未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究

彭榮群，任魯涌，董 延，范忠奇

(山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049)

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究

彭榮群，任魯涌，董 延，范忠奇

(山東理工大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山東 淄博 255049)

給出了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)(FN)的定義、功能需求和設(shè)計(jì)目標(biāo)，分析總結(jié)了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化、節(jié)能、信息中心網(wǎng)絡(luò)等方向的最新研究成果，指出了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)目前研究的不足和研究方向.

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)虛擬化；節(jié)能；信息中心網(wǎng)絡(luò)

隨著科技的發(fā)展和生活質(zhì)量的逐步提高，人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求也越來(lái)越多樣化，物聯(lián)網(wǎng)、智能網(wǎng)格、云計(jì)算等新興業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能支持這些新興業(yè)務(wù)需求.因此，網(wǎng)絡(luò)必須不斷演進(jìn)并升級(jí)換代.

由于電信網(wǎng)等這種大型網(wǎng)絡(luò)用于維持其正常運(yùn)營(yíng)需要數(shù)目龐大的底層硬件資源，其基本架構(gòu)是很難改變的.雖然在當(dāng)初設(shè)計(jì)這些大型網(wǎng)絡(luò)時(shí)，考慮到未來(lái)不斷改變的網(wǎng)絡(luò)需求而預(yù)留了部分網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展能力，即網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初留有足夠的彈性.但是這些大型網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)許多年的運(yùn)營(yíng)，預(yù)留的擴(kuò)展能力已經(jīng)基本耗盡.舊的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)已經(jīng)在制約著網(wǎng)絡(luò)未來(lái)的發(fā)展.目前，許多研究機(jī)構(gòu)已經(jīng)開始致力于網(wǎng)絡(luò)虛擬化、綠色通信、信息中心網(wǎng)絡(luò)等新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和支撐技術(shù)的研究，而這些技術(shù)都是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ).

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)(FN：Future Network)是繼下一代網(wǎng)絡(luò)(NGN：Next Generation Network)概念提出后的又一網(wǎng)絡(luò)新概念，目的是為了解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)難以滿足用戶未來(lái)需求的問(wèn)題.

1 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)(FN)定義及架構(gòu)

1.1 FN定義

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)是一種能夠提供利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)很難提供的業(yè)務(wù)、能力以及設(shè)施的網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)或者是一種全新的構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，或者是一種現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的升級(jí)版，也或者是由二者結(jié)合構(gòu)成的、能夠當(dāng)作單一網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)集合[1].

1.2 FN功能需求

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)首先要實(shí)現(xiàn)以下4個(gè)新需求：

1) 業(yè)務(wù)感知 未來(lái)的業(yè)務(wù)無(wú)論是從數(shù)量還是從種類上都呈爆炸式增長(zhǎng)狀態(tài)，這就要求FN能夠在不增加現(xiàn)網(wǎng)部署和運(yùn)營(yíng)成本的基礎(chǔ)上，能夠感知業(yè)務(wù)的類型，從而為用戶和應(yīng)用提供適合的業(yè)務(wù)功能.

2) 數(shù)據(jù)感知 在大數(shù)據(jù)時(shí)代，F(xiàn)N應(yīng)該能夠采用優(yōu)化的新型架構(gòu)支持用戶對(duì)分布環(huán)境下的語(yǔ)音、視頻、文檔等各種類型的海量數(shù)據(jù)進(jìn)行安全、容易、快速、精確的訪問(wèn)，而不用考慮數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位置.FN能感知數(shù)據(jù)類型，提供與用戶終端能力匹配的數(shù)據(jù).

3)環(huán)境感知 FN應(yīng)該是環(huán)境友好的網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、維護(hù)、運(yùn)營(yíng)過(guò)程中應(yīng)該盡可能減小對(duì)周圍環(huán)境的影響，比如盡可能減少材料和能源的消耗和溫室氣體的排放.

4)社會(huì)和經(jīng)濟(jì)感知 FN應(yīng)該能夠承擔(dān)起社會(huì)和經(jīng)濟(jì)責(zé)任，減少生存期內(nèi)的部署和可持續(xù)發(fā)展的成本，減小不同參與者進(jìn)入未來(lái)網(wǎng)絡(luò)生態(tài)系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)壁壘，使更多用戶和企業(yè)參與其中，并引入合理的競(jìng)爭(zhēng)機(jī)制，最終使所有參與者從中獲益.

1.3 FN設(shè)計(jì)目標(biāo)

為了滿足未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)功能需求，F(xiàn)N必須實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)多樣性、功能靈活性、資源虛擬化、網(wǎng)絡(luò)管理、移動(dòng)性、可靠性和安全、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、身份認(rèn)證、能源消耗、架構(gòu)優(yōu)化、業(yè)務(wù)通用化、經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)等12個(gè)設(shè)計(jì)目標(biāo)，各功能需求與設(shè)計(jì)目標(biāo)之間的關(guān)系如圖1所示.因篇幅所限，各設(shè)計(jì)目標(biāo)的含義見(jiàn)文獻(xiàn)[1].

