面向服務(wù)定制的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

劉韻潔，張 嬌，黃 韜，潘 恬

(北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876)

0 引 言

近年來，網(wǎng)絡(luò)的飛速發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)形式的多樣化使得現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)呈現(xiàn)出各種問題。4K/8K高清視頻、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、自動(dòng)駕駛等新型業(yè)務(wù)均對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的性能需求。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)不能很好地去支撐這些業(yè)務(wù)，會(huì)阻礙這些技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程。因此，需要針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中的問題，提出新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中存在如下3個(gè)關(guān)鍵問題。

1)缺乏對(duì)業(yè)務(wù)提供差異化服務(wù)的能力。近年來，視頻直播、高清視頻等OTT(over the top)業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，用戶數(shù)量和數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)。截至2017年，微信活躍用戶數(shù)量已經(jīng)達(dá)到了8.89億，F(xiàn)acebook月活躍用戶數(shù)量超過20億[1]。OTT業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展雖然促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的變革，但是在目前盡力而為的網(wǎng)絡(luò)中，OTT業(yè)務(wù)占用大量帶寬，導(dǎo)致了一些對(duì)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)體驗(yàn)質(zhì)量嚴(yán)重下降。而且，由于運(yùn)營商在其中只是單純的扮演管道提供商的角色，因此，運(yùn)營商缺乏足夠的動(dòng)力對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行擴(kuò)容，網(wǎng)絡(luò)的擁塞情況日益嚴(yán)重，嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展。若允許運(yùn)營商針對(duì)OTT業(yè)務(wù)按流量收費(fèi)，這一方法雖然能減輕OTT業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的壓力，但是將會(huì)制約互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的蓬勃發(fā)展，阻礙技術(shù)和業(yè)務(wù)的創(chuàng)新之路。

解決OTT業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)帶來的沖擊，一種可行的方式就是針對(duì)目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造。我們從交通系統(tǒng)中得到啟示：普通公路、高速公路、鐵路運(yùn)輸、航空運(yùn)輸?shù)葮I(yè)務(wù)具有不同的運(yùn)輸能力和運(yùn)輸速度，采取差異化的收費(fèi)機(jī)制，選擇普通公路運(yùn)輸?shù)挠脩舨皇召M(fèi)，但是服務(wù)質(zhì)量得不到保障，選擇航空運(yùn)輸?shù)挠脩羰杖「哌\(yùn)輸費(fèi)，在運(yùn)輸速度上得到保障。這樣一來，一方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)有服務(wù)質(zhì)量需求的內(nèi)容提供商可以得到服務(wù)保障，而普通用戶和小型創(chuàng)業(yè)公司等可以繼續(xù)免費(fèi)使用互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。另一方面，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供者會(huì)有更高的動(dòng)力去建設(shè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，以便更好地滿足不同用戶對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的需求。根據(jù)調(diào)查顯示，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供商對(duì)于網(wǎng)絡(luò)差異性服務(wù)能力的需求非常強(qiáng)烈，例如，亞馬遜指出網(wǎng)絡(luò)延遲每增加0.1 s，每年銷售將減少1%[2]，谷歌指出用戶搜索延遲每增加0.5 s，則搜索量將會(huì)減少20%[3]。據(jù)調(diào)查，85%內(nèi)容提供商為了提高用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，愿意為更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量支付最高25%溢價(jià)。我們希望通過一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，來為用戶提供差異化的服務(wù)，一方面既能保障普通用戶的需求，另一方面對(duì)有特殊需求的用戶提供服務(wù)質(zhì)量保障。

