多模態(tài)網絡環(huán)境異構標識空間管控架構研究

郜帥，侯心迪，劉寧春，張宏科

（北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044）

0 引言

現(xiàn)階段互聯(lián)網業(yè)務逐漸多元化，諸多新生業(yè)務對網絡的服務能力提出了更高要求，例如高帶寬、超低時延、高可靠性等[1-2]。然而，傳統(tǒng)基于IP 的互聯(lián)網存在一系列基礎性問題，例如，由于IP 地址的身份和位置的二義性所導致的安全威脅難以抑制、移動性支持差的問題；由于IP 地址作為網絡層唯一承載而導致的網絡服務能力薄弱的問題；以IP為基礎構建的網絡體系具有排他性，不利于新網絡體系和新服務模式的應用與推廣的問題等。這類問題也被稱為“IP 瘦腰”問題[3-4]。

近年來，國內外學者在新型網絡標識以及尋址技術領域展開了相關研究和開發(fā)，設計了諸如以內容標識、身份標識、地理空間標識等為中心的新型網絡體系，并在小規(guī)模的部署實驗中顯示出了良好的性能。具有代表性的有命名數(shù)據(jù)網絡（NDN,named data networking）[5]、智慧標識網絡（SINet,smart identifier network）[6]、GeoNetworking[7]等。

為了使各類新型網絡體系之間的數(shù)據(jù)能夠互通，各種異構標識空間之間能夠實現(xiàn)無障礙切換，需要對網絡中的異構標識空間進行管控，該管控過程主要指的是異構標識空間的選擇和相互切換。現(xiàn)階段可用于參考的異構標識空間管控技術主要分為三類，即基于協(xié)議轉換的異構標識空間管控技術[8-11]、基于Overlay 的異構標識空間管控技術[12-18]、基于體系架構設計的異構標識空間管控技術[19-22]。

基于協(xié)議轉換的異構標識空間管控技術通常在傳統(tǒng)IP 網絡和新型模態(tài)網絡之間部署邊界網關設備，且該設備具備本地的IP 以及新型模態(tài)網絡的協(xié)議棧，通過對流經的數(shù)據(jù)分組進行修改，實現(xiàn)不同模態(tài)標識空間之間的切換和互通。這類方案通常要求將新型模態(tài)網絡增量式地部署在網絡邊緣，因此，在管控過程中幾乎不需要中心化的網絡標識空間管控實體，實現(xiàn)原理也相對簡單。然而，這類方案需要定制邊界網關設備并安裝臃腫的協(xié)議棧，邊界網關配置過程靈活性通常較差。隨著新型網絡模態(tài)部署規(guī)模的增加，網絡將變得更加異構，這在一定程度上會加劇管理難度。

基于Overlay 的異構標識空間管控技術旨在通過將新型模態(tài)網絡的協(xié)議棧部署于IP 的協(xié)議棧之上，或將IP 的協(xié)議棧逆向部署在新型模態(tài)網絡的協(xié)議棧之上，從而使基于IP 的網絡能夠實現(xiàn)新型模態(tài)網絡的部分功能，并依托現(xiàn)有基于IP 的管控方式對其他模態(tài)進行共管和共治。相較基于協(xié)議轉換的異構標識空間管控技術而言，該方案可以避免網絡異構化，因而得到更廣泛的研究。但是，新型模態(tài)網絡的轉發(fā)模型往往與IP 網絡的轉發(fā)模型兼容性差，例如，NDN采用pull 模型進行數(shù)據(jù)拉取，而IP 網絡使用push 模型進行數(shù)據(jù)推送。因此，基于IP 實現(xiàn)的新型模態(tài)網絡的功能非常有限，且其優(yōu)勢無法得到充分發(fā)揮。另外，在網絡運維和管理方面，該方案會增加在每個網元設備上進行協(xié)議升級的成本。

