袁 博，汪斌強(qiáng)，張 博

（國(guó)家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州450002）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為支撐現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展、社會(huì)進(jìn)步和科技創(chuàng)新的重要的基礎(chǔ)設(shè)施之一。隨著互聯(lián)網(wǎng)的日益普及，互聯(lián)網(wǎng)在滿足人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、功能和性能等方面需求的同時(shí)也逐漸暴露出一些問(wèn)題。在能耗方面，信息和通信技術(shù)行業(yè)作為全球增長(zhǎng)最快的行業(yè)之一，其碳排放也隨著行業(yè)的增長(zhǎng)而不斷增長(zhǎng)，據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前信息和通信技術(shù)領(lǐng)域的碳排放占全球的2%，這一比例將在2020年翻一番[1]。2008年網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，包括路由器、服務(wù)器、交換機(jī)、冷卻設(shè)施等設(shè)備共消耗8 680億度電，占全球總耗電量的5.3%。參考文獻(xiàn)[2]指出，按照目前的增長(zhǎng)趨勢(shì)，到2025年，IT行業(yè)的平均能耗將達(dá)到2006年的5倍，網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域更會(huì)達(dá)到13倍。這意味著到2025年網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域占IT行業(yè)的總能耗將增長(zhǎng)到43%。能耗問(wèn)題已成為信息和通信技術(shù)持續(xù)發(fā)展的重大障礙。在網(wǎng)絡(luò)資源利用方面，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則采取粗放型設(shè)計(jì)，一個(gè)原則是資源超額供給，通過(guò)超額的資源來(lái)保證網(wǎng)絡(luò)承受突發(fā)的峰值負(fù)載；另一個(gè)原則是冗余設(shè)計(jì)，通過(guò)冗余鏈路和設(shè)備來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性以應(yīng)對(duì)突發(fā)的網(wǎng)絡(luò)故障。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，日益暴露出效率低、浪費(fèi)多等問(wèn)題?；ヂ?lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)絡(luò)的忙時(shí)最大平均鏈路利用率不足30%，很多網(wǎng)絡(luò)的閑時(shí)鏈路利用率在5%以下[3]，絕大部分設(shè)備7×24 h全速工作。根據(jù)市場(chǎng)研究公司Telegeography 2009年9月14日發(fā)表的報(bào)告，在2008年中至2009年中期間，國(guó)際互聯(lián)網(wǎng)流量增長(zhǎng)了79%，超過(guò)此前一年的61%。甚至某些地區(qū)如東歐、亞洲、中東地區(qū)增長(zhǎng)率超過(guò)了100%。也就是說(shuō)，即使全部按照2009年的平均增長(zhǎng)速度計(jì)算，如果一家企業(yè)2009年的網(wǎng)絡(luò)流量是1 Gbit/s，那么到2013年，該企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)流量就會(huì)超過(guò)10 Gbit/s。如果部署傳統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)資源的支出成本將制約企業(yè)的發(fā)展，所以未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)需要具有節(jié)儉屬性，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。在網(wǎng)絡(luò)安全方面，據(jù)權(quán)威部門的統(tǒng)計(jì)表明，中國(guó)國(guó)內(nèi)80%的網(wǎng)站存在安全隱患，20%的網(wǎng)站有嚴(yán)重的安全問(wèn)題。近年來(lái)，網(wǎng)絡(luò)蠕蟲(chóng)、僵尸網(wǎng)絡(luò)和計(jì)算機(jī)病毒等新型攻擊層出不窮，縱觀網(wǎng)絡(luò)技術(shù)近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展歷程，網(wǎng)絡(luò)大都遵循OSI的端到端主機(jī)間開(kāi)放互聯(lián)模型，網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶（包括攻擊者）都是平等開(kāi)放的。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)知識(shí)很容易被攻擊者獲得，這就造成了防范網(wǎng)絡(luò)攻擊只能使用網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)和防御系統(tǒng)等被動(dòng)手段，不能從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上對(duì)攻擊者造成障礙。因此，網(wǎng)絡(luò)安全也是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一個(gè)重點(diǎn)關(guān)注方向。