圖1 FN功能需求與設(shè)計(jì)目標(biāo)的關(guān)系

2 相關(guān)技術(shù)研究現(xiàn)狀

近年來(lái)，研究人員對(duì)FN設(shè)計(jì)目標(biāo)相關(guān)的各種技術(shù)進(jìn)行了深入研究，比如網(wǎng)絡(luò)虛擬化、數(shù)據(jù)訪問(wèn)、能源消耗、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、網(wǎng)絡(luò)管理、移動(dòng)性等方面，取得了很多顯著成果.ITU-T也公布了FN的一系列標(biāo)準(zhǔn)，如未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)[2]、未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的降低能耗的架構(gòu)[3]、未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的身份認(rèn)證架構(gòu)[4]、以及未來(lái)網(wǎng)絡(luò)在短期內(nèi)的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)-智能泛在網(wǎng)[5]等.目前以網(wǎng)絡(luò)虛擬化、信息中心網(wǎng)絡(luò)、能耗控制技術(shù)研究最為活躍.

2.1 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也是網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重要方向.網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)能夠在共享的物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上構(gòu)建不同功能的、邏輯上相互隔離的、實(shí)現(xiàn)不同功能的虛擬子網(wǎng).軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN：Software Definition Network)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV: Network Function Virtualization)、移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC: Mobile Edge Computing)、5G切片技術(shù)(5G Slicing)等網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)是當(dāng)前研究熱點(diǎn).

2.1.1 SDN

SDN[6-7[8]協(xié)議為主，而北向接口還沒(méi)有統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn).

國(guó)內(nèi)對(duì)SDN的研究和異常活躍[9].文獻(xiàn)[10]分析了SDN在廣域網(wǎng)應(yīng)用系統(tǒng)的架構(gòu)和各層的主要功能，并對(duì)其典型應(yīng)用展開詳細(xì)說(shuō)明；文獻(xiàn)[11]在分析傳統(tǒng)BGP路由選路機(jī)制缺陷的基礎(chǔ)上，采用SDN控制技術(shù)，提出一種支持傳統(tǒng)路由設(shè)備和OpenFlow設(shè)備的路由反射優(yōu)化方法；文獻(xiàn)[12]提出了一種基于SDN的運(yùn)營(yíng)商數(shù)據(jù)中心互聯(lián)承載技術(shù)方案.

2.1.2 NFV

NFV是一種利用虛擬硬件抽象從運(yùn)行的硬件資源分離出網(wǎng)絡(luò)功能的技術(shù).研究NFV的國(guó)際組織主要有ETSI、IETF和ITU.其中ETSI定義的NFV最具代表性[13].該架構(gòu)試圖用運(yùn)行于NFVI上的純軟件實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)功能. 其包含三個(gè)功能模塊：虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNFs)、NFV基礎(chǔ)設(shè)施(VNFI)、NFV管理和編排.

虛擬網(wǎng)絡(luò)功能模塊就是一種基于NFVI的網(wǎng)絡(luò)功能的軟件實(shí)現(xiàn)；NFV基礎(chǔ)設(shè)施(VNFI)功能模塊包含各類物理資源以及對(duì)它們的虛擬化技術(shù)，并支持運(yùn)行VNF；NFV管理和編排功能模塊涵蓋了業(yè)務(wù)編排功能和對(duì)支持基礎(chǔ)設(shè)施虛擬化的物理硬件或軟件資源，以及NFV生命周期的管理功能.

國(guó)內(nèi)對(duì)NFV的研究主要集中在電信運(yùn)營(yíng)商的研究機(jī)構(gòu)，中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信和中國(guó)移動(dòng)都在不同程度上對(duì)NFV進(jìn)行了研究和測(cè)試，對(duì)IMS核心網(wǎng)首先進(jìn)行NFV改造也已經(jīng)成為業(yè)界共識(shí)[14-17].文獻(xiàn)[18]對(duì)NFV彈性技術(shù)進(jìn)行分析，歸納彈性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則，并給出彈性用例；文獻(xiàn)[19]針對(duì)NFV架構(gòu)中的安全技術(shù)進(jìn)行研究，指出安全對(duì)NFV技術(shù)的重要性，分析管理支持設(shè)施的可用性及安全啟動(dòng)相關(guān)問(wèn)題，并總結(jié)了NFV的軟件安全隱患.