基于體系架構設計的異構標識空間管控技術旨在重新構建一種包含多種新型模態(tài)網絡轉發(fā)功能的全新架構以及相應協(xié)議棧，使網絡能夠原生支持面向不同網絡主體對象（例如主機設備、內容、服務等）的轉發(fā)能力以及服務方式，并依托自身的體系架構設計適合的異構標識空間互通和管控機制。盡管該方案可以在一定程度上解決多模態(tài)網絡中對異構標識空間的管控和互通問題，但是其高昂的設計和部署成本使這些新型體系架構只能進行實驗性的部署和嘗試，難于大規(guī)模應用和推廣。此外，該方案通常是針對特定需求或為了管理特定的網絡模態(tài)而設計的，其演進性和擴展性較差，難以保證對未來網絡可能出現(xiàn)的新型網絡模態(tài)的兼容性。

鄔江興院士團隊[23]提出了全維可定義的多模態(tài)網絡環(huán)境概念，將每種新型網絡體系稱為一種網絡“模態(tài)”，通過將各類新型模態(tài)網絡與傳統(tǒng)網絡進行融合式的互聯(lián)互通，實現(xiàn)網絡體系之間的優(yōu)勢互補，從而提高網絡的服務效能。因此，在多模態(tài)網絡環(huán)境下實現(xiàn)異構標識空間的高效管控，具有重要的研究意義。

多模態(tài)網絡環(huán)境的構建基于全維可定義的多模態(tài)網元。全維可定義的設計思路指出，若對網絡中的計算、存儲和轉發(fā)資源等基礎功能元素以細粒度的方式進行一體化的調度和重構，那么網絡功能和效率也將得到極大的擴展[24]。因此，本文依托全維可定義的設計思路，提出了一種多模態(tài)異構標識空間管控架構，實現(xiàn)了多模態(tài)網絡環(huán)境下對各類標識空間的互通和切換。本文的主要研究工作如下。

1) 將多模態(tài)網絡中各類網絡模態(tài)的體系架構和功能邏輯進行細粒度解構，把不同網絡模態(tài)的行為解釋為面向不同網絡主體對象的數(shù)據(jù)拉取或推送過程，對多模態(tài)異構標識空間管控過程中涉及的模態(tài)主動選擇和被動切換過程建立統(tǒng)一的邏輯模型，將分布式的異構網絡空間兼容問題轉換為集中式的網絡層功能適配問題。

2) 依托全維可定義的多模態(tài)網絡環(huán)境，設計了多模態(tài)網絡異構標識空間管控功能框架。基于該功能框架，在控制平面設計了多模態(tài)網絡異構標識空間互通和切換應用，并構建了用于處理各類網絡模態(tài)分組和內部行為的多元網絡模態(tài)應用等主要功能模塊。在此基礎上，結合具體業(yè)務場景，設計了異構標識空間管控架構的完整工作流程。

3) 基于多模態(tài)網元所提供的計算、存儲以及可編程轉發(fā)功能的調用接口，對本文提出的多模態(tài)異構標識空間管控架構進行了原理設計和功能驗證，實現(xiàn)了5 種網絡模態(tài)的基礎運行以及異構標識空間的互通、切換和管控，并且支持運行現(xiàn)階段網絡中的部分

應用和業(yè)務以及特定網絡模態(tài)下的專用業(yè)務。

1 相關工作

關于異構標識空間的管控問題，目前已經存在相關研究工作，它們主要通過協(xié)議轉換、Overlay、體系重構等方式實現(xiàn)網絡中各類異構標識空間的共存、選擇和切換。本節(jié)主要介紹部分具有代表性的異構標識空間管控技術。

對于基于協(xié)議轉換的異構標識空間管控技術而言，文獻[8]提出了一種HTTP-NDN 的協(xié)議轉換機制，實現(xiàn)網絡對IP 標識和內容標識2 種標識空間的互通和管控。該機制考慮將NDN 部署于邊緣網絡中，核心網保留傳統(tǒng)IP 的工作模式，并將協(xié)議轉換的功能置于連接兩類網絡模態(tài)的邊界網關處，通過提取超文本傳輸協(xié)議（HTTP,hyper text transfer protocol）請求分組和響應分組中的唯一資源定位符（URL,uniform resource locator）并將其分別轉化為NDN 中的興趣分組和數(shù)據(jù)分組，實現(xiàn)了網絡的協(xié)議轉換。此外，文獻[8]還設計了用于輔助轉發(fā)的NDN-IP 映射模塊，便于在IP 網絡中進行內容檢索。為了使更多基于IP 的應用能夠使用內容標識模態(tài)所帶來的優(yōu)點，文獻[9]設計了更加通用的IP-NDN 協(xié)議轉換機制，并在路由設備中部署了與該機制相關的網關協(xié)議轉換模塊、配置模塊、流量處理模塊，同時設計了交互和配置用的接口，實現(xiàn)了泛用性協(xié)議轉換。

