基于平行系統理論的平行網絡架構

王飛躍 楊堅 韓雙雙 楊柳青 程翔

互聯網自其誕生到現在已發展了幾十年,隨著用戶數量的激增、新型網絡業務的發展以及網絡規模的不斷擴大,原有網絡架構已經無法適應當前網絡的需求以及未來網絡發展的需要.以基站為例,在實際應用中,基站的平均負載以及實際功耗都大大低于忙時狀態,這使得頻率資源利用率和基站能效都很低,基站提供的服務已越發難以滿足新業務的需求.為了滿足日益增長的用戶需求,目前一般都采用擴建基站的方式解決這一問題,而數量巨大的基站意味著高額的建設投資、站址配套、站址租賃以及維護費用,建設更多的基站意味著更多的資本開支和運營開支,限制了實際發展.同時,運營商各個工作平臺互不兼容也將導致在網絡擴容或升級方面的困難.

當前網絡架構中,數據正在從單薄到豐富,使用要求從靜態變為動態,連接從固定轉向移動,這些變化都反映了新型網絡結構的必要性.與此同時,對廉價成本及按需交付新服務的期望等新型服務需求更加推動了新的網絡架構的發展.

互聯網對于加快國民經濟發展、推動科學技術進步和加速社會服務信息化進程的不可替代作用,引起了我國政府的高度重視.在“十三五”信息規劃中,網絡安全、智慧城市和云計算等新一代信息技術是重要組成部分,它們將大力支撐政府公共服務能力升、網絡空間凈化、產業轉型升級和新型城化建設,強化網絡安全,推進我國由網絡大國向網絡強國邁向堅實的步伐.

網絡世界的每一次重大改變都需要大量時間,雖然大眾對于標準和新技術的接受能力在提高,但是新技術的普及仍需要花費超過十年時間.隨著企業及部門在發展過程中需要不斷縮減預算,以及員工需要自動化的IT基礎設施來簡化操作流程的需求,這些都促使當前網絡世界的聲音主要集中在如何從傳統以太網向SDN與NFV的新架構遷移.這兩種關鍵技術是網絡軟件化(或IT化)的兩個基本組成部分.

SDN源自Nick McKeown教授及其學生Martin Casado等研究人員提出的Ethane結構和OpenFlow模型[1?2],通過把網絡數據面和控制面分離,從而開放了網絡的編程能力,并使網絡的資源甚至結構重構成為可能,因此,Ethane[3?4]被認為是SDN技術[5]的起源.2009年,經MIT《技術評論》命名為SDN,并迅速風靡世界,流行于網絡、信息甚至許多其他與科技無關的領域[6?8],成為信息通信領域的熱議對象,對下一代網絡的發展有著重要的影響.NFV是指能夠動態地進行部署或者將具有處理能力的基礎設施移動到不同位置(分布到網絡終端或者移動到云端)的技術.這里的虛擬化可以理解成一種分層的思想,虛擬化的技術就是在原有的硬件-操作系統-用戶層次中,增添了虛擬機這一層,變成了硬件-虛擬機-操作系統-用戶,用虛擬機來管理硬件資源,增加了動態調整硬件資源的含義.將網絡資源虛擬化,隱藏物理結構的復雜性,統一地進行邏輯層的管理控制,從而滿足多變的網絡需求.

在討論網絡未來形態的過程中,絕大多數廠商都將重點放在SDN上.相對于SDN,NFV提供了應用與物理層間的虛擬化層,虛擬機軟件(VMware)及動態遷移技術允許創建的虛擬機池可以動態部署和遷移.與此同時,網絡虛擬化實現了在多種虛擬機管理平臺間保持這種靈活度,從而可以將任何虛擬機遷移至任何地方.NFV這種特性將對傳統網絡廠商帶來巨大沖擊,這不僅僅是技術將脫離硬件,而且更能夠充分利用新的物理架構(如刀片服務器集群一樣).NFV在某種程度上,是對SDN的一種互補,如:軟件與硬件解耦,重新定義物理與虛擬以及網絡自動化(操作靈活化).

