彈性網絡節點技術研究

張文志，李吉良，王金江，張學敏

(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)

彈性網絡節點技術研究

張文志1,2，李吉良2，王金江2，張學敏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)

針對未來彈性網絡對網絡節點“資源可管可控、環境可感可配、核心功能可重構、關鍵屬性可跳變”的要求，對彈性通信網絡的“三層四面”的整體架構和工作原理進行了介紹，結合軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)、網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)、內容中心網絡(Content-centric Network，CCN)等網絡新技術的技術思想和發展趨勢，提出了彈性網絡節點體系結構，闡述了功能重構、屬性跳變等技術內涵及實現思路，最后對相關技術進行了對比，并對彈性網絡節點技術的應用前景進行了展望。

彈性網絡節點；功能重構；屬性跳變

AbstractIn view of the requirements of future resilient network on network nodes such as resource controllable,environment perceptible and configurable,core function reconfigurable,critical properties hopping,this paper introduces the overall structure “three layers and four planes” and working principle of resilient communication network.Based on the technical idea and development trend of such network technologies as software defined network (SDN),network function virtualization (NFV),content-centric network (CCN),etc.,this paper proposes resilient network node architecture,expatiates the conception and implement idea of such technologies as function reconfiguration,property hopping,etc.,compares the relevant technologies,and describes the application prospect of resilient network node technology.

Keywordsresilient network node;function reconfiguration;property hopping

0 引言

隨著科學技術的發展，信息已經成為當今社會向前發展的巨大推動力，互聯網作為信息的一個成功載體，已經滲透到包括政治、經濟、文化、教育和衛生等人類社會生活的方方面面，成為人們日常生活不可缺少的一部分。然而隨著網絡規模的不斷擴大、用戶數量的飛速增長，以及物聯網、大數據和虛擬現實等新型應用的不斷涌現，傳統互聯網架構面臨靈活性越來越差、智能化程度低、移動性支持能力不足和安全性差等不足，迫切需要創建全新的互聯網體系結構[1]，以滿足經濟與社會發展對信息網絡提供“高速”、“安全”、“彈性”、“智能”、“泛在” 通信的重大迫切需求[2]。針對物聯網、大數據、虛擬現實等新型業務廣泛應用對傳統互聯網的挑戰和云計算、SDN/NFV[3]等新技術的發展驅動，采用“三層四面”網絡架構，具備“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”特點的彈性網絡[4]，是未來信息網絡發展的方向。

彈性網絡節點作為彈性組網的關鍵基礎設施[5]，具備對彈性網絡狀態的多維度感知能力，提供計算、存儲和網絡等各類資源的靈活配置能力，具備可重構能力，為用戶各類業務應用提供服務，為構建彈性通信網絡提供基礎支撐[6]，實現服務驅動的路由交換、網絡拓撲自適應重構、網絡核心功能動態重組與關鍵屬性跳變等功能，適應信息技術發展的變化需求。

1 彈性網絡節點需求

網絡節點是網絡的基因，直接決定著網絡體系的技術體制和能力特性，為支撐彈性網絡“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”能力特征，彈性網絡節點需具備新的能力。

1.1 多資源統一管控能力

為實現彈性網絡節點的智能化屬性，彈性網絡節點需具備計算、存儲和網絡資源，并具備資源統一池化能力，實現多資源的統一管控和智能調配，為用戶業務應用提供各資源支撐，構建面向服務的智能信息網絡平臺。

1.2 智能網絡控制能力

為實現彈性網絡的敏捷適變，網絡節點的控制功能需要與轉發分離并向智能化發展，需具備資源抽象、拓撲管理、設備管理、服務封裝、自動配置、負載均衡和分級分域等能力，實現網絡的可管可控、柔性重組[7]。

1.3 多維度感知能力

為滿足彈性網絡節點彈性適變、網絡核心功能動態智能調度的需求，網絡節點需具備戰場環境、網絡拓撲、網絡流量和網絡應用信息等多維度感知能力[8]，為節點功能重構和關鍵屬性跳變提供決策依據。

1.4 網絡功能重構能力

彈性網絡節點需具備網絡、功能、性能、協議和拓撲等多個方面的動態重構能力[9]，實現網絡的柔性重組和自主重構，提高網絡在強對抗環境下的抗毀頑存能力。

1.5 屬性跳變能力

為實現彈性網絡安全傳輸和快速自愈能力，彈性網絡節點需具備轉發路徑、傳輸協議和通信服務等屬性跳變能力[10]，滿足用戶多樣化需求和復雜應用場景。

2 彈性網絡節點架構

彈性網絡節點采用了一體化融合智能彈性節點架構[11]，其總體架構主要由基礎資源層、智能控制層和融合應用層3部分組成，如圖1所示。

圖1 彈性網絡節點的總體架構

圖1中，基礎資源層提供底層計算、存儲、網絡資源和基本的平臺管理功能，由硬件資源子層和平臺管理子層2部分組成。硬件資源子層包括計算、存儲和網絡等各種硬件資源。平臺管理子層包括硬件適配功能實體、平臺管理功能實體和控制代理功能實體。硬件適配功能實體完成對各種硬件資源的初始化和底層配置管理功能；平臺管理功能實體完成整個硬件平臺的基本管理維護功能；控制代理功能實體與智能控制層通信，上報設備狀態，接收智能控制層的控制命令并轉化為內部功能調用，實現智能控制層對基礎資源層的管理控制。

