未來網絡體系架構研究綜述

黃韜，劉江，霍如，魏亮，劉韻潔

（北京郵電大學 網絡與交換國家重點實驗室，北京 100876）

1 引言

從20世紀六七十年代分組網絡最初誕生到現(xiàn)在，互聯(lián)網已經從一個學術網絡演進到廣闊的商業(yè)網絡，已成為日常生活、商業(yè)運行和社會發(fā)展中不可或缺的組成部分。然而，每一項技術都有其生命周期，隨著人們越來越多的使用，它存在的一些問題也逐漸暴露出來，這就是新技術誕生的源動力。

未來網絡的發(fā)展目前正面臨著多種多樣的問題，其中較為重要的一個問題就是體系架構的設計。在體系架構設計方面，隨著互聯(lián)網用戶的日益增多以及用戶需求的不斷變化，現(xiàn)有以IP為網絡層的體系架構已經越來越難以持續(xù)發(fā)展，許多技術挑戰(zhàn)也在這個過程中顯現(xiàn)出來。首先，現(xiàn)有互聯(lián)網架構是以IP為細腰，這就意味著核心體系架構難以修改，新的功能只能通過打補丁的方式在其他層面實施，這往往導致網絡節(jié)點臃腫和可擴展性差[1]；其次，互聯(lián)網正在滲透到更加廣泛和深入的商業(yè)領域，例如智能制造、金融商務、家庭電器、可穿戴式設備，甚至人體植入式設備等，這就需要更加可信的安全保證，例如要求網絡體系架構本身就具備安全屬性，而現(xiàn)有網絡層中缺乏安全機制，互聯(lián)網容易受到各種類型的攻擊[2]；第三，用戶對互聯(lián)網的使用需求已經從簡單的端到端模式轉變?yōu)閷Ａ績热莸墨@取，這向傳統(tǒng)的 TCP/IP端到端網絡體系架構提出了挑戰(zhàn)；第四，當前互聯(lián)網的網絡層結構遵循盡力而為的思想，這使在互聯(lián)網上直接承載電信級業(yè)務仍存在部分技術問題。最后，互聯(lián)網的建設和運維規(guī)模逐年攀升，現(xiàn)有網絡結構不具備虛擬化的特征，導致了大量的資源浪費。上述多個層次維度的問題與挑戰(zhàn)推動了未來網絡革命性體系架構的研究，即“重頭再來”的網絡架構設計思路。

目前，未來網絡的研究正在全球范圍開展，包括美國、歐洲、亞洲的多個國家和地區(qū)均在未來網絡領域展開了持續(xù)性研究，雖然具體的研究內容和技術方案可能有些差別，但總體目標與研究方法基本一致。本文通過充分調研不同地區(qū)的主要研究項目來討論未來網絡核心架構與相關技術的發(fā)展方向。

2 國內外研究現(xiàn)狀

未來網絡技術已成為當今學術界和產業(yè)界研究和關注的熱點之一，不僅在學術領域有著廣闊的研究空間，而且在產業(yè)化方面也具有巨大的市場前景，同時也涉及到國家核心利益與信息安全，因此各國政府都高度關注該領域的發(fā)展，并啟動了一系列相關的重大項目和研究計劃。

2.1 美國

美國關于未來網絡架構的研究項目主要由美國國家科學基金會（NSF）組織和管理，目前已開展了未來互聯(lián)網設計（FIND）和未來互聯(lián)網架構（FIA）2個研究計劃。

2005年開始，F(xiàn)IND資助了關于未來網絡各個方面的50多個研究項目，包括新型體系結構、路由機制、網絡虛擬化、內容分發(fā)系統(tǒng)、網絡管理、感知與測量、安全、無線移動等方面，其目的是進行不受現(xiàn)在互聯(lián)網限制的廣泛研究，然后再進行選優(yōu)。

FIA是繼FIND之后的未來網絡下一研究階段計劃，于 2010年啟動，陸續(xù)啟動支持了命名數(shù)據網絡NDN、MobilityFirst、Nebula、XIA、ChoiceNet 5個項目，這些項目分別從內容中心網絡架構、移動網絡架構、云網絡架構、網絡安全可信機制、經濟模型等方面對未來網絡架構的關鍵機理進行探索研究，2014年，該計劃開始進入第2階段。

2.2 歐盟

2007年開始，歐盟第七框架計劃（FP7）陸續(xù)資助了150多項關于未來網絡研究的項目，包括未來網絡架構、云計算、服務互聯(lián)網、可靠信息通信技術、網絡媒體和搜索系統(tǒng)、未來互聯(lián)網社會科學方面、應用領域、未來互聯(lián)網實驗床等。其中與未來網絡體系結構相關的項目有FIRE[3]、4WARD[4]、SAIL、CHANGE、PSIRP等。

4WARD項目的目標是提出克服現(xiàn)有互聯(lián)網問題的全新整體性解決方案，下設6個子課題，分別從社會經濟（非技術問題）、新型體系架構、網絡虛擬化、網絡管理、高效路徑轉發(fā)、信息中心網絡方面展開研究，基本覆蓋了未來網絡發(fā)展的主要研究方向。

SAIL項目由24個業(yè)界知名運營商、設備商、研究機構共同參與，其目標是設計適用于運營商的未來網絡架構，核心研究內容包括從關注網絡節(jié)點轉向關注信息對象的信息網絡，結合云計算技術和網絡虛擬化技術的云網絡，提供面向異構網絡并具有多路徑、多協(xié)議等特點的開放式連接服務。