為了解決這些問(wèn)題，研究人員開(kāi)始關(guān)注互聯(lián)網(wǎng)研究的一個(gè)重要問(wèn)題：如何設(shè)計(jì)一個(gè)新的具有綠色屬性的網(wǎng)絡(luò)使其能夠解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展面臨的困境。對(duì)綠色網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分析和研究，首先需要理解綠色網(wǎng)絡(luò)的概念。林闖在參考文獻(xiàn)[4]中將綠色網(wǎng)絡(luò)解釋為一種以節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗為目的的網(wǎng)絡(luò)。綠色網(wǎng)絡(luò)不應(yīng)該僅以節(jié)能為目的，還應(yīng)該是滿足未來(lái)需求的可持續(xù)發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)，所以給出綠色網(wǎng)絡(luò)的定義如下：綠色網(wǎng)絡(luò)是指具有節(jié)能、節(jié)儉、安全屬性的網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)定義分別從網(wǎng)絡(luò)的物理能耗、網(wǎng)絡(luò)資源的使用方式、網(wǎng)絡(luò)的生存性方面描述了網(wǎng)絡(luò)的綠色屬性。不同的網(wǎng)絡(luò)類型和應(yīng)用環(huán)境決定了人們對(duì)網(wǎng)絡(luò)的綠色屬性關(guān)注重點(diǎn)的不同，例如，骨干網(wǎng)更關(guān)心安全和節(jié)能屬性，企業(yè)網(wǎng)更關(guān)心節(jié)能和節(jié)儉屬性，數(shù)據(jù)中心網(wǎng)更關(guān)心節(jié)能和安全屬性。綠色網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)系統(tǒng)級(jí)的研究課題，涉及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)創(chuàng)新和算法設(shè)計(jì)與優(yōu)化等網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的核心科學(xué)問(wèn)題。這其中最核心的問(wèn)題是綠色網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的研究。

研究綠色網(wǎng)絡(luò)，本文從體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新出發(fā)，提出了可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)?？芍貥?gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)是以業(yè)務(wù)和服務(wù)松耦合為目標(biāo)，基于平臺(tái)化支撐構(gòu)件化處理機(jī)制，通過(guò)構(gòu)建可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)柔性承載多種網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)由構(gòu)件構(gòu)成，構(gòu)件的靈活加載、替換和刪除是可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的特色之一。通過(guò)使用低功耗的構(gòu)件替換高功耗的構(gòu)件，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的綠色節(jié)能；根據(jù)用戶需求靈活構(gòu)建服務(wù)承載網(wǎng)，可以達(dá)到資源的合理分配和使用；網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)安全隱患時(shí)可以根據(jù)需求進(jìn)行重構(gòu)，這樣造成對(duì)網(wǎng)絡(luò)原有結(jié)構(gòu)的攻擊失效，在體系結(jié)構(gòu)上提高了網(wǎng)絡(luò)的可生存性。

2 相關(guān)研究

最大網(wǎng)絡(luò)吞吐率和最低延遲一直是驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的主要因素，互聯(lián)網(wǎng)能耗問(wèn)題則很少被研究者所關(guān)注。隨著路由器性能、規(guī)模、硬件集成度的不斷提高，路由器功耗呈現(xiàn)指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)[5]，即使在空閑狀態(tài)下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備仍會(huì)消耗大量能源，互聯(lián)網(wǎng)節(jié)能問(wèn)題成為未來(lái)核心網(wǎng)絡(luò)新的研究方向。

在有些研究中對(duì)路由器的節(jié)能主要依賴于器件的節(jié)能來(lái)實(shí)現(xiàn)。Yao等人[6]研究了處理器的能耗優(yōu)化問(wèn)題，他們提出了與速度有關(guān)的能量消耗函數(shù)，并采用速度縮放策略，把能耗優(yōu)化問(wèn)題歸結(jié)成最優(yōu)任務(wù)調(diào)度問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[7]提出采用休眠機(jī)制和基于概率的能耗最小算法，并且將速度縮放和休眠機(jī)制的策略結(jié)合，提出了一個(gè)-competitive的簡(jiǎn)單算法。在控制層面，參考文獻(xiàn)[8]提出了在Linux平臺(tái)下內(nèi)核級(jí)的實(shí)時(shí)能耗管理器Ondemand Governor。管理器能夠連續(xù)地監(jiān)控CPU的利用率，并且決策時(shí)鐘頻率和電壓的變化，狀態(tài)之間的切換采用現(xiàn)有的技術(shù)只需要10 ms，在頻率降低時(shí)能夠盡可能小地影響CPU的處理性能。

