面向物聯網服務的虛擬網絡關鍵技術

南京郵電大學 江蘇南郵物聯網科技園有限公司 南京 210003

引言

物聯網作為互聯網發展新的歷史階段的重要標志，其技術思想為“利用融合協同的泛在網絡技術實現泛在智慧服務”，也就是利用泛在的信息網絡技術滿足無所不在的物聯網智慧服務需求[1]。物聯網的發展要求未來網絡承載海量的、個性化、智慧化的服務[2]，而現有的網絡僅僅作為信息傳輸通道，服務需求與網絡功能分屬不同層面，無法進行協同與感知。隨著物聯網在各行各業的應用，用戶的服務需求也越來越復雜多樣，目前，網絡難以滿足物聯網智慧服務的要求,為促進物聯網進一步發展，迫切需要突破原有網絡設計局限[3]。網絡虛擬化技術利用軟件定義的思想，通過抽象、分配、隔離等機制，在一個或多個物理網絡上實現多個異構的虛擬網絡，根據物聯網服務對網絡資源的個性化需求定義不同的網絡拓撲，從而實現網絡資源的靈活配置與動態管理。網絡虛擬化技術不需要關心底層物理網絡，簡化了網絡管理，可有效提高網絡資源利用率，同時，支持網絡的異構性，是未來網絡發展的重要方向，也是解決物聯網大規模應用的一種強有力的技術手段[4]。

1 網絡虛擬化架構

現有網絡體系存在“靜態”和“僵化”等多種弊端，在靈活性方面，現有網絡體系的主要缺陷就是缺乏靈活性，極大地限制了網絡在接入、傳輸及應用等方面的擴展性及效率[5]；在一次通信過程中，網絡的各層功能都會被無條件執行，這就造成了通信效率的降低和網絡資源的浪費，同時，由于網絡控制與網絡傳輸模式的不匹配，導致數據訪問過度集中，缺少數據感知和調度，大大降低了網絡的靈活性。在移動性方面，網絡地址被賦予身份和位置雙重功能，導致不能很好地適應網絡的動態性[5]，在物聯網環境下，所有的物體均作為網絡終端，具有“可尋址、可通信、可控制、可感知”等特點，這就對終端的可移動性提出了新的要求。在智慧化方面，由于目前網絡只對數據進行傳輸，在一定程度上實現了網絡架構的簡單高效，卻缺少了對用戶提供高可用性和高性能服務的能力，更難以滿足物聯網智慧服務的要求。在網絡能耗方面，綠色網絡已作為未來網絡技術發展的重要研究方向受到普遍關注，由于網絡能耗牽涉到體系架構、底層通信協議設計等問題[6-10]，可以利用網絡虛擬化技術使路由器根據網絡負載情況實現部分模塊和接口休眠，從而實現網絡節能。

為了應對現有互聯網所面臨的問題，美國、日本、德國等國家先后啟動了未來網絡的研究計劃。國內外學術界對未來網絡的研究有兩種思路。一種思路是基于現有互聯網體系結構進行改進與擴展，另一種思路是重新設計一種全新的互聯網體系架構。主要計劃有：美國的NewArch項目[11]、GENI計劃[12]、FIND計劃[13]；歐洲的FIRE項目[14]、4WARD項目[15]；亞洲AsiaFI論壇[16]；日本的AKARI項目[17]等。我國目前比較有影響的有中國科學院劉韻潔院士的“面向服務的未來互聯網體系結構與機制研究”[18]以及北京交通大學張宏科教授主持的“智慧協同網絡理論基礎研究”[19]。麻省理工學院的NewArch項目提出了基于角色的網絡架構(Role-Based Architecture，RBA)。RBA是一種概念性的模型，是一種模塊化的架構。RBA把網絡中的一個或多個轉發或處理數據的功能模塊定義為角色，根據每次通信過程的需求，交換機等網絡設備定義自身扮演不同的角色以實現相應的通信功能，其提出的“微模塊化”和“虛擬化”的思路得到普遍認可。FIND技術提出了SILO架構，在該架構下，定義的“服務”都具有功能、接口等屬性，定義的“方法”是指為實現某種服務所使用的算法和機制，由一個叫“控制代理”的模塊進行控制和協調這些“服務”和“方法”。4WARD項目提出“面向服務的網絡架構“(Service-Oriented Architecture，SOA)，強調從網絡節點到網絡信息的轉變，而“虛擬化”技術是SOA的另一個研究重點。