2.3 日本

2006年，日本國家信息通信技術研究院（NICT）啟動了AKARI研究計劃，得到政府、大學、企業(yè)的聯(lián)合資助，該計劃的核心思路是摒棄現(xiàn)有網絡體系架構限制，從整體出發(fā)研究全新的網絡架構，并充分考慮與現(xiàn)有網絡的過渡問題。AKARI計劃首次提出了新一代網絡（NWGN, new-generation network）的概念，以區(qū)別于傳統(tǒng)的下一代網絡（NGN, next generation network），并提出了未來網絡架構設計需要遵循的簡單、真實連接、可持續(xù)演進 3大原則。目前，AKARI計劃已完成基本體系架構的設計，并提出了包括光包交換、光路交換、包分多址、傳輸層控制、位置標識分離、安全、QoS路由等多項創(chuàng)新的技術方案。

2010年，NICT在工業(yè)界、學術界和政府的聯(lián)合協(xié)作下，整合了AKARI、JGN-X、Network Virtualization、Service-Oriented Unified Network Operations等多個未來網絡領域的相關研究項目，形成了新一代網絡研究與發(fā)展計劃（new-generation network R&D project）。該計劃目標是覆蓋新一代網絡研究的各個領域，通過有效合作探討未來網絡相關領域的核心技術成果，使未來網絡可以滿足大規(guī)模、多終端情景下的高層次用戶需求，解決未來網絡的可持續(xù)發(fā)展問題，并創(chuàng)造新的社會價值。

2.4 中國

2007年，我國科研人員開始積極跟蹤未來網絡領域的技術發(fā)展，并先后開展了“新一代互聯(lián)網體系結構理論研究”、“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”、“可測可控可管的IP網的基礎研究”、“新一代互聯(lián)網體系結構和協(xié)議基礎研究”等一系列研究項目，針對IPv6、互聯(lián)網可信模型、移動性、可管可控等方面開展了相關研究，并對未來互聯(lián)網新型體系結構及路由節(jié)點模型進行了前期探索。2012年，科技部啟動了面向未來互聯(lián)網架構的研究計劃，并重點支持了“面向服務的未來互聯(lián)網體系結構與機制研究”和“可重構信息通信基礎網絡體系研究”2項課題，2013年，科技部又啟動了4項未來網絡體系結構和創(chuàng)新環(huán)境研究項目，期望能進一步加強我國在未來網絡領域的研究，盡快與國際水平接軌。與此同時，國家自然科學基金委也啟動了“未來互聯(lián)網體系理論及關鍵技術研究”、“后IP網絡體系結構及其機理探索”、“未來網絡體系結構與關鍵技術”等相關項目。

在未來網絡發(fā)展戰(zhàn)略方面，中國科學院與中國工程院在《創(chuàng)新2050：科技革命與中國的未來》和《面向2030年中國工程科技中長期發(fā)展戰(zhàn)略研究》報告中都明確提出了我國加強未來網絡領域研究的必要性與緊迫性，并分別從基礎科研和工程技術2個角度指明了我國未來網絡發(fā)展的戰(zhàn)略方向，同時提出了擬開展重大工程科技專項及相關政策與措施建議。

3 當前主要研究成果

3.1 軟件定義網絡

3.1.1 研究背景

軟件定義網絡（SDN）的思想來源于美國斯坦福大學Clean Slate研究組提出的一種新型網絡創(chuàng)新架構Ethane項目[5]。Ethane最初是為了提出一個新型的企業(yè)網絡架構，以簡化管理模型。隨著Ethane項目在斯坦福校園中的部署與實驗，著名的OpenFlow協(xié)議[6]出現(xiàn)了。2008年，Nick McKeown教授在Sigcomm會議上展示了基于OpenFlow網絡的演示試驗，并隨后在美國GENI項目中進行了校園網和骨干網規(guī)模的試驗性部署。隨著OpenFlow技術的推廣，SDN的概念逐漸浮現(xiàn)，并引起了全球學術界和產業(yè)界的高度關注。

2011年3月，德國電信、Google、Facebook、Microsoft、Verizon和Yahoo等幾家企業(yè)聯(lián)合成立了ONF（open networking foundation）組織[7]，旨在通過產業(yè)聯(lián)盟的方式推動以OpenFlow為代表的SDN技術發(fā)展。2011年11月，IETF 82次會議啟動了軟件驅動網絡（software driven network）工作組的提案并獲得批準。其后，IETF經過83～85次會議形成了路由系統(tǒng)接口I2RS（interface to the routing system）的協(xié)議，進一步在 86～89次會議上陸續(xù)成立了工作組推動該協(xié)議的演進，并討論其在 SDN架構上實施的可適度及相關用例的討論分析。2012年，谷歌公司在其全球 12個數(shù)據中心的互聯(lián)網絡上基于SDN架構部署了著名的B4網絡，用于數(shù)據中心間的流量工程，這一實踐對 SDN技術的發(fā)展與應用起到了重要推動作用，目前 SDN正在全球形成技術研究和產業(yè)化的熱潮。