有些研究利用設(shè)備休眠來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)能，在應(yīng)用睡眠喚醒機(jī)制時(shí)，面臨的主要問(wèn)題在于進(jìn)入睡眠和喚醒的條件，“timer-driven”策略是最簡(jiǎn)單的策略[9]，也叫做超時(shí)策略，是指當(dāng)設(shè)備處于空閑狀態(tài)的時(shí)間超過(guò)某一閾值時(shí)，設(shè)備進(jìn)入睡眠或關(guān)閉狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備休眠時(shí)間到達(dá)某一閾值時(shí)設(shè)備被喚醒。由于計(jì)時(shí)時(shí)間的存在，此策略的節(jié)能效果較差，而且在睡眠過(guò)程中有數(shù)據(jù)包到達(dá)時(shí)，這些包將被丟棄?！皐ake-on-arrival”（WoA）策略則是使設(shè)備的特定接口處于工作狀態(tài)，當(dāng)該接口檢測(cè)到有包到達(dá)時(shí)喚醒設(shè)備，正常工作，但是目前的設(shè)備并不都支持WoA，所以參考文獻(xiàn)[10]提出利用“啞包”喚醒設(shè)備的策略，如果A需要喚醒B，那么A先給B發(fā)送一個(gè)“啞包”，然后等待時(shí)間與B進(jìn)行實(shí)際通信，這種策略雖然減少了丟包率，但增加了設(shè)備的延遲。在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中，接入網(wǎng)的特點(diǎn)是設(shè)備多，部署這種休眠機(jī)制節(jié)能效果明顯。但是在核心網(wǎng)中，對(duì)設(shè)備的操作較多，喚醒次數(shù)多，休眠時(shí)間少，不適合使用休眠機(jī)制，通過(guò)設(shè)備的體系結(jié)構(gòu)創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)綠色節(jié)能更有意義。

除了路由設(shè)備本身的節(jié)能，有些研究關(guān)注設(shè)備間的鏈路節(jié)能，數(shù)據(jù)表明以太網(wǎng)鏈路速率從100 Mbit/s增加到1 Gbit/s時(shí)，功耗增加了2～4 W，而當(dāng)增加到10 Gbit/s時(shí)，功耗增加10～20 W[11]。而以太網(wǎng)處于空閑和100%鏈路利用率的情況下功耗幾乎是相同的，即以太網(wǎng)功耗與鏈路利用率無(wú)關(guān)，通過(guò)測(cè)量表明，目前以太網(wǎng)的鏈路利用率主要在1%～5%，所以在鏈路處于低利用率時(shí)降低鏈路速率能夠在有限的性能影響下有效地降低能耗。自適應(yīng)鏈路技術(shù)通過(guò)自動(dòng)調(diào)節(jié)全雙工傳輸?shù)囊蕴W(wǎng)鏈路交換速率從而適應(yīng)不同的鏈路利用率，使鏈路交換速率與鏈路負(fù)載成比例，目前該技術(shù)的研究主要集中在：鏈路速率切換，包括切換的條件和時(shí)機(jī)、最優(yōu)速率的選擇以及如何快速切換；鏈路速率自適應(yīng)策略對(duì)性能的影響，但是鏈路切換增加了處理負(fù)擔(dān)的同時(shí)帶來(lái)了新的能耗，鏈路切換的頻率和總能耗的增加存在矛盾。

盡管路由器存在一定的節(jié)能因素，例如存儲(chǔ)器和一些支持節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)處理器會(huì)在空閑時(shí)進(jìn)入低能耗狀態(tài)，但芯片級(jí)低功耗設(shè)計(jì)及節(jié)能機(jī)制所節(jié)省的能源是極其有限的，并不能解決路由器高能耗問(wèn)題[12]。

3 綠色網(wǎng)絡(luò)的概念和分類

3.1 綠色屬性概念

在引言中給出了綠色網(wǎng)絡(luò)的概念，此處引入約束條件、約束區(qū)間和綠色評(píng)價(jià)指標(biāo)等幾個(gè)概念。

定義1：約束條件是指網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的共性因素，如網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、負(fù)載大小、服務(wù)質(zhì)量、網(wǎng)絡(luò)的安全訪問(wèn)級(jí)別等。

它決定了綠色屬性是否全面地考慮了網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中的所有因素，是綠色評(píng)價(jià)適用范圍的體現(xiàn)。約束條件根據(jù)其數(shù)值是否連續(xù)可以分為連續(xù)約束條件和離散約束條件。如網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載大小、鏈路帶寬是連續(xù)約束條件，而網(wǎng)絡(luò)的安全訪問(wèn)級(jí)別為離散約束條件。

