未来网络的体系结构研究

摘要： 论述并分析了有关未来网络体系结构的两个重要的技术策略：位置标志与身份标志分离、控制与数据转发分离，叙述了OpenFlow的解决思路，即将控制功能从交换机或路由器中独立出来，指出软件定义网络、网络功能虚拟化是未来网络的研究热点，智能型网络是研究方向。

关键词： 未来网络；网络体系结构；软件定义网络；智能型网络

Abstract： This paper discribes two important technical schemes related to future network architecture： 1） location and identifier split and 2） control and data forwarding split. It discribes the advantages and disadvantages of these schemes and suggests that OpenFlow should be used to split the control function and the switch or router. Software-defined networking and network function virtualization are current research hotspots in future networking， and intelligent networking is a future research direction.

Key words： future network； network architecture； software-defined network； intelligent networking.

1 未来网络相关的研究项目

互联网已成为现代信息社会的支柱。但是，传统互联网在可扩展性、移动性、安全性、可控、可管等方面存在缺陷[1-6]，不能完全满足发展需求。因此，为了增加国际竞争力、造福人民，多个国家把未来互联网或未来网络的研究作为战略性计划。

美国国家自然科学基金会（NSF）在2003年设立了100×100项目，投入750万美元，采用白板设计路线，旨在从根本上从头设计可供1亿家庭、每户100 Mb/s接入速率的网络。现在成为研究热点的OpenFlow技术就是从这个项目启发出来的。NSF在2005年启动了网络创新的全球环境（GENI）计划，旨在建一个全球性试验网络，不同的研究人员可同时在其上做新方案试验而互不影响，并采用网络虚拟化技术来实现各试验网络的隔离。GENI采用螺圈式发展，2012年处于第4螺圈，目前正进入第5螺圈。NSF在2006年设立了未来网络设计（FIND）计划，5年内支持了超过50个创新研究项目。2010年8月，NSF批准了4个未来互联网体系结构（FIA）研究项目，每个项目金额约为800万美元，项目运作时间为3年。它们分别是：命名数据组网，研究以内容为中心的网络，以内容名字来定位；移动为先，解决与移动有关的问题；星云，解决云计算网络有关的问题，使数据中心可靠联网；XIA-expressive 网络架构，侧重于安全和可信机制。这4个项目体现了未来互联网体系结构研究的热点。项目2和4已在上述GENI试验网上做了试验。2011年9月，NSF批准了第5个FIA项目—Choice Net， 项目金额在273.2万美元，项目时间大约为3年。该项目将经济学用于网络研究，使用户可以选择最优的服务。

加拿大的自然科学与工程研究委员会批准了战略性项目——虚拟基础设施上的智慧应用（SAVI）。该项目于2011年11月开始，为期5年，经费500万加元，内容包括智慧应用、扩展的云计划、智慧融合边缘、集成的无线/光接入等。

欧盟第7个框架计划（FP7）在信息与通信技术（ICT）方面投入91亿欧元，分有8个方面，第1方面是普适可信的网络与服务基础设施。欧盟于2008年设立了未来互联网的研究与试验（FIRE），类似于美国的GENI。FP7 ICT对未来网络设立的项目已超过90个，分为三大类：未来互联网体系结构与网络管理、无线接入与频谱利用、融合与光网络。对于体系结构类，较早的有未来互联网体系结构与设计（4WARD），近期有采用分离结构的电信级未来网络（SPARC）、可扩展和自适应的互联网解决方法（SAIL）、出版订阅互联网技术（PURSUIT）、用OpenFlow试验实时在线交互式应用（OFERTIE）等。值得注意的是：继欧盟研究与创新计划FP7后，2014年开始的框架计划改称为地平线2020，多个领域已开始征求意见。其中，未来网络技术研究与创新从3方面征求意见：集成的基础设施、智慧网络和体系结构、用户展望。

2006年5月，日本启动了AKARI项目，提出研究可供2015年应用的新一代网络。AKARI的日语含意是星星之火。该项目采用了身份与位置分离的方法。韩国的未来互联网研究计划[7]，采用OpenFlow的试验网，已和美国GENI互联，并将在跨欧亚信息网络（TEIN）上作试验。

中国较早地开展了下一代互联网的研究，国家自然科学基金、国家重点基础研究发展（“973”）计划、国家高技术研究发展（“863”）计划、国家科技支撑计划、中国下一代互联网（CNGI）项目等都做了支持[8]。近年来，“973”计划支持的有关未来网络体系结构项目有：一体化可信网络与普通适服务体系基础研究（2007CB307100）、可测可控可管的IP网络的基础研究（2007CB310700）、新一代互联网体系结构和协议基础研究（2009CB320500）、面向服务的未来互联网体系结构与机制研究（2012CB315800）、可重构信息通信基础网络体系研究（2012CB315900）、智慧协同网络理论基础研究（2013CB329100）等。上述编号的前4位表示开始的年份，前2个项目已经结题。