3.1.2 體系架構

當前的互聯(lián)網采用了分布式的架構，在這樣的框架下，即使只有一個網元(NE, network element)[8]增加了一種新的協(xié)議，也需要應用該協(xié)議的管理域內其他所有網元做出相應的結構變更。事實上，在網絡中增加一種新的協(xié)議往往需要數(shù)年時間，才能最終完成從標準化到實際部署的過程，這在很大程度上減緩了網絡創(chuàng)新的步伐。而 SDN則希望能夠打破這種“傳統(tǒng)”，它讓網絡可以被軟件定義，這就使得網絡在滿足用戶的需求方面更具靈活性，易于實現(xiàn)網絡虛擬化，并在一定程度上降低成本。

按照ONF的定義，SDN是一種數(shù)據平面與控制平面分離，并可直接對控制平面編程的新型網絡架構。數(shù)控分離將有助于底層網絡設施資源的抽象和管理視圖的集中，從而以虛擬資源的形式支持上層應用與服務，實現(xiàn)更好的靈活性與可控性。因此，控制功能既不再局限于路由器中，也不再局限于只有設備的生產廠商才能夠編程和定義。SDN的本質是邏輯集中、接口開放以及可編程的控制平面。

SDN的邏輯體系架構如圖1[7]所示，其中位于中間的 SDN控制層（基于軟件實現(xiàn)）將監(jiān)視全局信息，并集中實現(xiàn)網絡智能。這樣對上層應用和策略來說，SDN網絡將呈現(xiàn)為一個邏輯交換設備，從而大大簡化了網絡的控制與運營。同時，對下層數(shù)據轉發(fā)平面來說，網絡交換設備不必支持大量的協(xié)議標準，僅僅接受控制器的指令即可，這樣也使數(shù)據轉發(fā)平面實現(xiàn)了充分的簡化。

3.1.3 關鍵技術

軟件定義網絡所涉及的關鍵技術包括交互協(xié)議、網絡控制器、架構可擴展性等，下面分別進行簡要介紹。

圖1 ONF定義的SDN網絡體系架構

1) SDN網絡交互協(xié)議

為了實現(xiàn)軟件定義功能，該交互協(xié)議應當具有2個基本特征：首先，協(xié)議應能對數(shù)據轉發(fā)平面進行抽象，提供可編程的接口，同時可編程性的實現(xiàn)應盡量不影響數(shù)據轉發(fā)平面的性能；其次，交互協(xié)議應簡潔高效，以避免控制平面成為網絡的瓶頸。目前，第一個具有現(xiàn)實意義的 SDN協(xié)議是OpenFlow協(xié)議，OpenFlow協(xié)議實現(xiàn)了交換設備與控制設備的相互通信，即 SDN網絡交互協(xié)議通過對轉發(fā)平面設備的流表進行編程。OpenFlow控制器通過向數(shù)據平面的交換機下發(fā)、刪除和更改流表來指導數(shù)據平面的交換機進行數(shù)據（流量）的轉發(fā)，流表是交換機/路由器中進行轉發(fā)策略控制的核心數(shù)據結構，每個流表項包含3個域，分別為匹配域、計數(shù)域和指令域。OpenFlow協(xié)議就是通過對這 3個域的配置實現(xiàn)了轉發(fā)平面的可編程性。

在OpenFlow v1.0中每臺交換設備中只有一張流表，這張流表中存儲著許多的表項，每一個表項都表征了一個“流”及其對應的處理方法。一個數(shù)據分組到達交換機后需要先匹配流表，若符合其中某條表項的特征，則按照相應的動作進行轉發(fā)，否則封裝為Packet-in消息通過安全通道交給控制器，再由控制器決定如何處理。隨著OpenFlow協(xié)議的持續(xù)發(fā)展，當前已經更新到1.4版本。與v1.0版本相比，后續(xù)協(xié)議相繼添加了流水線和組表的架構，并對MPLS、VLAN標簽、SCTP協(xié)議和ECN（explicit congestion notification）等功能進行了支持。雖然基于現(xiàn)有的交換設備作改進在某種程度上限制了一些靈活性，但是OpenFlow幾乎可以被立即部署到網絡中，因而受到了廣泛的關注和研究。

2) SDN網絡控制器

控制器是 SDN網絡的重要組成部分，通過交換機上報網絡狀態(tài)等信息，進行網絡中的資源管理調度并下發(fā)控制信令使得數(shù)據平面的交換機可以協(xié)調、可靠、高效的工作，類似于網絡的操作系統(tǒng)。類比于計算機操作系統(tǒng)，網絡操作系統(tǒng)主要為SDN提供2個方面的功能：一是提供集中式的編程環(huán)境，開發(fā)者不需要關心網絡的實際架構，在開發(fā)者看來整個網絡就好像一臺單獨的機器，有統(tǒng)一的資源管理和調度；二是提供抽象的編程開發(fā)接口，應用程序將面向這些接口進行開發(fā)，從而獲得所需的特定網絡特征。為了使整個 SDN網絡可靠而有效地工作，如何設計一個優(yōu)秀的控制器成為關鍵。一個好的控制器設計或者架構應該能夠讓開發(fā)者花費最少的時間來開發(fā)出自己滿意的應用，還應支持在線加載、啟動新應用程序。同時還應具有可靠性、高效性、易維護性、易移植性、安全性和簡明性，以及南向接口支持、網絡虛擬化、網絡可編程等特征。