定義2：約束區(qū)間是指綠色約束條件的變化范圍。

約束區(qū)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)綠色屬性的好壞有著直接的影響，不同的約束區(qū)間有可能會(huì)得到完全不同的結(jié)論。它決定了綠色效果的范圍，網(wǎng)絡(luò)綠色屬性的優(yōu)劣只是在約束區(qū)間內(nèi)才有效，超出這個(gè)區(qū)間則是無(wú)意義的。如2個(gè)體系結(jié)構(gòu)如果在低負(fù)載的情況下A比B更綠色，但是在高負(fù)載時(shí)孰好孰壞，需要重新評(píng)價(jià)。由于約束條件分為連續(xù)和離散的，約束區(qū)間也可以分為連續(xù)約束區(qū)間和離散約束區(qū)間。

定義3：綠色評(píng)價(jià)指標(biāo)是指網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)某些具有優(yōu)劣意義的特性，如能耗、資源利用率等。

它是考查網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)是否綠色的目標(biāo)，也是反應(yīng)網(wǎng)絡(luò)綠色屬性是否全面的因素之一。評(píng)價(jià)指標(biāo)越少網(wǎng)絡(luò)綠色屬性越不全面，反之則越全面，越能反映網(wǎng)絡(luò)的整體綠色屬性。綠色評(píng)價(jià)指標(biāo)會(huì)隨著約束條件的變化而變化，如服務(wù)質(zhì)量可能隨著資源利用率的變化而增大、減小或者不變。在一定約束區(qū)間范圍內(nèi)，2個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的服務(wù)質(zhì)量具有不同的綜合優(yōu)劣特性，即一段范圍內(nèi)A好，一段范圍內(nèi)B好。

定義4：網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的綠色屬性是指對(duì)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的綠色評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著網(wǎng)絡(luò)若干綠色約束條件，在一定范圍內(nèi)變化而具有的特性。

它是綠色網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)直接體現(xiàn)，如能耗隨網(wǎng)絡(luò)規(guī)模線性增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)肯定比隨規(guī)模對(duì)數(shù)增長(zhǎng)的網(wǎng)絡(luò)更加綠色。

3.2 綠色屬性的分類

網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的綠色屬性可分為以下3類。

（1）靜態(tài)綠色屬性

靜態(tài)綠色屬性是指評(píng)價(jià)指標(biāo)當(dāng)前的值所代表的體系結(jié)構(gòu)優(yōu)劣的特性。如2個(gè)不同的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，無(wú)負(fù)載情況下，A網(wǎng)絡(luò)的基本能耗小于B網(wǎng)絡(luò)的基本能耗，則A網(wǎng)絡(luò)在無(wú)負(fù)載情況下大于B網(wǎng)絡(luò)。

（2）動(dòng)態(tài)綠色屬性

動(dòng)態(tài)綠色屬性是指在某一個(gè)時(shí)刻(并非是時(shí)間上的時(shí)刻，而是約束條件的即時(shí)值所在的當(dāng)前位置)綠色評(píng)價(jià)指標(biāo)隨約束條件變化而發(fā)生變化的快慢。如3個(gè)體系結(jié)構(gòu)，它們的資源利用率，一個(gè)隨著端用戶速率成線性增長(zhǎng)，一個(gè)是呈對(duì)數(shù)增長(zhǎng)，一個(gè)呈倒數(shù)下降。那么它們3個(gè)在資源利用率這一評(píng)價(jià)指標(biāo)上動(dòng)態(tài)綠色屬性是依次下降的。

（3）累積綠色屬性

累積綠色屬性是指在約束區(qū)間內(nèi)的評(píng)價(jià)函數(shù)的累積效果。它是約束條件一段范圍內(nèi)的累積特性，與某一時(shí)刻的優(yōu)劣程度無(wú)關(guān)。

按照評(píng)價(jià)指標(biāo)的數(shù)量可以分為一維綠色屬性和多維綠色屬性，一維綠色屬性按照約束條件的數(shù)量又可以分為單約束的和多約束的一維綠色屬性。

·單約束一維綠色屬性，是指某一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著某一個(gè)約束條件的變化而反映的綠色屬性。

·多約束一維綠色屬性，是指某一個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著多個(gè)約束條件的變化而反映的綠色屬性。

