未來網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)研究

摘要： 論述并分析了有關未來網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的兩個重要的技術策略：位置標志與身份標志分離、控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離，敘述了OpenFlow的解決思路，即將控制功能從交換機或路由器中獨立出來，指出軟件定義網(wǎng)絡、網(wǎng)絡功能虛擬化是未來網(wǎng)絡的研究熱點，智能型網(wǎng)絡是研究方向。

關鍵詞： 未來網(wǎng)絡；網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)；軟件定義網(wǎng)絡；智能型網(wǎng)絡

Abstract： This paper discribes two important technical schemes related to future network architecture： 1） location and identifier split and 2） control and data forwarding split. It discribes the advantages and disadvantages of these schemes and suggests that OpenFlow should be used to split the control function and the switch or router. Software-defined networking and network function virtualization are current research hotspots in future networking， and intelligent networking is a future research direction.

Key words： future network； network architecture； software-defined network； intelligent networking.

1 未來網(wǎng)絡相關的研究項目

互聯(lián)網(wǎng)已成為現(xiàn)代信息社會的支柱。但是，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)在可擴展性、移動性、安全性、可控、可管等方面存在缺陷[1-6]，不能完全滿足發(fā)展需求。因此，為了增加國際競爭力、造福人民，多個國家把未來互聯(lián)網(wǎng)或未來網(wǎng)絡的研究作為戰(zhàn)略性計劃。

美國國家自然科學基金會（NSF）在2003年設立了100×100項目，投入750萬美元，采用白板設計路線，旨在從根本上從頭設計可供1億家庭、每戶100 Mb/s接入速率的網(wǎng)絡?，F(xiàn)在成為研究熱點的OpenFlow技術就是從這個項目啟發(fā)出來的。NSF在2005年啟動了網(wǎng)絡創(chuàng)新的全球環(huán)境（GENI）計劃，旨在建一個全球性試驗網(wǎng)絡，不同的研究人員可同時在其上做新方案試驗而互不影響，并采用網(wǎng)絡虛擬化技術來實現(xiàn)各試驗網(wǎng)絡的隔離。GENI采用螺圈式發(fā)展，2012年處于第4螺圈，目前正進入第5螺圈。NSF在2006年設立了未來網(wǎng)絡設計（FIND）計劃，5年內(nèi)支持了超過50個創(chuàng)新研究項目。2010年8月，NSF批準了4個未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)（FIA）研究項目，每個項目金額約為800萬美元，項目運作時間為3年。它們分別是：命名數(shù)據(jù)組網(wǎng)，研究以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡，以內(nèi)容名字來定位；移動為先，解決與移動有關的問題；星云，解決云計算網(wǎng)絡有關的問題，使數(shù)據(jù)中心可靠聯(lián)網(wǎng)；XIA-expressive 網(wǎng)絡架構(gòu)，側(cè)重于安全和可信機制。這4個項目體現(xiàn)了未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究的熱點。項目2和4已在上述GENI試驗網(wǎng)上做了試驗。2011年9月，NSF批準了第5個FIA項目—Choice Net， 項目金額在273.2萬美元，項目時間大約為3年。該項目將經(jīng)濟學用于網(wǎng)絡研究，使用戶可以選擇最優(yōu)的服務。

加拿大的自然科學與工程研究委員會批準了戰(zhàn)略性項目——虛擬基礎設施上的智慧應用（SAVI）。該項目于2011年11月開始，為期5年，經(jīng)費500萬加元，內(nèi)容包括智慧應用、擴展的云計劃、智慧融合邊緣、集成的無線/光接入等。

歐盟第7個框架計劃（FP7）在信息與通信技術（ICT）方面投入91億歐元，分有8個方面，第1方面是普適可信的網(wǎng)絡與服務基礎設施。歐盟于2008年設立了未來互聯(lián)網(wǎng)的研究與試驗（FIRE），類似于美國的GENI。FP7 ICT對未來網(wǎng)絡設立的項目已超過90個，分為三大類：未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與網(wǎng)絡管理、無線接入與頻譜利用、融合與光網(wǎng)絡。對于體系結(jié)構(gòu)類，較早的有未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與設計（4WARD），近期有采用分離結(jié)構(gòu)的電信級未來網(wǎng)絡（SPARC）、可擴展和自適應的互聯(lián)網(wǎng)解決方法（SAIL）、出版訂閱互聯(lián)網(wǎng)技術（PURSUIT）、用OpenFlow試驗實時在線交互式應用（OFERTIE）等。值得注意的是：繼歐盟研究與創(chuàng)新計劃FP7后，2014年開始的框架計劃改稱為地平線2020，多個領域已開始征求意見。其中，未來網(wǎng)絡技術研究與創(chuàng)新從3方面征求意見：集成的基礎設施、智慧網(wǎng)絡和體系結(jié)構(gòu)、用戶展望。