2)網(wǎng)絡(luò)中存在大量的冗余傳輸。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中的大部分內(nèi)容分發(fā)型應(yīng)用存在大量重復(fù)傳輸問題，尤其是視頻流量，例如優(yōu)酷2011年播放量過億次的電視劇超過30部。而當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中視頻流量占據(jù)了大部分，Cisco預(yù)計(jì)未來在線視頻流量將會(huì)占據(jù)互聯(lián)網(wǎng)流量的90%以上。這些冗余流量會(huì)浪費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此，消除信息冗余需求十分迫切。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中主要是利用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(content delivery network, CDN)技術(shù)來減少信息冗余。但是，傳統(tǒng)CDN的解決方案存在諸多不足，一方面，其采用覆蓋網(wǎng)(overlay network)的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加了成本，造成了基礎(chǔ)設(shè)施資源的浪費(fèi)。另外一方面，通常只有較成熟的公司才有能力去購買CDN服務(wù)，因此CDN技術(shù)只是減小了購買其服務(wù)的內(nèi)容提供商的數(shù)據(jù)流量，并不是一個(gè)整體解決方案。對(duì)于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來說，由于缺乏對(duì)內(nèi)容資源的智能調(diào)度能力，信息冗余仍然大量存在，因此，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)具備信息冗余消除能力十分必要。同時(shí)調(diào)查指出，存儲(chǔ)容量比帶寬增長(zhǎng)速度更快，而且存儲(chǔ)成本價(jià)格比帶寬價(jià)格下降更快，按照目前數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量平均每1.7年翻倍，而帶寬平均每2.4年翻倍；存儲(chǔ)成本每年下降40%，而帶寬成本每年只下降26%[4]。因此，從發(fā)展趨勢(shì)來看，未來在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中部署緩存來減小信息冗余也是一個(gè)大的方向。

3)缺乏對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的感知和應(yīng)用能力。知名咨詢公司麥肯錫在其報(bào)告中[5]指出，數(shù)據(jù)已經(jīng)滲透到當(dāng)今每個(gè)行業(yè)和業(yè)務(wù)職能領(lǐng)域，成為重要的生產(chǎn)要素。網(wǎng)絡(luò)中同樣存在海量的數(shù)據(jù)，然而目前網(wǎng)絡(luò)對(duì)于這些海量數(shù)據(jù)的應(yīng)用能力非常局限，主要由于2個(gè)原因：首先網(wǎng)絡(luò)缺乏對(duì)各類數(shù)據(jù)的測(cè)量能力。網(wǎng)絡(luò)測(cè)量是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)的工作，需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的硬件設(shè)備和協(xié)議進(jìn)行改造，同時(shí)需要應(yīng)對(duì)高速鏈路中線速數(shù)據(jù)包處理的挑戰(zhàn)。其次因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)缺乏對(duì)數(shù)據(jù)的收集和處理能力，單純的數(shù)據(jù)測(cè)量并不能產(chǎn)生很大的價(jià)值，在數(shù)據(jù)時(shí)代，數(shù)據(jù)的分析處理才是重點(diǎn)。進(jìn)一步地，如何將分析得到的結(jié)果閉環(huán)地對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行反饋控制也存在較大的技術(shù)挑戰(zhàn)，目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中缺乏一個(gè)層面來實(shí)現(xiàn)對(duì)于海量數(shù)據(jù)的收集、分析處理和網(wǎng)絡(luò)反饋控制。

針對(duì)以上3個(gè)問題，本文提出一種新網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)(service customized networking,SCN)，試圖構(gòu)建一種開放可擴(kuò)展、基于大數(shù)據(jù)分析實(shí)現(xiàn)高效靈活的網(wǎng)絡(luò)管理，并提供差異化服務(wù)能力的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)。網(wǎng)絡(luò)的底層通過融合計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源形成資源池，網(wǎng)絡(luò)中增加的計(jì)算和存儲(chǔ)能大幅度提升網(wǎng)絡(luò)的能力，在降低業(yè)務(wù)時(shí)延和減少網(wǎng)絡(luò)中冗余傳輸?shù)耐瑫r(shí)，拓展了網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)維度，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可創(chuàng)新性?；谠萍軜?gòu)實(shí)現(xiàn)，并借助SDN/NFV(software defined network/ network function virtualizatio)技術(shù)在控制平面實(shí)現(xiàn)對(duì)資源的統(tǒng)一管理。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中增加基于大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與感知平面，充分利用網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)來指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)管控策略的制定。

1 相關(guān)工作

當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在諸多問題，本節(jié)簡(jiǎn)要介紹目前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界針對(duì)網(wǎng)絡(luò)缺乏差異化服務(wù)能力、網(wǎng)絡(luò)中的冗余傳輸、網(wǎng)絡(luò)測(cè)量這3類問題所進(jìn)行的一些相關(guān)工作。

