面向服务的未来互联网体系结构研究

唐 红，张月婷，赵国锋

(重庆邮电大学未来网络研究中心，重庆 400065)

0 前言

互联网以前所未有的速度，发展成为重要的信息基础设施，并渗透到经济社会生活方方面面，深刻地影响和改变着人们的工作、学习和生活方式。互联网规模之大、应用之广、用户之多远远超出了当初的设计目标。尽管互联网技术不断发展，然而体系结构上的局限，使得互联网发展受到扩展性、移动性和可管可控等问题的巨大挑战［1］，迫使人们重新考虑互联网的设计目标和理念，研究未来互联网的体系结构及其机理，由此引发未来互联网的研究热潮［2-3］。

经过四十多年的发展，互联网已经从单纯的数据通信网络成为全社会参与的、提供各种服务的信息平台。据第30次中国互联网发展统计报告［4］，到2012年6月底，我国网民人数达5.38亿，其中最引人注目的是，手机网民达到3.88亿，手机首次超越台式电脑成为第一大上网终端。互联网普及率已达39.9%。包括即时通信、网络娱乐、微博、电子商务、网络金融等在内的新兴互联网应用迅速扩散。这些情况表明，越来越多的人将工作和生活的更多内容转到了互联网上，通过网络进行工作、学习和生活。面对这样的情况，基于“智能终端+傻瓜网络”、“端到端［5］”等设计理念发展的互联网显得力不从心，未来互联网研究成为当前世界各国科研的重要领域。

未来互联网的研究主要有2种思路:全新革命式(clean-slate revolution)和增量演进式(incremental evolution)［6］。前者认为现有的互联网体系结构已经不能满足未来对于互联网的需求，因此，需要从零开始，构建一个全新的网络结构［7］。“演进”的观点则认为目前的互联网已成规模，从零开始不现实，主张在现有面向服务网络体系结构的基础上进行改进、整合或改良。这2种思路都有许多项目和研究者支持［8-12］。在全新革命式发展思路方面，如美国国家科学基金会(NSF)的FIND(future internet design)和GENI(global environment for network innovations)计划，欧盟在FP7框架下的FIRE(future internet research and experimentation)计划，日本的AKARI项目等。增量式演进路线中的研究由来已久，在互联网的发展过程中，人们首先考虑演进路线，不断改进和完善网络性能与功能。尽管互联网经过多年的发展，其规模之庞大、结构之复杂、用户之众多、应用之广泛早已超出当初的设想，但互联网仍能够维持运行。我国也设立了许多重大研究项目来支持相关方面的研究，如国家973计划项目“新一代互联网体系结构理论研究”、“可测可控可管的IP网的基础研究”、“一体化可信网络与普适服务的基础研究”、“面向服务的未来互联网体系结构与机制研究”，国家863项目“新一代互联网技术综合实验环境”等。

目前，未来互联网研究的重点是新型面向服务网络体系结构及其关键技术，其中，以服务为中心来构建未来互联网络得到了广泛的认同［13］。本文从“演进式”与“革命式”2个研究思路对以服务为中心的未来互联网体系结构研究现状进行介绍，并分析和比较它们的基本思想和特点。

1 相关概念

1.1 服务

“服务”是一个使用非常广泛的词。在上海辞书出版社出版的《辞海》(1999年版)中，服务是“不以实物形式而以提供活劳动的形式满足他人某种需要的活动”。

在互联网领域，服务的含义更广。搜索引擎，内容分发和社交网络等都统称为服务［14］。服务和内容已被看成网络的核心实体［15］。因此，服务可以理解为“数据”和“处理”的结合体，其中“处理”包含对数据的计算和存储。

1.2 服务计算和SOA/SOC

服务计算(services computing)已经成为当前学术界和工业界的新宠儿，但目前为止尚无统一的概念，在不断发展变化中，其含义也在不断变化。从软件系统设计与开发的角度出发，认为“服务计算是一种以服务为基本元素进行应用系统开发的方式［16］”。新兴的面向服务的计算模型(service oriented computing，SOC)将信息资源、计算资源等封装为服务(基本服务被独立地开发、部署、发布)，通过查询、绑定等过程，将适当的服务组合到一起并定义、约束其相互间的交互行为，从而实现复杂应用系统的快速开发和部署，这一面向服务的体系结构(service oriented architecture，SOA)成为了新一代的软件系统开发模式［16］。以服务为核心的未来互联网的思想来源于软件设计中面向服务的架构设计，以及面向对象的编程思想，即以服务为核心构建体系结构的思想或者把服务作为基本的构件来简化网络的各种功能，这些原则和方法都可经过加工适用于未来的通信网络［17，21］。

