新一代互聯網體系結構(3)

陸 璇 龔向陽 程時端

[編者按] 互聯網目前面臨著各種問題和挑戰,其體系結構再次成為了網絡領域研究的熱點之一。本講座將分為3期介紹互聯網體系結構的研究現狀及未來的展望。第1期介紹了目前互聯網體系結構面臨的挑戰以及國內外的研究現狀。第2期介紹現有互聯網體系結構向新一代互聯網體系結構演進中的關鍵技術與解決方案,內容涉及新型路由尋址體系結構、端到端原則、網絡安全性與可信性等方面的研究。第3期將介紹以全新的革命性方式來解決當前互聯網體系結構缺陷的新一代互聯網體系結構,包括國內外的研究現狀和主要的解決方案,并對新一代互聯網體系結構的研究進行了展望和總結。

5 全新的互聯網體系結構

經過30多年的發展,互聯網已取得巨大的成功,成長為全球性的信息系統。但伴隨著互聯網的不斷普及、商業化、各種新技術的不斷涌現,它的缺陷也日益明顯的暴露出來。服務質量難以保證、網絡安全無法保障、網絡控制和管理的復雜度增加、多樣化的應用需求無法滿足等問題亟待解決。為了能夠從根源上找到解決問題的方法,世界各研究團體開始對互聯網體系結構進行重新審視。對于如何解決當前互聯網所面臨的問題與挑戰,研究和建設新一代互聯網體系結構,研究界目前存在著兩類方案:演進型和革命型方案。本講座的第二期已經對演進型的下一代互聯網體系結構方案作了介紹,本期將重點介紹革命型的下一代互聯網體系結構方案。

NewArch、GENI和FIND是美國較早啟動的針對未來網絡體系結構的研究計劃。NewArch自2000年啟動,通過對目前網絡及應用的需求分析,預測了未來網絡體系結構的需求,如服務自動生成、可測量性、分布式管理、安全與移動性等。同時,它還提出了未來網絡的設計原則,包括全局連通性、即時傳輸、子網異構性、通用傳輸服務、全局尋址、分布式控制、移動性的設計、資源分配原則等。GENI啟動自2005年,主要目標是設計全新的網絡核心架構(域名、尋址及安全架構)、增強的網絡功能(包括增強的安全可信和高可用性)和新的服務及應用。FIND是美國科學基金會(NSF)資助的一個大型長期研究計劃,始于2005年,旨在研究15年后的未來網絡,解決目前存在的缺陷并滿足未來的需求。FIND綜合考慮社會,經濟和政策方面的因素,力圖擺脫現有的技術束縛,探求全新的網絡架構。

歐盟于2006年相繼啟動了ANA、BIONETS、HAGGLE等項目。2007年啟動了ICT FP7,EFIPSANS為其中的項目之一。它們雖然從不同的研究視角出發,但研究目標都是分析未來互聯網的需求,設計適應未來互聯網發展的網絡體系結構。

綜上所述,美國、歐洲等世界各國都對全新的下一代互聯網體系結構的研究投入了大量的資金和人力。在這些全新的網絡體系結構設計中,網絡體系結構的自治性和跨層設計是主要研究方向之一。自治性是指網絡體系結構的設計應該使網絡具備自屬性(自管理、自保護、自優化、自組織等特性),較強的處理未知變化的能力(例如拓撲、負載、任務、網絡能訪問的物理及邏輯特征等),優化網絡資源的利用,減輕管理高度復雜且動態變化的網絡的負擔,同時更好地支持目前已有的以及未來將會出現的網絡技術和業務(各種聯網技術、移動性、為用戶提供無所不在的個性化服務等)。跨層設計是部分研究者對傳統的分層體系結構提出的挑戰。他們認為不透明的分層使得層間信息與功能訪問缺乏靈活性,限制了性能優化,應打破這種限制,允許不相鄰層間的交互甚至擯棄分層結構提出不分層的網絡體系結構設計方案。