为了适应信息服务的发展和赢利，电信运营商提出了“智能管道”的研发。中国电信北京研究院提出了“智能型网络”，已在国际电信联盟（ITU）立项。

上面综述的有关项目中出现了下一代、新一代、未来互联网或网络等名称。由于三网（电信网、互联网、广播网）已逐步融合，而且考虑长远发展，因此文章采用了未来网络的这一名称。

未来网络体系结构的研究路线可分为两大类：一是革命性的重头设计，二是演进性的设计。它们各有优缺点。前者从根本上重新设计，有利于取得突破性创新，而且可以指导网络的长远发展，当然，还要考虑如何过渡问题。后者认为现有庞大的网络不可能突然抛弃，宜采用演进方式来完善。

2 未来网络的关键策略

未来网络的体系结构涉及各种关键技术，下面将论述两个关键技术策略。

2.1 位置标志和身份标志分离

传统互联网中的IP地址码既是用户或节点的位置标志（你在哪里），又是身份标志（你是谁）。这种简单化处理曾使互联网便于推广应用。但是，随着网络的发展，这种绑定产生了问题：

（1）不利于支持可扩展性。主要表现在核心网中边界网关协议（BGP）路由器中转发信息表（FIB）条目数增长过快。据统计，2005年1月FIB条目数约有15万条，2010年1月约有31万条，而到2013年1月则发展到约44万条。因此，人们担心，这样发展下去可能会超过路由器的承受能力。条目数的增长固然与用户数增长有关，但还与位置和身份绑定有关。为了压缩条目数，宜将具有相同前缀的位置标志码聚合起来。但是，如果用户不肯改变身份标志，则在换运营商时绑定的位置标志不能在新情况下聚合。此外，如用户采用多种网络同时进行连接以增加可靠性，或者为了负载均衡，将流量由多种网络分担，都会增加条目数。

（2）不利于支持移动性。在执行一个服务过程中，我们常希望通信双方的身份不变，如果有身份改变，服务者认为出了问题，就会停止服务。用户移动时，位置改变了，但身份没有变，位置和身份绑定就有矛盾。在现有互联网中，IP地址改变会引起上层传输控制协议（TCP）的连接中断。

（3）不利于嵌入与身份有关的安全性措施。

由于上述原因，近年来业界提出的未来网络体系结构大多采用了位置标志和身份标志的分离的方法。日本的AKARI和美国的Mobility First等项目采用的位置和身份标志分离方案要对已有主机进行更改，属白板设计。

Cisco公司提出的位置标志/身份标志分离协议（LISP）把分离机制放到网络中实现[1]，不需改变主机，不需改变核心网中的路由器，属于可演进的设计。LISP已在美国新泽西州研究教育网（NJEDge. Net）应用，解决在多个运营商网络上建立虚拟专用网，可实现多宿运用以增加可靠性，并实现流量均衡。Cisco公司已将LISP在其某些路由器上装用，并计划将LISP纳入与软件定义网络有关的Cisco开放网络环境（ONE）。

在位置和身份分离的网络中，需要解决身份标志和位置标志的映射，目前也有多种方案，各有优缺点，需要继续研究。

文章第1节中提到“以内容为中心的网络”的说法，但也有人采用“以信息为中心的网络”等说法[9]。在这种应用中，重要的不是主机和主机间的通信，而是如何找到并获得所需的内容，涉及如何对内容命名、如何找到内容、如何选路将内容发给用户等。这里也是把内容的标志（命名）分离出来。文献[10]对以信息为中心的网络中的命名和选路作了综述。

2.2 控制与数据转发分离

早期的路由器中，路由控制和数据转发功能是紧密地合在一个组件中实现的。随着技术发展，要增加控制功能如服务质量保证等，数据转发也要实现极大地增速、区分服务等，合在一起设计影响了各自的发展。因此，人们提出控制与数据转发分离，即网络中设控制面和数据面。

1996年业界提出的多协议标记交换（MPLS），就采用了分离的控制面和数据面。在MPLS网络中，要传送的IP包进入到MPLS边缘路由器后，加一个标记再封装起来，在网络中根据这个标记来转发。MPLS的优点是易于实现虚拟专用网（VPN）和流量工程等。后来，业界又提出了通用多协议标记交换（GMPLS），可将IP网的MPLS扩展到光层，实现IP over WDM的统一控制面。

互联网工程任务组（IETF）在2004年的RFC 3746中提出了ForCES转发与控制件分离架构，目标是打破网络的封闭性， 分离转发和控制件，定义它们的开放的通信接口。控制件和转发件可以独立发展。中国浙江工商大学王伟明教授参加了ForCES的有关工作，提出了RFC 5810和RFC 6053。ForCES的工作和工业界联系紧密度不够，所以没有像下面要提到的OpenFlow那样成为热点。