传统互联网以实现主机的互联为重点，面向服务的网络则以服务为驱动，对服务进行命名、注册、发布、订阅、查找、组合、路由等各种操作，是以服务为中心的网络，各种属性、粒度的服务都是网络实体，比如文件存储和检索、音视频流和记录、存储图像视频的处理、网上购物、基于位置的各种业务、云计算和电信业务等［18］。

2 面向服务的未来互联网研究思路

当前面向服务的未来互联网体系结构研究主要有3种方案:①以内容为中心的网络;②基于服务组合的网络;③基于云计算的网络。

2.1 以内容为中心的网络体系结构

互联网上各种信息，比如资讯、音乐、影视节目等可统称为内容。如今互联网的主要用途已不仅仅是信息传输的通道，已成为内容的产生、共享和访问的平台。以内容为中心网络(content-centric networking，CCN)打破了传统的“主机-主机”通信模式，而将内容作为网络的首要实体。用户可不关心具体连接到网络中哪台服务器，而是对访问所需的特定内容感兴趣。实现以内容为中心网络的主要技术路线有3种:①在网络层和传输层之间添加服务层，通过服务层提供多种服务，并改善网络状态，如增强可靠性和可扩展性等;②在应用层中引进新的协议技术，构成覆盖网，提供面向服务的网络应用，如快速下载、内容共享等;③直接对内容命名、寻址和路由，将网络要时刻维护的终端连接改为内容与客户的连接。

2.2 基于服务组合的网络体系结构

服务组合是指服务被独立地开发、部署、发布，通过封装、查询、绑定等过程，将适当的服务组合到一起形成新的功能更强的服务。服务组合也是面向服务的软件体系结构SOA的重要思想。由于单个服务功能有限，往往难以满足应用需求，在面向服务的未来互联网研究中，服务组合成为网络提供服务的重要技术路线。基于服务组合的面向服务网络体系结构在服务组合思想的基础上，通过定义、约束服务间的交互行为，使网络为用户提供可定制的服务。比如，通过服务组合方式构建数据包的包头，使数据包的构建不受严格的分层限制，在网络运行的任何结点可以根据应用需求在包头中添加控制模块，提供可定制的网络功能［19］。也有研究采用与服务组合相似的 JUST-IN-TIME协议模型，用 Silos代替TCP/IP模型中的应用层和物理层之间的通信功能，将网络中所使用的算法或协议抽象为方法(method)，由method构成各种各样的服务集合，这种面向服务网络体系结构使网络在控制模块(control agent)作用下随时根据用户反馈的信息调节Silos中机制策略或参数［20］。

2.3 基于云计算的网络体系结构

目前，云计算已经成为互联网的重要服务平台，得到了广泛的应用。云计算的基础架构即服务(infrastructure as a service，IaaS)、平台即服务(platform as a service，PaaS)、软件即服务(software as a service，SaaS)等思想，正好体现了面向服务的未来互联网的“一切都是服务”的精神。将云计算中心集成到未来互联网体系架构中，将存储和计算作为重要服务内容，自然成为了面向服务的未来互联网体系结构研究中所选择的重要技术路线之一。将云计算中心作为未来互联网的服务中心，通过云计算中心建立覆盖网，来统一管理云计算中心之间的安全机制。而且在各个云中心之间有可靠高速的数据连接，使得资源利用达到最大化，为用户提供更加统一快速的虚拟化资源［22］。

3 演进式路线未来互联网体系结构研究

未来互联网体系结构的演进式路线是在现有网络架构基础上进行改进和完善，故又称为增量型演进路线。主要思路有2种，①在网络层和传输之间添加服务层的方式，如面向服务的互联网(serviceoriented internet，SOI)［23］;②在应用层上引进新的协议技术构建重叠网，以实现为用户提供各种服务的目的，如 P2P(Peer-to-Peer)网络［24］、内容分发网络(content delivery network，CDN)［25］。