對于基于Overlay 的異構標識空間管控技術而言，文獻[12]采用IP-over-NDN 的方式，使NDN 兼具IP 的特性，從而實現(xiàn)對2 種標識空間的融合。該方案通過路由設備中的tun/tap socket，從發(fā)送方捕獲IP 數(shù)據(jù)分組，通過分段式的命名方法將IP 數(shù)據(jù)分組轉換為NDN 興趣分組或數(shù)據(jù)分組，NDN 中的數(shù)據(jù)接收方逆向執(zhí)行該方案，并從接收到的NDN數(shù)據(jù)分組中恢復原始的IP 數(shù)據(jù)分組，然后通過tun/tap socket 將IP 數(shù)據(jù)分組交給接收方的TCP/IP協(xié)議棧進行處理。此外，文獻[12]還基于NDN 的工作模式，分別在網絡層、傳輸層、應用層設計了基于IP 的路由、TCP 三次握手、應用層緩存等相應功能。文獻[13]采用軟件定義網絡（SDN,software defined network）的架構，并基于IP 協(xié)議棧，實現(xiàn)了信息中心網絡（ICN,information centric network）的相關功能，即ICN-over-IP 的模態(tài)互通和管控方式。該方案采用傳輸層協(xié)議來傳輸ICN 消息，通過在控制平面為ICN 請求安裝相應的轉發(fā)狀態(tài)，利用ICN 協(xié)議消息ID 和SDN 實例化的特性來重寫分組頭信息，從而利用IP 標識模態(tài)的尋址方法實現(xiàn)內容標識模態(tài)的相應功能，完成標識空間之間的互通和切換。

對于基于體系架構設計的異構標識空間管控技術而言，文獻[20]提出了一種支持演進性的網絡架構Xia，該架構采用異構標識實現(xiàn)對不同網絡主體對象的描述，并設計了不依賴于網絡主體的逐跳處理和逐跳轉發(fā)協(xié)議，通過構建一種有向無環(huán)圖，實現(xiàn)數(shù)據(jù)在不同網絡主體之間的切換，并將其編碼為統(tǒng)一的網絡層標識，實現(xiàn)面向不同網絡主體的尋址。該架構支持以主機、內容、服務等為對象的通信模式，具有多模態(tài)的特性，但是，其模態(tài)互通和管控方式完全依賴于自身的體系以及協(xié)議，不具備普遍性。文獻[21]提出了一種更具普遍性的Trotsky架構，該架構采用“固有覆蓋”的設計理念，在傳輸層和網絡層之間設計了用于抽象不同網絡模態(tài)的尋址方式和轉發(fā)功能的3.5 層協(xié)議，從而屏蔽網絡層不同模態(tài)的異構標識之間的差異，并為各個自治域之間構建了具有3.5 層協(xié)議的轉發(fā)設備，用于實現(xiàn)異構標識空間的互通和管控。

其他相關的異構標識空間管控技術如表1 所示。通過對上述幾類異構標識空間管控技術進行研究，本文基于多模態(tài)網絡環(huán)境，提出了一種更加靈活的異構標識空間管控架構。

表1 異構標識空間管控關鍵技術

2 異構標識空間管控架構方案設計

2.1 設計目標和原則

多模態(tài)網絡中，不同網絡模態(tài)所面向的網絡主體對象不同，例如，內容標識模態(tài)主要面向內容進行通信，IP 標識模態(tài)主要面向身份和位置進行通信，地理空間標識模態(tài)主要面向地理區(qū)域進行通信等。因此，多模態(tài)網絡的異構性主要體現(xiàn)在網絡層標識空間的差異，例如，內容標識模態(tài)的標識空間主要為內容名，身份標識模態(tài)主要為接入（身份）標識（AID,access identifier）和路由標識（RID,routing identifier），地理空間標識模態(tài)主要為地理IP地址（GEOIP,geographic IP address）等。為了保障多模態(tài)網絡的基礎運行，并為上層提供基于異構標識的服務能力，需要對多模態(tài)網絡中所承載的各類網絡層標識空間進行互通和管控，主要的設計原則如下。

