng)于可重構(gòu)柔性傳輸網(wǎng)絡(luò)，重構(gòu)對象是基本的數(shù)據(jù)傳輸資源，如光纖、電纜等，主要解決能夠提供什么樣的傳輸通道以及如何分配傳輸資源來處理相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸問題，可以理解為給指定的數(shù)據(jù)傳輸修一條什么樣的道路以及多寬的道路。

圖1 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的5層模型

第2層是傳送層，對應(yīng)于可重構(gòu)柔性傳送網(wǎng)絡(luò)，重構(gòu)對象是數(shù)據(jù)傳輸通道的連接關(guān)系，即滿足需求的網(wǎng)絡(luò)拓撲，主要解決如何將傳輸通道連接起來，以達到將數(shù)據(jù)從一個端點傳送到另一個端點的目標。

第3層是服務(wù)層，對應(yīng)于可重構(gòu)柔性服務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)，重構(gòu)對象是連接數(shù)據(jù)通道的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，主要解決的問題是為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重構(gòu)什么樣的功能和性能，可以理解為需要為中轉(zhuǎn)數(shù)據(jù)構(gòu)建什么樣的站點。這里的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不是傳統(tǒng)意義上的僅具有交換或路由功能的節(jié)點，而是可以根據(jù)上層業(yè)務(wù)需求進行功能和性能重構(gòu)的各類節(jié)點，這樣的節(jié)點可以是路由器或交換機，也可以是服務(wù)器、服務(wù)機群或入侵檢測系統(tǒng)等，只要是能提供某一類網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的軟硬件系統(tǒng)都可以通過可重構(gòu)技術(shù)進行重構(gòu)，成為可重構(gòu)柔性服務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點。

第4層是業(yè)務(wù)層，對應(yīng)于可重構(gòu)柔性業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)絡(luò)，重構(gòu)對象是網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)，主要解決的問題是如何對各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進行抽象聚類，并進行形式化描述，從而從下層提供的各類服務(wù)組件及構(gòu)件中提取需要的功能，并進行整合。在業(yè)務(wù)層可見的組件及構(gòu)件就是各類服務(wù)，包括通信服務(wù)組件及構(gòu)件、安全服務(wù)組件及構(gòu)件、帶寬服務(wù)組件及構(gòu)件、檢測組件及構(gòu)件等。

第5層是應(yīng)用層，對應(yīng)于可重構(gòu)柔性信息網(wǎng)絡(luò)，重構(gòu)對象是信息服務(wù)平臺，主要解決的問題是如何利用下層網(wǎng)絡(luò)資源生成豐富多彩的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，并向用戶提供應(yīng)用接口。由于人們對信息的需求已經(jīng)從被動接收演變?yōu)橐髮π畔⒌墨@取具有可追溯性、可預測性和可綜合性，這就要求信息提供者或信息獲取終端具有信息存貯、計算和處理能力。目前人們獲取信息的主要途徑是網(wǎng)絡(luò)，所以人們認為網(wǎng)絡(luò)不僅要提供通信服務(wù)，而且應(yīng)該提供信息存貯、計算和處理服務(wù)。因此，新一代網(wǎng)絡(luò)不僅僅是信息交換的載體，更是提供信息服務(wù)的平臺。而事實上，基于1～4層柔性網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建出的能夠提供信息轉(zhuǎn)移功能的可重構(gòu)的柔性網(wǎng)絡(luò)僅是一個通信網(wǎng)絡(luò)，只解決通信本身的問題，即可靠性、有效性和安全性問題，但作為一個能夠被用戶直接使用的系統(tǒng)來說，僅解決上述問題還不夠，因此，在通信網(wǎng)絡(luò)提供的功能基礎(chǔ)上增加了應(yīng)用層，提供信息利用支撐環(huán)境，通過對信息的存貯、計算和處理，解決信息網(wǎng)絡(luò)的運營性問題，實現(xiàn)信息的綜合利用。

4 重構(gòu)描述

通過可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的5層模型，可以將網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)行為劃分為3個級別，分別為網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級重構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點級重構(gòu)、功能模塊級重構(gòu)。其中，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)級的重構(gòu)通過業(yè)務(wù)層重構(gòu)實現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點級重構(gòu)通過服務(wù)層重構(gòu)實現(xiàn)，功能模塊級重構(gòu)通過傳送層重構(gòu)實現(xiàn)。不論是哪一個級別的重構(gòu)，都必須由幾個基本要素構(gòu)成，即：

其中，RR(reconfiguration result)表示重構(gòu)結(jié)果。經(jīng)過重構(gòu)使得重構(gòu)對象具有某種功能及性能，并對其進行形式化描述。RA(reconfiguration arithmetic)表示重構(gòu)算法集合。通過對相應(yīng)重構(gòu)輸入的計算，得到重構(gòu)結(jié)果的方法。根據(jù)重構(gòu)級別不同，重構(gòu)算法也不同：

其中，RAt表示業(yè)務(wù)層重構(gòu)算法集，RAs表示服務(wù)層重構(gòu)算法集，RAtr表示傳送層重構(gòu)算法集。

MC(module&component)表示組件及構(gòu)件集合，是用來進行重構(gòu)并得到一個重構(gòu)對象的基本元素。根據(jù)重構(gòu)級別不同，其對組件和構(gòu)件的定義也不同。

其中，MCt、MCs、MCtr分別是對業(yè)務(wù)層、服務(wù)層、傳送層可見的組件/構(gòu)件庫的描述。

RS(reconfiguration scale)表示重構(gòu)規(guī)模，是對重構(gòu)對象所要覆蓋的范圍及程度的形式化描述。

每一層的重構(gòu)都是由重構(gòu)輸入觸發(fā)，即在可控范圍內(nèi)對相應(yīng)組件/構(gòu)件等執(zhí)行相應(yīng)的重構(gòu)算法，以得到一個重構(gòu)結(jié)果。