中國科學院劉韻潔院士提出一種面向服務的互聯網體系結構(Service-Oriented Future Internet Architecture，SOFIA)，有效解決了網絡流量激增帶來的問題。在SOFIA架構下，網絡被看做服務池而不再是數據傳輸通道，同時，利用服務的遷徙等技術將網絡服務本地化，從而實現以服務為中心的未來互聯網體系結構層次模型及路由機制。張宏科教授主持的“智慧協同網絡理論基礎研究”項目提出了“三層兩域”的網絡體系架構模型，通過實時動態感知服務需求和網絡的運行狀態，然后根據服務對網絡資源的需求匹配合適的網絡組件族群，從而實現服務動態需求與網絡資源提供的動態適配，提高網絡利用率和服務效率。

從這些研究項目可以看出，支持構建多樣化的網絡和實現網絡可擴展性，提高網絡資源利用率和簡化網絡管理，支持異構網絡是這些項目的共同特點。網絡虛擬化技術可以共享底層網絡資源、允許網絡多樣化、可以構建多樣化網絡，已經成為構建未來互聯網結構的關鍵與重點，大量的相關研究項目和研究課題也已經啟動[20-24]。PlanetLab主要思想是節點資源的虛擬化，可以實現分布式網絡的重構，用戶可以根據業務需要自定義網絡[25]。GENI的設計思路是利用軟件定義的思想構建一個融合的、虛擬化的、可編程的新型網絡，這種網絡中的每個組件都是可編程的，這種設計模式可以支持多種服務和多用戶，從而為研究人員提供很大的靈活性。4WARD框架的基本思想是通過網絡虛擬化技術實現多個網絡架構在一個通用平臺的的共存，實現了在網絡層和傳輸層共存多個網絡。OpenFlow[26]的目標是在現有網絡基礎上構建出新型網絡協議實驗環境，允許多個網絡實驗在不同的虛擬網絡上同時進行。從這些項目可以看出，網絡虛擬化技術在支持新型網絡架構和智能服務等方面具有很大的優勢，能夠有效提高資源利用率并降低網絡管理成本。

所以，網絡虛擬化技術可以有效解決現有網絡體系架構“靜態”、“僵化”等問題，通過對網絡資源的抽象、分配、隔離技術，實現對網絡資源的高效利用，大大簡化網絡管理，支持智能化的網絡服務；因此，網絡虛擬化技術作為解決物聯網大規模應用的一種解決方案值得深入研究。國際電聯提出了網絡虛擬化模型參考[ITU-T Y.3011]Framework of network virtulization for future[21]，該模型將網絡虛擬化環境劃分為物理網絡(Physical Network)、虛擬資源(Virtual Resource)和虛擬網絡(Virtual Network)。如圖1所示。

圖1 網絡虛擬化的體系架構[21]

根據圖1所示的網絡虛擬化體系架構可知，網絡虛擬化模型中的角色包括基礎設施提供商(Infrastructure Provider，InP)、服務提供商(Service Provider，SP)、終端用戶(End User，EU)。InP主要負責管理底層一個或多個異構物理網絡，并通過各種網絡接口(API)向不同的虛擬子網提供底層物理網絡資源，同時，可以根據不通的服務需求租用不同InPs的資源來建立虛擬子網。SP負責從單個或多個InP那里租用底層網絡資源來創建需要的虛擬網絡，并部署自己的服務，以提供給終端用戶使用。在網絡虛擬化模型中, 由于網絡服務的范圍和種類更加廣泛，終端用戶除了享用現有網絡環境提供的服務，同時，能夠通過一定的規則獲取更多更好的服務。

2 物聯網服務模型

物聯網服務是指用戶在異構網絡環境下獲取基于信息感知、信息分析處理和基于軟件定義的智慧化服務過程。面向物聯網服務的本質是以服務為中心，對具有某一特性的服務模塊進行封裝和聚集，并根據一定的邏輯關系對這些服務模塊進行協同和組合，以取得服務效益最大化。物聯網服務模型將服務過程分為服務組合、資源協商和網絡選擇，系統根據用戶需求自動對服務進行查找和組合，并提供服務與服務、服務與內容的互相理解與協同機制，需要解決海量、差異化的服務的組合及多服務的協同問題，并解決服務與網絡之間相互感知與協同，使服務與網絡對資源有了統一的標識與理解。

