彈性通信網絡體系架構研究

郭建立，王俊芳，楊國瑞，范淑艷

(1.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081； 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

彈性通信網絡體系架構研究

郭建立1,2，王俊芳2，楊國瑞2，范淑艷1,2

(1.通信網信息傳輸與分發技術重點實驗室，河北 石家莊 050081； 2.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

針對現有網絡中存在的靈活性、抗毀性、移動性和安全性等問題，提出了面向人機物互聯的彈性通信網絡體系架構，借助環境感知、自主決策和網絡重構等手段提升網絡自身的適變能力，使網絡能夠自主發現運行過程中潛在的故障，并能夠通過自身的調整從故障中恢復，以及對自身性能進行優化。詳細介紹了彈性通信網絡體系架構，重點闡述了彈性通信網絡的概念與特征、運行機理、參考模型和功能組成等內容。結合彈性通信網絡的關鍵技術及其初步解決思路，對彈性通信網絡今后的研究和發展進行了展望。

彈性通信網絡；人機物互聯；網絡重構；自主

AbstractIn view of the issues on flexibility,survivability,mobility and security in the existing networks,a resilient communication network architecture oriented to man-machine interconnection is proposed.The means such as environmental sensing,decision-making,network reconstruction,etc.are used to enhance the network’s adaptability,and the network can autonomously find faults in the operation process,and be able to recover from failures by self-adjustment,and optimize the performance by itself.This paper introduces in detail the architecture of resilient communication network,focusing on the concept and characteristics,the operation mechanism,the reference model and the functional composition.Finally,combining with the key technologies of the resilient communication network and its preliminary solutions,the future research and development of the resilient communication network are prospected.

Keywordsresilient communication network;man-machine interconnection;network reconstruction;autonomy

0 引言

針對現有網絡中存在的靈活性、移動性、時效性和安全性等問題，學術界和企業界在網絡架構和網絡技術等方面開展了大量的研究，包括未來網絡、認知網絡、5G、自主計算、SDN與NFV等。

美國國家科學基金會啟動支持了NDN[1]、MobilityFirst[2]、Nebula[3]和XIA[4]等4個未來網絡研究項目，分別從內容中心網絡架構、全移動網絡架構、云網絡架構和內在安全網絡架構等方面對未來網絡進行研究[5-7]。歐盟開展了FIRE[8]和4WARD[9]等未來網絡研究項目。此外，內容中心網絡[10-11]也受到普遍關注，并在體系架構、路由、緩存和安全等方面開展了大量研究工作。

由IBM公司發起的自主計算技術[12-13]，旨在參照自主神經系統的自我調節機制，實現計算機系統的自配置、自優化、自修復和自保護。在此基礎上，進一步開展了認知網絡技術研究[14-15]，其核心思想是觀察、感知和學習網絡環境狀態，智能決策并自適應調整節點和網絡的配置與行為，進而達到對網絡性能的智能優化。

以SDN[16-18]、NFV[19-20]和云計算[21-22]為代表的新興網絡和信息技術為網絡架構創新提供了技術基礎，其倡導的控制與轉發分離、資源虛擬化等思想，為突破現有網絡的困境帶來了希望。在歐盟公布的5G愿景中，明確提出將利用SDN/NFV/云計算作為基礎技術支撐未來5G網絡的發展[23-24]。

在即將到來的萬物互聯時代[25]，將呈現人機物三元融合的發展趨勢，網絡規模成指數增長，用戶需求千差萬別，網絡狀態動態變化，多變性和不確定性成為通信網絡所面臨的最大挑戰。彈性通信網絡突破了傳統的網絡體系架構，提升自身的適變能力以應對這種多變性和不確定性，讓網絡更具有彈性。彈性通信網絡增強了對網絡環境和用戶環境的感知，并在感知的基礎上以一定的策略準則進行自主決策控制，借助重構手段動態改變其自身行為，使網絡從靜態工作模式發展到動態自適應工作模式，以應對人機物三元融合場景下更加復雜多變的差異化應用需求。