當前針對不同的網絡環(huán)境，工業(yè)界和學術界已經提出多款各種語言編寫的開源控制器[9,10]。而單一控制器的處理能力往往會成為系統(tǒng)性能瓶頸，因此一系列多控制器控制平面技術[11～14]被相繼提出，這部分內容將在可擴展性部分做詳細描述。POX[9]是最早的開源OpenFlow控制器之一，僅支持單線程操作，實現(xiàn)了包括hub、switch、topology和route在內的多種應用，能夠提供相應的編程接口，開發(fā)人員能夠在這些接口上實現(xiàn)自己的應用。Beacon[10]具有跨平臺特性，支持多線程，可以通過 Web的UI進行訪問控制，使用者可以通過Web界面進行動態(tài)的添加或刪除模塊，靈活性高，由于其高效穩(wěn)定的優(yōu)秀特性，已經在多個項目中使用。Big Network Controller是一款商用版的控制器，由Big Switch公司研發(fā)，能夠支持多達1 000個網絡設備，每秒連接最多 250 000臺主機。開源控制器Floodlight的API能夠與Big Network Controller完全兼容，支持多線程和Web UI。Ryu也是由Python語言實現(xiàn)的一款控制器，能夠支持OpenFlow v1.0,v1.2和 v1.3，是目前穩(wěn)定發(fā)布的能夠支持協(xié)議版本最高的控制器之一。另外，由Linux協(xié)會聯(lián)合業(yè)內 18家企業(yè)在 2013年初共同啟動研發(fā)的OpenDayligh[14]，是一套實現(xiàn)了模塊化、可插拔且極為靈活的控制器，能夠被部署在任何支持Java的平臺上。

3) SDN網絡的可擴展技術

SDN雖然通過控制平面與數(shù)據平面的分離實現(xiàn)了網絡的靈活高效管控，但目前集中式的管理平面設計、以及管理平面和數(shù)據轉發(fā)平面的頻繁交互必然影響網絡系統(tǒng)的整體性能，如控制器負載過重、易受攻擊、交互效率低等問題都沒有很好地解決方案，這使得 SDN的應用目前還局限于較小規(guī)模的試驗網絡。因此，對 SDN網絡的可擴展技術研究已成為待攻克的重要技術之一。目前，對SDN網絡可擴展技術的研究主要集中在設計新型分布式管理控制架構上。分布式管理控制架構涉及多個關鍵問題，如控制器全局視圖的一致性、系統(tǒng)可用性以及多控制器間的負載均衡等。

當前的分布式控制器架構領域已經產生了一些研究成果。DIFANE[15]結合了主動和被動2種安裝流表的方式將流量保持在數(shù)據平面，從而減小控制器負載；DevoFlow[16]采取了規(guī)則復制和局部操作2種方式來減小OpenFlow交換機和控制器的信息交互；HyperFlow[11]將網絡劃分為多個邏輯區(qū)域，每個邏輯區(qū)域內部署一個或多個控制器，所有控制器保存相同的網絡信息，需要花費較大的開銷實時同步更新。Onix[12]是一個分層的拓撲結構，每個Onix實例需要維護本分區(qū)的路由決策，分區(qū)間的路由決策則由 Onix實例構成的集群共同決策。Devolved[13]能夠針對不同類型的應用，靈活采用不同層次的控制器進行控制。該方案包括 Root控制器和Local控制器，其中，Root控制器能夠根據全局網絡信息，運行需要全局信息的應用，而 Local控制器只允許需要本地信息的應用。

3.1.4 小結

SDN網絡的核心思想是通過控制平面與數(shù)據轉發(fā)平面的分離，從而實現(xiàn)邏輯上統(tǒng)一的管理控制，增強網絡的智能化高效管理。同時通過提供多樣化的開放網絡API接口，完成網絡控制組件和應用組件的靈活設計，從而實現(xiàn)基于應用需求的網絡可定義。目前，SDN網絡技術已成為學術界研究的重要技術之一，也正成為網絡運營商和網絡服務商關注的熱點之一。

3.2 信息中心網絡

3.2.1 研究背景

隨著互聯(lián)網承載內容的飛速發(fā)展，用戶訪問網絡的主要行為之一已經演變成對海量內容的獲取，這一行為模式與基于端到端通信的 TCP/IP網絡架構逐漸產生了矛盾，例如，對熱點視頻的訪問可能會造成部分網絡反復傳送相同的內容，既浪費了資源，也影響了服務質量。為了解決這個問題，學術界提出未來網絡應該從當前以“位置”為中心的體系架構，演進到以“信息”為中心的架構，即網絡的基本行為模式應該是請求和獲取信息，而非實現(xiàn)端到端可達，這類網絡體系架構統(tǒng)稱為信息中心網絡（ICN, information centric networking）。ICN的研究主要起源于美國和歐盟。其中，美國的主要研究項目包括 CCN、NDN、DONA等。歐盟的主要研究項目包括 NetInf、PURSUIT/PSIRP等；由于CCN/NDN完全以內容命名進行路由，更能體現(xiàn)信息中心的特征，因此本文將以CCN/NDN為代表介紹信息中心網絡的核心思想。