1) 中心化。分布式的模態(tài)互通和管控方式僅能依靠從網絡獲取的概要性認知對網絡設備進行局限且松散的管控，中心化的管控方式有利于將位于網絡層的相關功能部署于上層系統(tǒng)中，從而通過更全面的網絡狀態(tài)信息來制定管控策略。

2) 靈活性。對網絡模態(tài)互通和管控相關功能子模塊的設計要盡可能相互獨立且不依賴于特定協(xié)議，便于網絡設備根據(jù)不同的模態(tài)信息靈活地調整相關處理行為。

3) 可擴展性。每個模態(tài)管控功能子模塊中的功能或機制需要具備普適性，從而支持未來可能出現(xiàn)的新型網絡模態(tài)，便于對異構標識空間進行維護。

4) 內生安全性。與傳統(tǒng)網絡的控制平面不同，多模態(tài)網絡的控制平面應包含總控制邏輯以及面向不同網絡模態(tài)標識空間的多個子控制邏輯。由于每個子控制邏輯之間相互隔離，因此，總控制邏輯應當能夠利用標識空間的選擇或切換，從而對網絡攻擊進行抵御或規(guī)避，支持內生安全。

基于上述設計原則，本文根據(jù)全維可定義的設計思路，將異構標識空間的管控功能在控制平面進行設計與實現(xiàn)。首先對異構標識空間管控過程中涉及的模態(tài)選擇和切換過程建立邏輯模型；然后根據(jù)所建立的邏輯模型，設計完整的標識空間管控功能框架；最后結合具體應用場景，詳述了本文所提出的異構標識空間管控架構的具體工作流程。

2.2 網絡模態(tài)選擇和切換邏輯模型

在全維可定義的多模態(tài)網絡環(huán)境下，多模態(tài)網元中的任意基本功能元素都能夠以細粒度的方式進行動態(tài)組織和重構。因此，異構標識空間管控過程中涉及的模態(tài)選擇和切換過程，可以被重新抽象為不同的數(shù)據(jù)單元通過push 或pull 的轉發(fā)模型，并按照一定的轉發(fā)規(guī)則在不同網絡主體對象之間被沿途的設備進行傳遞或處理的過程。該過程可由式(1)和式(2)描述。

式(1)為控制平面的服務邏輯模型。其中，(IDsource,IDdestination)為多模態(tài)網絡中服務所選定的源主體對象以及目的主體對象二元組，通常情況下以相應模態(tài)的標識進行表征，用于描述多模態(tài)網絡中服務的模態(tài)類型，例如，當源主體對象為“內容”而目的主體對象為“身份”時，即從資源標識名稱空間映射至身份標識名稱空間，表征網絡中的“內容”由“誰”存儲，所對應的服務類型為“從指定設備獲取內容”；而當源主體對象為“身份”且目的主體對象為“位置”時，即從身份標識名稱空間映射至位置標識名稱空間，表征的意義為“誰”在“哪”，所對應的服務類型為“端到端通信”。φ為路由選擇函數(shù)，通過輸入源主體對象和目的主體對象，可生成確定的通信路徑。{S1,…,Si,…,Sn}為該路徑所通過的一系列交換節(jié)點所組成的集合。

式(2)為控制平面的行為適配模型。其中，{Act1,…,Acti,… ,Actn}表示控制平面為途徑的每個交換設備所適配的處理動作所組成的集合；φ為行為轉換函數(shù)，其具體執(zhí)行流程如下。

1) 控制平面讀取途徑的交換設備的端口所連接的網絡模態(tài)信息，該信息由式(3)進行定義。

2) 選取路由途徑的第i個交換設備，獲取其數(shù)據(jù)的輸入和輸出端口連接的網絡所支持的模態(tài)類型信息向量，若要保證任意模態(tài)之間能夠互通，則任意相鄰的2 個交換設備之間應滿足式(4)。