2006年5月，日本啟動了AKARI項目，提出研究可供2015年應用的新一代網(wǎng)絡。AKARI的日語含意是星星之火。該項目采用了身份與位置分離的方法。韓國的未來互聯(lián)網(wǎng)研究計劃[7]，采用OpenFlow的試驗網(wǎng)，已和美國GENI互聯(lián)，并將在跨歐亞信息網(wǎng)絡（TEIN）上作試驗。

中國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、國家重點基礎研究發(fā)展（“973”）計劃、國家高技術研究發(fā)展（“863”）計劃、國家科技支撐計劃、中國下一代互聯(lián)網(wǎng)（CNGI）項目等都做了支持[8]。近年來，“973”計劃支持的有關未來網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)項目有：一體化可信網(wǎng)絡與普通適服務體系基礎研究（2007CB307100）、可測可控可管的IP網(wǎng)絡的基礎研究（2007CB310700）、新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議基礎研究（2009CB320500）、面向服務的未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與機制研究（2012CB315800）、可重構(gòu)信息通信基礎網(wǎng)絡體系研究（2012CB315900）、智慧協(xié)同網(wǎng)絡理論基礎研究（2013CB329100）等。上述編號的前4位表示開始的年份，前2個項目已經(jīng)結(jié)題。

為了適應信息服務的發(fā)展和贏利，電信運營商提出了“智能管道”的研發(fā)。中國電信北京研究院提出了“智能型網(wǎng)絡”，已在國際電信聯(lián)盟（ITU）立項。

上面綜述的有關項目中出現(xiàn)了下一代、新一代、未來互聯(lián)網(wǎng)或網(wǎng)絡等名稱。由于三網(wǎng)（電信網(wǎng)、互聯(lián)網(wǎng)、廣播網(wǎng)）已逐步融合，而且考慮長遠發(fā)展，因此文章采用了未來網(wǎng)絡的這一名稱。

未來網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的研究路線可分為兩大類：一是革命性的重頭設計，二是演進性的設計。它們各有優(yōu)缺點。前者從根本上重新設計，有利于取得突破性創(chuàng)新，而且可以指導網(wǎng)絡的長遠發(fā)展，當然，還要考慮如何過渡問題。后者認為現(xiàn)有龐大的網(wǎng)絡不可能突然拋棄，宜采用演進方式來完善。

2 未來網(wǎng)絡的關鍵策略

未來網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)涉及各種關鍵技術，下面將論述兩個關鍵技術策略。

2.1 位置標志和身份標志分離

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的IP地址碼既是用戶或節(jié)點的位置標志（你在哪里），又是身份標志（你是誰）。這種簡單化處理曾使互聯(lián)網(wǎng)便于推廣應用。但是，隨著網(wǎng)絡的發(fā)展，這種綁定產(chǎn)生了問題：

（1）不利于支持可擴展性。主要表現(xiàn)在核心網(wǎng)中邊界網(wǎng)關協(xié)議（BGP）路由器中轉(zhuǎn)發(fā)信息表（FIB）條目數(shù)增長過快。據(jù)統(tǒng)計，2005年1月FIB條目數(shù)約有15萬條，2010年1月約有31萬條，而到2013年1月則發(fā)展到約44萬條。因此，人們擔心，這樣發(fā)展下去可能會超過路由器的承受能力。條目數(shù)的增長固然與用戶數(shù)增長有關，但還與位置和身份綁定有關。為了壓縮條目數(shù)，宜將具有相同前綴的位置標志碼聚合起來。但是，如果用戶不肯改變身份標志，則在換運營商時綁定的位置標志不能在新情況下聚合。此外，如用戶采用多種網(wǎng)絡同時進行連接以增加可靠性，或者為了負載均衡，將流量由多種網(wǎng)絡分擔，都會增加條目數(shù)。

（2）不利于支持移動性。在執(zhí)行一個服務過程中，我們常希望通信雙方的身份不變，如果有身份改變，服務者認為出了問題，就會停止服務。用戶移動時，位置改變了，但身份沒有變，位置和身份綁定就有矛盾。在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)中，IP地址改變會引起上層傳輸控制協(xié)議（TCP）的連接中斷。

（3）不利于嵌入與身份有關的安全性措施。

由于上述原因，近年來業(yè)界提出的未來網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)大多采用了位置標志和身份標志的分離的方法。日本的AKARI和美國的Mobility First等項目采用的位置和身份標志分離方案要對已有主機進行更改，屬白板設計。