·多維綠色屬性，是指綜合考慮多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)隨著多個(gè)約束條件變化而反映的綠色屬性。多個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)之間具有不同的權(quán)重，權(quán)重的大小根據(jù)實(shí)際的客觀情形或主觀意愿決定，權(quán)重如果取值不同，即使約束條件和評(píng)價(jià)指標(biāo)完全一樣，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的多維綠色屬性結(jié)論也可能會(huì)不同。

4 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)

4.1 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)模型描述

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)是在可重構(gòu)路由交換平臺(tái)作為節(jié)點(diǎn)的骨干承載網(wǎng)上，將業(yè)務(wù)建網(wǎng)需求轉(zhuǎn)化為一個(gè)或多個(gè)源、目的節(jié)點(diǎn)對(duì)間的承載服務(wù)能力需求，考慮網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、資源狀態(tài)等條件，構(gòu)建出多個(gè)服務(wù)承載子網(wǎng)。這些承載子網(wǎng)在節(jié)點(diǎn)的物理資源上存在交集，分別能提供完全不同的服務(wù)能力，網(wǎng)絡(luò)模型如圖1所示。資源共享核心層是一種資源可共享、節(jié)點(diǎn)可重構(gòu)，能夠提供柔性服務(wù)的物理網(wǎng)絡(luò)。資源共享層由各可重構(gòu)路由交換平臺(tái)、光交換/傳輸設(shè)備等組成?？芍貥?gòu)邊緣層由可重構(gòu)綜合管理系統(tǒng)、路由交換管理平臺(tái)以及光交換管理平臺(tái)等部分組成，主要功能是感知、管理和控制底層物理資源，根據(jù)用戶業(yè)務(wù)特性需求，構(gòu)建服務(wù)承載網(wǎng)，生成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。另外，可重構(gòu)邊緣層提供對(duì)各服務(wù)承載網(wǎng)的管理、監(jiān)控等功能。按照服務(wù)的屬性和特征，根據(jù)松散耦合和簡(jiǎn)化的原則，把現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分為路徑發(fā)現(xiàn)服務(wù)、路由轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)、組播服務(wù)、QoS服務(wù)、安全服務(wù)、IPv4服務(wù)、IPv6服務(wù)、測(cè)量服務(wù)、QoE服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)、接入控制等若干類。多個(gè)服務(wù)的組合可以實(shí)現(xiàn)對(duì)一種用戶業(yè)務(wù)的支撐。業(yè)務(wù)接入/控制層:可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)多業(yè)務(wù)融合的網(wǎng)絡(luò)，該層完成的功能包括媒體網(wǎng)關(guān)、信令網(wǎng)關(guān)功能；邊界路由節(jié)點(diǎn)執(zhí)行分類、整形、標(biāo)記等接入控制功能；可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)執(zhí)行的用戶業(yè)務(wù)與嵌入式業(yè)務(wù)承載子層間的映射關(guān)系等功能；向用戶終端提供可信的服務(wù)。用戶接入層實(shí)現(xiàn)終端用戶的物理接入或邏輯接入。

4.2 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)制

重構(gòu)不是一個(gè)新的概念名詞，狹義的重構(gòu)指在原有系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)從一種構(gòu)形向另一種構(gòu)形的轉(zhuǎn)換，重新構(gòu)造系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及重新組合系統(tǒng)的功能，以滿足需求變化或新需求的能力。廣義的重構(gòu)，泛指在系統(tǒng)生命周期各階段對(duì)系統(tǒng)所做的任何調(diào)整，包括結(jié)構(gòu)的變化、功能的增加、刪除、修改和系統(tǒng)參數(shù)的調(diào)整等。如從系統(tǒng)外引入新的構(gòu)件，或從系統(tǒng)中移出已有構(gòu)件。在可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系中的重構(gòu)則是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)能最大程度地隨著各種不同業(yè)務(wù)特征對(duì)網(wǎng)絡(luò)支撐能力進(jìn)行調(diào)整，以提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的綜合能力和網(wǎng)絡(luò)資源利用率。

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系在兼顧傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路和交換節(jié)點(diǎn)進(jìn)行相應(yīng)的改造，將內(nèi)部的各功能單元改造為構(gòu)件。可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)重構(gòu)（即服務(wù)提供能力的重構(gòu)）是依據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求的差異變化，依托網(wǎng)絡(luò)功能單元的重構(gòu)得以實(shí)現(xiàn)（即增加和刪除個(gè)別構(gòu)件，或改變構(gòu)件的連接方式）。重構(gòu)中對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)整，選擇適配網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的資源。重構(gòu)后的網(wǎng)絡(luò)資源分配更加合理，資源利用率得以提高。