1.1 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片的目的在于根據(jù)用戶的不同需求，對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的資源進(jìn)行劃分。對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切分的思想廣泛存在于網(wǎng)絡(luò)中，例如VLAN(virtual local area network)技術(shù)通過標(biāo)簽來劃分網(wǎng)絡(luò)的廣播域，VPN(virtual private network)技術(shù)通過端到端的隧道，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端的切分。近幾年，隨著SDN和NFV技術(shù)的提出，使得網(wǎng)絡(luò)變得更加的靈活可控，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的可定制性。第五代移動(dòng)通信(5G)也提出，該網(wǎng)絡(luò)需要支持不同類型的服務(wù)，例如工業(yè)制造互聯(lián)網(wǎng)，自動(dòng)駕駛，遠(yuǎn)程醫(yī)療，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等[6]。目前的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)于業(yè)務(wù)不同的時(shí)延、帶寬需求，明顯是不能滿足的。因此，基于SDN/NFV技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中資源的切片，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)端到端的可定制化。ONF(open networking foundation)組織在文獻(xiàn)[7]中，站在廣義SDN的角度，提出了網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)，將計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源都變成了SDN控制器可以管理的資源。

1.2 冗余傳輸

傳統(tǒng)的消除網(wǎng)絡(luò)中冗余傳輸?shù)姆椒ㄊ遣捎肅DN技術(shù)[8]，但是只有一部分公司會(huì)選擇購買CDN服務(wù)，因此，CDN服務(wù)只能消除網(wǎng)絡(luò)中部分的冗余傳輸，并不是全網(wǎng)的解決方案。針對(duì)這個(gè)問題，施樂帕洛阿爾托研究中心的Van Jacobson于2006年分析認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用呈現(xiàn)以信息為中心的特點(diǎn)，提出了信息中心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。其核心思想是采用類似URL(uniform resoure locator)的層次化命名方式對(duì)信息命名，從而方便用戶進(jìn)行信息搜索和信息獲取。這種架構(gòu)將以IP地址為中心過渡到以信息為中心，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過緩存數(shù)據(jù)可以有效降低信息冗余，加快對(duì)終端用戶的響應(yīng)速度。近幾年，出現(xiàn)了一種新興的減少冗余傳輸?shù)募夹g(shù)：移動(dòng)邊緣計(jì)算，最初于2013年在IBM和Nokia Siemens共同推出的一款計(jì)算平臺(tái)上出現(xiàn)。之后，各大電信標(biāo)準(zhǔn)組織開始推動(dòng)移動(dòng)邊緣計(jì)算的規(guī)范化工作。根據(jù)歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(European telecommunications standards institute,ETSI)的定義[9]，移動(dòng)邊緣計(jì)算側(cè)重在移動(dòng)網(wǎng)邊緣提供IT服務(wù)環(huán)境和云計(jì)算能力，強(qiáng)調(diào)靠近移動(dòng)用戶以減少網(wǎng)絡(luò)操作和服務(wù)交付的時(shí)延。

1.3 網(wǎng)絡(luò)測(cè)量

在SDN發(fā)展初期，網(wǎng)絡(luò)測(cè)量主要以控制平面主導(dǎo)的測(cè)量方法為主。著名的開源SDN網(wǎng)絡(luò)控制器ONOS(open network operating system)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)模塊就是直接通過OpenFlow等南向協(xié)議讀取網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的流表信息，然后進(jìn)行路由環(huán)路、黑洞等網(wǎng)絡(luò)檢錯(cuò)分析。但這種方案過多依賴于控制平面，面臨額外開銷過高、無法做出更加精細(xì)的網(wǎng)絡(luò)測(cè)量等問題。