5.1 自治網絡體系結構

自治系統(例如人類社會等),由自治元素(例如人類個體、家庭、公司等)組成。這些自治元素能夠實現動態的自組織并自適應不斷變化的環境。通過這些自治組件,系統可以利用局部環境交互實現無集中控制下的一致的全局性行為,從而達到整個系統的平衡狀態。自治網絡體系結構的靈感來源于此。由于自治系統的特征如非集中式的控制、適應不斷變化的環境、個體的自私性與整體利益的權衡等都與目前的互聯網相似,研究學者開始嘗試從自治的角度來解決目前的網絡問題。自治的引入能使網絡以一種可靠的方式管理自己并成功地提供服務,使網絡具備智能、認知、可靠、安全等特點。

自治網絡體系結構在管理方面的自治包括:自動運行——根據所在環境的上下文和狀態自動啟動并配置基本功能而無需人工干涉,自動控制內部資源和功能,無需人工干涉地預測任務所需的資源并使用這些資源;感知功能——清楚自身的組件、資源和能力、當前的上下文環境和狀態以及與所在環境中的其他系統之間的關系;適應功能——感知內外部環境的變化,并進行自適應的調整。

在聯網方面的自治則包括:節點級的自組織——節點通過和鄰居設備的局部交互自組織到網絡中的能力;自配置機制——節點能自動地建立關鍵的聯網功能,例如尋址和命名;網絡級的自組織——異構的網絡云能夠自組織到更大型的網絡中從而形成能夠全局可達的網絡聯盟;自保護——阻止業務中斷和受到攻擊;自恢復技術——網絡從突發事件中的恢復。

近幾年來,對自治網絡體系結構的研究已經成為了世界各國下一代互聯網研究計劃的重要內容之一。SAC是歐盟的信息社會技術(IST)下的子項目——未來和正在興起的技術(FET)的研究領域之一,其目標是促進具有適應性、自治控制、自組織、分布式的通信網絡系統的研究,從而使網絡演化為任務和認知驅動的、可完全擴展的、能夠適應多種動態上下文、面向業務的通信網絡。ANA、BIONETS、HAGGLE等都是SAC這一研究領域下的項目。圖7顯示了各項目之間的關系和各自的研究視角:ANA和HAGGLE是以全新網絡架構為研究方向,BIONETS則是以新業務驅動的網絡架構為研究方向。

5.2 ANA項目

ANA啟動于2006年,由歐盟IST FP6資助,參與者主要為歐洲和北美的大學和研究機構。ANA的目標是探索全新的網絡架構,設計一種自治的網絡,支持節點與網絡的靈活、動態、完全自治地互聯,能夠根據用戶需求動態適應和重配置。圖8為ANA的整體架構圖。圖中的上部為ANA節點的抽象結構,包括兩個終端節點和一個網絡節點。可以看出,與網絡節點相比,終端節點多了一些應用層上的功能,這些功能通過一個可擴展的應用編程接口(API)和翻譯機制與下層相聯系。下層網絡功能通過功能組合的方式來實現。圖中的橘色圓形區域可以看作是一個獨立的功能塊,多個功能塊之間相互協作完成特定的網絡功能(如路由、監控等)。圖中的下部為ANA的組網結構。圖中淡藍色的橢圓形區域可看作是ANA中的網絡組件,網絡組件可看作是使用相同通信機制(如尋址、路由等機制)的節點的集合,如目前的各類網絡(以太網、IPv6網、Ad Hoc網等)。ANA網絡可認為是包含了多個不同網絡組件的融合網絡。ANA分析了傳統網絡的缺陷,確定了自治網絡架構的需求,研究了ANA的框架結構、功能、機制等原則問題。以以太網交換和無線接入點為主要支撐基礎的第一個網絡原型已經于2008年6月發布,主要實現自治節點如何自組織到網絡中。在第一個網絡原型的基礎上,ANA計劃在2009年建立第二個網絡原型,此時的網絡將包括有線和多跳無線異構設備,主要目標是異構網絡的自動融合。