1 彈性通信網絡概念與特征

彈性通信網絡借助環境感知、自主決策和網絡重構等手段提升自身的適變能力，使網絡從靜態工作模式發展到動態自適應工作模式。

彈性通信網定義：彈性通信網絡具備自配置、自恢復、自優化和自保護等能力，即具備根據外界環境的刺激自動設定和重新調整系統參數并進行自主資源配置，能夠自主發現運行過程中潛在的故障，并能夠通過自身的調整從故障中恢復，能夠在過往運行經驗的基礎上，對當前或之后所執行任務的性能進行優化，以及確保整體的安全性和完整性。

彈性通信網絡具備更靈活和更容易擴展等特點，并向智能化、規模定制方向演進，“環境可感知、容量可伸縮、屬性可變化、能力可調整、萬物可互聯”是其基本特征，如圖1所示。

圖1 彈性通信網絡基本特征

環境可感知：能夠建立以用戶環境和網絡環境等構成的、統一的網絡多域認知模型，實現多域認知信息的海量攝入、傳遞融合以及挖掘利用，有效反映網絡所存在的內外部客觀環境及其動態變化。

容量可伸縮：可根據用戶業務需要，快速、動態地增減網絡規模和傳輸能力，按需提供信息傳輸服務；以及在網絡大規模故障情況下，動態重構網絡，降低網絡容量，最低限度保障網絡的持續運行。

屬性可變化：可根據網絡環境和用戶環境的變化情況，自動設定和重新調整網絡屬性參數，具備網絡拓撲即時變更、業務傳輸過程中傳輸路徑隨機跳變等能力。

能力可調整：可根據外部環境變化或網絡管理的需要，以人工或自動方式重新配置網絡節點，實現網絡功能的動態重組、網絡服務的按需配置、以及網絡部署方式的動態調整等。

萬物可互聯：可實現人機物各類端節點隨遇接入網絡，支持“人到人”、“人到物”和“物到物”等類型的信息交互方式。

2 彈性通信網絡運行機理

彈性通信網絡運行機理如圖2所示，由3個層面的控制環協同完成。每個控制環都是一個完整的“感知—決策—執行”過程。

圖2 彈性通信網絡運行原理

首先，彈性通信網絡的節點集交換、計算和存儲功能于一體，可運行簡單的智能算法，并具備屬性和功能重構能力，以及網絡狀態感知能力。網絡節點依據節點本地的態勢信息，基于本地簡單的智能算法，觸發節點的屬性和功能重構(包括協議棧和路由轉發表等)，完成彈性通信網絡最低層的重構控制過程。

其次，中間控制環完成彈性網絡節點間的分布式自主協同過程。彈性網絡節點以分布式方式交互網絡狀態信息，運行分布式自主協同算法，實現多個節點間的協同組網控制。該控制環在上層集中控制節點失效時，使網絡回退到傳統分布式控制模式，提升網絡的可用性和抗毀性。

最后，最上層的控制環實現網絡的集中控制過程。認知面基于全網虛擬化資源池和態勢信息，運行復雜的智能控制算法，輸出全局最優的控制策略(包括路由策略、QoS策略和虛擬網策略等)。

認知面主要完成網絡層面的宏觀決策過程，需要涉及全局網絡態勢信息，運行高復雜度的決策算法，決策時延較長；相反，彈性網絡節點完成本地決策過程，決策算法簡單，且不依賴全局網絡態勢信息，決策時延較短，通常是秒級或毫秒級。

3 彈性通信網絡體系結構

參考軍用通信網絡和民用通信網絡體系結構近些年的研究成果，以及結合通信網絡和信息技術的發展趨勢，提出了彈性通信網絡體系架構參考模型，如圖3所示。

圖3 彈性通信網絡體系結構參考模型

彈性通信網絡體系架構參考模型采用“三層四面”結構，四面分別是數據面、認知面、移動面和安全面。其中，數據面又分為三層，從下到上依次為可重構網絡基礎設施層、網絡操作系統層和泛在網絡服務層，每層分別完成不同的網絡功能，底層為上層提供網絡服務。

彈性通信網絡功能組成如圖4所示。其中，可重構網絡基礎設施層提供各類物理和虛擬化資源，包含計算、存儲和網絡等，具備可編程控制和重構能力，是彈性通信網絡的基礎。物理資源借助虛擬化技術被轉換成虛擬資源，形成虛擬資源池，供彈性通信網絡按需分配與聚合。