在P4[10]編程語言提出后，極大擴(kuò)展了數(shù)據(jù)平面的靈活性，測(cè)量方法也開始轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)平面主導(dǎo)。FlowRadar[11]就是一種基于P4語言的流粒度網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，它通過在數(shù)據(jù)平面對(duì)流的編碼及各跳間編碼的對(duì)比得到丟包率等信息。在后續(xù)的工作中，F(xiàn)lowRader將系統(tǒng)的監(jiān)控粒度進(jìn)一步細(xì)化到包級(jí)別，可以得到數(shù)據(jù)包時(shí)間戳、TTL(time to live)值等很難被傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備收集的信息。P4聯(lián)盟也提出了帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)遙測(cè)(in-band network telemetry，INT)框架[12]用于收集和匯報(bào)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息?？梢栽诓恍枰刂破矫娓深A(yù)的情況下，通過添加在真實(shí)數(shù)據(jù)包頭部中的遙測(cè)命令和遙測(cè)信息完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)的監(jiān)控。通過INT框架，控制器可以直接實(shí)時(shí)收集數(shù)據(jù)平面上在數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)過程中真實(shí)經(jīng)歷的時(shí)延、抖動(dòng)、誤碼率、信號(hào)強(qiáng)度、隊(duì)列長(zhǎng)度、丟包率等網(wǎng)絡(luò)信息，而不需要發(fā)送其他特殊的探測(cè)包。

2 面向服務(wù)定制的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

第1節(jié)中提到的新的未來網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，然而，它們不能或者只能部分解決當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者面臨的OTT業(yè)務(wù)飛速發(fā)展以及信息存在大量冗余等挑戰(zhàn)。本節(jié)將會(huì)具體介紹為解決基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)而提出的服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)。

2.1 設(shè)計(jì)思路

1)提供差異化服務(wù)質(zhì)量。

從交通系統(tǒng)中得到啟示，不同的交通方式運(yùn)載能力不同，速度不同，收費(fèi)也不同。SCN網(wǎng)絡(luò)中希望可以為內(nèi)容提供商等用戶提供差異化服務(wù)，構(gòu)建差異化的網(wǎng)絡(luò)切片，用戶可以根據(jù)特定的需求以及經(jīng)濟(jì)承受能力選擇適合的服務(wù)等級(jí)，從而構(gòu)建良好健康的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)模式。OTT業(yè)務(wù)在該模式下也得到限制，對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊也可以迎刃而解。

2)細(xì)粒度網(wǎng)絡(luò)測(cè)量與分析。

隨著網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來越大，其中的資源種類越來越豐富，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)中資源的管理變得越來越復(fù)雜，大數(shù)據(jù)技術(shù)和人工智能技術(shù)的產(chǎn)生為網(wǎng)絡(luò)的管理提供了一種新的思路，然而讓網(wǎng)絡(luò)管理的控制主體產(chǎn)生智能的前提是讓網(wǎng)絡(luò)底層能夠產(chǎn)生足夠的實(shí)時(shí)訓(xùn)練數(shù)據(jù)，因此，如何獲取這些數(shù)據(jù)成了關(guān)鍵點(diǎn)。SCN網(wǎng)絡(luò)中需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的細(xì)粒度測(cè)量，并借助大數(shù)據(jù)和人工智能技術(shù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可視化，為網(wǎng)絡(luò)的集中式管理提供數(shù)據(jù)支撐。

3)減少信息冗余。

對(duì)于信息冗余帶來的帶寬浪費(fèi)問題，CDN也可以部分解決，但它是一種覆蓋網(wǎng)的方案。而SCN試圖讓網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身具備避免信息冗余的能力，網(wǎng)絡(luò)具有感知內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的功能，然后基于大數(shù)據(jù)的智能數(shù)據(jù)挖掘與分析，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)容資源和網(wǎng)絡(luò)資源的智能調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)有效消減信息冗余，充分利用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的能力。

4)支持現(xiàn)網(wǎng)平滑演進(jìn)。

目前的網(wǎng)絡(luò)還是采用了以IP為細(xì)腰的準(zhǔn)則，雖然存在各種問題，但也通過各種彌補(bǔ)手段承受住了各種考驗(yàn)，SCN作為一種革命性質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，直接取代現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)是不現(xiàn)實(shí)的。對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的改革一定是一個(gè)漫長(zhǎng)的過程，也面臨著來自運(yùn)營商和設(shè)備廠商的壓力。因此，為了漸進(jìn)式部署，使SCN有可能被運(yùn)營商等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者采納，以較低的成本逐步部署到現(xiàn)網(wǎng)中，SCN當(dāng)前設(shè)計(jì)方案仍然遵循傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中以IP為細(xì)腰的準(zhǔn)則，數(shù)據(jù)包格式保持不變。然而，對(duì)于未來出現(xiàn)的更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)方案，SCN架構(gòu)也需要能夠支持。因此，SCN的設(shè)計(jì)思路之一是立足于解決現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)問題，同時(shí)符合未來的發(fā)展方向，具有可演進(jìn)性。