如圖2所示，可重構(gòu)網(wǎng)管平臺(tái)通過(guò)對(duì)可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的重構(gòu)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同網(wǎng)絡(luò)體制的支持。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的承載能力無(wú)法滿足新到達(dá)的業(yè)務(wù)時(shí)，可重構(gòu)網(wǎng)管平臺(tái)業(yè)務(wù)層向服務(wù)層發(fā)送業(yè)務(wù)重構(gòu)命令，可重構(gòu)網(wǎng)管平臺(tái)服務(wù)層將通過(guò)服務(wù)代理接收解析并匹配目前服務(wù)庫(kù)中的服務(wù)類型，將業(yè)務(wù)重構(gòu)命令轉(zhuǎn)換為需要支持的服務(wù)重構(gòu)命令發(fā)送給構(gòu)件層處理，構(gòu)件層通過(guò)構(gòu)件代理對(duì)該服務(wù)重構(gòu)命令進(jìn)行接收解析并轉(zhuǎn)換為軟件構(gòu)件重構(gòu)和硬件構(gòu)件重構(gòu)兩種命令。前者由路由交換平臺(tái)主控部分的軟件構(gòu)件代理接收、解析并執(zhí)行。后者由路由交換平臺(tái)主控部分的硬件構(gòu)件代理接收、解析并執(zhí)行。

圖1 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

圖2 支持業(yè)務(wù)重構(gòu)的網(wǎng)元架構(gòu)

4.3 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制

柔性可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)如圖3所示，由統(tǒng)一網(wǎng)管平臺(tái)、可重構(gòu)綜合管理平臺(tái)、光網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)、路由交換管理平臺(tái)、構(gòu)件庫(kù)及若干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成?？芍貥?gòu)綜合管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)管理、感知全網(wǎng)資源；發(fā)現(xiàn)路由節(jié)點(diǎn)設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力并對(duì)其進(jìn)行組合以支撐相應(yīng)用戶業(yè)務(wù)；接受用戶可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的構(gòu)建需求，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀況及節(jié)點(diǎn)設(shè)備服務(wù)能力將可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)嵌入到底層物理網(wǎng)絡(luò)；管理構(gòu)件、服務(wù)和業(yè)務(wù)承載能力的重構(gòu)。構(gòu)件庫(kù)存儲(chǔ)第三方廠商開(kāi)發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。構(gòu)件可以具有源代碼、二進(jìn)制碼、文檔、分析設(shè)計(jì)模型和腳本等不同的物理形態(tài)，并遵從一定的標(biāo)準(zhǔn)?？芍貥?gòu)路由交換平臺(tái)根據(jù)綜合管理系統(tǒng)的指令，通過(guò)從構(gòu)件庫(kù)中下載相關(guān)構(gòu)件并加載運(yùn)行從而重構(gòu)出新的網(wǎng)絡(luò)處理功能，提供新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力。

5 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的綠色屬性

5.1 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的低能耗特性

傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初并沒(méi)有考慮能耗因素，所以如果在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中實(shí)現(xiàn)節(jié)能機(jī)制，一方面會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)均衡性，造成網(wǎng)絡(luò)性能的下降，另一方面會(huì)引入新的處理開(kāi)銷，產(chǎn)生新的能耗?？芍貥?gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)之初就考慮到綠色網(wǎng)絡(luò)的需求，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)架構(gòu)上為節(jié)能機(jī)制提供了支撐。

圖3 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)示意

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)中開(kāi)放可重構(gòu)路由交換節(jié)點(diǎn)技術(shù)的基礎(chǔ)是平臺(tái)化支撐下的構(gòu)件化處理技術(shù)。平臺(tái)化支撐構(gòu)件化處理的3個(gè)等級(jí)——平臺(tái)、組件和構(gòu)件對(duì)應(yīng)于傳統(tǒng)系統(tǒng)化支撐模塊化處理的3個(gè)等級(jí)——系統(tǒng)、單元和模塊，各等級(jí)處理的功能和能力基本相同，不同的是開(kāi)放性和可重構(gòu)。系統(tǒng)、單元和模塊大多是封閉式一體化的，平臺(tái)、組件和構(gòu)件是開(kāi)放式可重構(gòu)的。系統(tǒng)只能按固定模式利用功能單元完成單一任務(wù)，平臺(tái)允許以不同組合方式利用功能組件完成多種任務(wù)。要改變單元的處理功能和能力需要重新設(shè)計(jì)軟硬件模塊，要改變組件的處理功能和能力只需更換或升級(jí)構(gòu)件。因此，平臺(tái)是可重構(gòu)完成多種任務(wù)的支撐系統(tǒng)，組件是可重構(gòu)實(shí)現(xiàn)特定功能的單元，構(gòu)件是可重構(gòu)實(shí)施給定處理的模塊。