網絡操作系統層主要包括組網控制、接入控制、網絡功能虛擬化、網絡編排、路由協議和拓撲管理等功能模塊，可實現網絡的抽象與虛擬化，起到屏蔽底層網絡基礎設施的作用，并向服務層開放網絡編程接口，提供網絡編程能力。

圖4 彈性通信網絡功能組成

泛在網絡服務層為各類應用信息系統提供支撐保障的分布式網絡服務平臺，按需向用戶提供具備網絡感知、實時分發和分布式協作等特點的信息服務，以及數據分發、服務編排與協作等功能。在泛在網絡服務層，打破了傳統的服務集中處理方式，信息服務分散于網絡中，以分布式協作方式對外提供。

認知面實現網絡智能化控制和網絡管理功能的融合，包含運維管理、多域認知和自主決策等功能模塊，基于“多域感知—自主決策—重構控制”認知環，實現彈性通信網絡無配置、零規劃開通運行，支持網絡運行監視、網絡事件處置、網絡資源調度和網絡功能配置等操作的自動化。

移動面由名址解析、位置管理、連接管理和信道切換等功能模塊組成，主要針對高動態、長距離和全移動的組網需求，從鏈路、網絡和應用等多維度綜合提供面向人機物各類用戶節點的高速移動解決方案。

4 彈性通信網絡關鍵技術

4.1 軟件定義的數據傳輸與轉發技術

基于軟件定義網絡的思想，實現光傳輸網、承載網和天基信息網等多層面資源的融合與協同調配，實現立體化網絡對任務的按需保障。目前，軟件定義網絡和軟件定義光網絡技術發展迅速，天基信息網絡傳輸特性更為復雜，存在分組交換、子帶交換和波束交換等多種交換方式，對其實現SDN化是天基信息網未來研究的重點。

在數據轉發方面，可采用軟件定義的數據轉發機制實現對業務流的細粒度靈活控制。為避免Openflow技術應用在核心網導致的轉發表膨脹問題，可采用Openflow和MPLS相結合的方式，在網絡邊緣采用Openflow技術，對業務流進行細粒度控制，在核心網采用軟件定義的MPLS技術，采用SDN方式集中計算MPLS路徑并下發，在核心網邊緣處把Openflow流映射到MPLS管道中，如圖5所示。

圖5 軟件定義的數據轉發機制

4.2 網絡操作系統技術

基于SDN和NFV等技術，通過統一的控制層實現對業務流的細粒度靈活控制，并通過天空地多域網絡資源的抽象和虛擬化，實現網絡資源的模塊化按需編配使用。天、空、地網絡實現控制與轉發分離后，統一的控制器集群不僅能夠按需靈活調整各層網內路由，而且能夠按需靈活調整層間路由，實現對立體網絡的全局優化組網配置和彈性組網。

網絡操作系統的一個關鍵技術是網絡編排，其在網絡資源虛擬化和網絡功能虛擬化基礎上，實現對抽象網絡對象的自主化分配、組織和調度。網絡編排基于認知面的決策結果，使用網絡抽象語言定義一個從任務(業務)到網絡資源的重組過程，生成滿足任務(業務)需求的網絡切片，具備快速部署、動態調整和重復使用等特點，如圖6所示。

圖6 網絡編排示意

4.3 新型移動性管理技術

彈性通信網絡中人機物泛在互聯的需求對移動性提出更高的要求，其中無人平臺高速移動、持續連接保持、低時延和抗干擾傳輸等特點，以及傳感器網絡中超大規模節點編址問題等，均導致現有通信網絡中的移動性技術難以滿足新需求。因此，在彈性通信網絡體系架構中，專門增加移動面用于支持人機物的泛在移動性。

彈性通信網絡需要研究新型移動性管理技術，通過借鑒現有通信網絡中的移動性解決方案，以用戶移動、網絡移動和服務移動目標，采用綜合移動控制方式，從多層面聯合使用多種技術綜合解決網絡中的移動性問題，包括鏈路層移動、網絡層移動、傳輸層移動和應用層移動等。