3.1 面向服务的互联网(SOI)

SOI由美国明尼苏达大学Jaideep Chandrashekar等提出。该体系结构通过在现有IP网络层和传输层之间上加入服务层(service layer)，如图1所示，建立灵活、统一和可扩展性的平台，基于内容进行路由转发。该体系结构的服务层在网络层之上，有自己的命名、编址和路由方式。服务层主要由服务云构成，服务云是服务实体的集合，为用户提供网络应用和信息服务。服务层采用两层的编址方案＜sid，oid＞，其中，sid是32位的服务云标识，类似于IP地址，由权威机构统一管理和分配;oid用来标识服务云内部的服务实体，由服务云内部决定相应的编址方案，如服务提供者为了保证安全，将oid的编址方案隐藏在服务云内部，以防攻击。

图1 服务层在协议中的位置Fig.1 Service layer in the protocol

该结构还引入了新的网络元素:服务网关(service gateway，SG)和服务接入点(service point-of-presence，S-POP)，如图2所示。SGs可以看做底层网络域的扩展，位于网络边缘，具有数据传输和控制功能，数据平面用目标sid将服务实体转发给目标服务云，SG内部存有服务路由表，该表通过SGRP(secure grid routing protocol)协议建立。每个服务云至少有一个接入点(S-PoPs)与服务层连接，S-PoP有2个作用:①与SG一起转发和路由来自或发往服务云的服务对象(service object);②与服务云中其他S-PoP一起来路由和转发服务云内部的服务对象。

图2 SOI网络体系结构Fig.2 SOI architecture internet of service

SOI体系结构中引入了位置独立的双层编址方案和SGRP协议为互联网提供灵活性、可扩展性和移动性服务。位置独立的双层编址方案可以支持用户的移动性和不同QoS要求的服务，主要由S-POP实现。当用户在S-POP注册时需要录入通信设备的位置和要求服务的模式，S-POP根据这些注册信息产生相应的oid与物理设备通信。当用户移动时，S-POP实时更新逻辑oid与物理设备的映射关系。位置独立的编址方案还能改善安全性，服务云将服务实体与网络层隔离，防止DDOS攻击等安全问题。服务提供者即服务云的数目远远小于DNS中的域名，具有更好的可扩展性。

3.2 P2P 网络

P2P网络是位于应用层的覆盖网，由参与的对等节点(Peer)共享所拥有的硬件资源(如处理能力、存储能力和网络连接能力等)和内容资源［23］。P2P网络具有资源的存储、搜索查询等功能可以使互联网提供以内容为中心的应用如文件共享、P2P语音业务、移动P2P等。P2P的体系结构可以抽象为3 层［26］，如图 3 所示。Overlay nodes management layer主要负责节点的管理，如节点的加入和退出、路由算法的优化。Features management layer处理P2P系统的安全、可靠性以及可用资源的积聚和维护。Services specific layer负责P2P基础结构与具体应用之间的任务调度，内容和文件的管理。

P2P网络中，资源的放置是与网络的拓扑结构密切相关的，因此资源搜索和定位采用DHT网络提供的算法执行。DHT主要包括3个部分:通过对对象名的散列，得到对象的Key值和节点ID的标识符;在节点中存储对象关键字和与存储位置相关的＜key，value＞散列对;通过某种算法机制对各个节点维护的路由表和数据进行管理。

图3 P2P覆盖网架构Fig.3 P2P overlay network

3.3 内容分发网络(CDN)

CDN将内容发布到最接近用户的网络“边缘”，使用户可以就近取得所需的内容，解决网站拥挤问题，提高用户访问网站的响应速度。CDN网络体系结构如图4所示，CDN网络主要由内容分发复制模块和请求重定向模块构成，也是基于TCP/IP构建的覆盖网。CDN通过内容路由技术、内容分发技术、内容存储技术和内容管理技术4个关键技术提供以内容为中心的体系结构，使内容提供者的内容在更广大的范围内得到使用［27］。通过内容感知调度，可以将用户重定向到存有该内容的代理服务器，实现服务器之间的负载平衡。

