未来网络研究

彭荣群，任鲁涌，董 延，范忠奇

(山东理工大学 计算机科学与技术学院，山东 淄博 255049)

未来网络研究

彭荣群，任鲁涌，董 延，范忠奇

(山东理工大学 计算机科学与技术学院，山东 淄博 255049)

给出了未来网络(FN)的定义、功能需求和设计目标，分析总结了未来网络中的网络虚拟化、节能、信息中心网络等方向的最新研究成果，指出了未来网络目前研究的不足和研究方向.

未来网络；网络虚拟化；节能；信息中心网络

随着科技的发展和生活质量的逐步提高，人们对网络的依赖越来越强，对网络的要求也越来越多样化，物联网、智能网格、云计算等新兴业务不断涌现，现有的网络已经不能支持这些新兴业务需求.因此，网络必须不断演进并升级换代.

由于电信网等这种大型网络用于维持其正常运营需要数目庞大的底层硬件资源，其基本架构是很难改变的.虽然在当初设计这些大型网络时，考虑到未来不断改变的网络需求而预留了部分网络扩展能力，即网络设计之初留有足够的弹性.但是这些大型网络经过许多年的运营，预留的扩展能力已经基本耗尽.旧的网络体系架构已经在制约着网络未来的发展.目前，许多研究机构已经开始致力于网络虚拟化、绿色通信、信息中心网络等新网络架构和支撑技术的研究，而这些技术都是未来网络的基础.

未来网络(FN：Future Network)是继下一代网络(NGN：Next Generation Network)概念提出后的又一网络新概念，目的是为了解决现有网络难以满足用户未来需求的问题.

1 未来网络(FN)定义及架构

1.1 FN定义

未来网络是一种能够提供利用现有的网络很难提供的业务、能力以及设施的网络，该网络或者是一种全新的构建网络，或者是一种现有网络的升级版，也或者是由二者结合构成的、能够当作单一网络运营的异构网络集合[1].

1.2 FN功能需求

未来网络首先要实现以下4个新需求：

1) 业务感知 未来的业务无论是从数量还是从种类上都呈爆炸式增长状态，这就要求FN能够在不增加现网部署和运营成本的基础上，能够感知业务的类型，从而为用户和应用提供适合的业务功能.

2) 数据感知 在大数据时代，FN应该能够采用优化的新型架构支持用户对分布环境下的语音、视频、文档等各种类型的海量数据进行安全、容易、快速、精确的访问，而不用考虑数据的存储位置.FN能感知数据类型，提供与用户终端能力匹配的数据.

3)环境感知 FN应该是环境友好的网络，其网络设计、维护、运营过程中应该尽可能减小对周围环境的影响，比如尽可能减少材料和能源的消耗和温室气体的排放.

4)社会和经济感知 FN应该能够承担起社会和经济责任，减少生存期内的部署和可持续发展的成本，减小不同参与者进入未来网络生态系统的经济壁垒，使更多用户和企业参与其中，并引入合理的竞争机制，最终使所有参与者从中获益.

1.3 FN设计目标

为了满足未来网络的4个功能需求，FN必须实现业务多样性、功能灵活性、资源虚拟化、网络管理、移动性、可靠性和安全、数据访问、身份认证、能源消耗、架构优化、业务通用化、经济驱动等12个设计目标，各功能需求与设计目标之间的关系如图1所示.因篇幅所限，各设计目标的含义见文献[1].

图1 FN功能需求与设计目标的关系

2 相关技术研究现状

近年来，研究人员对FN设计目标相关的各种技术进行了深入研究，比如网络虚拟化、数据访问、能源消耗、网络优化、网络管理、移动性等方面，取得了很多显著成果.ITU-T也公布了FN的一系列标准，如未来网络的网络虚拟化架构[2]、未来网络的降低能耗的架构[3]、未来网络的身份认证架构[4]、以及未来网络在短期内的实现网络-智能泛在网[5]等.目前以网络虚拟化、信息中心网络、能耗控制技术研究最为活跃.