此外，在編址方面，彈性通信網絡不但需要對傳統的用戶終端、網絡設備和服務設備進行編址，還需要對物聯網中的各個傳感器節點進行編址，甚至對網絡中的內容進行編址。

4.4 泛在化網絡服務技術

在彈性通信網絡中，隨著網絡節點計算能力的提升，以及霧計算節點的廣泛部署，可將服務放置在網絡節點或霧節點中，服務將隨著網絡節點和霧節點遍布整個網絡，從而體現彈性通信網絡服務的泛在性。同時結合現有云計算機制，把固定云中的數據推送到網絡邊緣，在網絡邊緣向用戶提供服務，形成“固定云-霧計算”層次化服務協作體系。

彈性通信網絡中的服務可有2種實現方式：一種是針對體積小的微服務，內嵌在各網絡節點或霧節點中，以分布式協作方式提供服務；另一種是對計算能力要求高的信息處理服務，可運行在高性能的固定云上。

此外，彈性通信網絡還需要支持服務的透明訪問，即用戶不需要關注服務的具體位置，由網絡自動為用戶選擇最優服務。

4.5 動態網絡安全防護技術

全新的、革命性的彈性通信網絡架構為網絡安全防護技術提出了新的挑戰。

一方面，彈性通信網絡的動態特點有利于增強網絡的自身安全。彈性通信網絡具備網絡協議、算法、拓撲和服務等動態變化能力，支持隨機變化，可減少系統被探測的概率；在網絡受到攻擊時，能夠實現被攻擊網絡的快速隔離，并進行網絡資源的自主響應與調整，保障核心網絡業務的連續性。在研究彈性通信網絡安全防護技術時，要充分利用彈性通信網絡的動態特點，提高網絡容忍、躲避攻擊的能力。

另一方面，網絡的開放性和可編程性也為彈性通信網絡帶來更多的安全威脅。網絡的開放接口使得網絡自身的安全漏洞、策略的不完備性等缺陷充分地暴露在攻擊者面前，給予攻擊者足夠的信息和空間制定和實施其攻擊策略；網絡操作系統集中式管控帶來的單點故障問題，使其更易成為攻擊對象。

5 結束語

通信網絡正在從固定的網絡走向移動的網絡，從地面、地表、空間分割的網絡走向天空地一體化的網絡，從面向“人”的網絡走向“人機物”互聯的網絡，從靜態僵硬的網絡走向動態可重構網絡。在這樣的背景下，創新型的彈性通信網絡及關鍵技術研究成為當前業界關注的熱點領域。本文詳細介紹了彈性通信網絡體系結構方面的主要研究成果，期望通過分析彈性通信網絡的概念內涵、工作機理、參考模型和功能組成等，總結關鍵技術及其解決思路，從而為國內外相關領域的研究人員提供參考和幫助。

[1] ZHANG L,AFANASYEV A,BURKE J,et al.Named Data Networking[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2014,44(30)：66-73.

[2] RAYCHAUDHURID,NAGARAJA K,VENKATARAMANI A.MobilityFirst：a Robust and Trustworthy Mobility-Centric Architecture for the Future Internet[J].ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review,2012,16(3)：2-13.

[3] MATHEWR,KWANGSUNG O,ABHISHEK C,et al.Nebula：Distributed Edge Cloud for Data Intensive Computing[C]∥IEEE International Conference on Cloud Engineering,2014：57-66.

[4] ANAND A,DOGAR F.XIA：an Architecture for An Evolvable and Trustworthy Internet[R].Techiical Report CMU-CS-11-100,Carnegie Mellon University,2011.

[5] 黃韜,劉江,霍如.未來網絡體系架構研究綜述[J].通信學報,2014,35(8)：184-197.

[6] PAN Jianli,PAUL Subharthi.A Survey of the Research on Future Internet Architectures[C]∥IEEE Communications Magazine,2011:27-36.

[7] 林闖,賈子驍,孟坤.自適應的未來網絡體系架構[J].計算機學報,2012,35(6)：1077-1092.

[8] GAVRAS A,KARILA A,FDIDA S,et al.Future Internet Research and Experimentation：the Fire Initiative[J].ACM SIGCOMM Computer Communication Review,2007,37(3):89-92.