綜上所述,網絡軟件化成為網絡發展的必然趨勢.同樣,為什么需要平行網絡系統(該理念在文獻[9]中首次提出)？首先是時代的需求,因為現實的各類網絡系統變得越來越復雜,相應的工程復雜性或社會復雜性越來越高,而且工程復雜性與社會復雜性之間的交互程度也越來越強.另外,現有網絡系統是一個巨型復雜系統,它橫跨多個學科領域,具有難管理、易變化、難預測等特性.基于現實條件以及成本開支考慮,網絡實驗的可行性、可重復性和科學性很難保證.因而要通過對網絡預先進行較為全面而準確的評估和修正來改善和提高網絡性能基本無法實現.隨著技術的發展和用戶需求的提升,網絡變得更加復雜和重要,因此,如何全面、準確、實時地評估、改善、提高網絡性能是當前網絡研究的重要任務之一.因此,將平行系統理論引入到當前網絡系統,并研究其相關理論和技術,進一步完善網絡管理、控制、調度及分配,優化網絡整體性能.

1 平行系統及網絡現狀

1.1 平行系統

平行系統是指由某一個自然的現實系統和對應的一個或多個虛擬或理想的人工系統所組成的共同系統[10?12].目前,數學建模、計算機實驗等方法都是以離線、靜態、輔助的形式應用于現實系統的管理與控制.然而,對于復雜系統的研究,多數情況下既沒有系統的足夠精確的模型,也不能建立可以解析地預測系統短期行為的模型[13].當前,要實現對復雜系統的分析和預測基本難以實現,現實條件和成本因素也限制了復雜系統的實驗研究,因此,大多數情況下只能對復雜系統進行試探性的研究和分析,進而對其進行決策和控制.然而,隨著科技的發展和社會的進步,復雜系統變得更加龐大和復雜,繼續采用這種管理和控制方式所取得效果越來越低.基于此,必須設法挖掘平行系統中人工網絡的潛力,使其角色從被動到主動,靜態到動態,離線到在線,以至最后由從屬地位提高到相等的地位,使人工系統在實際復雜系統的管理與控制中充分發揮作用[14].

圖1為平行系統的基本框架,主要包括實際系統和人工系統.通過二者的相互作用,完成對實際系統的管理與控制、對相關行為和決策的實驗與評估、對有關人員進行系統的學習與培訓等.平行系統的主要目的是通過實際系統與人工系統的相互連接,對二者之間的行為進行對比與分析,完成對各自未來狀況的“借鑒”與“評估”,相應地調節各自的管理與控制方式,達到實施有效解決方案以及學習和培訓的目的[11,15?16].

1.2 網絡現狀與需求

用戶對于通信帶寬的需求永無止境[17?20].首先,上網流量增長巨大；其次,連接用戶數大幅提升；三是多樣化的應用和服務要求,即傳輸速率的提升將會衍生各種應用:如網上金融、遠程教學、移動醫療、智能交通等基本業務將更加移動化；同時,物聯網的發展亦會帶來人機混合通信業務量的增加；另一個挑戰則是繼續擴大的城市化.上述趨勢讓我們看到百億設備連接、史無前例的多樣化的需求和應用場景.這些無疑都會帶來無線業務網絡連接和數據處理能力的激增,需要更為有效、舒適、安全地接入和共享信息機制,而這些需要通過提高無線通信的容量、能效和頻譜效率來獲得,同時兼顧低成本和可持續的發展模式.