3) 若無特殊需求，控制平面將根據(jù)二元組(IDsource,IDdestination)的模態(tài)類型，查看中是否支持該模態(tài)（判斷該模態(tài)狀態(tài)位的M值是否為1），若支持，則將其他模態(tài)狀態(tài)位的M值置0；反之則無操作。構建控制平面模態(tài)選擇和切換行為判斷矩陣，如式(5)所示。

該矩陣為m階方陣，具有如式(6)所示的形式。可以發(fā)現(xiàn)，只需通過獲取交換設備的ModC矩陣中的非0 值的位置，便可判斷需要對哪兩類網絡模態(tài)進行操作。

4) 定義轉發(fā)表模態(tài)控制向量以及數(shù)據(jù)平面轉發(fā)模式控制向量，分別如式(7)和式(8)所示。

其中，T為選用的某一網絡模態(tài)的轉發(fā)表，其內容可以是一系列指令集；Table 為多模態(tài)網絡中由所有模態(tài)的轉發(fā)表/指令集所組成的集合；F為轉發(fā)模式，其內容可以是一系列對協(xié)議和接口的調用指令集；Forward 為轉發(fā)模式的抽象指令集集合，其轉發(fā)模式包含但不限于單播、多播、任播等。

5) 行為適配模型中每個交換設備所適配的處理動作集合中的每個元素可由式(9)求得。

上述網絡模態(tài)選擇和切換邏輯模型主要用于定義和描述在給定源端和目的端模態(tài)類型的情況下，控制平面應如何為數(shù)據(jù)平面適配相應動作，實現(xiàn)對異構標識空間的管控。

該模型各個邏輯模塊相對獨立。服務邏輯模型將任意給定的網絡服務解釋為網絡層的確定路徑，且該路徑主要與選用的路由策略/算法有關，控制平面僅需根據(jù)上層服務需求確定選路策略即可，不需要考慮具體轉發(fā)動作。而行為適配模型主要根據(jù)給定的路徑信息以及網絡模態(tài)的支持情況，判斷需要對哪幾類模態(tài)進行操作。由于轉發(fā)表和轉發(fā)模式的設定可以不依賴于網絡對各類模態(tài)的支持情況，僅由控制平面進行配置和下發(fā)，因此，可以靈活地為每個設備配置不同的動作，從而針對不同標識空間實現(xiàn)互通和切換。

2.3 異構標識空間管控功能框架

根據(jù)2.2 節(jié)中提出的網絡模態(tài)選擇和切換邏輯模型，分別在全維可定義的多模態(tài)網絡環(huán)境控制平面上設計對應的功能模塊，并構建完整的異構標識空間管控功能框架，如圖1 所示。

圖1 異構標識空間管控功能框架

異構標識空間管控功能框架采用控制平面與數(shù)據(jù)平面分離的結構。數(shù)據(jù)平面部署多模態(tài)網元，構建協(xié)議無關轉發(fā)平臺底座，用于支持對異構標識空間的轉發(fā)或互通功能。控制平面由上到下可分為模態(tài)管控應用、多元網絡模態(tài)應用、模態(tài)管控北向接口、分布式模態(tài)管控實體、南向適配接口5 個部分，各部分的主要功能如下。

1) 模態(tài)管控應用。在全維可定義的多模態(tài)網絡環(huán)境中，用戶發(fā)出的數(shù)據(jù)分組會首先通過數(shù)據(jù)平面被上交至控制平面，并最先進入模態(tài)管控應用中。模態(tài)管控應用主要包含數(shù)據(jù)解析、資源映射、路由決策、模態(tài)切換等相關功能。該應用通過從網絡內采集的鏈路狀態(tài)信息以及資源到位置的映射信息，制定相應的域內/域間路由決策；當涉及域間傳輸時，該應用通過采集各個網絡域的模態(tài)信息并構建和維護異構標識空間映射表，對每個網絡域制定合理的模態(tài)切換策略，并對進行模態(tài)切換的關鍵網關設備生成相應的流表操作；針對用戶的特定安全性需求，該應用可以對用戶的數(shù)據(jù)分組采用多模態(tài)結合多路徑的方式并發(fā)至目的端，或在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中采用模態(tài)切換的方式保障安全性。