2.1.3 MEC

移動(dòng)邊緣計(jì)算(MEC)[20]是目前在現(xiàn)網(wǎng)中一種新興的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，它可以看作是一個(gè)運(yùn)行在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)邊緣并執(zhí)行特定任務(wù)的云服務(wù)器，這些特定任務(wù)目前不可能在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上實(shí)現(xiàn).通常情況下，移動(dòng)邊緣計(jì)算有如下特點(diǎn)：室內(nèi)部署、鄰近性、低延遲、 位置感知、 網(wǎng)絡(luò)上下文信息感知.國(guó)內(nèi)關(guān)于MEC的研究也主要集中于電信運(yùn)營(yíng)商和華為、中興等通信設(shè)備制造商[21].

2.1.4 5G Slicing

5G切片技術(shù)(5G Slicing)[22-24]也是目前的研究熱點(diǎn)，它是SDN架構(gòu)在未來(lái)5G中的一種典型應(yīng)用.5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)是未來(lái)5G網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵組成部分，它支持在一個(gè)通用的物理基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)上部署多個(gè)虛擬切片網(wǎng)絡(luò)來(lái)滿足用戶的多樣化需求.

5G網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)包括業(yè)務(wù)實(shí)例層、網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例層和資源層.業(yè)務(wù)實(shí)例層表示5G切片所支持的各種業(yè)務(wù)(包括終端用戶業(yè)務(wù)和商業(yè)服務(wù))，每一個(gè)業(yè)務(wù)都是以業(yè)務(wù)實(shí)例的形式出現(xiàn)；在網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例層，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商用網(wǎng)絡(luò)切片模板生成上層業(yè)務(wù)實(shí)例需要的具有某種網(wǎng)絡(luò)特性的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例.一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例可以被多個(gè)上層業(yè)務(wù)實(shí)例所共享.所有的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例都運(yùn)行在下面的資源層上.

2.2 能耗控制技術(shù)

綠色通信是近年來(lái)提出的一個(gè)通信新概念，要求在實(shí)現(xiàn)通信的同時(shí)盡量降低能源消耗，降低對(duì)周圍環(huán)境的影響，降低溫室氣體排放.未來(lái)網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)涉及到多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的大型網(wǎng)絡(luò)，其能源消耗是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題.環(huán)境感知技術(shù)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中不可或缺的技術(shù)，可以分別從器件級(jí)、設(shè)備級(jí)和網(wǎng)絡(luò)級(jí)來(lái)降低能源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色通信.器件級(jí)是指用于LSI等元器件設(shè)計(jì)中的節(jié)能技術(shù)；設(shè)備級(jí)是指用于路由器等設(shè)備中的節(jié)能技術(shù)，而網(wǎng)絡(luò)級(jí)是指路由協(xié)議等的用于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)能技術(shù).在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中，各種節(jié)能技術(shù)并不是相互孤立的，往往需要相互協(xié)作才能達(dá)到節(jié)能目的[25].

目前，綠色節(jié)能的通信技術(shù)的已經(jīng)在未來(lái)5G網(wǎng)中展開研究，文獻(xiàn)[26]基于小站密集化部署技術(shù)(Small Cell)，建立并推導(dǎo)出了 Small Cell 最佳部署位置與數(shù)量的高能效網(wǎng)絡(luò)部署方案目標(biāo)函數(shù)，獲得了具體網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下的高能效 Small Cell 網(wǎng)絡(luò)部署位置與數(shù)量，并通過(guò)對(duì)大量的仿真結(jié)果進(jìn)行分析，得出了高能效 Small Cell 密集化部署方案的一般性規(guī)律.文獻(xiàn)[27]則是對(duì)5G接入網(wǎng)中的節(jié)能技術(shù)做了簡(jiǎn)單討論.

南京郵電大學(xué)對(duì)節(jié)能技術(shù)的研究也有很多成果.文獻(xiàn)[28]和[29]都是以未來(lái)網(wǎng)絡(luò)為背景，研究未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中的休眠節(jié)能算法.前者重點(diǎn)研究了未來(lái)有線網(wǎng)絡(luò)以及未來(lái)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的休眠節(jié)能方案.并選取 OpenFlow 以及 DTN(Delay Tolerant Networks)作為未來(lái)有線與無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的代表，研究了 OpenFlow 網(wǎng)絡(luò)中的兩種休眠節(jié)能方案：節(jié)點(diǎn)休眠方案和鏈路休眠方案.后者分析了DTN 網(wǎng)絡(luò)中一種基于循環(huán)差集的異步休眠方案，并在此方案的基礎(chǔ)上提出了一種基于節(jié)能的節(jié)點(diǎn)最優(yōu)探測(cè)參數(shù)選擇方法.文獻(xiàn)[30]從網(wǎng)絡(luò)級(jí)節(jié)能技術(shù)為切入點(diǎn)，針對(duì) CCN 網(wǎng)絡(luò)的緩存決定算法及缺乏鄰域緩存利用方式的問(wèn)題，研究了一種緩存感知路由方案.方案通過(guò)在鄰域內(nèi)的緩存更新報(bào)文建立快速轉(zhuǎn)發(fā)表，提高鄰域內(nèi)緩存利用率，減少了網(wǎng)絡(luò)中的冗余流量，降低了網(wǎng)絡(luò)能耗.