圖1 平行系統的基本框架

未來的無線網絡需要為用戶提供高質量低價格的網絡服務.為此網絡運營商需要從以下幾個方面著手:降低資本消耗,包括減少硬件設備開支（如基站建設）和網絡運營開支（如場地租賃、電費等）；提高網絡資源利用率,增加用戶帶寬；網絡操作平臺能夠支持更多標準和協議,整合現有網絡資源,為用戶提供更加友好的網絡接入服務.中國移動提出的云無線接入網（C-RAN）在一定程度上可以達到上述要求.C-RAN主要由基帶處理單元池和遠端射頻單元兩部分組成,由于兩者之間交換數據量較大,通常采用光纖通信.基帶處理單元池通過對多個基站處理單元虛擬化,可以實現資源共享與協作.與傳統網絡相比,C-RAN在相同大小小區內可以降低網絡運營成本,減少能源消耗,提高網絡資源利用率.遠端射頻單元只負責基本的模/數、數/模轉換等功能,其核心服務基本都在基帶處理單元池中,通過基帶處理單元池可以實現遠端射頻單元的協同合作,提升系統頻譜效率.C-RAN架構的特點能夠解決當前網絡運營商所面臨的問題,因此越來越受到重視.

近年來,“云”已經成為網絡與分布式系統發展的趨勢,然而,隨著網絡用戶數的不斷增大,網絡終端設備種類的日益增多,終端設備的處理能力越來越強,“云”的概念正在逐漸擴散到終端用戶設備,例如移動終端,即“霧”網的概念.

綜上所述,如何充分挖掘“云”網和“霧”網各自的優勢成為未來網絡發展面臨的必然問題.在功能方面,網絡設計必須滿足靈活、高效、支持多種服務為目標；在技術方面,軟件定義網絡、虛擬計算等成為可能的基礎技術,核心網與接入網融合、移動性管理、策略管理、網絡功能重組等成為進一步研究的關鍵問題.因此,平行網絡在這樣的網絡需求背景下應運而生.

2 平行網絡

2.1 基本架構

平行網絡主要由人工網絡,計算實驗和平行執行3部分組成,其核心是整網協調.如圖2所示,通過一個集中式的控制器,提供開放式的控制接口,實現可編程的智能管控平臺,管理員可以根據具體情況和需求重新定義各種網絡控制策略,并將這些控制策略應用于網絡,進而實現對全網的控制.考慮通過平行系統理論對網絡資源進行計算實驗與分析,從而更有效地調配傳輸帶寬等網絡資源,提高資源的有效管理和利用,從而提供一種新的網絡解決方案,有效地解決不斷變化的網絡需求；針對網絡的性能、可擴展性、安全性,提供潛在的解決方案.

人工網絡作為計算實驗的基礎,把認知網絡對物理資源的優化和智能網絡對人之需求的動態響應結合起來,使實際網絡與人工網絡平行互動,形成大反饋,最終形成平行網絡理論.

實際網絡系統的狀態參數將被實時傳遞到人工網絡,人工網絡對這些實時數據進行分析和預測,從而得到各類決策和指導方案,并將這些方案反饋到實際系統.實際系統根據這些反饋方案運行,其產生的各項運行數據將再次反饋到人工網絡,并分析當前實際網絡運行狀態,對控制方案進行再優化.通過這樣往復且科學、系統的方法得到效果評價指標,最終確定優化、控制和資源調度方案.

1)人工系統實現了解耦與開放的功能,把底層的硬件封裝起來,留下軟件接口,既保護了底層,又方便后續從高層操作.即將物理系統中模型的屬性抽象出來,構建人工模型,從而在對人工模型的控制過程中,無需再考慮整體物理模型之間高度耦合關系和不確定的相互作用.平行網絡相當于把底層硬件通過軟件平臺整合起來,形成一個與底層硬件相對獨立的軟件可控制的系統,無需在整體控制和優化中針對底層硬件部署.