2.2 設(shè)計(jì)框架

SCN的體系架構(gòu)共包括5個(gè)平面，如圖1所示。

圖1 SCN體系架構(gòu)Fig.1 Architecture of SCN

1)最底層為基礎(chǔ)設(shè)施平面，主要由計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源組成。部署的計(jì)算資源能夠支持網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，邊緣計(jì)算等。部署的存儲(chǔ)資源主要作為分布式緩存來存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中所傳輸?shù)男畔?，從而解決網(wǎng)絡(luò)中冗余傳輸?shù)膯栴}。

2)架構(gòu)的中間部分為控制平面，該平面的主要作用是為不同的用戶構(gòu)建不同服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的網(wǎng)絡(luò)切片，從而為不同的用戶提供差異化的服務(wù)，控制平面主要由3部分組成，分別為SDN控制器、NFV管理模塊和緩存資源管理器。

3)架構(gòu)的兩側(cè)分別為分發(fā)平面和感知平面。分發(fā)平面基于云架構(gòu)實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)對(duì)網(wǎng)內(nèi)的信息資源進(jìn)行智能地控制、調(diào)度和分發(fā)，分發(fā)平面只負(fù)責(zé)制定策略，通過向控制平面下發(fā)指令來完成具體的操作，例如通過將應(yīng)用貼近用戶部署來降低業(yè)務(wù)的延時(shí)，通過在網(wǎng)內(nèi)優(yōu)化部署緩存來解決海量信息重復(fù)傳輸?shù)膯栴}。感知平面的主要功能是完成對(duì)網(wǎng)絡(luò)中各類參數(shù)的采集，并基于大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，分析的結(jié)果會(huì)反饋給分發(fā)和控制平面，使其能更好地管理網(wǎng)絡(luò)。

4)最后在架構(gòu)的最上層是應(yīng)用層，網(wǎng)絡(luò)管理者可以調(diào)用控制平面、分發(fā)平面和感知平面所開放的北向接口來自定義開發(fā)應(yīng)用。目前，在實(shí)現(xiàn)SCN體系架構(gòu)時(shí)，主要的挑戰(zhàn)集中在控制平面、感知平面和分發(fā)平面，針對(duì)這3個(gè)平面中的關(guān)鍵問題，下面將詳細(xì)闡述。

2.3 控制平面

SCN網(wǎng)絡(luò)中除了具備傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中基本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能外，還能面向差異化的用戶需求提供不同等級(jí)的QoS保障，解決OTT業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊，保證關(guān)鍵業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量。SCN網(wǎng)絡(luò)主要通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)來提供差異化的服務(wù)，在網(wǎng)絡(luò)切片中，具體有2項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，分別是流量識(shí)別和流量端到端的QoS保障。

流量識(shí)別技術(shù)主要是在流量入口處根據(jù)數(shù)據(jù)流量的包頭信息對(duì)流量進(jìn)行識(shí)別，然后打上分類的標(biāo)簽。標(biāo)簽分為2個(gè)，其一是流量的路徑標(biāo)簽用來標(biāo)識(shí)流量的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，另一個(gè)是流量的QoS標(biāo)簽用來標(biāo)識(shí)流量的QoS等級(jí)。

流量QoS保障技術(shù)具體分為3個(gè)方面。第一方面是基于SDN的SR(segment routing)方案來實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)路徑規(guī)劃，集中式的SDN控制器負(fù)責(zé)收集底層鏈路的拓?fù)湫畔⒑蛯?shí)時(shí)的帶寬占用信息，然后為不同的業(yè)務(wù)流量分配不同的路徑，路徑信息通過MPLS(multi-protocol label switching)路徑標(biāo)簽實(shí)現(xiàn)，并通過SDN的方式對(duì)路徑進(jìn)行控制。

