張宏科，黃道超

（北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實驗室 北京100044）

1 引言

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，信息已經(jīng)成為當今社會向前發(fā)展的巨大推動力，互聯(lián)網(wǎng)作為信息的一個成功載體，已經(jīng)滲透到包括政治、經(jīng)濟、文化、教育、衛(wèi)生等人類社會生活的方方面面，成為人們?nèi)粘Ｉ畈豢扇鄙俚囊徊糠?。然而，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)是在20世紀70年代設(shè)計的，其原始設(shè)計思想在互聯(lián)網(wǎng)突飛猛進的發(fā)展過程中逐漸暴露出諸多缺陷與不足。

第一，現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)基本是在一種網(wǎng)絡(luò)支撐一種主要服務(wù)的原創(chuàng)模式下融合發(fā)展演進的：電信網(wǎng)主要面向話音業(yè)務(wù)設(shè)計，不能適應(yīng)寬帶流媒體業(yè)務(wù)的需要；互聯(lián)網(wǎng)主要支持數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，隨著網(wǎng)絡(luò)用戶和應(yīng)用的不斷增加，互聯(lián)網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量、可信性、移動性等問題已經(jīng)凸顯出來。而現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)及演進方案受原創(chuàng)模式設(shè)計思想的限制，無法從本質(zhì)上滿足當前乃至未來服務(wù)多元化的要求。互聯(lián)網(wǎng)當初是面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸設(shè)計的，它的拓撲結(jié)構(gòu)是具有冪律結(jié)構(gòu)的無標度網(wǎng)絡(luò)，正是這種無標度的冪律結(jié)構(gòu)拓撲導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)對惡意攻擊的抵御能力十分脆弱。

第二，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)主要采用“三重綁定模型”的原始設(shè)計思想，其工作模式相對“靜態(tài)”和“僵化”，導(dǎo)致諸多難以解決的問題。如“資源和位置綁定”導(dǎo)致現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)難以實現(xiàn)全網(wǎng)規(guī)模的云計算；“控制和數(shù)據(jù)綁定”難以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能；“身份與位置綁定”難以有效解決網(wǎng)絡(luò)的可擴展性、移動性和安全性問題。再如傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)在智能、感知、認知、動態(tài)等智慧化機制方面的支持能力嚴重不足，當用戶或者網(wǎng)絡(luò)行為發(fā)生變化時，網(wǎng)絡(luò)難以感知并實現(xiàn)資源動態(tài)適配，造成網(wǎng)絡(luò)資源分配不合理、利用率低、能耗大。同時，互聯(lián)網(wǎng)當初是面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸設(shè)計的，是具有冪律結(jié)構(gòu)的無標度網(wǎng)絡(luò)，正是這種無標度的冪律結(jié)構(gòu)拓撲導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)對惡意攻擊的抵御能力十分脆弱，安全性差。

正是由于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)體系與機理存在各種嚴重弊端，難以滿足未來信息網(wǎng)絡(luò)演進和發(fā)展的需求，突破原有互聯(lián)網(wǎng)的局限性，設(shè)計全新的未來網(wǎng)絡(luò)體系與機制，原創(chuàng)性、系統(tǒng)性地創(chuàng)建未來智慧網(wǎng)絡(luò)體系理論，在有效解決網(wǎng)絡(luò)可擴展性、移動性、安全性等問題的基礎(chǔ)上，使網(wǎng)絡(luò)更高效、更優(yōu)化、更節(jié)能等，顯著提升用戶體驗，已經(jīng)成為當前國內(nèi)外信息領(lǐng)域迫切需要解決的焦點問題。

2 相關(guān)工作

為了突破現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)原創(chuàng)模式的局限，探索并實現(xiàn)未來智慧型互聯(lián)網(wǎng)，搶占未來信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的制高點，世界各國近年來相繼開展了未來信息網(wǎng)絡(luò)體系理論的相關(guān)研究。