2)在人工網絡的基礎上,利用人工網絡提供的抽象的控制接口模型,進行計算實驗,實現了集中控制、整體優化和決策的功能.參考模型自適應控制方法是基于人工模型提供的軟件接口,針對人工模型反饋的參數進行計算和優化,從而無需考慮物理實現的具體控制手段.所得反饋參數也是對物理系統進行屬性封裝之后獲得,無需考慮物理層具體的數據采集方法.相當于使用已得到的軟件接口,對網絡整體進行規劃操作和編程實現.

圖2 平行網絡架構圖

3)在“不斷探索和改善”的原則下,結合從定性到定量的綜合集成思想和分布并行的高性能計算技術,利用人工系統、計算實驗、平行執行等理論和方法,建立平行網絡系統控制與管理的理論和方法體系.從而通過實際網絡系統與人工網絡系統的交互過程,提供網絡管理、控制、調度、資源分配等措施,使網絡系統迅速達到最優化.

2.2 人工網絡

2.2.1 人工網絡系統架構

人工網絡架構,基于軟件定義網絡的思想,采用轉發與控制分離、控制邏輯集中和網絡能力開放的方式.

1)控制與轉發分離:轉發平面僅執行基本的數據收發,而具體的數據收發方式、數據處理方法、業務方面的控制則由控制平面執行.

2)控制平面與轉發平面之間的開放接口:這些接口便于控制平面的功能擴展,控制平面中的各項應用不需要考慮過多底層的技術,僅需要考慮自身的邏輯實現,提高了其擴展性.

3)邏輯上的集中控制:控制平面可以在邏輯上管理和控制多個轉發平面,從而實現對全網的控制,進而可以對網絡運行狀態進行實時分析和觀察,實現對網絡的優化控制.

把底層硬件通過軟件平臺整合起來,形成一個與底層硬件相對獨立的軟件可控制的系統,無需在整體控制和優化中針對底層硬件部署.

如圖3所示,人工網絡的典型架構可以分為3層,分別是應用層、控制層和基礎設施層.應用層主要包括各項網絡業務和應用,如郵件、視頻、語音等.中間的控制層用于實現對整個網絡資源的管理和控制,保證網絡的正常高效運行.最底層的基礎設施層主要負責數據的轉發和狀態收集.控制層采用開放式的控制架構,它能夠為上層應用層和下層的基礎設施層提供統一的管理和控制接口,從而實現各層之間邏輯上的分離.控制層采用接口實現層與層之間的聯系,通過各種接口為上層提供應用資源,對下層資源進行統一管理,使得網絡擴展和業務開發更加便利.

圖3 人工網絡架構

2.2.2 人工網絡建模方法

1)基于代理agent的方法

代理的主要特征是自主性、社交能力、學習與進化自適應能力,以及移動能力等.利用代理方法描述分析人工網絡系統可以分為3個部分,即代理本身、代理的環境和社交規則.代理可以是人工網絡系統中的各種網絡設備或網絡用戶,它們具有不同的功能,能夠提供不同的服務,并且這些功能和服務會隨著時間和網絡環境的改變而改變.代理的環境是各種代理們賴以生存和活動的空間,是它們的“生命”舞臺,既可以是現實網絡和社會環境的反映,也可以是虛擬的數學或計算過程.代理環境從自然環境來說可以是網絡的地理位置、氣候環境等因素,從社會環境來說可以是人類的社會活動,當地的法律、法規、風俗習慣等.在實際中,考慮哪些因素主要由這些因素是否會對網絡行為造成影響確定.代理的社交規則是指代理本身、場所本身、代理之間、場所之間、代理與場所之間的準則和步驟,從簡單的數據發送與接收的協議到復雜的大型網絡系統管理方法、性能優化算法等等.