基于SDN的SR機(jī)制只是通過控制轉(zhuǎn)發(fā)路徑來實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡和流量調(diào)度，第二方面，我們還加入了基于隊(duì)列控制粒度的QoS保障機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)流量更進(jìn)一步的精細(xì)控制，在交換設(shè)備的每個(gè)端口實(shí)現(xiàn)隊(duì)列優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法，根據(jù)流量的QoS標(biāo)簽進(jìn)行調(diào)度，該QoS標(biāo)簽可以是MPLS中的EXP字段，也可以是IP中的TOS字段，圖2詳細(xì)說明了端到端精細(xì)的QoS保障機(jī)制。具體地，使用交換機(jī)中內(nèi)置的隊(duì)列，來使不同優(yōu)先級(jí)的流量進(jìn)入不同的隊(duì)列進(jìn)行處理，交換機(jī)端口上的隊(duì)列創(chuàng)建是通過SDN控制器實(shí)現(xiàn)，同時(shí)，控制器還需要通過南向協(xié)議來指定流量進(jìn)入的隊(duì)列。此外，在每個(gè)端口還可以使用隊(duì)列來預(yù)留一部分帶寬，保障突發(fā)的關(guān)鍵性業(yè)務(wù)。

圖2 端到端精細(xì)化QoS保障Fig.2 End-to-end fine-grained QoS guarantee

最后一方面是切片內(nèi)預(yù)防突發(fā)流量的技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)已為切片預(yù)留資源的情況下，切片內(nèi)仍可能發(fā)生流量突發(fā)，進(jìn)而影響切片內(nèi)的業(yè)務(wù)QoS。SDN網(wǎng)絡(luò)控制器集中決策限制了反應(yīng)時(shí)間。因此，在SCN架構(gòu)中，設(shè)計(jì)了提前由控制平面提前下發(fā)備用路由策略，并且設(shè)置相應(yīng)的突發(fā)門限。數(shù)據(jù)平面構(gòu)建處理邏輯，在網(wǎng)絡(luò)中流量突發(fā)時(shí)，擁塞節(jié)點(diǎn)能快速判斷反應(yīng)，通知上游節(jié)點(diǎn)啟動(dòng)備用路由，減少擁塞節(jié)點(diǎn)流量壓力。

2.4 感知平面

SCN中的感知平面主要通過在高速網(wǎng)絡(luò)設(shè)備上采集底層網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)(包括鏈路層、網(wǎng)絡(luò)層、傳輸層和應(yīng)用層)，然后對(duì)收集的信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理分析，根據(jù)分析結(jié)果對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行自動(dòng)化的運(yùn)維管理(包括故障檢測(cè)預(yù)警、內(nèi)容貼近用戶部署、流量自適應(yīng)調(diào)度等)，從而提高網(wǎng)絡(luò)用戶的服務(wù)質(zhì)量。SCN的感知平面主要包含如下4個(gè)方面的能力。

1)多維信息采集能力。目前通常在應(yīng)用層基于DPI(deep packet inspection)等技術(shù)以流為單位對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量中蘊(yùn)含的信息進(jìn)行采集挖掘，并向訪問控制或流量調(diào)度等模塊提供處理依據(jù)。相比傳統(tǒng)較少維度的信息采集手段，SCN中的感知平面強(qiáng)調(diào)多維網(wǎng)絡(luò)信息的采集能力。除了通過DPI等手段挖掘應(yīng)用層流量蘊(yùn)含的信息，感知平面還將對(duì)鏈路層的信號(hào)強(qiáng)弱、誤碼率等信息，網(wǎng)絡(luò)層的丟包率、排隊(duì)時(shí)延、傳輸路徑等信息，傳輸層的滑動(dòng)窗口大小、重傳率等信息進(jìn)行識(shí)別和采集，從而完成整個(gè)協(xié)議棧自頂向下的全棧多維信息采集。相比單一的應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)信息采集，感知平面的多維信息采集能力將給集中式控制器提供大量的數(shù)據(jù)分析支撐，提供控制器從鏈路層到應(yīng)用層跨層的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化能力。

