弹性网络节点技术研究

张文志，李吉良，王金江，张学敏

(1．通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081； 2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

弹性网络节点技术研究

张文志1,2，李吉良2，王金江2，张学敏2

(1．通信网信息传输与分发技术重点实验室，河北 石家庄 050081； 2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北 石家庄 050081)

针对未来弹性网络对网络节点“资源可管可控、环境可感可配、核心功能可重构、关键属性可跳变”的要求，对弹性通信网络的“三层四面”的整体架构和工作原理进行了介绍，结合软件定义网络(Software Defined Network，SDN)、网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)、内容中心网络(Content-centric Network，CCN)等网络新技术的技术思想和发展趋势，提出了弹性网络节点体系结构，阐述了功能重构、属性跳变等技术内涵及实现思路，最后对相关技术进行了对比，并对弹性网络节点技术的应用前景进行了展望。

弹性网络节点；功能重构；属性跳变

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

随着科学技术的发展，信息已经成为当今社会向前发展的巨大推动力，互联网作为信息的一个成功载体，已经渗透到包括政治、经济、文化、教育和卫生等人类社会生活的方方面面，成为人们日常生活不可缺少的一部分。然而随着网络规模的不断扩大、用户数量的飞速增长，以及物联网、大数据和虚拟现实等新型应用的不断涌现，传统互联网架构面临灵活性越来越差、智能化程度低、移动性支持能力不足和安全性差等不足，迫切需要创建全新的互联网体系结构[1]，以满足经济与社会发展对信息网络提供“高速”、“安全”、“弹性”、“智能”、“泛在” 通信的重大迫切需求[2]。针对物联网、大数据、虚拟现实等新型业务广泛应用对传统互联网的挑战和云计算、SDN/NFV[3]等新技术的发展驱动，采用“三层四面”网络架构，具备“环境可感知、容量可伸缩、属性可变化、能力可调整、万物可互联”特点的弹性网络[4]，是未来信息网络发展的方向。

弹性网络节点作为弹性组网的关键基础设施[5]，具备对弹性网络状态的多维度感知能力，提供计算、存储和网络等各类资源的灵活配置能力，具备可重构能力，为用户各类业务应用提供服务，为构建弹性通信网络提供基础支撑[6]，实现服务驱动的路由交换、网络拓扑自适应重构、网络核心功能动态重组与关键属性跳变等功能，适应信息技术发展的变化需求。

1 弹性网络节点需求

网络节点是网络的基因，直接决定着网络体系的技术体制和能力特性，为支撑弹性网络“环境可感知、容量可伸缩、属性可变化、能力可调整、万物可互联”能力特征，弹性网络节点需具备新的能力。

1.1 多资源统一管控能力

为实现弹性网络节点的智能化属性，弹性网络节点需具备计算、存储和网络资源，并具备资源统一池化能力，实现多资源的统一管控和智能调配，为用户业务应用提供各资源支撑，构建面向服务的智能信息网络平台。

1.2 智能网络控制能力

为实现弹性网络的敏捷适变，网络节点的控制功能需要与转发分离并向智能化发展，需具备资源抽象、拓扑管理、设备管理、服务封装、自动配置、负载均衡和分级分域等能力，实现网络的可管可控、柔性重组[7]。

1.3 多维度感知能力

为满足弹性网络节点弹性适变、网络核心功能动态智能调度的需求，网络节点需具备战场环境、网络拓扑、网络流量和网络应用信息等多维度感知能力[8]，为节点功能重构和关键属性跳变提供决策依据。

1.4 网络功能重构能力

弹性网络节点需具备网络、功能、性能、协议和拓扑等多个方面的动态重构能力[9]，实现网络的柔性重组和自主重构，提高网络在强对抗环境下的抗毁顽存能力。

1.5 属性跳变能力

为实现弹性网络安全传输和快速自愈能力，弹性网络节点需具备转发路径、传输协议和通信服务等属性跳变能力[10]，满足用户多样化需求和复杂应用场景。

2 弹性网络节点架构

弹性网络节点采用了一体化融合智能弹性节点架构[11]，其总体架构主要由基础资源层、智能控制层和融合应用层3部分组成，如图1所示。

图1 弹性网络节点的总体架构

图1中，基础资源层提供底层计算、存储、网络资源和基本的平台管理功能，由硬件资源子层和平台管理子层2部分组成。硬件资源子层包括计算、存储和网络等各种硬件资源。平台管理子层包括硬件适配功能实体、平台管理功能实体和控制代理功能实体。硬件适配功能实体完成对各种硬件资源的初始化和底层配置管理功能；平台管理功能实体完成整个硬件平台的基本管理维护功能；控制代理功能实体与智能控制层通信，上报设备状态，接收智能控制层的控制命令并转化为内部功能调用，实现智能控制层对基础资源层的管理控制。