2.1 网络虚拟化

网络虚拟化是未来网络的一项关键技术，也是网络发展的一个重要方向.网络虚拟化技术能够在共享的物理网络基础设施上构建不同功能的、逻辑上相互隔离的、实现不同功能的虚拟子网.软件定义网络(SDN：Software Definition Network)、网络功能虚拟化(NFV: Network Function Virtualization)、移动边缘计算(MEC: Mobile Edge Computing)、5G切片技术(5G Slicing)等网络虚拟化技术是当前研究热点.

2.1.1 SDN

SDN[6-7[8]协议为主，而北向接口还没有统一的接口标准.

国内对SDN的研究和异常活跃[9].文献[10]分析了SDN在广域网应用系统的架构和各层的主要功能，并对其典型应用展开详细说明；文献[11]在分析传统BGP路由选路机制缺陷的基础上，采用SDN控制技术，提出一种支持传统路由设备和OpenFlow设备的路由反射优化方法；文献[12]提出了一种基于SDN的运营商数据中心互联承载技术方案.

2.1.2 NFV

NFV是一种利用虚拟硬件抽象从运行的硬件资源分离出网络功能的技术.研究NFV的国际组织主要有ETSI、IETF和ITU.其中ETSI定义的NFV最具代表性[13].该架构试图用运行于NFVI上的纯软件实体来实现现有的网络功能. 其包含三个功能模块：虚拟网络功能(VNFs)、NFV基础设施(VNFI)、NFV管理和编排.

虚拟网络功能模块就是一种基于NFVI的网络功能的软件实现；NFV基础设施(VNFI)功能模块包含各类物理资源以及对它们的虚拟化技术，并支持运行VNF；NFV管理和编排功能模块涵盖了业务编排功能和对支持基础设施虚拟化的物理硬件或软件资源，以及NFV生命周期的管理功能.

国内对NFV的研究主要集中在电信运营商的研究机构，中国联通、中国电信和中国移动都在不同程度上对NFV进行了研究和测试，对IMS核心网首先进行NFV改造也已经成为业界共识[14-17].文献[18]对NFV弹性技术进行分析，归纳弹性结构的设计原则，并给出弹性用例；文献[19]针对NFV架构中的安全技术进行研究，指出安全对NFV技术的重要性，分析管理支持设施的可用性及安全启动相关问题，并总结了NFV的软件安全隐患.

2.1.3 MEC

移动边缘计算(MEC)[20]是目前在现网中一种新兴的移动网络虚拟化技术，它可以看作是一个运行在移动网络边缘并执行特定任务的云服务器，这些特定任务目前不可能在传统的网络基础设施上实现.通常情况下，移动边缘计算有如下特点：室内部署、邻近性、低延迟、 位置感知、 网络上下文信息感知.国内关于MEC的研究也主要集中于电信运营商和华为、中兴等通信设备制造商[21].

2.1.4 5G Slicing

5G切片技术(5G Slicing)[22-24]也是目前的研究热点，它是SDN架构在未来5G中的一种典型应用.5G网络切片技术是未来5G网络的关键组成部分，它支持在一个通用的物理基础设施网络上部署多个虚拟切片网络来满足用户的多样化需求.

5G网络切片架构包括业务实例层、网络切片实例层和资源层.业务实例层表示5G切片所支持的各种业务(包括终端用户业务和商业服务)，每一个业务都是以业务实例的形式出现；在网络切片实例层，网络运营商用网络切片模板生成上层业务实例需要的具有某种网络特性的网络切片实例.一个网络切片实例可以被多个上层业务实例所共享.所有的网络切片实例都运行在下面的资源层上.

2.2 能耗控制技术

绿色通信是近年来提出的一个通信新概念，要求在实现通信的同时尽量降低能源消耗，降低对周围环境的影响，降低温室气体排放.未来网络是一个涉及到多个异构网络的大型网络，其能源消耗是一个不容忽视的问题.环境感知技术是未来网络中不可或缺的技术，可以分别从器件级、设备级和网络级来降低能源消耗，实现绿色通信.器件级是指用于LSI等元器件设计中的节能技术；设备级是指用于路由器等设备中的节能技术，而网络级是指路由协议等的用于整个网络中的节能技术.在未来网络中，各种节能技术并不是相互孤立的，往往需要相互协作才能达到节能目的[25].