2005年8月，美國自然科學(xué)基金（National Science Foundation,NSF）委員會啟動了全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境（global environment for network innovations，GENI）計劃[1]。GENI引入了切片化、虛擬化和可編程的設(shè)計思想，其目標是發(fā)現(xiàn)和評估可以作為21世紀互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)的新的革命性概念、示范和技術(shù)，建立一個用于研究未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)、服務(wù)和過渡的實驗環(huán)境。目前，GENI正致力于探索研究平臺的第3個階段：確定GENI的技術(shù)和操作計劃。然而，GENI計劃的目的僅是構(gòu)建一個網(wǎng)絡(luò)試驗環(huán)境，缺乏對新一代信息網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)及關(guān)鍵理論與技術(shù)的全面性和系統(tǒng)性研究。

2006年，美國NSF啟動了未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計（future internet design，F(xiàn)IND）計劃[2]。2008年，F(xiàn)IND資助了50多個課題，分別從安全性、可靠性、可管理性、新的無線傳感網(wǎng)絡(luò)和光纖網(wǎng)絡(luò)以及網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)理論等多個方面，對未來互聯(lián)網(wǎng)的設(shè)計開展了相關(guān)研究。然而，F(xiàn)IND計劃資助的課題大多是探討未來互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)該滿足的特征以及從技術(shù)上如何實現(xiàn)這些特征，而沒有提出完整的未來互聯(lián)網(wǎng)的體系架構(gòu)。

2008年歐盟啟動了FIRE（future internet research and experimentation）計劃[3]，對未來互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和服務(wù)機制進行研究，并建立相應(yīng)的測試平臺。FIRE計劃資助的科研項目大部分跟未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)。比如：PARADISO（a societal paradigm shift）[4]側(cè)重研究人、自然與環(huán)境可持續(xù)發(fā)展對未來互聯(lián)網(wǎng)的需求，ECODE（experimental cognitive distributed engine）[5]側(cè)重研究和部署認知路由系統(tǒng)，NanoDataCenters[6]對未來互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心和數(shù)據(jù)交互方式進行研究，Self-NET（self-management of cognitive future internet element）[7]側(cè)重設(shè)計和驗證未來互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)中的自我認知管理機制，4WARD（architecture and design for the future internet）項目[8]和PSIRP（publish-subscribe internet routing paradigm）項目[9]側(cè)重研究未來互聯(lián)網(wǎng)中內(nèi)容的命名與分發(fā)方式。

2010年8月，美 國NSF發(fā) 布 了FIA（future internet architecture）計劃，作為FIND研究計劃的延續(xù)。FIA計劃資助了NDN（named data networking）[10]、MobilityFirst[11]、NEBULA[12]、XIA（expressive internet architecture）[13]4個重大項目。

NDN[10]最初在2009年由Van Jacobson提出并被命名為CCN（content-centric networking）[14]，2010年Lixia Zhang等進一步完善，改名為NDN。NDN將關(guān)注的重點從現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的“在哪里”轉(zhuǎn)移到“是什么”，即用戶和應(yīng)用關(guān)注的內(nèi)容，探索以內(nèi)容/服務(wù)為中心的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并在沙漏模型的細腰處采用內(nèi)容名字。然而，其路由完全依賴于內(nèi)容名字，帶來了較嚴重的路由可擴展性問題，并且NDN的數(shù)據(jù)傳輸效率甚至不如傳統(tǒng)TCP的傳輸效率[14]。

MobilityFirst[11]從支持普遍移動性的目標出發(fā)，指出未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)包含有全球名字解析和時延容忍路由系統(tǒng)、自驗證公鑰地址、環(huán)境與位置感知服務(wù)、統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理平臺等功能元素，以滿足未來海量移動設(shè)備的通信需求。MobilityFirst主要從對移動性的支持角度，探索未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)具有的特征，并沒有完整地提出未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實現(xiàn)方法。

NEBULA[12]提出將網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)，組建成能夠提供可靠、高速服務(wù)的核心數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（即“云”），并在其內(nèi)部支持多路徑傳輸機制、策略安全路由機制等，創(chuàng)建一個以云計算為中心的未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。然而，NEBULA重點研究如何在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上支持云計算，缺乏對數(shù)據(jù)內(nèi)容的獨立命名，沒有為未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出比較詳細的體系結(jié)構(gòu)以及解決辦法。