2.3 信息中心網(wǎng)絡(luò)

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的日益擴(kuò)大，會(huì)產(chǎn)生大量文本、圖片、音頻、視頻等海量數(shù)據(jù)，而且用戶主要關(guān)注的是信息內(nèi)容，而不是信息的存儲(chǔ)位置.這就要求網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)基于內(nèi)容，而非位置 (IP)的數(shù)據(jù)訪問(wèn)和傳輸.傳統(tǒng)的基于IP尋址的數(shù)據(jù)訪問(wèn)方式顯然不能滿足這一新需求.為了適應(yīng)不斷增長(zhǎng)的信息訪問(wèn)要求，相繼產(chǎn)生了一些數(shù)據(jù)分發(fā)技術(shù)，如P2P(Peer-to-Peer)、Pub/Sub(Publication/Subscription)、CDN(Content Delivery Network)、Web Cache等.這些技術(shù)雖然以信息為中心，但是位于應(yīng)用層，存在大量冗余數(shù)據(jù)傳輸，網(wǎng)絡(luò)資源利用率不高.信息中心網(wǎng)絡(luò)(Information Centric Networking，ICN)采用以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)通信模型，取代傳統(tǒng)的以地址為中心的網(wǎng)絡(luò)通信模型，解決了海量信息高效傳輸?shù)膯?wèn)題.

國(guó)外ICN的研究機(jī)構(gòu)主要有Stanford(TRIAD項(xiàng)目)、Berkeley(DONA項(xiàng)目)、PARC(CCN)、UCLA(NDN)、美國(guó)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)計(jì)劃FIND、歐洲未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究FIRE等.國(guó)內(nèi)主要有中科院、北郵、清華、北大相繼開展相關(guān)研究.其中，北京大學(xué)在863“未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)和創(chuàng)新環(huán)境”項(xiàng)目支持下，構(gòu)建HTTP-overlay的ICN實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)，以“泛在緩存”和“名字路由”為核心，兼容現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的自動(dòng)緩存、自主分發(fā)和就近服務(wù)的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施 ，提供了可公開測(cè)試、數(shù)據(jù)服務(wù)的ICN驗(yàn)證平臺(tái)[31].

關(guān)于FN的研究，可以從江蘇省未來(lái)網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新研究院每年一次的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)論壇(FNF)大會(huì)，獲得相關(guān)的最新研究進(jìn)展.

3 結(jié)束語(yǔ)

目前對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究主要集中在網(wǎng)絡(luò)虛擬化、降低能耗、信息中心網(wǎng)絡(luò)未來(lái)技術(shù)方面，其中以網(wǎng)絡(luò)虛擬化最為活躍，SDN、NFV等技術(shù)方面成果顯著.但是，這些方面仍有很多問(wèn)題值得研究.比如，SDN的北向接口仍然沒(méi)有一種統(tǒng)一的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)；ICN技術(shù)目前還基本處在實(shí)驗(yàn)室研究階段，產(chǎn)業(yè)化道路還很遙遠(yuǎn)；FN是一種大型異構(gòu)網(wǎng)，其節(jié)能技術(shù)至關(guān)重要，但目前對(duì)FN節(jié)能技術(shù)的研究還沒(méi)有全面展開.在業(yè)務(wù)多樣性、功能靈活性、網(wǎng)絡(luò)管理、移動(dòng)性、可靠性和安全、身份認(rèn)證、架構(gòu)優(yōu)化、業(yè)務(wù)通用化、經(jīng)濟(jì)驅(qū)動(dòng)等方面研究還顯不足，未來(lái)也應(yīng)該加強(qiáng)這些方面的研究，以全面實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo).

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(編輯：劉寶江)

Research summary of future network

PENG Rong-qun, REN Lu-yong, DONG yan, FAN Zhong-qi

(School of Computer Science and Technology, Shandong University of Technology, Zibo 255049, China)

In this paper, the definition, functional requirements and design goals of future network (FN) are given, and the latest research achievements of network virtualization, energy reduction and information-centric network in FN are summarized.Moreover the research limitations and future directions for future network are analyzed, which may be helpful for the prospective research of future network.

future network；network virtualization；energy saving；information centric network

2016-06-26

彭榮群, 男，pengrq2006@126.com

1672-6197(2017)04-0038-04

TP

A