可重构柔性网络体系研究*

赵 靓，汪斌强，张 鹏

（国家数字交换系统工程技术研究中心 郑州 450002）

1 引言

互联网技术是20世纪最令人兴奋的科技成果之一，并且已经从最初的出于学术研究需要的、仅是一个只有几十个站点的研究项目发展成为一个连接世界各大洲数十亿人的通信系统。随着互联网技术的发展，人们一方面享受着互联网带来的新兴生活方式，一方面也在不断地对互联网的可靠性、有效性和安全性等方面的问题进行诟病。

事实上，当人们要求一个本来只是用于学术研究的网络来满足人类经济生活需求时，网络通信传统的可靠性、有效性和安全性问题就已经发生了质的变化，就会不可避免地出现这样那样的问题。虽然，网络研究者们一直在致力于解决互联网面向新需求时出现的问题，但是时至今日，互联网系统虽然已经变得越来越复杂，可是仍然无法提供令人满意的服务。如何走出这个困局，研究者们一直在探索[1～3]。

事实已经证明，那种修修补补式的发展方式永远也跟不上互联网业务需求的发展，必须在下一代网络构建过程中采取“推倒重来（clean slate）”式的发展模式。这种“推倒重来”式的发展并不是指将现有网络基础设施都废弃不用，通过研制新设备、新技术来构建一个全新的大一统的网络，而是指在思想、理论和技术体系 (thought，theory and technology architecture)方面进行创新，使得下一代网络既能够融合现有底层网络通信基础设施的异构性，保持网络发展的一致性和连贯性，又能够充分考虑未知网络、能够支撑各个领域全面信息化、满足可管可控可信的需求。

在这一过程中思想体系的创新尤为重要。本文主要是从思想体系方面入手，提出了一种以服务提供为目标、以可重构技术为实现手段、能够满足不同业务个性化需求的可重构柔性网络体系。该网络体系打破了原有封闭式体系架构，将网络功能进行层次划分，再分而治之，既有利于将复杂的网络技术进行分解，降低技术门槛，又利于解决现有网络及未来网络可能出现的问题。

2 相关工作

针对如何构建下一代网络这个课题已经争论了十余年，目前还存在很多不同的声音[4]，但基本形成了两大技术路线：一种是“演进性”路线，即在现有互联网上不断“改良”和“完善”；另一种是“革命性”路线，即重新设计全新的互联网体系结构，满足未来互联网的发展需要。

早在2000年，美国就启动了NewArch项目，该项目主要研究互联网变化的需求，并对一些关键的体系结构问题和思想进行了探索，但在其具体实现方案中仍然沿用了现有互联网技术。2003年，美国科学基金会(NSF)启动Clean Slate 100×100研究计划，针对“推倒重来，从零开始”的设计方法论、全面的网络框架及网络拓扑设计、网络协议栈设计等3个方面展开研究，计划到2010年实现1亿家庭以100 Mbit/s的速率上网。该项目现已结束，并未达到预期的目标。此后，美国NSF还启动了FIND、SING、NGNI等研究项目。2005年，美国NSF又启动全球网络创新环境GENI项目，提出了许多新的概念，并引入了OpenFlow作为实验平台。2010年美国NSF设立了未来互联网体系结构(FIA)计划，其目标是设计和验证下一代互联网的综合的新型的体系结构。Nebula[5]项目致力于建立一个以云计算为中心的体系结构。在这一未来的模型中，数据中心被高速的、可靠的、安全的骨干网络连接在一起。XIA[6]项目致力于构建一种未来互联网体系结构，具有可信、支持长期更新的多种使用模型、支持长期的技术革新、支持不同网络组成角色间的明晰的接口等特点。