智能控制层对下层资源进行虚拟抽象，智能管控，对上将资源进行服务化封装通过标准的接口提供给上层应用，同时能够实时感知网络变化，快速动态重构。智能控制层由虚拟抽象子层、服务控制子层、网络服务子层和感知重构4部分组成。虚拟抽象子层包括能力抽象功能实体和资源映射功能实体。能力抽象功能实体完成物理资源的公共特征提取和能力抽象，形成虚拟化的资源池；资源映射功能实体完成虚拟资源和物理资源之间相互映射。服务控制子层主要包括设备管理、拓扑管理、流表管理、协同控制和服务化功能元(Servicized Function Element，SFE)[12]管理，服务封装六大功能实体。网络服务子层包括内容路由、缓存管理、内容分发、IP路由、MPLS协议、名址分离[13]和虚拟服务功能链(Virtualized Service Function Chain，VSFC)[14]六大功能实体。

融合应用层：调用智能控制层提供的服务，通过编排和重组，形成特定的网络应用。

3 弹性网络节点功能重构

根据可重构网络技术研究的发展趋势[15]，结合弹性网络节点的体系架构，弹性网络重构技术采用基于服务化功能元的节点重构技术[16]，如图2所示。基于服务化功能元的节点重构主要在基础资源层、虚拟抽象子层、服务重构子层和网络服务子层进行。

图2 基于服务化功能元的节点重构技术

基础资源层包括计算、存储、交换、转发和接口等各种网络资源，重点通过硬件资源的模块化、标准化、通用化和可编程能力进行重构。

虚拟抽象子层实现对基础资源层各种资源的抽象和虚拟化，屏蔽底层实现的细节，抽取公共特征，形成计算、存储和网络三大资源池，便于进行资源的重构。

服务重构子层利用虚拟抽象子层的资源，进行资源的组合和调度，通过标准的接口对外提供服务，形成具有基本操作功能的最小粒度服务化功能元。

网络服务子层对服务化功能元进行组合和编排，实现特定的网络功能，如路由器和防火墙等，形成更大粒度的服务化功能元。

4 弹性网络节点属性跳变

针对强对抗环境下的高效传输和柔性抗毁的需求，网络节点属性跳变技术采用以适变性为特征的体系架构[17]，如图3所示。该体系架构以具有感知学习能力的多域认知环为基础，以通信网络属性跳变策略决策与跳变控制技术为依托，采用网络拓扑重构、传输路径切换、路由协议跳变、传输协议跳变和通信服务跳变等技术手段[18]，增强网络的自组织、抗毁和自恢复能力，实现网络高效传输、敏捷适变、按需组网和主动防御的目标。

网络节点属性跳变技术系统主要包括感知分析、跳变决策和跳变控制3个功能模块。

感知分析功能模块是进行跳变决策的基础，其主要任务是协同感知链路质量、网络拓扑、网络资源、业务需求和应用环境等各种网络信息，通过对应用场景、业务行为和网络状态等信息进行多域环境感知分析，形成分析结果，建立网络信息库。

跳变决策功能模块是属性跳变技术的核心，跳变决策系统针对高效、可靠、抗毁和安全等目标，基于策略集、网络信息库进行跨层策略决策，形成具体优化目标。针对不同优化目标，结合策略集、网络信息库，网络拓扑、传输路径、路由协议、传输协议和通信服务等进行相应的跳变决策。

跨层决策通过功能层之间的关联和协调机制，实现了针对既定目标网络功能各层统一调整。从网络体系角度看，网络功能的跨层决策消除了因水平切割网络功能而导致的用户业务需求失真和阻断。