图4 CDN网络体系结构Fig.4 CDN network architecture

CDN网络的代理服务部署采用分层模式，居于下层的代理服务器距离用户最近，可以提供比较高的QoS，位于上层的代理服务器由于覆盖的区域大，切换频率小，可以在某种程度上解决移动用户对多媒体数据的请求，比较典型的技术有 MSM-CDN。CDN通过在互联网之上部署新的大规模基础设施来缓存数据，从而减少缓减流量激增问题。

4 革命式路线

全新的革命式发展路线不再局限于TCP/IP模式，采用新思路设计以服务为核心的未来互联网体系结构。主要思路有3种，分别是将内容或数据作为网络层核心，如 NDN［28］、DONA［29］;采用软件构件化思想设计面向服务网络体系结构如SONATE［30］;将云计算作为重要组成部分，如 NetInf［31］和 SOFIA［32］等。

4.1 命名数据网络

命名数据网络(named data network，NDN)是美国NSF资助的研究项目［28］。其基本思想是将通信的模式从关注于“在哪”(例如地址、服务器、端系统)到关注于“是什么”，即用户和应用关注的内容，是一种以内容数据为中心的面向服务网络的体系结构，如图5所示，NDN通过命名数据而不是IP进行路由，把数据作为基础实体，数据核心层之下采用现有或新增的网络技术，如光纤通信、TCP/UDP等传输方式，数据核心层之上采用相应的安全和流控制等基于名字的应用机制。

图5 NDN的体系结构模型Fig.5 NDN architecture model

NDN的功能模块主要包括:命名、以数据为核心的安全、路由和转发、缓存等。为了动态的获取数据，用户按事先约定好的命名规则生成名字，该名字不必是全局唯一的，但在全局请求数据时需要唯一。NDN网络的通信过程由请求方，即数据的“消费者”驱动。请求数据的过程为:首先发送一个带有所需数据标志名字的Interest数据包;路由器记录该请求进来时的端口，然后查询路由器中的Content Store是否含有请求的数据，如果有就返回，没有就查询PIT(pending interest table)，如果还有该 Interest的其他用户请求，就将该端口记录在PIT中，一旦该数据到达，就向PIT记录的端口转发该数据;如果在PIT中没有记录，就继续查找路由器的FIB(forwarding information base)，通过以名字的路由协议查找包含该数据的结点，找到后，按原路返回包含名字、数据和数据生产者签名的数据包。

以命名数据来代替IP地址寻址可以解决网络的安全性问题，使网络始终保护的是内容本身的安全。NDN采用名字的路由和转发方式，解决了当前网络所面临的地址耗尽、NAT转换、移动性和可扩展性管理4个问题。NDN的路由可以将OSPF(open shortest path first)和BGP(border gateway protocol)等协议修改采用名字的路由方式。命名方式作为NDN的重要组成部分，仍在研究探讨中。NDN体系结构没有独立的传输层，将当前网络传输层的功能放置到应用层，多路复用直接通过名字实现。NDN路由器依据PIT的大小进行流量负载管理，解决流量扩展性的问题。终端与所请求的内容保持连接，解决网络的动态性问题。可以建立专门的管理层，通过加密数据，仅使有权限的客户通过相应的密钥来接收和解读数据，实现网络的可管可控。

4.2 面向数据的网络体系结构

面向数据的网络体系结构(data-oriented network architecture，DONA)是由美国伯克利大学提出的，采用以数据内容命名的解析和路由方式。与NDN不同的是，DONA采用RH(resolution handler)分级的信息注册映射机制，向用户返回数据时，可以选择IP的路由方式或者按原路返回模式，更适合与当前网络融合。

DONA的命名采用P∶L形式，其中，P是指经过加密的公钥，L是指内容的标签，具有唯一性。只有被授权了P的主机才可以为P∶L形式的名字提供实体，同时这些名字独立于应用程序，全局唯一的，可以命名内容和服务。DONA架构采用名字的路由方式，网络实体被命名为RHs(resolution handlers)。RH具有缓存机制，减少路由的跳数和流量负担，可以对注册的数据进行管理，能有效阻止不良信息的传播。