目前，绿色节能的通信技术的已经在未来5G网中展开研究，文献[26]基于小站密集化部署技术(Small Cell)，建立并推导出了 Small Cell 最佳部署位置与数量的高能效网络部署方案目标函数，获得了具体网络场景下的高能效 Small Cell 网络部署位置与数量，并通过对大量的仿真结果进行分析，得出了高能效 Small Cell 密集化部署方案的一般性规律.文献[27]则是对5G接入网中的节能技术做了简单讨论.

南京邮电大学对节能技术的研究也有很多成果.文献[28]和[29]都是以未来网络为背景，研究未来网络中的休眠节能算法.前者重点研究了未来有线网络以及未来无线网络中的休眠节能方案.并选取 OpenFlow 以及 DTN(Delay Tolerant Networks)作为未来有线与无线网络的代表，研究了 OpenFlow 网络中的两种休眠节能方案：节点休眠方案和链路休眠方案.后者分析了DTN 网络中一种基于循环差集的异步休眠方案，并在此方案的基础上提出了一种基于节能的节点最优探测参数选择方法.文献[30]从网络级节能技术为切入点，针对 CCN 网络的缓存决定算法及缺乏邻域缓存利用方式的问题，研究了一种缓存感知路由方案.方案通过在邻域内的缓存更新报文建立快速转发表，提高邻域内缓存利用率，减少了网络中的冗余流量，降低了网络能耗.

2.3 信息中心网络

未来网络中，随着网络规模的日益扩大，会产生大量文本、图片、音频、视频等海量数据，而且用户主要关注的是信息内容，而不是信息的存储位置.这就要求网络能够实现基于内容，而非位置 (IP)的数据访问和传输.传统的基于IP寻址的数据访问方式显然不能满足这一新需求.为了适应不断增长的信息访问要求，相继产生了一些数据分发技术，如P2P(Peer-to-Peer)、Pub/Sub(Publication/Subscription)、CDN(Content Delivery Network)、Web Cache等.这些技术虽然以信息为中心，但是位于应用层，存在大量冗余数据传输，网络资源利用率不高.信息中心网络(Information Centric Networking，ICN)采用以信息为中心的网络通信模型，取代传统的以地址为中心的网络通信模型，解决了海量信息高效传输的问题.

国外ICN的研究机构主要有Stanford(TRIAD项目)、Berkeley(DONA项目)、PARC(CCN)、UCLA(NDN)、美国未来网络计划FIND、欧洲未来网络研究FIRE等.国内主要有中科院、北邮、清华、北大相继开展相关研究.其中，北京大学在863“未来网络体系架构和创新环境”项目支持下，构建HTTP-overlay的ICN实验网络，以“泛在缓存”和“名字路由”为核心，兼容现有IP网络基础设施，实现互联网数据的自动缓存、自主分发和就近服务的互联网基础设施 ，提供了可公开测试、数据服务的ICN验证平台[31].

关于FN的研究，可以从江苏省未来网络创新研究院每年一次的未来网络论坛(FNF)大会，获得相关的最新研究进展.

3 结束语

目前对未来网络的研究主要集中在网络虚拟化、降低能耗、信息中心网络未来技术方面，其中以网络虚拟化最为活跃，SDN、NFV等技术方面成果显著.但是，这些方面仍有很多问题值得研究.比如，SDN的北向接口仍然没有一种统一的技术标准；ICN技术目前还基本处在实验室研究阶段，产业化道路还很遥远；FN是一种大型异构网，其节能技术至关重要，但目前对FN节能技术的研究还没有全面展开.在业务多样性、功能灵活性、网络管理、移动性、可靠性和安全、身份认证、架构优化、业务通用化、经济驱动等方面研究还显不足，未来也应该加强这些方面的研究，以全面实现未来网络的设计目标.

[1] ITU-T. Y.3001. Future networks: objectives and design goals[S]. Geneva Swiss: ITU，2011.