2) 多元網絡模態(tài)應用。該應用由模態(tài)選擇子應用以及各種網絡模態(tài)子應用組成。若不涉及域間傳輸，則模態(tài)選擇子應用主要根據(jù)用戶數(shù)據(jù)分組的模態(tài)類型，將其源-目的二元組信息發(fā)送至對應的模態(tài)子應用進行處理；若涉及域間傳輸，則該子應用還需根據(jù)上層模態(tài)管控應用所制定的模態(tài)切換策略，將用戶數(shù)據(jù)分組中的源-目的二元組信息拆分為多段子集，每個子集為一個域中的源-目的二元組信息，并對不同網絡域啟用相應的模態(tài)子應用進行處理；網絡模態(tài)子應用主要負責管控單一的網絡模態(tài)，例如IP 標識模態(tài)、內容標識模態(tài)、身份標識模態(tài)、地理空間標識模態(tài)等，其主要根據(jù)模態(tài)選擇子應用傳遞下來的源-目的二元組信息以及上層模態(tài)管控應用制定的路由策略，查詢自身所維護的模態(tài)的轉發(fā)信息庫并生成相應的轉發(fā)流表操作。多元網絡模態(tài)應用中，每個子應用以控制器端APP 的形式存在，且每個模態(tài)子應用間相互獨立，便于對異構標識空間進行擴展或維護。

3) 模態(tài)管控北向接口。該接口層是銜接上層應用和底層網絡設備之間的所有北向接口的抽象聚合，提供給上層應用統(tǒng)一的調用方式，例如標準的Packet API、FlowRule API 等。數(shù)據(jù)平面可將網絡狀態(tài)信息、模態(tài)分布信息、內容資源信息等通過模態(tài)管控北向接口提供給控制平面的上層應用，便于模態(tài)管控應用制定相應的路由決策或維護網絡資源信息表。

4) 分布式模態(tài)管控實體。為了防止控制平面管控設備出現(xiàn)單點失效或擁塞問題，網絡中的各個自治域可分別部署多個模態(tài)管控實體，并通過基于東西向接口的集群策略實現(xiàn)各管控實體間的協(xié)同以及內容資源信息的分布式存儲。每個模態(tài)管控實體配置標準的數(shù)據(jù)平面驅動，從而支持多模態(tài)網絡規(guī)模的可擴展性。

5) 南向適配接口。為了實現(xiàn)控制層對數(shù)據(jù)層面的控制，南向接口通過統(tǒng)一的諸如P4Runtime、Netconf 等南向協(xié)議標準實現(xiàn)對底層多模態(tài)網元的連接，并將模態(tài)管控應用或多元網絡模態(tài)應用所生成的流表進行下發(fā)和適配等操作。

該功能框架將異構標識空間管控的主要功能從網絡層統(tǒng)一置于控制平面，并部署至上層管控應用中。控制平面提供了更加全面和完善的網絡狀態(tài)信息以及內容資源信息，管控應用可以依托對網絡的全局性認知制定更合理的路由策略。另外，用于管控單個模態(tài)及其標識空間的子應用之間相互獨立，上層模態(tài)管控應用僅需啟動相應的模態(tài)子應用便可實現(xiàn)對不同異構標識空間之間的互通和管理，具有較強的靈活性。

3 異構標識空間管控流程

本文假定如下應用場景對異構標識空間管控流程進行說明：在地理空間標識網絡域中，網絡利用地理空間標識模態(tài)的能夠支持面向地理區(qū)域通信的優(yōu)勢，提供了一種與在特定地理位置下的玩家進行聯(lián)機游戲的業(yè)務，終端B 作為游戲的開放式主機，等待玩家加入。身份標識模態(tài)具有安全接入、移動性支持、便于實施訪問控制等優(yōu)勢，終端A 側的玩家欲從身份標識網絡域中進行接入，并加入終端B 側的玩家房間中進行游戲，通信過程中所涉及的模態(tài)選擇和切換流程如圖2 所示。