名字解析的两部分分别是:FIND(P∶L)和REGISTER(P∶L)，用户通过发布 FIND(P∶L)来定位名字为P∶L的内容的位置，RHs通过路由将该请求送到附近副本存放的位置，REGISTER信息为RHs收集路由FINDs的状态信息。不同于DNS或HTTP(hyper text transter protocol)技术，DONA可以为数据或内容的获取提供更好的持久性和可达性，只要网络中存在用户所查找的内容，无论数据存储位置是否变化都可以找到，而不会返回域名不存在的提示，同时基于数据的命名方式，可以使数据的认证更加可靠。

DONA中的RH具有DNS和路由的功能，通过RH的一级级访问，找到数据或数据的副本，找到数据后按原路返回给用户，这样可以不用IP作为数据包的包头。DONA提供移动性和多链路接入，漫游主机在离开一个区域时注销，到达新的位置后向RH重新注册即可。DONA通过缓存、订阅等策略改善内容分发效率。

4.3 面向服务的网络体系结构

面向服务的网络体系结构(service oriented network architecture，SONATE)基于服务组合的设计思想，重点解决如何将应用层软件设计思想应用到网络结构中、如何描述不同的服务以及在不同的服务之间定义相应的接口，提供可管可控高质量的服务。该架构通过Core Common Service层提供应用层与网络基础设施之间的链接，提供基本服务(basic services)、组合服务(composed service)和处理服务(process services)。基本服务是指数据链路层所采用的机制比如无线链路、错误校验和流量控制、排序等;组合服务是指由基础服务在控制机制下经过一定的排列组合实现的通信功能比如TCP，IP等协议;处理服务是指应用层为了满足用户或某种应用要求而提供的服务，比如音视频的编解码等。通过这些不同粒度的服务在网络的控制策略的管理下组合为用户所需要的通信功能，这种方式可以彻底解决网络处理信息的灵活性，从而使网络可以动态地调整运行状态达到最优化。

4.4 发布/订阅网络体系结构

发布/订阅网络体系结构(publish/subscribe internet routing paradigm，PSIRP)是FP7计划中未来互联网的研究项目，该项目主要采用了发布订阅的思想，以革新的方式将以往应用层采用的发布订阅的思想应用到网络层［33］。在PSIRP体系结构中，主要由4个功能模块构成［34］，如图6所示。其中，rendezvous interconnect是内容发布者和订阅者的中间人，在本地区域内，它可以掌握用户所感兴趣的信息和发布者所在的网络区域，在拓扑节点(topology node)的帮助下可以平衡各个区域的负载。拓扑节点拥有各个域中所有的数据资源和发布者分布的各种拓扑信息，可以通过rendezvous中的RID实现各个域间信息的交流。该体系结构的路由通过拓扑节点提供的拓扑信息在分支节点(branching node)中为用户请求的内容建立转发树，分支节点还可以在某些结点缓存受欢迎的内容，更快速地为客户服务，转发节点(forwarding node)根据产生的转发树直接进行转发。路由表的建立采用扁平的标识，有利于路由表的扩展，路由和转发系统分别使用标识可以更好实现网络的动态性和多链路机制。

图6 PSIRP网络体系结构功能模块Fig.6 Function modules in psirp network architecture

PSIRP的通信流程如下:

1)数据源由潜在的发布者授权存在HRN(home rendezvous network)的指定的scope范围;

2)HRN通过rendezvous之间的RI(Rendezvous interconnect)标识广播存在该数据的scope;

3)订阅者向本地的RN(rendezvous network)发送由发布者定义的＜Sid，Rid＞请求标识，如果订阅者所在的本地RN存在请求内容，则直接给用户返回数据;如果本地RN没有该内容，则需将请求信息通过RI路由到存在该数据的RN网络，同时返回给订阅者一系列元数据和在路由层路由所需的网络拓扑信息;

4)订阅者将收到的订阅信息发送到Branching point，生成转发树;