Cisco公司提出的位置標志/身份標志分離協(xié)議（LISP）把分離機制放到網(wǎng)絡中實現(xiàn)[1]，不需改變主機，不需改變核心網(wǎng)中的路由器，屬于可演進的設計。LISP已在美國新澤西州研究教育網(wǎng)（NJEDge. Net）應用，解決在多個運營商網(wǎng)絡上建立虛擬專用網(wǎng)，可實現(xiàn)多宿運用以增加可靠性，并實現(xiàn)流量均衡。Cisco公司已將LISP在其某些路由器上裝用，并計劃將LISP納入與軟件定義網(wǎng)絡有關的Cisco開放網(wǎng)絡環(huán)境（ONE）。

在位置和身份分離的網(wǎng)絡中，需要解決身份標志和位置標志的映射，目前也有多種方案，各有優(yōu)缺點，需要繼續(xù)研究。

文章第1節(jié)中提到“以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡”的說法，但也有人采用“以信息為中心的網(wǎng)絡”等說法[9]。在這種應用中，重要的不是主機和主機間的通信，而是如何找到并獲得所需的內(nèi)容，涉及如何對內(nèi)容命名、如何找到內(nèi)容、如何選路將內(nèi)容發(fā)給用戶等。這里也是把內(nèi)容的標志（命名）分離出來。文獻[10]對以信息為中心的網(wǎng)絡中的命名和選路作了綜述。

2.2 控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離

早期的路由器中，路由控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能是緊密地合在一個組件中實現(xiàn)的。隨著技術發(fā)展，要增加控制功能如服務質(zhì)量保證等，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)也要實現(xiàn)極大地增速、區(qū)分服務等，合在一起設計影響了各自的發(fā)展。因此，人們提出控制與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離，即網(wǎng)絡中設控制面和數(shù)據(jù)面。

1996年業(yè)界提出的多協(xié)議標記交換（MPLS），就采用了分離的控制面和數(shù)據(jù)面。在MPLS網(wǎng)絡中，要傳送的IP包進入到MPLS邊緣路由器后，加一個標記再封裝起來，在網(wǎng)絡中根據(jù)這個標記來轉(zhuǎn)發(fā)。MPLS的優(yōu)點是易于實現(xiàn)虛擬專用網(wǎng)（VPN）和流量工程等。后來，業(yè)界又提出了通用多協(xié)議標記交換（GMPLS），可將IP網(wǎng)的MPLS擴展到光層，實現(xiàn)IP over WDM的統(tǒng)一控制面。

互聯(lián)網(wǎng)工程任務組（IETF）在2004年的RFC 3746中提出了ForCES轉(zhuǎn)發(fā)與控制件分離架構(gòu)，目標是打破網(wǎng)絡的封閉性， 分離轉(zhuǎn)發(fā)和控制件，定義它們的開放的通信接口?？刂萍娃D(zhuǎn)發(fā)件可以獨立發(fā)展。中國浙江工商大學王偉明教授參加了ForCES的有關工作，提出了RFC 5810和RFC 6053。ForCES的工作和工業(yè)界聯(lián)系緊密度不夠，所以沒有像下面要提到的OpenFlow那樣成為熱點。

2007年，美國斯坦福大學Nick Mckeown教授的網(wǎng)絡白板設計課題組想在校園網(wǎng)上試驗各種新的協(xié)議，但當時的局域網(wǎng)交換機對用戶缺少公開的接口，遇到困難。有一位博士生Martin Casado想出了一種解決思路，后來成為“OpenFlow”，他還和Mckeown教授等創(chuàng)建了一個與OpenFlow有關的創(chuàng)業(yè)公司，名為Nicira。2012年，Nicira公司被VMware公司用12.6億美元收購?，F(xiàn)在，OpenFlow已成為網(wǎng)絡界的熱點。

OpenFlow的思路是將控制功能從交換機或路由器中獨立出來，例如放在一個計算機中。留在交換機中有一個數(shù)據(jù)流表，控制部分通過一個安全通道，按照OpenFlow協(xié)議對數(shù)據(jù)流進行控制。這樣，用戶可通過計算機試驗新協(xié)議。數(shù)據(jù)流表可支持多種數(shù)據(jù)類型格式，通過控制可被設置各種數(shù)據(jù)流的出口、改變類型或丟棄等。若收到一個未知種類的分組包，會將這個包送到控制部分去，控制部分通知如何處理這個包，如丟棄或建立新的類型和如何轉(zhuǎn)發(fā)等。