中国也已较早地开展了下一代互联网的研究，国家自然科学基金、国家重点基础研究发展计划（“973”计划）项目、国家高技术研究发展计划（“863”计划）项目、科技支撑计划项目、中国下一代互联网(CNGI)项目都是有力的支持，从基础研究、关键技术突破、推广应用3个层次，展开下一代互联网体系结构研究的探索与实践。在这些计划项目的支持下，“十五”、“十一五”期间先后构建了CNGI试验网和以大规模汇聚路由器 （ACR）为核心的“3TNet”试验网，对下一代互联网体系结构及应用推广进行了有益探索。

从国内外对下一代网络体系结构方面的研究来看，沿着“革命性”路线开展的研究虽然取得了一些成果，但是这些成果大部分都是偏重于解决某一个或某几个方面的问题，对于全面解决网络现有及可能出现的问题，仍然没有形成一种业界公认的网络体系，目前还是处于百家争鸣的阶段。

3 可重构柔性网络体系

描述一个系统可以分3个层次：抽象层、逻辑层、物理层。抽象层描述的方法是模型，进行分层描述，主要关注业务、服务、协议和接口。逻辑层描述的方法是体系结构，体系是构成系统的诸元素，结构是诸元素之间的关系。物理层描述的方法是技术方案，技术方案给出了系统的物理实现，是系统体系结构的具体化体现。本节主要对可重构柔性网络体系进行抽象层的描述。

3.1 概念

可重构就是“使用一系列准则和手法，对系统内部的结构或代码进行调整或改进，以满足系统对环境变化和应用对象变化的适应性要求。可重构技术提供了一种高效且可受控的系统整理技术，从而使系统更容易被理解和修改”[7，8]。基于上述定义，本文提出针对网络体系的可重构概念如下。

定义1 重构对象是指通过执行可重构指令进行功能或性能调整以达到某种既定目标的实体。重构对象可分为3个层次：网络体系级重构对象、节点级重构对象、局部接口或功能级重构对象。

定义2 可重构柔性网络是通过可重构技术对网元进行功能、性能或相应关系的调整，从而能够满足变化的业务需求的一种可变的网络系统。可重构柔性网络是对可重构柔性信息网络、可重构柔性通信网络、可重构柔性业务支撑网络、可重构柔性服务承载网络、可重构柔性传送网络、可重构柔性传输网络的统称。

3.2 可重构柔性网络的5层模型

借鉴分层原理（layering principle），本文提出了一个可重构柔性网络分层模型，自下而上分别定义为传输层、传送层、服务层、业务层和应用层，如图1所示。本质上，该分层模型把信息网络要解决的问题分为几个小问题，分别通过相应的可重构技术得以解决[9]。

分层是一种有效的方法，它能够简化网络体系结构的设计，使每一层的设计独立于其他层进行设计、实现和测试，避免了某一层软硬件的重构对其他层的可见的改变。

第1层是传输层，对应于可重构柔性传输网络，重构对象是基本的数据传输资源，如光纤、电缆等，主要解决能够提供什么样的传输通道以及如何分配传输资源来处理相应的数据传输问题，可以理解为给指定的数据传输修一条什么样的道路以及多宽的道路。

图1 可重构柔性网络的5层模型

第2层是传送层，对应于可重构柔性传送网络，重构对象是数据传输通道的连接关系，即满足需求的网络拓扑，主要解决如何将传输通道连接起来，以达到将数据从一个端点传送到另一个端点的目标。

第3层是服务层，对应于可重构柔性服务承载网络，重构对象是连接数据通道的网络节点，主要解决的问题是为网络节点重构什么样的功能和性能，可以理解为需要为中转数据构建什么样的站点。这里的网络节点不是传统意义上的仅具有交换或路由功能的节点，而是可以根据上层业务需求进行功能和性能重构的各类节点，这样的节点可以是路由器或交换机，也可以是服务器、服务机群或入侵检测系统等，只要是能提供某一类网络服务的软硬件系统都可以通过可重构技术进行重构，成为可重构柔性服务承载网络中的网络节点。