[2] ITU-T. Y.3011. Framework of network virtualization for future network[S]. Geneva Swiss: ITU，2012.

[3] ITU-T. Y.3021. Framework of energy saving for future networks[S]. Geneva Swiss: ITU，2012.

[4] ITU-T. Y.3031. Identification framework in future networks[S]. Geneva Swiss: ITU，2012.

[5] ITU-T. Y.3041. Smart ubiquitous networks-overview[S]. Geneva Swiss: ITU，2013.

[6] ONF. TR-521. SDN Architecture issue-1.1[S]. California USA: ONF, 2016.

[7] ITU-T. Y.3300. Framework of software-defined networking[S]. Geneva Swiss: ITU，2014.

[8] ONF. TS-025. OpenFlow Switch Specification v1.5.1[S]. California USA: ONF, 2015.

[9] 黄勇军，陆小铭，曹维华. SDN在IP广域网的典型应用与实现[J].电信科学，2016, 32(3): 7-13.

[10] 唐宏，朱华虹，曹维华，等.基于SDN的大型IP网络BGP路由优化方案[J]. 电信科学，2016, 32(3):14-19.

[11] 刘汉江，欧亮，陈文华,等.基于SDN的跨数据中心承载技术[J].电信科学，2016,32(3):28-34.

[12] 赵慧玲，史凡.SDN-NFV的发展与挑战[J].电信科学，2014,30(8):13-18.

[13] ETSI. GS NFV 002 V1.2.1. Network Functions Virtualisation(NFV); Architectural Framework[S]. Nice France: ETSI, 2014.

[14] 范洪亮,吴斌，张鹏. NFV技术及其引入VoLTE IMS中的关键问题研究[J].互联网天地，2016(2):15-17.

[15] 陈炜,韩小勇，尼凌飞.移动核心网应用NFV的关键问题探讨及实践[J].中兴通讯技术，2014,20(3):12-15.

[16] 薛淼,符刚，朱斌等.基于SDN_NFV的核心网演进关键技术研究[J].邮电设计技术，2014(3):16-22.

[17] 彭莉.IMS核心网网络功能虚拟化方案研究[J].移动通信，2014(22):60-64.

[18] 刘露，郭志斌.NFV弹性技术[J].电信科学，2016,32(3):35-38.

[19] 郭志斌，陈扬帆，刘露.NFV安全需求及应对策略[J].电信科学，2016,32(3):39-42.

[20] ETSI. GS MEC 003 v1.1.1. Mobile Edge Computing(MEC);Framework and Reference Architecture[S]. Nice France: ETSI, 2016.

[21] 蒋鑫.MEC整体解决方案及典型应用场景研究[J].电信技术，2015(12):7-12.

[22] ONF. TR-526. Applying SDN Architecture to 5G Slicing[S]. California USA: ONF, 2016.

[23] 5G Initiative Team. 5G Network Slicing v1.0. Description of Network Slicing Concept[S]. Frankfurt Germany: NGMN, 2016.

[24] 5G Initiative Team. 5G White Paper V1.0[S]. Frankfurt Germany: NGMN, 2015.

[25] ITU-T. Y.3021. Framework of energy saving for future networks[S]. Geneva Swiss: ITU，2012.

[26] 王新玲.面向5G移动网络绿色通信关键技术研究[D].成都：电子科技大学，2015.

[27] 雷秋燕，张治中，程方.基于C_RAN的5G无线接入网架构[J].电信科学，2015(1)：1-10.

[28] 朱乐恒.未来网络休眠方案研究[D].南京：南京邮电大学，2015.

[29] 苏俊基.未来网络休眠机制的研究[D].南京：南京邮电大学，2015.

[30] 王霄雨.未来网络的网络级节能技术[D].南京：南京邮电大学，2015.

[31] 张行功. HTTP-ICN信息中心网络探索和实践[EB/OL].(2015-12-17)[2015-12-17]. http://www.conference.cn/SDN/2015/download.asp.

(编辑：刘宝江)

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

彭荣群, 男，pengrq2006@126.com

1672-6197(2017)04-0038-04

TP

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