OpenFlow的工作和工業(yè)界聯(lián)系緊密，不少網(wǎng)絡公司已有相關產(chǎn)品。目前，OpenFlow適用于數(shù)據(jù)中心的局域網(wǎng)絡和企業(yè)專用的網(wǎng)絡。據(jù)稱，Google公司采用了OpenFlow技術，自行研制了通過10G網(wǎng)絡來連接分布全球的12個數(shù)據(jù)中心，從而將鏈路使用率從以往平均30-40%提升到接近100%。國際上從事未來網(wǎng)絡研究的一些項目，如美國的GENI，采用了OpenFlow，可使各個研究人員在上面做試驗而互不影響。

但是，如何將OpenFlow用于運營公司的多域多層網(wǎng)絡，還有待研究。文獻中有研究提出將OpenFlow用于光網(wǎng)絡、IP over WDM網(wǎng)絡的方案，也有研究提出將OpenFlow和MPLS、GMPLS相結(jié)合的相關方案。

3 未來網(wǎng)絡的研究方向

近年來，軟件定義網(wǎng)絡（SDN）和網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）成為研發(fā)熱點。從較長遠來看，智能型網(wǎng)絡是研究方向。

3.1 軟件定義網(wǎng)絡

互聯(lián)網(wǎng)上運營的服務種類層出不窮，特別是云計算的推廣應用，對網(wǎng)絡提出了適應動態(tài)業(yè)務量需求、對各類業(yè)務流提供區(qū)分服務質(zhì)量等。這對網(wǎng)絡控制能力提出了高要求。借鑒了OpenFlow的思想，網(wǎng)絡界提出了SDN。

SDN的思路是將控制部分獨立出來，可把網(wǎng)絡分為3層，從上到下是：服務層、控制層、基礎設施層。控制層可以根據(jù)服務層提出的要求，靈活、合理地分配基礎設施層的資源?？刂茖佑密浖崿F(xiàn)，管理者可通過編程，實現(xiàn)網(wǎng)絡的自動控制、運行新策略等。為了使網(wǎng)絡資源（包括異構(gòu)網(wǎng)絡）便于調(diào)度，我們可采用網(wǎng)絡虛擬化技術，即把物理資源映射為虛擬化的邏輯資源。這種方法更加有利于資源分配。

SDN的控制層可采用OpenFlow方案，但并非一定要采用OpenFlow。

為了推動SDN的發(fā)展，國際上在2011年3月21日成立了開放網(wǎng)絡基金會（ONF），目標是軟件網(wǎng)絡的優(yōu)化等，構(gòu)建可擴展、靈活的網(wǎng)絡，適應變化的商業(yè)需要。參加的有網(wǎng)絡設備公司、半導體公司、計算機公司、軟件公司、電信運營商、數(shù)據(jù)中心運轉(zhuǎn)者、企業(yè)用戶等。ONF也制訂OpenFlow的相關規(guī)格。

SDN已在數(shù)據(jù)中心、企業(yè)網(wǎng)絡等得到應用，而且不斷有新產(chǎn)品。但是在電信級廣域網(wǎng)中如何應用，尚需進一步研究。

可采用SDN的3層架構(gòu)，使基礎設施和控制功能的提供商分離，讓更多的硬件公司提供基礎設施，正像計算機那樣，多個公司可生產(chǎn)硬件配置。但是，實現(xiàn)控制功能的軟件應是開源的，以利于推廣應用。

3.2 網(wǎng)絡功能虛擬化

網(wǎng)絡虛擬化的研究已有多年，但是2012它年受到了電信運營商的特別重視。國際上7家電信運營商發(fā)起成立了一個新的網(wǎng)絡功能虛擬化標準工作組。AT&T、英國電信、德國電信和Verizon等聯(lián)合其他52家電信運營商、電信設備供應商、IT設備供應商等組建了歐洲電信標準化協(xié)會（ETSI）網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）行業(yè)規(guī)范工作組（ISG）。該工作組的首次會議已于2013年1月15-17日在法國舉辦。網(wǎng)上可查到對NFV與SDN關系及其優(yōu)點的介紹。

3.3 智能型網(wǎng)絡

自然界在不斷進化，從簡單的生物進化出了有智慧的人類。網(wǎng)絡也在進化中，方向是智能化或智慧化。2011年10月在國際電信聯(lián)盟（ITU-T）NGN-GSI SG13會議上，由中國電信牽頭，聯(lián)合中國移動、中國聯(lián)通、工信部電信研究院、中興通訊等單位共同提出的智能型網(wǎng)絡增強架構(gòu)（NICE），需求與能力標準獲得立項。該項目通過多維感知、按需保障、靈活協(xié)同、資源優(yōu)化、能力開放等五大能力集，構(gòu)建智能型網(wǎng)絡，為進一步研發(fā)提供了條件。

4 結(jié)束語

國際上對未來網(wǎng)絡包括其體系結(jié)構(gòu)的研究十分重視。新成果、新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。我們應抓住機遇，做出有創(chuàng)新的成果。

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