圖4為平臺(tái)化支撐構(gòu)件化處理的抽象模型。完成一定功能的組件包含處理不同任務(wù)的構(gòu)件，不同的組件構(gòu)成平臺(tái)，通過(guò)組件間的拓?fù)涓淖?、組件的加入或卸載、構(gòu)件的處理能力變化，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行不同粒度下功能和服務(wù)的重構(gòu)。

這種網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)同時(shí)也具有靈活調(diào)整能耗的能力，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)備單元耦合度高，很難進(jìn)行局部的能耗調(diào)整。可重構(gòu)路由交換平臺(tái)通過(guò)構(gòu)件的替換可以達(dá)到不同能耗的組合，可以實(shí)現(xiàn)細(xì)粒度的局部能耗調(diào)整。將負(fù)載、構(gòu)件處理能力、構(gòu)件能耗三者聯(lián)系起來(lái)，即可實(shí)現(xiàn)適應(yīng)負(fù)載變化的動(dòng)態(tài)調(diào)整能耗的節(jié)能機(jī)制。定義可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的能耗調(diào)整函數(shù)為：

其中，向量X表示平臺(tái)中的構(gòu)件使用情況和負(fù)載特征，函數(shù)CC(x0)表示構(gòu)件之外其他單元的固有能耗，是不可調(diào)整部分；N表示處于工作狀態(tài)的構(gòu)件數(shù)目；TP(xi)表示和平臺(tái)負(fù)載有關(guān)的系數(shù)；LCC(xi)表示構(gòu)件正常工作的能耗。

除了進(jìn)行構(gòu)件替換達(dá)到節(jié)能，還可引入休眠機(jī)制，令構(gòu)件在不工作時(shí)進(jìn)入休眠狀態(tài)，這樣做可以節(jié)省構(gòu)件替換過(guò)程中產(chǎn)生的額外能耗。如何利用平臺(tái)化支撐構(gòu)件化處理模型設(shè)計(jì)可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的節(jié)能機(jī)制是一個(gè)值得研究的方向?？芍貥?gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的架構(gòu)上為綠色節(jié)能的實(shí)現(xiàn)提供了支撐，可以部署更多高效的節(jié)能策略。

5.2 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的節(jié)儉特性

節(jié)儉特性是指可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)用戶需求合理分配和使用網(wǎng)絡(luò)資源。可重構(gòu)路由交換平臺(tái)與光交換設(shè)備互聯(lián)構(gòu)成物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施，提供鏈路帶寬、交換、緩存等用于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)資源；提供構(gòu)件運(yùn)行及相關(guān)功能處理、生成基本網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的支撐環(huán)境。

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)處理流程上，分為兩個(gè)層面，如圖5所示。首先可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)綜合管理系統(tǒng)，基于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀況及業(yè)務(wù)支撐能力，根據(jù)用戶需求和業(yè)務(wù)特性生成可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)。若當(dāng)前資源或者服務(wù)能力不能滿足用戶需求，則通過(guò)構(gòu)件級(jí)、服務(wù)級(jí)和業(yè)務(wù)支撐級(jí)的重構(gòu)來(lái)滿足用戶需求，生成可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)。其次，用戶業(yè)務(wù)經(jīng)業(yè)務(wù)接入網(wǎng)接入可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)，各種類型業(yè)務(wù)進(jìn)入后經(jīng)可重構(gòu)路由交換平臺(tái)統(tǒng)一為IP承載，在邊界路由節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分類、標(biāo)記、整形等接入控制處理后進(jìn)入相應(yīng)的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)，經(jīng)光傳輸網(wǎng)達(dá)到目的端口后還原成原業(yè)務(wù)形態(tài)。一旦業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)結(jié)束，則釋放該服務(wù)承載網(wǎng)的相關(guān)網(wǎng)絡(luò)資源，從而達(dá)到依據(jù)用戶業(yè)務(wù)需求優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源配置的目的。