在网络拓扑层，网络物理和逻辑拓扑结构是支撑网络通信效能的基础。针对网络拓扑结构的节点连通度、链路稳定性和业务承载能力等优化目标，基于网络节点的接口数量、接口性能约束和干扰特性等，利用随机近似算法进行网络拓扑跳变决策，通过链路选取或链路聚合等方法，保障网络通信的有效性和可靠性。

在传输路径层，可以根据链路质量等信息，针对链路稳定性和负载分担等优化目标，进行传输路径使用方式的跳变，在冗余备份路径、可靠多径传输和并发负载均衡中灵活选择传输方式。

在路由协议层，首先确定影响路由协议性能的参数指标，并通过仿真得到的训练数据建立路由协议的性能行为模型，然后针对路由开销和网络拥塞等决策因素，根据当前网络信息库计算各待选路由协议目标函数值，从中择优选取在当前网络场景下性能最优的协议。

在传输协议层，分析适应链路质量波动、高误码率和时延容忍条件下的存储转发、拥塞控制、报文压缩等传输控制技术特性，针对吞吐率、分组时延和分组丢失率等决策因素，制定传输协议对网络实时状态的自动适配策略，通过调整协议参数或切换协议类型的方式进行传输协议跳变，实现端到端通信的连续性和可靠性。

在通信服务层，根据当前网络态势和攻击监测信息，通过服务迁移或行为变换等方法，保证通信服务持续稳定。

跳变控制功能模块是跳变决策的执行部分，通过分发跳变决策建议并实施相应的跳变控制策略，进行节点级、网络级和系统级的跳变控制。

图3 网络节点属性跳变技术架构

5 与同类技术对比

近年来，国内外相继启动了一些未来通信网络技术研究，由于应用驱动不同导致各技术侧重应用场景和技术解决思路不同，SDN侧重数据中心应用、通过转发与控制的分离实现全网资源的统一管控；NFV[19]侧重电信网功能重构、通过虚拟化技术实现软件与硬件的解耦，完成网元设备的快速上线和硬件设备的标准化、通用化[20]；ICN[21]面向未来信息网络实现“存储换带宽”[22]，弹性网络节点技术与SDN[23]、NFV和CCN等同类技术具体分析比较如表1所示。

表1 相关技术分析比较

对比项网络功能虚拟化NFV内容中心网络ICN软件定义网络SDN弹性网络节点技术体制电信网技术互联网技术互联网技术电信网+互联网采用技术软件硬件解耦资源虚拟化内容寻址、多播控制转发分离OpenFlow微服务、SDN、智能节点、认知环功能重构支持不支持不支持支持属性跳变不支持不支持不支持支持资源利用率高低高高转发性能软件转发性能低软件转发性能低芯片转发性能高芯片转发性能高抗毁性弱强一般强移动性支持较强强弱强技术优势基于标准X86服务器,通过虚拟化技术实现软件与硬件的解耦,通过加载不同的VNF实现不同的网元功能利用网络设备中的缓存和多播等手段提高内容递送效率完全可编程的网络架构、支持集中化的网络控制,提升网络效率和利用率具备自配置、自恢复、自优化和自保护功能,容量可伸缩、万物可互联成熟性缺乏标准应用不成熟缺乏标准应用不成熟标准成熟应用较成熟缺乏标准应用不成熟

6 结束语

本文介绍了弹性网络体系架构和该架构下弹性网络节点架构及其工作原理，阐述了弹性网络节点分层架构下的功能组成，详细介绍了基于该架构实现的网络重构技术和属性跳变技术，验证了弹性网络节点的弹性适变和抗毁重构能力，并将弹性网络节点技术与相关同类技术进行了分析和对比，明确了弹性网络节点适用场景和技术优势。弹性网络节点技术的研究为未来互联网的研究提供了重要的参考思路，也为我国科学发展、国防建设和经济繁荣等领域提供了具有自主知识产权的技术基础和研发成果。

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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

张文志男，(1985—)，硕士，高级工程师。主要研究方向：未来网络。

10.3969/j.issn.1003-3106.2017.11.03

张文志,李吉良,王金江,等.弹性网络节点技术研究[J].无线电工程,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

河北省科技计划基金资助项目(17210704D)。

李吉良男，(1968—)，硕士，研究员。主要研究方向：通信网络与系统、未来网络。