綜合分析物聯網服務的各個層次中服務標識方式，建立異構網絡環境下的物聯網語義化描述模型，為詳細描述物聯網相關服務，將物聯網服務分成服務注冊、服務發現、服務描述和服務執行四個階段進行服務的語義化描述。該模型以物聯網服務全過程(如圖2所示)為主線，重點分析服務注冊、服務發現、服務描述和服務執行等過程。通過物聯網服務的語義化描述模型的構建，能夠實現物聯網服務的可追溯性與物聯網服務對網絡資源的需求映射。

圖2 物聯網服務的語義化描述

為實現物聯網服務與網絡資源的協同，需要對物聯網服務進行統一命名，服務標識Sid的定義如下：

上式中，Stype代表服務的類型，Sdata代表服務內容本身，Ф()代表服務標識生成函數。

為對物聯網服務行為進行表征，可引入服務行為描述SBD的概念，服務行為描述是在對服務命名的基礎上對服務進一步描述，包括拓撲、性能、功能等多種描述，其定義如下形式：

上式中，T對應著拓撲行為，拓撲信息包括服務位置和緩存位置等；P對應著性能行為，性能信息包括質量要求帶寬要求延時要求丟包要求和最佳通信方式等；F對應著功能行為，功能信息包括服務類型版本號信譽屬性和提供者簽名

物聯網服務的語義化描述和服務過程描述方法就是描述具體的物聯網業務與網絡資源所承擔的功能之間的對應關系，保證物聯網服務需求與網絡資源的對應與執行。要反映網絡中服務于資源的映射關系，就要設計網絡通用的映射模型來映射服務、需求和資源之間的關系，如圖3所示。

圖3 物聯網服務需求與網絡資源映射模型

3 網絡資源表示模型

如圖4所示，網絡虛擬化環境下的資源管理模型可根據用戶需求對服務進行查詢、定位、組合和執行，針對服務需求與底層物理資源狀態選擇服務方案和網絡資源，將服務信息與網絡資源進行協同，建立高效的資源管理機制。該架構中，底層物理網絡包括3G網、Internet、Wi-Fi等，虛擬服務是透明的。虛擬網絡管理負責接收所有虛擬網絡請求，并將虛擬子網請求發送給映射管理服務器，同時，根據請求信息將虛擬網絡劃分為若干虛擬子網，虛擬資源映射管理根據適當的算法策略高效合理地對虛擬子網進行資源分配。

圖4 虛擬網絡資源管理架構

面向物聯網服務的虛擬網絡管理模型由虛擬網絡管理模塊、虛擬物理資源管理模塊、虛擬資源映射管理模塊組成。虛擬物理資源管理模塊負責對各種物理網絡資源的調度和管理。虛擬資源映射管理模塊負責將用戶構建虛擬網絡請求(包括拓撲和資源)合理地映射到底層物理網絡資源上。虛擬網絡管理模塊執行物聯網服務的接入控制，接受物聯網業務的虛擬網絡請求，為用戶執行資源調度，負責為不同的物聯網服務調度組建不同的虛擬網絡。資源優化管理算法通過實時對物聯網服務的感知和底層物理網絡資源的監測來協同資源在各虛擬子網的動態分配。

物理網絡資源包括網絡的拓撲結構、物理節點計算資源、存儲資源、位置、物理鏈路帶寬、端口類型、時延等，定義如下：

虛擬網絡構建的需求VNreq可定義如下：

其中：Nv(i)和Nv(j)為虛節點；Cv(i)為虛節點Nv(i)的計算資源需求。bv(i,j)為Nv(i)與Nv(j)間虛鏈路Ev(i,j)的帶寬需求；m為虛節點數；delay為映射到物理網絡路徑上的時延限制；port為端口類型；QoS所需QoS參數；life為虛擬網絡運行的生存周期。

4 網絡資源管理模型

虛擬網絡環境下資源管理的目標是向虛擬網絡用戶提供滿足要求的資源整合，并允許用戶對自己的資源進行配置管理操作，與底層物理網絡不斷溝通以掌握底層資源信息，從而實現虛擬網絡對底層物理網絡資源的使用與調度[27-31]。面向物聯網服務的網絡資源管理模型以物聯網服務需求為導向，以網絡虛擬化技術為基礎，設計高效的網絡資源部署機制和動態的資源供給方法，以實現網絡的自動化管理和用戶體驗，從而提高網絡效率[32]。網絡虛擬化環境下面向物聯網服務的資源管理模型如圖5所示。