2)高速鏈路帶內(nèi)測(cè)量感知能力。在高速鏈路上進(jìn)行多維的網(wǎng)絡(luò)信息采集將會(huì)遇到較大的性能挑戰(zhàn)。由于路由器或交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)的速率非常高，且數(shù)據(jù)包本身在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中需要經(jīng)歷多個(gè)流水段的快速處理，并沒有太多的時(shí)間空隙可以用來完成多維信息的提取和處理。如果采用傳統(tǒng)方法，從網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制平面或管理平面通過協(xié)議詢問數(shù)據(jù)平面的狀態(tài)，那么顯然會(huì)引入大量的時(shí)延，進(jìn)而無法匹配高速鏈路線速轉(zhuǎn)發(fā)的需求。目前，文獻(xiàn)[12]提出使用INT技術(shù)，由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自身在數(shù)據(jù)平面直接采集底層的鏈路狀態(tài)，并裝填在數(shù)據(jù)包的包頭上，通過數(shù)據(jù)包自身攜帶出網(wǎng)絡(luò)，最終轉(zhuǎn)發(fā)到集中式控制器上。對(duì)數(shù)據(jù)包頭的任意修改需要用到協(xié)議無關(guān)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。基于INT的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知方法能夠盡可能地降低控制器對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備底層鏈路狀態(tài)的主動(dòng)詢問開銷?；贗NT這樣的技術(shù)，SCN的感知平面還將研究如何進(jìn)一步壓縮底層鏈路狀態(tài)采集的開銷，從而減少路由器的處理負(fù)擔(dān)和上報(bào)給控制器的數(shù)據(jù)包數(shù)量及鏈路帶寬消耗。

3)控制器大數(shù)據(jù)分析處理能力。集中式控制器面臨著在線實(shí)時(shí)分析底層傳遞來的大量網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)的挑戰(zhàn)。這里的挑戰(zhàn)有2個(gè)方面：①底層網(wǎng)絡(luò)上傳而來的數(shù)據(jù)具有多維的屬性，甚至某些數(shù)據(jù)是非結(jié)構(gòu)化的，需要使用更強(qiáng)的語義對(duì)其進(jìn)行描述；②高速鏈路上傳而來的數(shù)據(jù)量非常大，且處理的實(shí)時(shí)性要求很高，如何設(shè)計(jì)感知平面面向高速網(wǎng)絡(luò)的硬件架構(gòu)及大數(shù)據(jù)分析處理算法具有較大的挑戰(zhàn)。在這里，SCN的感知平面通過使用分布式的服務(wù)器集群對(duì)底層鏈路狀態(tài)進(jìn)行處理。同時(shí)也會(huì)使用一些采樣算法或者按需狀態(tài)上報(bào)的機(jī)制降低數(shù)據(jù)分析的復(fù)雜度，即不是每個(gè)包或每個(gè)流都進(jìn)行采樣和控制器上報(bào)，而是在數(shù)據(jù)平面檢測(cè)到異常之后再按需進(jìn)行異常狀態(tài)或異常網(wǎng)絡(luò)行為上報(bào)。

4)自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)管理能力。當(dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)狀態(tài)出現(xiàn)異常時(shí)，感知平面通過基于機(jī)器學(xué)習(xí)的大數(shù)據(jù)分析檢測(cè)算法可以自動(dòng)識(shí)別出相應(yīng)的異常，從而觸發(fā)對(duì)應(yīng)的異常處理流程。例如，當(dāng)鏈路上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的排隊(duì)時(shí)延明顯增高時(shí)，控制器能夠通過上面提到的帶內(nèi)遙測(cè)機(jī)制發(fā)現(xiàn)這種情況，并通過歷史經(jīng)驗(yàn)猜測(cè)可能是由于上游交換機(jī)發(fā)生故障而導(dǎo)致鏈路擁塞，然后將這種猜測(cè)上報(bào)給上層的管理人員。也可以通過深度學(xué)習(xí)[13]等統(tǒng)計(jì)機(jī)器學(xué)習(xí)方法利用歷史的流量數(shù)據(jù)對(duì)集中式控制器進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間訓(xùn)練，使其具備一定的自動(dòng)化事件處理能力。如果控制器的智能足夠高時(shí)，甚至可以由控制器自身主動(dòng)發(fā)送故障修復(fù)指令，降低運(yùn)維人員的工作量。除了網(wǎng)絡(luò)故障檢測(cè)及溯源分析，類似的基于大數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化管理能力還可以輔助運(yùn)維人員進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)流量自適應(yīng)調(diào)度、內(nèi)容自動(dòng)按需部署、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備自適應(yīng)開關(guān)省電等工作。

2.5 分發(fā)平面

SCN的分發(fā)平面通過將網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算融合，網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)融合，基于云架構(gòu)實(shí)現(xiàn)信息資源的智能控制和調(diào)度。