第4层是业务层，对应于可重构柔性业务支撑网络，重构对象是网络业务，主要解决的问题是如何对各种网络应用进行抽象聚类，并进行形式化描述，从而从下层提供的各类服务组件及构件中提取需要的功能，并进行整合。在业务层可见的组件及构件就是各类服务，包括通信服务组件及构件、安全服务组件及构件、带宽服务组件及构件、检测组件及构件等。

第5层是应用层，对应于可重构柔性信息网络，重构对象是信息服务平台，主要解决的问题是如何利用下层网络资源生成丰富多彩的网络应用，并向用户提供应用接口。由于人们对信息的需求已经从被动接收演变为要求对信息的获取具有可追溯性、可预测性和可综合性，这就要求信息提供者或信息获取终端具有信息存贮、计算和处理能力。目前人们获取信息的主要途径是网络，所以人们认为网络不仅要提供通信服务，而且应该提供信息存贮、计算和处理服务。因此，新一代网络不仅仅是信息交换的载体，更是提供信息服务的平台。而事实上，基于1～4层柔性网络模型构建出的能够提供信息转移功能的可重构的柔性网络仅是一个通信网络，只解决通信本身的问题，即可靠性、有效性和安全性问题，但作为一个能够被用户直接使用的系统来说，仅解决上述问题还不够，因此，在通信网络提供的功能基础上增加了应用层，提供信息利用支撑环境，通过对信息的存贮、计算和处理，解决信息网络的运营性问题，实现信息的综合利用。

4 重构描述

通过可重构柔性网络的5层模型，可以将网络的重构行为划分为3个级别，分别为网络系统级重构、网络节点级重构、功能模块级重构。其中，网络系统级的重构通过业务层重构实现，网络节点级重构通过服务层重构实现，功能模块级重构通过传送层重构实现。不论是哪一个级别的重构，都必须由几个基本要素构成，即：

其中，RR(reconfiguration result)表示重构结果。经过重构使得重构对象具有某种功能及性能，并对其进行形式化描述。RA(reconfiguration arithmetic)表示重构算法集合。通过对相应重构输入的计算，得到重构结果的方法。根据重构级别不同，重构算法也不同：

其中，RAt表示业务层重构算法集，RAs表示服务层重构算法集，RAtr表示传送层重构算法集。

MC(module&component)表示组件及构件集合，是用来进行重构并得到一个重构对象的基本元素。根据重构级别不同，其对组件和构件的定义也不同。

其中，MCt、MCs、MCtr分别是对业务层、服务层、传送层可见的组件/构件库的描述。

RS(reconfiguration scale)表示重构规模，是对重构对象所要覆盖的范围及程度的形式化描述。

每一层的重构都是由重构输入触发，即在可控范围内对相应组件/构件等执行相应的重构算法，以得到一个重构结果。

5 可重构柔性网络的应用和优势

5.1 可重构柔性网络的应用

下一代互联网络应该是一个能够满足用户个性化需求的网络，试图通过预测业务需求和预留资源的方式为未知业务提供网络支撑一定是徒劳的，因此，要想满足用户的个性化需求就必须要求网络可变。可重构技术在满足系统对环境和应用对象变化的适应性要求方面有着很好的表现，因此可以预见，将可重构技术引入网络体系设计并提出可重构柔性网络的概念,在面对下一代网络各种未知需求时有着广阔的应用前景。

（1）构建新网络

当出现一种新兴业务时，可将业务需求聚类并作为重构业务层的输入，激活可重构柔性业务支撑网络的重构行为，进而进行相应底层重构对象的功能重构或资源重组；当业务消亡以后，可以对网络资源进行释放，作为构建另一种新业务支撑网络的构件。

（2）网络支撑环境升级改造

随着业务规模扩大或功能扩展，需要对已有网络支撑环境进行升级改造时，可将升级改造具体化为网络节点重构需求，并作为服务层的重构输入，用以激活可重构柔性服务承载网络的重构行为，进而进行相关网络节点的功能和性能的重构行为。