圖2 異構標識空間管控流程

步驟1終端A 通過上層應用服務獲取終端B的目的地址后（此處為地理空間標識模態(tài)的GEOIP），以該GEOIP 作為目的地址構建并發(fā)送地理空間標識模態(tài)分組至身份標識網絡中的多模態(tài)網元A 中，其處理流程如下。

①如果匹配失敗，說明當前網絡數(shù)據(jù)層面不支持該分組的模態(tài)類型，需要進行模態(tài)切換。

② 如果以太網類型字段匹配成功，則該數(shù)據(jù)分組將進入匹配的模態(tài)協(xié)議棧，提取數(shù)據(jù)分組的標識信息，根據(jù)流表項進行匹配，若不存在匹配的流表項，則需將該分組遞交控制平面進行處理。

③若存在匹配的流表項，則數(shù)據(jù)分組可直接按照流表項中規(guī)定的端口進行轉發(fā)。

多模態(tài)網絡中，數(shù)據(jù)平面的多模態(tài)網元均按照上述規(guī)則采取相關操作。

步驟2身份標識網絡中的多模態(tài)網元A 對接收到分組的以太網類型字段進行匹配，執(zhí)行流程①，因此，該交換設備將數(shù)據(jù)分組以Packet_in 的形式發(fā)送到控制平面的多模態(tài)控制器。

步驟3多模態(tài)控制器對收到分組的源-目的地址二元組進行解析，結合自身所負責的網絡域中每個多模態(tài)網元的模態(tài)信息表，將該地址二元組進行拆分，以多模態(tài)網元A 和多模態(tài)網元B 的路由標識RID 作為拆分后的二元組信息傳遞至路由計算模塊，并得出域內傳輸路徑信息。模態(tài)選擇模塊根據(jù)本域中交換設備的模態(tài)信息表，選擇并啟動身份標識網絡模態(tài)應用，身份標識網絡模態(tài)應用根據(jù)路徑信息啟用相應的流規(guī)則生成模塊并下發(fā)轉發(fā)流表。模態(tài)切換模塊根據(jù)網絡模態(tài)信息表啟動“地理空間標識-身份標識”的標識空間映射模塊，并進一步生成所需的模態(tài)切換流規(guī)則，并最終將流表下發(fā)至多模態(tài)網元A 和B 中。

步驟4控制器生成的流表通過Packet_out 的形式下發(fā)至沿途的多模態(tài)網元中。

步驟5用戶的數(shù)據(jù)分組在多模態(tài)網元A 處經過模態(tài)切換動作，被重新封裝為身份標識模態(tài)數(shù)據(jù)分組。沿途交換設備由于存在相應流表，執(zhí)行流程③，因此，數(shù)據(jù)分組會被轉發(fā)至多模態(tài)網元B 中，再經過模態(tài)切換動作還原為地理空間標識模態(tài)分組。

步驟6由于多模態(tài)網元B 不存在轉發(fā)流表，因此執(zhí)行流程②，此時，用戶分組被提交至地理空間標識網絡的控制器中。

步驟7由于用戶數(shù)據(jù)分組的模態(tài)類型與該網絡所支持的模態(tài)類型相同，因此，控制器中的處理流程不涉及模態(tài)切換過程。模態(tài)選擇的過程與步驟3 相似。最終生成地理空間標識網絡所需要的轉發(fā)流表項。

步驟8控制器通過Packet_out 的形式將流表下發(fā)至沿途所需經過的多模態(tài)網元中。

步驟9轉發(fā)設備將數(shù)據(jù)分組中的目的GEOIP與流表項進行匹配，并按照相應端口將數(shù)據(jù)分組最終轉發(fā)至終端B 中。

4 原型系統(tǒng)功能實現(xiàn)和性能分析

4.1 原型系統(tǒng)功能實現(xiàn)

本文基于多模態(tài)網絡所提供的全維可定義網絡環(huán)境初步構建了原型系統(tǒng)，對模態(tài)管控應用、多元網絡模態(tài)應用、模態(tài)管控北向接口等關鍵模塊和軟件進行了驗證。原型系統(tǒng)拓撲如圖3 所示。