2007年，美国斯坦福大学Nick Mckeown教授的网络白板设计课题组想在校园网上试验各种新的协议，但当时的局域网交换机对用户缺少公开的接口，遇到困难。有一位博士生Martin Casado想出了一种解决思路，后来成为“OpenFlow”，他还和Mckeown教授等创建了一个与OpenFlow有关的创业公司，名为Nicira。2012年，Nicira公司被VMware公司用12.6亿美元收购。现在，OpenFlow已成为网络界的热点。

OpenFlow的思路是将控制功能从交换机或路由器中独立出来，例如放在一个计算机中。留在交换机中有一个数据流表，控制部分通过一个安全通道，按照OpenFlow协议对数据流进行控制。这样，用户可通过计算机试验新协议。数据流表可支持多种数据类型格式，通过控制可被设置各种数据流的出口、改变类型或丢弃等。若收到一个未知种类的分组包，会将这个包送到控制部分去，控制部分通知如何处理这个包，如丢弃或建立新的类型和如何转发等。

OpenFlow的工作和工业界联系紧密，不少网络公司已有相关产品。目前，OpenFlow适用于数据中心的局域网络和企业专用的网络。据称，Google公司采用了OpenFlow技术，自行研制了通过10G网络来连接分布全球的12个数据中心，从而将链路使用率从以往平均30-40%提升到接近100%。国际上从事未来网络研究的一些项目，如美国的GENI，采用了OpenFlow，可使各个研究人员在上面做试验而互不影响。

但是，如何将OpenFlow用于运营公司的多域多层网络，还有待研究。文献中有研究提出将OpenFlow用于光网络、IP over WDM网络的方案，也有研究提出将OpenFlow和MPLS、GMPLS相结合的相关方案。

3 未来网络的研究方向

近年来，软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）成为研发热点。从较长远来看，智能型网络是研究方向。

3.1 软件定义网络

互联网上运营的服务种类层出不穷，特别是云计算的推广应用，对网络提出了适应动态业务量需求、对各类业务流提供区分服务质量等。这对网络控制能力提出了高要求。借鉴了OpenFlow的思想，网络界提出了SDN。

SDN的思路是将控制部分独立出来，可把网络分为3层，从上到下是：服务层、控制层、基础设施层。控制层可以根据服务层提出的要求，灵活、合理地分配基础设施层的资源。控制层用软件实现，管理者可通过编程，实现网络的自动控制、运行新策略等。为了使网络资源（包括异构网络）便于调度，我们可采用网络虚拟化技术，即把物理资源映射为虚拟化的逻辑资源。这种方法更加有利于资源分配。

SDN的控制层可采用OpenFlow方案，但并非一定要采用OpenFlow。

为了推动SDN的发展，国际上在2011年3月21日成立了开放网络基金会（ONF），目标是软件网络的优化等，构建可扩展、灵活的网络，适应变化的商业需要。参加的有网络设备公司、半导体公司、计算机公司、软件公司、电信运营商、数据中心运转者、企业用户等。ONF也制订OpenFlow的相关规格。

SDN已在数据中心、企业网络等得到应用，而且不断有新产品。但是在电信级广域网中如何应用，尚需进一步研究。

可采用SDN的3层架构，使基础设施和控制功能的提供商分离，让更多的硬件公司提供基础设施，正像计算机那样，多个公司可生产硬件配置。但是，实现控制功能的软件应是开源的，以利于推广应用。

3.2 网络功能虚拟化

网络虚拟化的研究已有多年，但是2012它年受到了电信运营商的特别重视。国际上7家电信运营商发起成立了一个新的网络功能虚拟化标准工作组。AT&T、英国电信、德国电信和Verizon等联合其他52家电信运营商、电信设备供应商、IT设备供应商等组建了欧洲电信标准化协会（ETSI）网络功能虚拟化（NFV）行业规范工作组（ISG）。该工作组的首次会议已于2013年1月15-17日在法国举办。网上可查到对NFV与SDN关系及其优点的介绍。

3.3 智能型网络

自然界在不断进化，从简单的生物进化出了有智慧的人类。网络也在进化中，方向是智能化或智慧化。2011年10月在国际电信联盟（ITU-T）NGN-GSI SG13会议上，由中国电信牵头，联合中国移动、中国联通、工信部电信研究院、中兴通讯等单位共同提出的智能型网络增强架构（NICE），需求与能力标准获得立项。该项目通过多维感知、按需保障、灵活协同、资源优化、能力开放等五大能力集，构建智能型网络，为进一步研发提供了条件。

4 结束语

国际上对未来网络包括其体系结构的研究十分重视。新成果、新产品不断出现。我们应抓住机遇，做出有创新的成果。

参考文献

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