2006年，施樂帕克研究中心（Xerox PARC）的Van Jacobson提出了CCN（內容中心網絡）架構[17]，F(xiàn)IA在2010年支持的NDN（命名數(shù)據網絡）項目也是采用基本相同的架構，由加州大學洛杉磯分校的Lixia Zhang項目組承擔。CCN/NDN的目的是要開發(fā)一個可以天然適應當前內容獲取模式的新型互聯(lián)網架構，其核心思想是保留IP協(xié)議棧的沙漏模型，但是細腰層采用類似URL的層次化內容命名，從而實現(xiàn)從 IP為中心向內容/數(shù)據為中心的轉變；同時，該架構采用全網交換節(jié)點緩存模式，以成本不斷降低的緩存換取帶寬，可以有效減小流量冗余和源服務器負載，并提高服務質量；另外，該架構還采用了對內容本身進行加密的方法，而不是依賴于對信息容器或信道的加密，這在某種程度上也增強了安全性。

3.2.2 體系架構

CCN/NDN的體系架構設計主要參考了當前IP網絡的沙漏模型，其協(xié)議棧模型如圖2所示，細腰部分為內容塊（content chunk），取代了傳統(tǒng)的 IP細腰。這個結構的優(yōu)勢是可以在方便全球互聯(lián)的同時，支持網絡層以外各個層級的繁榮發(fā)展。

CCN/NDN中包含2種數(shù)據分組，分別是興趣分組（interest packet）和數(shù)據分組（data packet），如圖3所示。興趣分組主要包含內容命名；數(shù)據分組除了內容命名外，還有安全簽名和數(shù)據。

CCN/NDN網絡的通信是由接收端（即數(shù)據請求者）驅動的。為了接收數(shù)據，請求者向網絡中發(fā)送興趣分組，路由器記錄收到興趣分組的接口，存儲在PIT（pending interest table）中，并且通過在FIB（forwarding information base）表中查找命名轉發(fā)興趣分組。當興趣分組到達目的節(jié)點后，數(shù)據分組將會按記錄的PIT原路返回，沿路刪除PIT條目，并根據緩存策略決定是否緩存在途經節(jié)點的 CS（content store）表中，這樣的一次請求和內容返回就構成了CCN/NDN網絡的基本通信過程。

除了這個基本過程外，為了實現(xiàn)內容與地址的無關，興趣分組還可能在其他2種情況下得到滿足并不再轉發(fā)至目的節(jié)點：一是每個興趣分組到達路由節(jié)點后都要經過CS表，如果CS中已經緩存了該內容，則直接返回數(shù)據分組，完成通信；二是在CS未能命中的情況下，興趣分組要經過PIT表的檢索，如果發(fā)現(xiàn)命名相同的條目，意味著同樣的請求已經由本節(jié)點轉發(fā)，但卻還未收到數(shù)據分組，此時只需將收到興趣分組的端口添加到現(xiàn)存條目中，則當數(shù)據分組返回時，會按照多個記錄端口返回，這樣就減少了數(shù)據分組不必要的重發(fā)。上述2種情況可以理解為請求的非實時和實時聚合，一種通過CS完成，一種通過 PIT完成，這兩張表也是CCN/NDN路由節(jié)點和傳統(tǒng)路由節(jié)點的主要區(qū)別，如圖4所示[18]。

圖2 CCN協(xié)議棧

圖3 CCN/NDN分組格式

3.2.3 關鍵技術

CCN作為一種新型網絡體系結構，增添了一些全新的組成要素，同時現(xiàn)有的一些工作機制與工作流程也需要重新設計。文獻[17]對CCN架構的組成以及各種方案進行了深入剖析?？偨Y起來，所涉及的關鍵技術主要包括：命名機制、緩存策略、路由與轉發(fā)機制、傳輸策略、移動性等。

1) 命名機制

相比傳統(tǒng)的IP網絡，CCN/NDN不再關注內容存儲的地址，解耦了身份與地址雙重身份，因此命名可以直接與內容的屬性相關。CCN/NDN采取了分層式的命名結構[19]，例如，由PARC生產的一個視頻可以命名為/parc/videos/WidgetA.mpg，其中“/”表示名字組成部分的分界，而不是名字的組成部分。這種分層式的命名結構有利于體現(xiàn)不同數(shù)據塊之間的關系，可以有效聚合，以減少路由條目。為了檢索動態(tài)生成的數(shù)據，請求者與發(fā)布者在數(shù)據的命名規(guī)范上需要統(tǒng)一。

需要注意的是，雖然層級化命名具有良好的可讀性和聚合性，但是在查表速度上難以匹敵扁平化命名機制，因此ICN領域中也存在以扁平命名為基礎的體系架構，但目前命名領域的研究還沒有定論，仍需要進一步的探討和論證。

2) 緩存策略

隨著存儲技術的日益成熟，其價格不斷降低，這也是CCN/NDN架構提出的基礎之一，即采用全網節(jié)點部署緩存的方法來實現(xiàn)未來網絡內容的高效分發(fā)。由于每個數(shù)據分組都獨立于其源目的地址，路由器可以將它緩存到CS中響應后續(xù)的請求。CCN/NDN路由器中的CS與IP路由器中的Buffer類似，都是用來緩存數(shù)據分組的，區(qū)別是IP路由器將數(shù)據分組轉發(fā)之后不能再利用該數(shù)據分組，而CCN/NDN路由器還可以重復使用該數(shù)據，因為在CCN/NDN中該數(shù)據可以根據命名識別。除了增強內容的分發(fā)效率，CCN/NDN的緩存還可以用來提升分組丟失重傳的效率。