2)基于功能擴展的網絡仿真器方法

在當前網絡研究過程中,由于實驗條件的限制,通常采用軟件平臺搭建一個網絡系統環境,然后在該系統環境下對各個研究成果進行實驗驗證.以當前比較熱門的SDN研究為例,由于SDN是針對一個大型完整的網絡研究,因此,提供實際硬件環境對SDN進行研究比較困難.而Mininet的出現則解決了這一問題,它能夠快速建立一個大型的虛擬網絡系統,研究者可以在Mininet的基礎上安裝合適的控制器,如NOX/POX,Trema,Ryu,Floodlight等就可以在該環境下進行各項技術的研發、驗證,同時所有代碼幾乎可以無縫遷移到真實網絡.

對于人工網絡系統的建模與搭建,首先使用仿真軟件建立人工網絡模型(Mininet和Floodlight可以建立一個虛擬網,并實現對拓撲管理、設備管理、路徑計算、Web訪問和管理等的控制),然后通過對網絡仿真器增加模塊、擴展功能(如功耗管理,接口管理,資源分配等),完善人工網絡系統模型,之后在增強后的網絡仿真器建立的人工網絡中,增加與之對應實際網絡中特殊變量、模型(如針對該網絡區域所處位置干擾較強增加干擾參數,針對不同時間段流量變化建立流量變動模型等),從而逼近實際網絡,實現對人工網絡模型的搭建.

在人工網絡模型建立過程中,首先根據實際網絡情況以及網絡環境,確定網絡參數(節點位置、接口類型、功率大小等)及環境參數(涉及當地法律法規、人為因素、自然環境因素等),使人工網絡盡可能地逼近實際網絡.在此基礎之上,將網絡功能模塊化,各個模塊具備實際網絡的某一項或幾項功能,模塊之間除了部分參數相關聯之外,其余部分都保持獨立,這樣不僅讓人工網絡逼近實際網絡,而且其模塊化的特點也利于網絡的擴展和管理.觀察模塊用于觀察人工網絡的運行狀況,包括功率、流量、路由等,這些參數可以用圖形化界面或數字顯示,同時存儲在日志表中,為對比、觀察、分析和優化網絡性能提供實驗數據.

2.2.3 計算實驗

計算實驗是通過對人工網絡進行各種“實驗”,對網絡行為進行分析和預測,從而指導實際網絡運行.因此,一個科學而完善的計算實驗設計至關重要.

計算實驗特點主要有:針對不同對象進行多種預測/推測、在線/平行執行、針對多重世界、構成復雜多元、自底向上涌現生成的計算實驗方法等.

一般來說,計算實驗用于研究系統或過程的性能.這些系統或過程是由代理、物、方法以及其他源構成,給系統或過程一個輸入,就會得到相應的輸出結果.在計算實驗中,系統自身的變量以及其他因素有些是可控的,有些是不可控的.計算實驗需要確定哪些參數對系統的響應最有影響；如何設置有影響的因素以使系統的響應總是接近希望的水平,使系統的響應變異性較小,以及使不可控因素的作用最小等.

平行網絡中的計算實驗是指優化計算實驗,即快速、高效地確定影響實驗結果的最優實驗條件.優化實驗的內容十分豐富,可以分為以下幾種類型:1)按計算實驗因素數目的不同可以分為單因素優化計算實驗、多因素優化計算實驗.單因素優化計算實驗可以采用包括均分法、黃金分割法、對分法、斐波那契法等統稱為優選法的多種方法；對于多因素優化計算實驗,首先需要確定計算實驗因素數目、取值范圍,并盡可能使這些因素可計量,然后采用諸如正交實驗設計、均勻設計等方法對實驗進行設計.2)按計算實驗目的的不同可以分為指標水平優化和穩健型優化計算實驗.指標水平優化以實驗指標最優為目的,穩健型優化以減少實驗指標的波動為目的.3)按計算實驗過程的不同可以分為序貫計算實驗設計和整體計算實驗設計.序貫計算實驗是從一個起始點出發,根據前面的實驗結果決定后面的實驗位置,使實驗指標不斷優化,比如0.618法、二分法等.整體計算實驗要求實驗點能均勻地分布在全部可能的實驗點中,依據實驗結果確定最優實驗條件,比如正交設計法和均勻設計法等.