圖4 平臺(tái)化支撐構(gòu)件化處理模型

圖5 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)兩層業(yè)務(wù)處理流程

與物理網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃需求類似，可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建需求主要關(guān)注于拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、節(jié)點(diǎn)位置、鏈路帶寬、端口類型、業(yè)務(wù)類型、起止運(yùn)營(yíng)時(shí)間等參數(shù)配置。因此，可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的構(gòu)建需求ETCNreq可表示為：

其中：Nodevi表示網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)；Cvi,j表示Nodevi與Nodevj間的鏈路的帶寬需求；n為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)；Port為端口類型；Tos為所需承載的業(yè)務(wù)類型；Lifetime為可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的運(yùn)行時(shí)間。有了構(gòu)建需求函數(shù)，可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行量化的分配，確保建網(wǎng)的需要和資源的合理使用。

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行優(yōu)化使用，具有節(jié)儉特性。在滿足用戶需求的同時(shí)最大限度地合理分配和調(diào)度資源。尤其是可以在用戶業(yè)務(wù)結(jié)束后釋放被占用的網(wǎng)絡(luò)資源，這一點(diǎn)是可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的綠色屬性之一。

5.3 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的安全可控性

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)是可控的，并不意味著現(xiàn)在的Internet完全不可控，凸顯這一特性，是想強(qiáng)調(diào)它的充分可控性，即需要對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行嚴(yán)格的約束和控制。從宏觀角度分析，這種可控性有利于QoS保證和網(wǎng)絡(luò)安全的實(shí)現(xiàn)。可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)在安全可控上有兩個(gè)特點(diǎn)：一是具有獨(dú)立的管理通道；二是網(wǎng)絡(luò)可以重構(gòu)，攻擊者無(wú)法確定固定的網(wǎng)絡(luò)攻擊目標(biāo)。

可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制與現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)管理機(jī)制不同，它使用了單獨(dú)的管理通道來(lái)傳遞可重構(gòu)命令，如圖6所示。現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)管理機(jī)制依賴于管理協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行簡(jiǎn)單的管理，管理協(xié)議報(bào)文與數(shù)據(jù)報(bào)文在同一種數(shù)據(jù)平面中傳輸，一旦鏈路故障，管理協(xié)議報(bào)文不能送達(dá)，網(wǎng)絡(luò)管理也隨之失效，網(wǎng)絡(luò)管理的脆弱性不容忽視。但是在可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)中，控制平面的通道與數(shù)據(jù)平面的通道是分離的，即使攻擊者破壞了網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)通道，仍可以通過(guò)控制通道發(fā)送命令使被破壞節(jié)點(diǎn)重構(gòu)，或者通知其他節(jié)點(diǎn)改變路由表繞開(kāi)被破壞節(jié)點(diǎn)。

圖6 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理框架

目前，網(wǎng)絡(luò)大都遵循OSI的端到端主機(jī)間開(kāi)放互聯(lián)模型，網(wǎng)絡(luò)對(duì)用戶（包括攻擊者）都是平等開(kāi)放的。網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議等網(wǎng)絡(luò)技術(shù)知識(shí)很容易被攻擊者獲得，這就造成了防范網(wǎng)絡(luò)攻擊只能使用網(wǎng)絡(luò)入侵檢測(cè)和防御系統(tǒng)等被動(dòng)手段，不能從網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)上對(duì)攻擊者造成障礙?？芍貥?gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)中使用了大量第三方廠商開(kāi)發(fā)的構(gòu)件，構(gòu)件外部功能一樣但內(nèi)部處理機(jī)制可能各不相同。攻擊者很難了解當(dāng)前攻擊目標(biāo)上運(yùn)行的是何種類型構(gòu)件，構(gòu)件內(nèi)采用何種處理機(jī)制。這樣攻擊者很難采取有效的攻擊，也難以造成大規(guī)模的破壞。

6 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)例分析說(shuō)明：本文提出的可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)對(duì)未來(lái)綠色網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建有一定的指導(dǎo)意義。下一步工作，將基于提出的綠色網(wǎng)絡(luò)概念在多維綠色屬性的分析評(píng)價(jià)上進(jìn)行深入研究；同時(shí)在可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能機(jī)制，資源分配策略和網(wǎng)絡(luò)安全體系結(jié)構(gòu)上進(jìn)行進(jìn)一步研究。

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