目前新型的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用及服務(wù)對(duì)計(jì)算資源的需求日益增加，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、邊緣計(jì)算等技術(shù)也得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的廣泛認(rèn)可。在SCN的分發(fā)平面設(shè)計(jì)中，將網(wǎng)絡(luò)與計(jì)算融合，這樣做主要有如下2點(diǎn)好處：結(jié)合邊緣計(jì)算技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署到用戶側(cè)，降低業(yè)務(wù)的時(shí)延，同時(shí)減輕了核心網(wǎng)的負(fù)載；結(jié)合網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)功能部署在通用的服務(wù)器上，為網(wǎng)絡(luò)功能的部署和管理提供了更加靈活的方式。

如之前所述，目前網(wǎng)絡(luò)中存在著嚴(yán)重的冗余傳輸問題，因此，在SCN架構(gòu)中，我們將網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)融合，在網(wǎng)絡(luò)中的不同位置部署緩存，這方面的研究近幾年在信息中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中已經(jīng)受到了極大的關(guān)注，以命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)(named data networking, NDN)為例，它保留了IP協(xié)議棧的沙漏模型設(shè)計(jì)，但是用類似URL的分層內(nèi)容命名代替了原來的IP細(xì)腰層。同時(shí)，路由和轉(zhuǎn)發(fā)也是基于內(nèi)容名字，并使用最長(zhǎng)前綴匹配的方法。另外，內(nèi)容可以在內(nèi)容源服務(wù)器獲取，也可以在路由器節(jié)點(diǎn)命中?？梢钥闯?，網(wǎng)內(nèi)緩存的能力不僅可以節(jié)省有限的帶寬資源，還能夠提高網(wǎng)絡(luò)的性能。

目前SCN架構(gòu)中將計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)融合的思想得到了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的肯定，但是，SCN架構(gòu)在落地的過程中，主要面臨兩方面的問題：①如何選擇一種新型的架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)資源進(jìn)行整合，支持分發(fā)平面進(jìn)行統(tǒng)一的管理和調(diào)度，同時(shí)，該架構(gòu)需要在現(xiàn)有的IP架構(gòu)上實(shí)現(xiàn)平滑演進(jìn)；②如何針對(duì)業(yè)務(wù)的差異化需求在網(wǎng)內(nèi)部署存儲(chǔ)資源，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的低延時(shí)傳輸。針對(duì)第一方面的問題，本團(tuán)隊(duì)提出了SDNCC[14]方案，整體架構(gòu)如圖3所示。該架構(gòu)提出了網(wǎng)絡(luò)元素的概念，將各種資源都看做網(wǎng)絡(luò)中的元素，并在控制層面設(shè)計(jì)了針對(duì)不同資源的管理模塊。針對(duì)第二方面問題，本團(tuán)隊(duì)提出了基于內(nèi)容差異化的信息中心網(wǎng)絡(luò)緩存資源自動(dòng)分配和管理機(jī)制[15]，實(shí)現(xiàn)對(duì)不同內(nèi)容請(qǐng)求者提供差異化的內(nèi)容服務(wù)。

圖3 SDNCC架構(gòu)Fig.3 Architecture of SDNCC

3 總結(jié)展望

本文提出了一種面向服務(wù)定制的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片，利用優(yōu)化路由選路和端到端的QoS保障，為業(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)。通過將計(jì)算和存儲(chǔ)資源融合，可以有效解決網(wǎng)絡(luò)中冗余傳輸?shù)膯栴}。同時(shí)，在網(wǎng)絡(luò)中創(chuàng)新性地增加了一層感知平面，充分利用網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)來幫助控制平面對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化管理。在未來的工作中，依然存在著各類問題和挑戰(zhàn)需要解決，例如網(wǎng)絡(luò)功能模型的抽象、定義與建模；面向確定性時(shí)延的網(wǎng)絡(luò)QoS保障方案與機(jī)理；網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算、存儲(chǔ)一體化融合技術(shù)的細(xì)化等。

[1] 中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心.中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[EB/OL].[2017-09-12].http://www.cnnic.cn/hlwfzyj/hlwxzbg/hlwtjbg/201407/P020140721507223212132.pdf.

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(編輯：魏琴芳)