[9] AHLGREN B,D’AMBROSIO M,DANNEWITZ C,et al.Second Netinf Architecture Description[R].FP7-ICT-2007-216041/D-6.2,4WARD Project,2010.

[10] 孫閻斌,張宇,張宏莉.信息中心網絡體系架構研究綜述[J].電子學報,2016,44(8)：2009-2017.

[11] BEBENA,BATALLA J M,FLOREZ D,et al.The Content Mediator Architecture for Content-Aware Networks[J].Specaal Issue of Journal Telecommunication Review and Telecommunication News.2012,8(9)：1192-1203.

[12] 廖備水,李石堅,姚遠,等.自主計算概念模型與實現方法[J].軟件學報,2008,19(4)：779-802.

[13] AnArchitectural Blueprint for Autonomic Computing,2005.http:∥www-03.ibm.com/autonomic/pdfs/AC_Blueprint_White_Paper_4th.pdf.

[14] 魏急波,王杉,趙海濤.認知無線網絡：關鍵技術與研究現狀[J].通信學報,2011,32(11)：147-158.

[15] THOMAS R W.Cognitive Networks[D].Virginia Polytechnic Institute and State University,2007.

[16] JARSCHEL M,ZINNER T,HOSSFELD T,et al.Intefaces,Attributes,and Use Cases：A Compass for SDN[J].IEEE Communincations Magazine,2014,52(6):210-217.

[17] 毛明,陳庶樵,劉大虎.軟件定義網絡分布式控制平面部署問題研究綜述[J].信息工程大學學報,2017,18(2)：212-222.

[18] XIA W F,WEN Y G,FOH C H,et al.A Survey on Software-Defined Networking[J].IEEE Communication Survey & Tutorials,2015,17(1)：27-51.

[19] MATIAS J,GARAY J,TOLEDO N,et al.Toward an SDN Enabled NFV Architecture[J].IEEE Communications Magazine,IEEE Communications Society,2015,53(4)：187-193.

[20] MIJUMBI R,SERRAT J G,BOUTEN N,et al.Network Function Virtualization：State-of-the-Art and Research Challenges[J].IEEE Communication Survey & Tutorials,2016,18(1)：236-262.

[21] ERL Thomas,MAHMOOD Zaigham,PUTTINI Ricardo.Cloud Computing：Concepts,Technology & Architecture[M].England：Pearson Education,2013.

[22] CHEN Y,CHEN Y,CAO Q,et al.PacketCloud：A Cloudlet-Based Open Platform for In-Network Services[J].IEEE Transactions on Parallel and Distributed System,2016,27(4),1146-1159.

[23] 趙國鋒,陳婧,韓遠兵,等.5G移動通信網絡關鍵技術綜述[J].重慶郵電大學學報,2015,27(4)：441-452.

[24] 羅振東,杜瀅,魏克軍,等.5G全球最新發展態勢及標準化進展[D].北京：中國信通院,2016：1-68.

[25] MAIER M,CHOWDHURY M,RIMAL B P,et al.The Tactile Internet：Vision,Recent Progress,and Open Challenges[C]∥IEEE Communications Magazine,2016：138-145.

ResearchonArchitectureofResilientCommunicationNetwork

GUO Jian-li1,2,WANG Jun-fang2,YANG Guo-rui2,FAN Shu-yan1,2

(1.ScienceandTechnologyonInformationTransmissionandDisseminationinCommunicationNetworksLaboratory,ShijiazhuangHebei050081,China; 2.The54thResearchInstituteofCETC,ShijiazhuangHebei050081,China)

TN393

A

1003-3106(2017)11-0001-05

郭建立男，(1980—)，博士，高級工程師。主要研究方向：通信網絡總體、云計算和戰術服務等。

2017-07-10

河北省科技計劃基金資助項目(17210704D)。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.01

郭建立,王俊芳,楊國瑞,等.彈性通信網絡體系架構研究[J].無線電工程,2017,47(11):1-5,11.[GUO Jianli,WANG Junfang,YANG Guorui,et al.Research on Architecture of Resilient Communication Network[J].Radio Engineering,2017,47(11):1-5,11.]

王俊芳男，(1963—)，博士，研究員。主要研究方向：通信網絡總體和路由交換等。