智能控制層對下層資源進行虛擬抽象，智能管控，對上將資源進行服務化封裝通過標準的接口提供給上層應用，同時能夠實時感知網絡變化，快速動態重構。智能控制層由虛擬抽象子層、服務控制子層、網絡服務子層和感知重構4部分組成。虛擬抽象子層包括能力抽象功能實體和資源映射功能實體。能力抽象功能實體完成物理資源的公共特征提取和能力抽象，形成虛擬化的資源池；資源映射功能實體完成虛擬資源和物理資源之間相互映射。服務控制子層主要包括設備管理、拓撲管理、流表管理、協同控制和服務化功能元(Servicized Function Element，SFE)[12]管理，服務封裝六大功能實體。網絡服務子層包括內容路由、緩存管理、內容分發、IP路由、MPLS協議、名址分離[13]和虛擬服務功能鏈(Virtualized Service Function Chain，VSFC)[14]六大功能實體。

融合應用層：調用智能控制層提供的服務，通過編排和重組，形成特定的網絡應用。

3 彈性網絡節點功能重構

根據可重構網絡技術研究的發展趨勢[15]，結合彈性網絡節點的體系架構，彈性網絡重構技術采用基于服務化功能元的節點重構技術[16]，如圖2所示。基于服務化功能元的節點重構主要在基礎資源層、虛擬抽象子層、服務重構子層和網絡服務子層進行。

圖2 基于服務化功能元的節點重構技術

基礎資源層包括計算、存儲、交換、轉發和接口等各種網絡資源，重點通過硬件資源的模塊化、標準化、通用化和可編程能力進行重構。

虛擬抽象子層實現對基礎資源層各種資源的抽象和虛擬化，屏蔽底層實現的細節，抽取公共特征，形成計算、存儲和網絡三大資源池，便于進行資源的重構。

服務重構子層利用虛擬抽象子層的資源，進行資源的組合和調度，通過標準的接口對外提供服務，形成具有基本操作功能的最小粒度服務化功能元。

網絡服務子層對服務化功能元進行組合和編排，實現特定的網絡功能，如路由器和防火墻等，形成更大粒度的服務化功能元。

4 彈性網絡節點屬性跳變

針對強對抗環境下的高效傳輸和柔性抗毀的需求，網絡節點屬性跳變技術采用以適變性為特征的體系架構[17]，如圖3所示。該體系架構以具有感知學習能力的多域認知環為基礎，以通信網絡屬性跳變策略決策與跳變控制技術為依托，采用網絡拓撲重構、傳輸路徑切換、路由協議跳變、傳輸協議跳變和通信服務跳變等技術手段[18]，增強網絡的自組織、抗毀和自恢復能力，實現網絡高效傳輸、敏捷適變、按需組網和主動防御的目標。

網絡節點屬性跳變技術系統主要包括感知分析、跳變決策和跳變控制3個功能模塊。

感知分析功能模塊是進行跳變決策的基礎，其主要任務是協同感知鏈路質量、網絡拓撲、網絡資源、業務需求和應用環境等各種網絡信息，通過對應用場景、業務行為和網絡狀態等信息進行多域環境感知分析，形成分析結果，建立網絡信息庫。

跳變決策功能模塊是屬性跳變技術的核心，跳變決策系統針對高效、可靠、抗毀和安全等目標，基于策略集、網絡信息庫進行跨層策略決策，形成具體優化目標。針對不同優化目標，結合策略集、網絡信息庫，網絡拓撲、傳輸路徑、路由協議、傳輸協議和通信服務等進行相應的跳變決策。

跨層決策通過功能層之間的關聯和協調機制，實現了針對既定目標網絡功能各層統一調整。從網絡體系角度看，網絡功能的跨層決策消除了因水平切割網絡功能而導致的用戶業務需求失真和阻斷。

在網絡拓撲層，網絡物理和邏輯拓撲結構是支撐網絡通信效能的基礎。針對網絡拓撲結構的節點連通度、鏈路穩定性和業務承載能力等優化目標，基于網絡節點的接口數量、接口性能約束和干擾特性等，利用隨機近似算法進行網絡拓撲跳變決策，通過鏈路選取或鏈路聚合等方法，保障網絡通信的有效性和可靠性。