5.3 BIONETS和HAGGLE項目

BIONETS由歐盟IST FET資助,始于2006年,主要參與者包括諾基亞、意大利電信和瑞士巴塞爾大學等。BIONETS的目標是解決傳統通信目前面臨的異構性、擴展性和復雜性問題。啟動BIONETS項目的動機來源于普適計算和不斷普及的各種異構網絡,它們與生物有機體、生態系統和人類的經濟社會十分相似。BIONETS從這些系統中找尋靈感并提出了一種受生物學啟發的全新網絡框架。它能夠支持普適計算環境中的自治服務以及生物自我演化方式的自治服務。BIONETS提出了一種全新的兩層網絡架構,即用戶節點平面和小型節點平面,如圖9所示。“小型節點”是指便宜的小型設備如傳感器、射頻識別,它們有感應/識別能力,最小的通信能力,嚴格的能源限制,較低的計算能力。它們不需要互相通信,只給用戶節點收集數據。用戶節點是運行服務的設備,被用戶隨處攜帶,有計算/通信能力。這種兩層的網絡架構支持局部化自治的通信服務,無需集中控制,允許高層服務能夠自治、本能地進化從而適應周圍環境(類似自然選擇進行的生物體進化)。BIONETS通過一種自治的局部化的對等通信范例實現可擴展性并解決設備的異質性。這個新的范例打破了服務提供商和用戶之間的屏障,為迅速增長的自發性服務提供了機遇,為以服務為中心的信息與通信技術革命鋪平了道路。

HAGGLE是歐盟IST FET資助的關于自治通信的項目,研究周期為2006—2010年,主要參與者有Thomson Paris實驗室、劍橋大學、Uppsala大學等。HAGGLE是一個新的自治網絡架構,主要目標是解決傳統網絡架構存在的弊端,支持間歇性連接網絡環境,特別是缺乏端到端連接的環境中的自治通信——機會通信。HAGGLE希望支持的通信模式如圖10所示。

5.4 EFIPSANS項目

EFIPSANS項目的關鍵任務是提出一個通用的自治網絡體系結構(GANA)。由于目標是探索IPv6的新特性,EFIPSANS與此前介紹的項目不同,提出了一個演進型的(并非全新的)網絡體系結構。EFIPSANS參與者包括瑞典的愛立信公司、德國的弗勞恩霍夫Fokus研究所、愛爾蘭的沃特福德理工學院、波蘭的華沙工業大學、中國的北京郵電大學等。北京郵電大學主要承擔其中的服務質量、移動性管理和網絡生存性的研究。EFIPSANS的目標是在對IPv6進行研究和拓展的基礎上設計/構建自治網絡和服務。具體來說,EFIPSANS將對用戶行為、終端行為、業務移動性、e-移動性、上下文感知通信、自感知、自治通信/計算/聯網等進行研究并為自治行為給出詳細清晰的描述。EFIPSANA的研究內容涉及到網絡體系結構的各方面,包括當前異構網絡環境下的需求分析和自治行為的定義、基本聯網服務(路由、轉發等)、高級網絡服務和應用的支持(服務質量、移動性管理等)、自治網絡管理、自治的IPv6網絡和服務實驗、標準化和成果的發表。

目前EFIPSANS已經提出了GANA的設計,包括自治平面(A4D)、分級控制環(HCL)、決策元素(DE)、管理元素(ME)等。A4D結構如圖11所示。A4D是指將網絡功能分成4個平面:決策平面——負責管理根據網絡環境做出管理、配置等方面的決策;分發平面——負責各網絡元素之間控制信息的分發;發現平面——負責網絡元素對周圍外部環境和自己內部環境的發現;數據平面——負責用戶數據的傳輸。DE是組成決策平面的基本元素,負責某個網絡功能的決策部分,ME是被DE管理的元素,它接受來自DE的指示,根據這些指示來運行相應的實際操作。HCL規定了每個等級的自治控制過程,共分網絡級、節點級、功能級、協議級4個等級。圖12所示的是功能級的控制環,功能級的DE通過ME的反饋信息以及其他信息來源提供的上下文信息如監測信息等做出本功能的相關決策,并將這個決策以某種規則、策略或自治行為的形式下發給它所管理的ME,ME根據這些決策來采取相應的措施,并將反饋發回給上級DE。這一等級的控制環使得網絡功能例如,路由、轉發、移動性管理以及QoS管理等具有一定的自治屬性。每一等級的控制環流程類似,但由于控制環所屬等級和實現的功能不同,具體的DE、ME、需要收集的信息、具體的決策和采取的措施也存在差異。