CCN/NDN領域目前有很多研究集中在緩存策略的設計方面，包括緩存替換策略、放置決定策略、管理技術等。文獻[20]給出了現(xiàn)有 CCN/NDN緩存技術的研究綜述?，F(xiàn)有大部分研究主要分成2類：一是通過建立數(shù)學模型或仿真實驗的方法，評估ICN系統(tǒng)現(xiàn)有緩存策略性能[21～25]；二是提出各種新型緩存策略以提升網絡性能[26～36]。

圖4 CCN/NDN節(jié)點轉發(fā)模型

3) 路由與轉發(fā)機制

在CCN/NDN架構中，網絡的路由機制也不再基于IP地址，而是基于內容命名進行路由。內容路由與IP路由的目的類似，即讓各個網絡節(jié)點知曉網絡中的內容情況，以便于對請求進行轉發(fā)。目前在 CCNx中普遍使用 OSPFN路由算法[37]，類似傳統(tǒng)的OSPF協(xié)議。文獻[38～45]同樣也是采用了各種優(yōu)化算法實現(xiàn)基于傳統(tǒng)的 OSPF協(xié)議進行改進。文獻[46～50]結合CCN/NDN網絡中的緩存設計路由策略，使得路由充分利用緩存資源以提升性能。支持移動環(huán)境的CCN路由方法也產生了部分研究成果[51]。

CCN/NDN的轉發(fā)策略能夠根據數(shù)據平面的狀態(tài)調整轉發(fā)決策。該領域的研究主要通過觀測興趣分組/數(shù)據分組的流量或歷史痕跡，檢測到連接失敗、擁塞等信息，進而尋找替換的路徑來避免類似問題。已有的研究包括：通過傳遞探測信息來感知更優(yōu)的路徑[52,53]；通過多路徑轉發(fā)來自適應地選擇最優(yōu)的通信路徑[54]；通過結合緩存狀態(tài)來設計動態(tài)可調的轉發(fā)策略[40]。它們都在一定程度上增加了通信開銷或其他代價，但是能夠有效地避免鏈路失效或產生延遲。

4) 移動性

隨著無線通信技術的發(fā)展，用戶對互聯(lián)網的移動性支持需求越來越強烈，然而由于IP具有身份位置的雙重屬性，使當前互聯(lián)網沒辦法很好支持移動性。CCN/NDN基于請求者驅動的模式可以很好地解決終端移動的問題，因為網絡節(jié)點會暫存?zhèn)鬏斨械臄?shù)據分組，當用戶重新定位以后，可以通過一些策略重新發(fā)送未收到內容的興趣分組，實現(xiàn)無縫移動[55]。但是在源端的移動性問題中，鑒于 CCN中層級化命名機制與地址相關，因此會造成路由重新收斂的問題，文獻[56～60]對此展開了一定程度的研究。另外，CCN本身支持為用戶提供多數(shù)據源（網絡中眾多的緩存），一定程度上減輕了內容提供者移動帶來的影響[59]。

3.2.4 小結

CCN/NDN作為一種新型網絡體系結構，顛覆了人們對傳統(tǒng)IP網絡的認識，給出了一個嶄新的研究視角。雖然還存在較多的技術細節(jié)問題沒有得到完善，目前也缺乏具有革命意義的應用驅動，但是隨著研究的不斷進步，CCN/NDN將有希望為現(xiàn)有網絡模型帶來革命性的變化。

3.3 其他未來網絡模型

3.3.1 移動網絡

考慮到現(xiàn)有 IP網絡的設計基于固定的端到端的連接，不能解決移動設備和服務動態(tài)增加的需求趨勢，因此隨著網絡需求的轉變，越來越多的研究者認為未來網絡架構設計應具備移動性的基本屬性。FIA項目在2010年支持的MobilityFirst就是以移動性為目標，由美國羅格斯大學和其他7個大學共同合作，其目標是設計一種面向移動場景、健壯、可信、以移動終端作為主流設備的網絡體系架構，提供更為強大的安全和信任機制。該體系架構的基本技術特征包括：支持快速的全局命名解析；采用公鑰基礎設施實現(xiàn)網絡設備的驗證；核心網絡采用扁平地址結構；支持存儲—轉發(fā)的路由方式；支持逐跳的分段數(shù)據傳輸；支持可編程的移動計算模式等。從長期目標來看，MobilityFirst將致力于通過V2V和V2I模式實現(xiàn)成千上萬車輛的連接，包括提供服務定位、地理路由以及可靠多播等能力，MobilityFirst的體系架構如圖5所示。

3.3.2 云網絡

云網絡是通過網絡虛擬化和自管理技術，將云計算的技術和思想融合到未來網絡的設計之中，促進網絡中計算、存儲和傳輸資源按需管理控制的新型網絡架構。

2010年，F(xiàn)IA項目支持了Nebula，由賓夕法尼亞大學和其他 11個大學共同合作，目的是構建一個云計算中心網絡架構。Nebula認為未來互聯(lián)網將由一大批高可用和可擴展的數(shù)據中心互連組成，多個云提供商可以獨立地使用復制技術，使得移動用戶可以通過有線或無線等不同方式接入到最近的數(shù)據中心。因此，該項目計劃構建可靠、可信的高速核心網絡連接各個云計算數(shù)據中心。其中，數(shù)據中心可由多個提供商提供，核心網絡通過冗余高性能鏈路和高可靠的路由控制軟件實現(xiàn)高可用性。Nebula的關鍵組成部分包括：Nebula數(shù)據平面（NDP），用于建立靈活接入控制和防御攻擊的路徑；Nebula虛擬可擴展網絡技術（NVENT），作為控制平面，提供應用服務的訪問和網絡抽象（如冗余、一致性和策略路由）；Nebula核心網絡，連接數(shù)據中心和高效路由器。Nebula的體系架構如圖6所示。