在傳輸路徑層，可以根據鏈路質量等信息，針對鏈路穩定性和負載分擔等優化目標，進行傳輸路徑使用方式的跳變，在冗余備份路徑、可靠多徑傳輸和并發負載均衡中靈活選擇傳輸方式。

在路由協議層，首先確定影響路由協議性能的參數指標，并通過仿真得到的訓練數據建立路由協議的性能行為模型，然后針對路由開銷和網絡擁塞等決策因素，根據當前網絡信息庫計算各待選路由協議目標函數值，從中擇優選取在當前網絡場景下性能最優的協議。

在傳輸協議層，分析適應鏈路質量波動、高誤碼率和時延容忍條件下的存儲轉發、擁塞控制、報文壓縮等傳輸控制技術特性，針對吞吐率、分組時延和分組丟失率等決策因素，制定傳輸協議對網絡實時狀態的自動適配策略，通過調整協議參數或切換協議類型的方式進行傳輸協議跳變，實現端到端通信的連續性和可靠性。

在通信服務層，根據當前網絡態勢和攻擊監測信息，通過服務遷移或行為變換等方法，保證通信服務持續穩定。

跳變控制功能模塊是跳變決策的執行部分，通過分發跳變決策建議并實施相應的跳變控制策略，進行節點級、網絡級和系統級的跳變控制。

圖3 網絡節點屬性跳變技術架構

5 與同類技術對比

近年來，國內外相繼啟動了一些未來通信網絡技術研究，由于應用驅動不同導致各技術側重應用場景和技術解決思路不同，SDN側重數據中心應用、通過轉發與控制的分離實現全網資源的統一管控；NFV[19]側重電信網功能重構、通過虛擬化技術實現軟件與硬件的解耦，完成網元設備的快速上線和硬件設備的標準化、通用化[20]；ICN[21]面向未來信息網絡實現“存儲換帶寬”[22]，彈性網絡節點技術與SDN[23]、NFV和CCN等同類技術具體分析比較如表1所示。

表1 相關技術分析比較

對比項網絡功能虛擬化NFV內容中心網絡ICN軟件定義網絡SDN彈性網絡節點技術體制電信網技術互聯網技術互聯網技術電信網+互聯網采用技術軟件硬件解耦資源虛擬化內容尋址、多播控制轉發分離OpenFlow微服務、SDN、智能節點、認知環功能重構支持不支持不支持支持屬性跳變不支持不支持不支持支持資源利用率高低高高轉發性能軟件轉發性能低軟件轉發性能低芯片轉發性能高芯片轉發性能高抗毀性弱強一般強移動性支持較強強弱強技術優勢基于標準X86服務器,通過虛擬化技術實現軟件與硬件的解耦,通過加載不同的VNF實現不同的網元功能利用網絡設備中的緩存和多播等手段提高內容遞送效率完全可編程的網絡架構、支持集中化的網絡控制,提升網絡效率和利用率具備自配置、自恢復、自優化和自保護功能,容量可伸縮、萬物可互聯成熟性缺乏標準應用不成熟缺乏標準應用不成熟標準成熟應用較成熟缺乏標準應用不成熟

6 結束語

本文介紹了彈性網絡體系架構和該架構下彈性網絡節點架構及其工作原理，闡述了彈性網絡節點分層架構下的功能組成，詳細介紹了基于該架構實現的網絡重構技術和屬性跳變技術，驗證了彈性網絡節點的彈性適變和抗毀重構能力，并將彈性網絡節點技術與相關同類技術進行了分析和對比，明確了彈性網絡節點適用場景和技術優勢。彈性網絡節點技術的研究為未來互聯網的研究提供了重要的參考思路，也為我國科學發展、國防建設和經濟繁榮等領域提供了具有自主知識產權的技術基礎和研發成果。

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ResearchonResilientNetworkNodeTechnology

ZHANG Wen-zhi1,2,LI Ji-liang2,WANG Jin-jiang2,ZHANG Xue-min2

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

TP391.4

A

1003-3106(2017)11-0012-05

張文志男，(1985—)，碩士，高級工程師。主要研究方向：未來網絡。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.03

張文志,李吉良,王金江,等.彈性網絡節點技術研究[J].無線電工程,2017,47(11):12-16，21.[ZHANG Wenzhi,LI Jiliang,WANG Jinjiang,et al.Research on Resilient Network Node Technology[J].Radio Engineering,2017,47(11):12-16，21.]

2017-07-03

河北省科技計劃基金資助項目(17210704D)。

李吉良男，(1968—)，碩士，研究員。主要研究方向：通信網絡與系統、未來網絡。