圖5 虛擬網絡資源管理功能關系圖

網絡資源管理包括虛擬物理資源管理、虛擬網絡管理和虛擬資源映射管理[33]。虛擬物理資源管理模塊從底層物理網絡租用網絡資源，從而形成虛擬資源池(包括虛擬節點和鏈路)，提供給虛擬網絡管理模塊，包括對網絡中分布式資源的感知與發現，并進行統一描述，實現對虛擬資源的統一管理；虛擬資源映射管理根據服務的需求信息映射為網絡需求，并協調底層物理網絡資源，為虛擬網絡進行資源動態分配，優化資源配置；虛擬網絡管理模塊根據物聯網服務對網絡的需求，建立和管理虛擬子網，包括對虛擬網絡請求的接入控制，根據對服務的感知掌握虛擬網絡對物理資源的需求，為資源動態優化管理提供依據[34-44]。

在面向物聯網服務的虛擬網絡資源管理模型中，虛擬網絡資源映射管理是網絡虛擬化技術的核心，通過對虛擬網絡環境下資源的映射管理，使網絡在靈活性和智慧化等方面滿足物聯網服務的需求。如圖6所示，虛擬資源映射管理根據資源池中信息與虛擬網絡需求進行映射規劃，如果能夠滿足虛擬網絡需求則映射成功；然后，根據物聯網服務的特點構建虛擬網絡，映射管理模塊按照映射方案選定的資源進行資源綁定完成虛擬網路的實例化[45-47]。

圖6 虛擬網絡資源映射管理

根據資源的供需情況及多個虛擬網絡共享資源的特點來對資源進行合理的再分配，以保持虛擬網絡實時運行需求和虛擬物理資源的動態分配之間的供需平衡，同時優化網絡資源在各虛擬網絡間的配置。虛擬物理資源管理包括對網絡中分布式資源的感知與發展，并進行統一描述，實現對虛擬資源的統一管理[48]。

5 面向物聯網服務的虛擬網絡體系架構

在物聯網的體系架構方面，南京郵電大學提出了物聯網的3S體系結構，其核心思想是建立一個稱之為“智慧服務系統”(3S：Smart Service System)的共享融合平臺，對所有用戶需求的各類業務進行公共經營，提供智慧化服務。如圖7所示，結構主要包括五個部分。

1) 異構終端平臺，對各種異構終端進行發現、注冊和認證。

2) 網絡傳輸層。將異構終端虛擬平臺所采集的底層信息資源組織起來，為上層結構提供綜合的、虛擬的、組織良好的信息基礎結構。

3) 控制層。以用戶為中心、業務為驅動，通過虛擬終端的成員設備的替換或異構網絡的成員網絡的切換、業務數據或業務組件的調整構成了軟件定義可重構網絡。

4) 數據處理層。獲取和組織各種開放的信息，采取分類和適配，按照實際需求對信息進行整合，為各種應用服務提供信息基礎。

5) 業務應用層。直接面向物聯網用戶，利用綜合信息虛擬平臺整合的信息，為用戶提供各種信息和服務。

面向物聯網服務的虛擬網絡體系架構本質是網絡資源共享，根據物聯網服務的需求，采用分層管理策略，對物理網絡中異構分布動態資源進行有效的管理。這種分層的資源管理與控制機制設計有利于保證虛擬網請求的實時性處理，實現了虛擬網絡資源的高效管理。該網絡模型還包含管理支撐系統和安全保障體系等，構建了融合和開放的服務環境，為服務的使用者提供安全、便捷、無所不在的智慧化服務，滿足不同客戶個性化、差異化的要求。3S體系結構中的任意終端用戶都能以統一的身份認證通過統一的門戶進入智慧服務系統，去利用網絡中所有的資源，享受智慧化的服務，該體系架構實現統一服務平臺、統一接入門戶、統一終端身份，從而實現資源的融合和服務的共享。

圖7 面向物聯網服務的3S虛擬網絡體系架構

6 結束語

綜上所述，學術界和產業界已經開展虛擬網絡資源管理架構、虛擬網絡映射、資源分配等方面的研究，但是由于物聯網產業化應用進程中與用戶相關服務需求的隨機動態、復雜多變、主觀行為、社會化與個性化的特點，對用戶側網絡的體系結構、組網方式和資源分配提出更高要求，本論文針對物聯網服務的特點與對網絡資源的需求，首先研究物聯網服務的語義化描述方法，進而探討網絡虛擬化環境下的資源表示模型和資源管理模型，重點研究與用戶服務行為相適配的網絡資源優化設計算法、以及物聯網用戶服務環境中基于資源優化的虛擬網絡映射算法，最后建立一種面向物聯網服務的3S虛擬網絡模型，以實現物聯網環境下用戶側網絡的資源分配最優化，為解決物聯網大規模應用提供一種解決方案。

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