5 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和優(yōu)勢

5.1 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

下一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該是一個能夠滿足用戶個性化需求的網(wǎng)絡(luò)，試圖通過預測業(yè)務(wù)需求和預留資源的方式為未知業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)支撐一定是徒勞的，因此，要想滿足用戶的個性化需求就必須要求網(wǎng)絡(luò)可變?？芍貥?gòu)技術(shù)在滿足系統(tǒng)對環(huán)境和應(yīng)用對象變化的適應(yīng)性要求方面有著很好的表現(xiàn)，因此可以預見，將可重構(gòu)技術(shù)引入網(wǎng)絡(luò)體系設(shè)計并提出可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的概念,在面對下一代網(wǎng)絡(luò)各種未知需求時有著廣闊的應(yīng)用前景。

（1）構(gòu)建新網(wǎng)絡(luò)

當出現(xiàn)一種新興業(yè)務(wù)時，可將業(yè)務(wù)需求聚類并作為重構(gòu)業(yè)務(wù)層的輸入，激活可重構(gòu)柔性業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)行為，進而進行相應(yīng)底層重構(gòu)對象的功能重構(gòu)或資源重組；當業(yè)務(wù)消亡以后，可以對網(wǎng)絡(luò)資源進行釋放，作為構(gòu)建另一種新業(yè)務(wù)支撐網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)件。

（2）網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境升級改造

隨著業(yè)務(wù)規(guī)模擴大或功能擴展，需要對已有網(wǎng)絡(luò)支撐環(huán)境進行升級改造時，可將升級改造具體化為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重構(gòu)需求，并作為服務(wù)層的重構(gòu)輸入，用以激活可重構(gòu)柔性服務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)行為，進而進行相關(guān)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的功能和性能的重構(gòu)行為。

（3）靈活提供各類服務(wù)

在可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)中，各種網(wǎng)絡(luò)功能都是以服務(wù)的形式提供給運營商或用戶的，它通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點重構(gòu)過程中添加相應(yīng)的功能構(gòu)件實現(xiàn)，如安全通信服務(wù)、實時通信服務(wù)、超寬帶通信服務(wù)、入侵檢測服務(wù)等。因此，在進行業(yè)務(wù)重構(gòu)時，可以通過整合不同的服務(wù)為運營商及用戶呈現(xiàn)不同的服務(wù)質(zhì)量。

5.2 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢

多年來，網(wǎng)絡(luò)一直是沿著面向業(yè)務(wù)支撐的技術(shù)體系發(fā)展，為了承載特定業(yè)務(wù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，為融合新興業(yè)務(wù)改造網(wǎng)絡(luò)[10]。在該網(wǎng)絡(luò)技術(shù)體系框架下，一種網(wǎng)絡(luò)往往隨著業(yè)務(wù)的消亡而廢棄不用，浪費了大量的資源，與此同時，為了適應(yīng)新業(yè)務(wù)的需求升級改造網(wǎng)絡(luò)付出了高昂的代價卻收效甚微，類似這樣的問題在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)過程中層出不窮。與其他網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相比，可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)在解決包括上述問題在內(nèi)的很多問題時具有很大優(yōu)勢。

（1）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有智能化

智能化是下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢，主要體現(xiàn)在與特定業(yè)務(wù)無關(guān)，可滿足任意網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求。對于一個剛性的網(wǎng)絡(luò)來說，要達到上述目標是很困難的，而在可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)拓撲可以重新構(gòu)建，網(wǎng)絡(luò)資源可以動態(tài)分配，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點功能可以依需求調(diào)整，支持協(xié)議可以靈活配置，使得網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)智能化水平有一個大的提升。

（2）網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)易于維護

一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在最初設(shè)計時可能無法全面考慮到日后一些功能擴展的需要或者網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在運行過程中會出現(xiàn)某些節(jié)點或鏈路故障，在可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)中都可以通過系統(tǒng)級或節(jié)點級的重構(gòu)對系統(tǒng)進行維護和擴展。

（3）易于滿足用戶個性化需求

由于可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)支持具有很大的靈活性，因此有利于滿足個性化的業(yè)務(wù)需求，催生大量新業(yè)務(wù)的出現(xiàn)。

（4）降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的成本

功能強、成本低的新業(yè)務(wù)在市場競爭中占有絕對優(yōu)勢?？芍貥?gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)可使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)自適應(yīng)工作環(huán)境和對象的變化，而無需增加額外的費用，這樣在增強功能的同時還降低了成本。

6 結(jié)束語

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)技術(shù)及思想已經(jīng)成為當前研究的熱點，但是沒有形成統(tǒng)一的體系。本文基于可重構(gòu)的思想提出了一種以構(gòu)件化實現(xiàn)為基礎(chǔ)、服務(wù)提供為目標的可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系，并給出了可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的5層參考模型及相應(yīng)的描述方法。基于該網(wǎng)絡(luò)模型，可以靈活構(gòu)建滿足不同業(yè)務(wù)需求的個性化網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)未來各種業(yè)務(wù)需求。但是，還需要深入研究可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)理論和技術(shù)，如：自組織理論及智能化算法、可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的協(xié)調(diào)與控制理論及方法等。

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9 劉強,汪斌強,徐恪.基于構(gòu)件的層次化可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及重構(gòu)方法.計算機學報,2010,33(9):1 557～1 567

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