圖5 MobilityFirst體系架構

圖6 Nebula體系架構

3.3.3 可選網絡

互聯(lián)網已經成為了企業(yè)、政府、軍隊和個人通信的關鍵基礎設施。面對當前網絡技術的發(fā)展趨勢和網絡被使用的狀況，需要互聯(lián)網提供更多更全面的功能，而現(xiàn)有部署的網絡基礎設施已經不能滿足這些新功能的實施。

2012年，美國NSF在其FIA項目中啟動了對ChoiceNet項目的支持，該項目為互聯(lián)網演進開啟了一個新的架構設計思路，它注重運用經濟原則推動網絡核心創(chuàng)新持續(xù)進行。這種新型網絡體系結構的核心思想是支持選擇，使得網絡不再是黑盒子，通過選擇和競爭生成新的應用和商業(yè)模型。建立在這些原則之上的網絡將能夠針對當前和未來的挑戰(zhàn)出現(xiàn)新的解決方案，以服務為中心，建立可選擇的技術方案與經濟之間的關聯(lián)，其架構如圖7所示。這項工作的網絡架構設計和原型目的是：①鼓勵可替換方案，允許用戶從一系列的服務中進行選擇；②用戶將對高優(yōu)先級和具有創(chuàng)新性的服務付費；③提供能夠保證隨時感知可用的替換方案及其性能的機制。解決方案可以來源于不同方向，包括計算機網絡、網絡系統(tǒng)、管理科學和網絡經濟等知識。該項目更廣泛的影響在于創(chuàng)新了未來互聯(lián)網的運營和經濟模型，也可能有望成為基礎設施的重要特性之一。

3.4 信息中心網絡與軟件定義網絡的融合

3.4.1 研究背景

如上文所述，ICN的網絡架構能夠解決內容的冗余傳輸并且解耦身份標識和位置標識雙重身份，其特點如下：①以內容為中心的請求應答模型；②基于內容命名的路由；③網內緩存；④內嵌于內容的安全機制。但是也存在一些不足，包括：①缺乏內容的主動推送；②缺乏全網的集中控制機制；③缺乏協(xié)議快速演進部署的能力。而 SDN技術使得復雜的網絡變得更加簡單，可以更靈活地調度底層物理資源，其特點如下：①數(shù)據平面專注于轉發(fā)，控制平面對網絡資源擁有全局視圖；②網絡操作系統(tǒng)和業(yè)務特性適配以及硬件設備之間的通信可通過設定協(xié)議編程實現(xiàn)；③可根據上層用戶的不同業(yè)務需求，靈活高效地分配調度基礎網絡資源。但是存在如下不足：①缺乏緩存機制；②缺乏內容控制。

為了讓網絡與存儲和計算融合，綜合 ICN和SDN的2種技術架構的優(yōu)勢，取長補短，使融合后的架構能夠高效利用計算、存儲、網絡資源，并具有高可控性，是解決目前網絡問題和未來網絡體系架構發(fā)展的重要方向之一。

3.4.2 體系架構

圖7 ChoiceNet架構

由于ICN分為集中式和分布式2種系統(tǒng)形式，因此關于ICN和SDN的融合也分為這2種形式。自從2012年開始，關于ICN與SDN的融合架構開始陸續(xù)出現(xiàn)，包括歐盟FP7項目CONVERGENCE提出的CONET-over-SDN架構[60]，韓國首爾國立大學提出的 OF-CCN[61]架構，以及清華大學提出的NDN-over-OpenFlow框架[62]等。

CONET是CONVERGENCE項目提出的一套以內容為中心的網絡設計方案，其核心網絡架構如圖 8所示。OFELIA項目則主要建設了歐洲的OpenFlow測試床。為了驗證和評估CONET的可實施性，歐盟將CONET部署到OFELIA網絡中進行驗證，形成了CONET-over-SDN的架構方案。

韓國首爾國立大學在 ONS2012峰會中提出了基于OpenFlow平臺實施的ICN架構的設計思路和實施展示，其架構如圖9所示。利用現(xiàn)有OpenFlow功能實現(xiàn)內容高效分發(fā)，將一個私有IP地址與每個分發(fā)文件映射，同時使用HTTP向主機傳輸內容，支持移動性、多播/任播?？刂破骶S護內容的映射表，記錄每個內容存在哪個網絡節(jié)點中。當某個文件被請求時，控制器為該文件分配一個私有地址，之后該文件的請求分組和數(shù)據分組都是用這個分配的私有地址實現(xiàn)轉發(fā)。

3.4.3 小結

關于架構融合的研究目前還停留在雛形階段，然而可以明確的是，ICN和 SDN融合的目標為：一方面面向網絡運營商構建虛擬化高效管控、物理資源可調度的基礎設施網絡，另一方面面向網絡業(yè)務提供商構建可靈活感知、有服務質量保障、內容資源可調度的業(yè)務網絡，最終建設一套安全可重構、高效可擴展、開放可定義、支持異構融合的新型網絡體系結構，解決可擴展性、安全性、移動性、服務質量保障、可控可管、可重構、可感知以及綠色節(jié)能等現(xiàn)存問題。