5)发布者通过上一步生成的转发树将请求的内容转发给订阅者。

PSIRP的标识采用自我认证方式来增加安全性，数据的接收者或用户通过Rid(rendezvous identifiers)和Sid(scope identifiers)标识以订阅方式发起通信，将通信的控制权交给用户，避免了垃圾信息的恶意攻击。同样的内容可以发送给多个订阅者，增强了网络的可扩展多播功能。基于内容的发布订阅系统与内容分发系统都是以内容进行路由的方式，与NDN，CCN不同的地方在于发布订阅系统首先通过用户的订阅，将内容更新推送给订阅者，比如天气业务或实时阅读反馈RSS等生存期短的信息业务。

4.5 NetInf

NetInf(network ofinformation)［31］是 欧 盟4WARD项目中提出的架构，该架构将信息作为网络的核心元素，更适合信息的分发和交换。其中的信息称为IOs(information objects)，指相应的内容、网页、邮件、流媒体、实时的语音服务和物理实体等。该信息模型中还将不同格式的数据称为DOs(data objects)，比如对于同一首歌，有采用不同压缩算法的数据块与IOs相对应。在该信息模型中，IO可以由其他的IOs构成，或者每个IO对应一个或多个DOs实体。

NetInf为实现以信息为核心的网络，提出名字解析、路由、存储和查找等以信息为核心的功能模块。NetInf的名字解析机制NR(name resolution)可以将标识解析到一个或多个位置，解析方式分为全局解析和本地解析。名字解析模块将位置独立的标识映射为拓扑中的具体位置，所有路由信息在网络中传输。关于路由模式，有传统的基于拓扑的路由策略和基于名字的路由策略2种方案。基于名字的路由策略在对DOs进行路由时不必将标识再转换为位置标识，在选择路由策略时必须保证数据转发快，路由表大小可控，尽量减小名字解析数据库和路由协议的通信开销。NetInf将数据存储功能作为体系结构的基本功能，使内容分发更加有效，是网络运行的基本模式。

NetInf中的搜索模块根据每个IOs的属性和元数据返回所有相关的IOs或DOs。这种搜索方式可以使体系结构以信息为中心，使信息分发更加有效。内容提供商在NRS(name resolution service)处注册，一旦用户请求该信息，先由NRS解析出这些信息对应的一系列存储位置，然后从这些位置中选择最优的资源将数据传输给用户。这种方式实现了信息和位置的分离，并使网络用信息进行路由、存储和搜索。该架构可以独立于具体的传输层协议，也可以在现有网络上部署，与其他协议共同存在。

4.6 面向服务体系架构(SOFIA)

我国科学家提出的面向服务体系架构(serviceoriented future internet architecture，SOFIA)［32］是在互联网的体系结构中以“服务层”代替网络层，其基本理念是将网络看成一个服务池(service pool)，以服务标识为核心进行路由，增加网络侧的智能使得互联网成为集传输、存储和计算为一体的服务体系，同时将云计算作为重要的组成部分。对服务的基本操作包括服务注册、服务请求和服务更新等。在这个体系下，针对网络的可扩展性、移动性和安全性，提出了相应的解决方案，比如，采用智能网络，上下文敏感的路由迁移策略，以及身份和位置分离的方案解决可扩展性问题;采用服务标志和位置分开，将网络作为服务资源池解决移动性问题;采用虚拟化、监控和认证模块解决安全性问题。

5 结论

在互联网向未来发展的进程中，不管是全新的革命路线，还是增量式演进路线，面向服务的网络体系结构都得到广泛的认同，都把服务作为网络的核心实体，对其进行命名、注册、发布、订阅、查找、组合、路由等各种操作。尽管这2种路线存在是否继续沿用现有网络体系的问题上采取了截然不同的态度，但为解决互联网在可扩展性、移动性和安全性等方面的缺陷上却采取了类似的关键技术。比如，用身份标识与位置标识分离技术解决移动性问题，采用服务本地化思路解决核心网流量过大的问题，采用增强网络内的感知、管理和智能控制功能，提高网络的安全性和可控可管性。目前，全新革命式的未来互联网体系结构处于研究和实验网验证阶段，而增量演进式的未来互联网则可在现有网络上部署应用示范。这两种路线的研究和实验都在同时进行，还有不少问题需要解决，也许最终两者会走向融合，并网共存，如何过渡，也是需要研究的问题。

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