5.5 總結與展望

目前,自治網絡體系結構的研究方案大致可分為兩類:一類方案是以設計一個適合未來各種新型網絡通信技術和業務的全新的通用的網絡體系結構為目標,如ANA體系結構的設計目標是適合未來網絡的,并不要求必須基于IP;另一類方案的目標是為某一個特定的環境/目標設計一個適合的自治網絡體系結構,例如為了在普適環境以及未來到處充斥著移動智能終端、傳感器等異構網絡設備的網絡中實現自治服務的BIONETS;HAGGLE設計的自治網絡體系結構則是為了實現在缺少端到端通信的基礎設施下,進行間歇性網絡連接的網絡通信;EFIPSANS是基于IPv6設計一個通用的自治網絡體系結構(GANA)。自治網絡體系結構的研究涉及的領域較廣,需要大量的人力、物力和時間的投入,所以有一些研究項目只關注其中的某一自治屬性的研究。例如,ANA側重在網絡的自適應性以及節點、網絡的自組織性方面。Apostolos Kousaridas等關注對自適應性的研究,指出未來通信系統運行在不可預知的環境中,必須具有適應不斷變化的復雜環境的能力,并提出了一個綜合了自治和自組織概念的體系結構框架從而實現支持可適應行為的未來通信系統。

跨層設計是互聯網體系結構的另一個重要的研究方向。傳統的分層體系結構簡化了網絡設計,給網絡實現提供了較大的自由度,但協議棧的每一層單獨運行,只有相鄰層可以通過接口交換有限的信息。這種嚴格的分層結構阻礙了網絡性能的最佳化(因為共享的層信息是性能優化的先決條件)。例如,無線環境下的數據包丟失——由于高比特錯誤率和移動引起的連接中斷,TCP誤認為是擁塞導致,調用擁塞控制機制,導致了網絡性能退化。如果鏈路層和傳輸層之間能夠跨層進行信息共享,這個問題就可以迎刃而解。所以研究人員在進行下一代互聯網體系結構設計的時候考慮引入跨層的思想。Razzaque等指出跨層體系結構是一個允許協議棧中兩個或多個不相鄰層之間進行交互并根據交換的信息來優化端到端性能的體系結構。他提出了知識平面——存儲各層的信息和網絡范圍的全局狀況,允許各層的訪問;并為每一層設計了一個上下文器,作為各層與知識平面之間的接口。當然,跨層設計也面臨挑戰,無約束的跨層交互會產生回路,同時從控制理論的觀點看,有可能導致系統的不穩定,所以多個協議層之間的互操作必須能夠協調從而避免沖突或回路。所以Razzaque也指出跨層體系結構的設計應遵循以下的原則:跨層的設計應考慮整體的優化目標;仍要保留層的概念,增強系統的穩定性,不可完全摒棄分層結構;跨層的層間交互必須可控的進行。

目前包括自治網絡體系結構、跨層體系結構等下一代互聯網體系結構的研究還處于初始階段,尚存很多問題有待解決。隨著研究的不斷深入,這些問題最終都將得到解決,下一代互聯網體系結構研究一定會在研究人員的不斷努力下產生豐碩的成果。

6 結束語

目前,互聯網正面臨著各種困難和挑戰,但同時也正是互聯網網絡體系結構更新需求逐漸明晰的重要時機。從對互聯網體系結構研究進展的分析來看,國內外的研究工作大多仍處于初始階段,尚存大量的理論與實現問題需要解決。中國作為一個互聯網用戶的大國,必須抓住這個歷史性的機遇,一方面跟蹤分析國際上的最新研究進展,另一方面立足自主創新,努力形成具有自主知識產權的技術成果;使中國在新型網絡體系結構研究領域與國際水平同步甚至領先,推動相關標準建立及技術進步,在從理論分析到應用基礎研究以至可用技術實現和驗證的各個環節,展開攻關,實現中國網絡技術領域技術實力的一次跳躍性發展,最終提升中國在信息領域的核心技術競爭力及影響力。(續完)

收稿日期:2009-05-22

陸璇,北京郵電大學計算機科學與技術學院在讀博士研究生,主要研究方向為互聯網體系結構、自治網絡。

龔向陽,北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室副教授,主要研究領域為新型互聯網體系結構、寬帶網絡技術與服務質量等。

程時端,北京郵電大學網絡與交換技術國家重點實驗室教授、博士生導師,主要研究領域為寬帶網絡、網絡性能與服務質量等。