（3）灵活提供各类服务

在可重构柔性网络中，各种网络功能都是以服务的形式提供给运营商或用户的，它通过网络节点重构过程中添加相应的功能构件实现，如安全通信服务、实时通信服务、超宽带通信服务、入侵检测服务等。因此，在进行业务重构时，可以通过整合不同的服务为运营商及用户呈现不同的服务质量。

5.2 可重构柔性网络的优势

多年来，网络一直是沿着面向业务支撑的技术体系发展，为了承载特定业务构建网络，为融合新兴业务改造网络[10]。在该网络技术体系框架下，一种网络往往随着业务的消亡而废弃不用，浪费了大量的资源，与此同时，为了适应新业务的需求升级改造网络付出了高昂的代价却收效甚微，类似这样的问题在网络建设过程中层出不穷。与其他网络体系结构相比，可重构柔性网络在解决包括上述问题在内的很多问题时具有很大优势。

（1）网络系统具有智能化

智能化是下一代网络的发展趋势，主要体现在与特定业务无关，可满足任意网络业务需求。对于一个刚性的网络来说，要达到上述目标是很困难的，而在可重构柔性网络中，网络拓扑可以重新构建，网络资源可以动态分配，网络节点功能可以依需求调整，支持协议可以灵活配置，使得网络系统智能化水平有一个大的提升。

（2）网络系统易于维护

一个网络系统在最初设计时可能无法全面考虑到日后一些功能扩展的需要或者网络系统在运行过程中会出现某些节点或链路故障，在可重构柔性网络中都可以通过系统级或节点级的重构对系统进行维护和扩展。

（3）易于满足用户个性化需求

由于可重构柔性网络对业务支持具有很大的灵活性，因此有利于满足个性化的业务需求，催生大量新业务的出现。

（4）降低网络系统的成本

功能强、成本低的新业务在市场竞争中占有绝对优势。可重构柔性网络可使网络系统自适应工作环境和对象的变化，而无需增加额外的费用，这样在增强功能的同时还降低了成本。

6 结束语

可重构柔性网络的相关技术及思想已经成为当前研究的热点，但是没有形成统一的体系。本文基于可重构的思想提出了一种以构件化实现为基础、服务提供为目标的可重构柔性网络体系，并给出了可重构柔性网络的5层参考模型及相应的描述方法。基于该网络模型，可以灵活构建满足不同业务需求的个性化网络，适应未来各种业务需求。但是，还需要深入研究可重构柔性网络的相关理论和技术，如：自组织理论及智能化算法、可重构网络节点的协调与控制理论及方法等。

1 AndersenD G,BalakrishnanH,FeamsterN.Accountable internet protocol.Proceeding of the ACM SIGCOMM 2008 Conference on Data Communication,Seattle,USA,2008:339～350

2 Mosharaf N M,Chowdhury Kablr,Boutaba Raouf.Network virtualizatio:state of the art and research challenges.IEEE Communication Magazine,2009,47(7):20～26

3 Kim Changhoon,Caesar M,Rexford J.Floodless in seattle:a scalable ethernet architecture for large enterprises.Proceedings of the SIGCOMM 2008,Washington,USA,2008:3～14

4 吴建平,李星,刘莹.下一代互联网体系结构研究现状和发展趋势.中兴通信技术,2011,17(2)

5 Nebula.http://nebula.cis.upenn.edu/,2011

6 Expressive Internet Architecture(XIA).http://www.cs.cmu.edu/～XIA/,2011

7 Fowler M.重构——改善既有代码的设计.北京:中国电力出版社,2003

8 周纯杰,向纯洁,陈辉等.可重构技术及其在网络控制系统中的应用综述.控制与决策,2007,11(22):1 201～1 207

9 刘强,汪斌强,徐恪.基于构件的层次化可重构网络构建及重构方法.计算机学报,2010,33(9):1 557～1 567

10 王浩学,汪斌强,兰巨龙等.基于开放可重构路由交换平台的新型网络体系.电信科学,2008,24(8):44～48