4 未來網絡發(fā)展趨勢分析

未來網絡具有重要的研究意義，但是在具體的研究方向上還處于百家爭鳴的階段，在對當前主流的未來網絡體系架構進行總結和分析后，從中抽取了以下幾個方面，作為未來網絡體系架構研究中的重要組成部分或值得討論的問題。

1) 未來網絡應處理好革新式架構與演進式部署的關系

未來網絡體系架構重頭再來的思想，核心意義是不受到現(xiàn)有互聯(lián)網架構的束縛和限制，它的架構可以是革新的，但是其部署實施必須是一個循序漸進的過程。目前因特網鏈接了數(shù)十億節(jié)點并且擁有數(shù)以百萬計的應用程序，因此研究的未來網絡架構必須也具備這種特質，即傳統(tǒng)的網絡節(jié)點和應用程序應該要能夠在新的架構上進行通信，同樣新的節(jié)點和應用程序也要能夠在現(xiàn)有因特網架構上通信。因此新舊設備之間在邊界點需要提供特殊的設施，保證能夠兼容各種版本的底層通信協(xié)議，通過小規(guī)模部署不斷擴大新架構的規(guī)模。

圖8 CONET體系架構

圖9 OF-CCN體系架構

2) 未來網絡架構應遵循簡單開放的基本原則

互聯(lián)網的使用模式已經從端到端的通信轉變?yōu)槲磥砭W絡的以內容、數(shù)據、用戶為中心的模式，設計目標的變化自然導致了設計規(guī)則的變化。然而，網絡簡單開放的特征是網絡能夠繁榮發(fā)展的基礎，未來網絡的設計目標可以繼續(xù)探討，功能可以更加多樣，但是形成的架構一定要簡單開放，才能推動廣泛的使用。

3) 未來網絡架構設計應注重應用驅動的因素

網絡的大規(guī)模發(fā)展從來都是以應用為驅動的，無論是推動電話網發(fā)展的電話業(yè)務，還是推動互聯(lián)網發(fā)展的萬維網技術，都是鮮活的實例。事實證明，當有足夠重要的應用出現(xiàn)時，兼容性、最優(yōu)性等因素都不會成為問題。因此，未來網絡的研究既要定位于優(yōu)化現(xiàn)在的網絡，更要努力尋找一個可以顛覆當前網絡架構的新應用類型。

4) 未來網絡架構設計應內嵌安全性等需求

未來網絡應當具備安全性、移動性、自管理、中斷容忍等一些關鍵功能?，F(xiàn)有的不同項目都是各自偏重某一些問題展開的研究，單一的一個項目無法解決當前出現(xiàn)的種種挑戰(zhàn)。目前像FIA這種合作計劃正在整合各種先前的研究成果，轉化成一個連貫的、融合的項目組。如何整合這些不同的需求和由此產生的架構仍然是一個懸而未決的問題，但這樣的趨勢已經產生。

5) 未來網絡架構應具有天然服務分發(fā)能力

過去十年推動互聯(lián)網發(fā)展的主要趨勢就是服務的多樣性，如Google、Facebook、YouTube以及產生大量的互聯(lián)網流量的類似服務，而云計算和移動設備的增值導致了互聯(lián)網服務的進一步增長。因此面對大量的服務需求，未來網絡的一個基本屬性就是高效的服務分發(fā)能力，由電信運營商提供來支撐多種多樣應用服務提供商使用的能力，滿足負載均衡、容錯、復制、多宿、移動性、強安全性、定制應用等各種需求，也就是說，服務有可能成為新的細腰層，而內容和IP都是它的一種特例。

6) 未來網絡架構設計應考慮引入利益相關者之間的博弈關系

未來網絡體系架構需要在多個利益相關者（用戶、互聯(lián)網服務提供商、應用服務提供商、數(shù)據擁有者和政府）之間提供可擴展靈活的接口進行交互和政策、法律的實施，未來網絡的設計必須要綜合考慮社會和經濟因素，來平衡和調節(jié)各利益相關者之間的利益。

7) 未來網絡架構驗證應考慮建設大規(guī)模網絡創(chuàng)新實驗平臺

目前，不同國家的未來網絡體系架構研究的測試床都是專門基于先前的研究項目建設的，具有不同的功能和重點。因此從長遠的角度來看，如何建立一個可控可管、能夠實現(xiàn)資源虛擬化共享的實驗平臺是未來網絡研究的一個重點方向。另外，虛擬共存、資源動態(tài)分配、架構優(yōu)勝劣汰的實驗平臺特征，也很可能成為未來網絡運營的一種基礎模式。

5 結束語

未來網絡已經得到全球學術界和產業(yè)界的充分重視，針對現(xiàn)有網絡的不同問題和需求，關于未來網絡架構的設計方法也各有特點，呈現(xiàn)出百家爭鳴的現(xiàn)狀，然而未來網絡的最終目標是一致的，都是要建設一個可信可控可管、為用戶提供更好服務質量和使用體驗的網絡。本文介紹了目前未來網絡架構領域的主要研究成果，由于篇幅所限，并沒有將所有的項目一一列舉，只選擇了其中比較具有代表性的項目。期望通過綜述該領域的已有研究成果，探討分析研究目標和方法，總結研究思路，從而為國內相關領域的研究人員提供參考和幫助。

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