2.2.4 平行執行

通過實際網絡,修正人工網絡系統的模型,使其成為實際網絡的“備用”網絡.只有當人工網絡足夠精確逼近實際網絡時,通過對人工網絡進行各種統計計算實驗,來相應調整實際網絡系統的管理與控制策略,才具有實際意義.因此,實施真正意義上的平行執行需要滿足平行執行條件,包括:1)人工網絡模型精度滿足逼近的要求；2)人工系統的實時性需要得到有效滿足.

圖4 平行執行框圖

通過平行執行,實際網絡能夠在資源有限的情況下保證業務的QoS,并為用戶終端提供更加優質的服務.在小區中,用戶的移動性導致話務量分布不均勻,再加上信道容易受到環境的干擾而起伏變化,使得當前的資源管理和分配技術很難滿足實際需求.平行執行能夠實時反饋實際網絡狀態給人工網絡,在修正后的人工網絡上動態調整和靈活分配網絡中的可用資源,提高網絡頻率資源利用率,保證用戶的業務需求,提升實際網絡運行效率.

如圖4所示,通過平行執行,修正實際網絡系統狀態,從而調整優化網絡資源管理(功率控制、信道分配、調度、切換、接入控制、負載控制、端到端的QoS和自適應編碼調制等),達到優化網絡性能的目的.

3 平行網絡應用

網絡架構的設計需要綜合考慮計算資源、建造成本以及改進性能3個方面.在平行網絡設計中,首要考慮的有兩點:一是網絡的架構是采用集中式設計還是分布式設計,二是網絡的控制集中到何種程度或采用何種方式分布.開展面向未來網絡系統的服務需求、技術需求、頻譜需求、用戶體驗以及無線業務特征和商業發展模式的研究,將有助于從宏觀上把握技術應用的動向和對整個系統各個層面的需求,從而最終設計出符合未來發展要求的網絡系統,按需實現網絡架構的靈活構建和功能配置.

平行網絡中心控制的特點使得網絡控制中心可以觀測和分析網絡全局運行狀態,實現全網優化,并提供網絡擴展部署、安全保障、性能分析和檢測等手段；同時,平行網絡的控制器可以分布在網絡的不同層級,并且控制器之間相互協作,從而實現網絡不同層級之間的協作和優化.

圖5 平行網絡應用

平行網絡能力開放化的特點,使得網絡能力虛擬化、服務化,網絡不再是設備供應商,而轉變為服務供應商,平行網絡的應用范圍得到了進一步的拓展.通過實際網絡系統與人工網絡系統的交互運行和過程演繹,能以最短的時間得到最佳的優化方案.平行網絡的思想可用于任何現有網絡及下一代網絡中,從而更有效地優化網絡運行狀態,滿足不同用戶的網絡需求.

如圖5所示,對于網絡本身,平行網絡具有接入控制與承載分離,接入集中控制與管理,無線網絡虛擬化,可編程和靈活性等特點.除此之外,作為一種新型網絡架構,其提供的優質網絡服務對于云計算、大數據、智慧城市等技術和項目的發展也具有促進和支撐作用.

4 總結和展望

本文通過對網絡現狀的研究分析及對當前網絡技術的調研,結合平行系統理論,提出了新一代網絡架構—平行網絡.平行網絡主要由人工網絡、計算實驗和平行執行3部分組成.通過人工網絡與實際網絡的平行互動,平行網絡可以實現對網絡設備的自動化配置和對網絡流量及網絡資源進行實時操控與調度,提高網絡運行性能.

目前平行網絡架構的研究還處于初始階段,其理論與應用還有待完備的算法、工具、系統和平臺的建立和使用,涉及多學科、跨學科的綜合交叉融合,因此,需要更多的研究人員投入更多的時間和精力才能將其由理論推向實際.