圖3 原型系統(tǒng)拓撲

原型系統(tǒng)中包含4 個自治域，分別運行IP 標識模態(tài)、內容標識模態(tài)、身份標識模態(tài)、地理空間標識模態(tài)。原型系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)平面設備包括多模態(tài)網關和多模態(tài)網元，通過在服務器中部署bmv2 軟件環(huán)境的形式實現(xiàn)。其中，每個域中部署3 臺多模態(tài)網元，其加載用于處理本域模態(tài)數(shù)據(jù)分組的P4 配置文件，在接收到控制平面下發(fā)的流表后，可對該模態(tài)類型的數(shù)據(jù)分組進行轉發(fā)；每個域部署一臺多模態(tài)網關，加載用于處理分組轉換的P4 配置文件，實現(xiàn)不同網絡模態(tài)之間的切換。控制平面由4 臺部署了ONOS 的服務器所組成，并通過ONOS-Clustering 集群策略實現(xiàn)分布式多控制器實體間的協(xié)同管控。多元網絡模態(tài)應用以及網絡模態(tài)管控應用中的相應模塊以ONOS-APP 的形式部署至控制器中，采用ONOS-RestAPI 作為模態(tài)管控北向接口。控制平面以P4Runtime 作為南向接口對數(shù)據(jù)平面進行適配。每個域包含2 臺多模態(tài)終端，用于進行各類網絡模態(tài)的分組發(fā)送以及實際業(yè)務的運行測試。

目前所構建的原型系統(tǒng)已成功運行了IPv4 模態(tài)、IPv6 模態(tài)、內容標識模態(tài)、身份標識模態(tài)、地理空間標識模態(tài)所必需的基礎數(shù)據(jù)分組收發(fā)功能，并具備了標識空間切換和管控功能，在此基礎上，成功運行了各類網絡模態(tài)下的部分常見網絡業(yè)務，詳細情況如表2 所示。

表2 多模態(tài)網絡異構標識空間管控原型系統(tǒng)功能

4.2 性能分析

本文所提出的多模態(tài)異構標識空間管控架構的相關功能主要在控制平面進行實現(xiàn)，因此，本文主要針對決策計算時間復雜度進行分析。

對于控制平面的服務邏輯模型而言，由式(1)可知，通過給定的輸入(IDsource,IDdestination)，控制平面可以根據(jù)一定的路由算法得出相應的輸出{S1,… ,Si,… ,Sn}。其時間復雜度主要取決于路由算法，因此，本文不做相應分析。

控制平面的行為適配模型而言，假定輸入n維向量{S1,… ,Si,…,Sn}，由式(2)和式(3)可知，控制平面讀取路由途徑交換節(jié)點的端口模態(tài)信息需要進行np次運算；當控制平面需要進行模態(tài)選擇或切換操作時，由式(5)可知，對端口模態(tài)信息向量的模態(tài)位置零以及獲取模態(tài)選擇和切換行為判斷矩陣需要進行np+nm2次運算；由式(9)可知，計算每個交換設備所適配的處理動作集合所需計算次數(shù)為n(m+1)次；因此，控制平面進行決策計算所需總計算次數(shù)為n(2p+m2+m+1)次。假定系統(tǒng)的平均計算時延消耗一定，則可知決策計算的時間復雜度為O(n)。

5 結束語

本文針對多模態(tài)網絡中異構標識空間互通和切換問題，提出了一種異標識空間管控架構。基于全維可定義的設計思路，對網絡模態(tài)的主動選擇和被動切換過程進行原理性建模，在控制平面設計了網絡管控應用以及多元網絡模態(tài)應用等關鍵模塊，并構建了每類應用所涉及的必需功能模塊，最后通過構建原型系統(tǒng)對所提出的異構標識空間管控架構的相關功能進行驗證，實現(xiàn)了5 種網絡模態(tài)的基礎運行以及異構標識空間的互通、切換和管控，并且支持運行現(xiàn)階段網絡中的部分應用和業(yè)務以及特定網絡模態(tài)下的專用業(yè)務。