XIA[13]提出一種支持主機、內(nèi)容和服務(wù)等主體間間接通信的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，3種主體通過一種可自驗證的廣義標識符進行通信，具有良好的安全性和互操作性。然而，XIA側(cè)重于研究未來網(wǎng)絡(luò)中的主機、內(nèi)容和服務(wù)等主體間的通信模型，而并沒有討論如何實現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)中資源的動態(tài)適配等問題。

此外，2006年5月，日本啟動了AKARI（a small light in the dark pointing to the future，黑暗中的一絲光明）計劃[15]，目標是在2015年之前研究出一個全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并完成基于此網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新一代網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計。AKARI計劃致力于下一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和核心技術(shù)，在2010年完成體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并從2011年開始第二階段的建設(shè)試驗床工作。然而，AKARI計劃側(cè)重于物理以及網(wǎng)絡(luò)層面協(xié)議和機制的研究，幾乎沒有涉及智慧服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)。2008年，韓國也設(shè)立了未來互聯(lián)網(wǎng)論壇（future internet forum，F(xiàn)IF）[16]，以針對未來互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)開展研究。然而迄今尚未看到韓國科學(xué)家提出的未來互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的報道。2008年10月，德國也啟動了G-Lab（German-Lab）計劃[17]，集合了德國32個頂尖的研究和實驗機構(gòu)，研究未來互聯(lián)網(wǎng)的新應(yīng)用以及相應(yīng)的新技術(shù)。同時，G-Lab計劃構(gòu)建了一個包含170多個有線、無線節(jié)點的實驗網(wǎng)絡(luò)，以驗證所提出新技術(shù)的可行性和有效性。目前，尚未見G-Lab計劃提出完整的未來互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。

國外學(xué)術(shù)界近年來也紛紛撰寫論文，闡述發(fā)展未來互聯(lián)網(wǎng)體系理論的重要性。比較典型的，如2007年Koponen等人重新設(shè)計了Internet的命名和解決方法，提出一種數(shù)據(jù)導(dǎo)向的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思想，保障服務(wù)和數(shù)據(jù)接入的持續(xù)性、可用性和真實性[18]；2009年Van Jacobson等人提出以內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，通過對網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容進行直接命名和路由尋址，使網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了從關(guān)注內(nèi)容的位置到內(nèi)容本身的轉(zhuǎn)移[14]；2011年，Wei Koong Chai等人設(shè)計了支持服務(wù)泛在解析和傳輸?shù)奈磥砘ヂ?lián)網(wǎng)架構(gòu)，旨在有效解決網(wǎng)絡(luò)中多媒體數(shù)據(jù)的有效散播問題[19]；同年，Jianli Pan等人指出，在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，難以徹底解決網(wǎng)絡(luò)安全性、移動性和內(nèi)容分發(fā)等問題，建議重新設(shè)計全新的未來互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)[20]；John Chuang等人則提出在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計之初就應(yīng)充分考慮“競爭性”，如該架構(gòu)允許不同的消費者按照自身意愿選擇不同的服務(wù)提供商，支持用戶導(dǎo)向型路由機制等[21]；Sasitharan Balasubramaniam等人提出了利用生物學(xué)中生態(tài)系統(tǒng)理論，指導(dǎo)未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計的思想，以改善網(wǎng)絡(luò)的頑健性、自適應(yīng)性和可進化性等[22]；Bengt Ahlgren等人則提出未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)將必然包含3個方面的內(nèi)容：以信息為中心的網(wǎng)絡(luò)、云計算網(wǎng)絡(luò)和開放連通性的服務(wù)，認為以上三者的集成將最終形成未來網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)[23]。

就國內(nèi)發(fā)展趨勢而言，國家也非常重視對未來信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵理論及技術(shù)的研究?！笆晃濉逼陂g，國家對新一代信息網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論研究進行了重點支持。2006年，國家“973”計劃啟動了“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”項目[24～28]，進行未來信息網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究。2007年，國家“973”計劃資助了“可測可控可管的IP網(wǎng)的基礎(chǔ)研究”項目，主要針對現(xiàn)有IP網(wǎng)的可測、可控、可管性開展研究。2008年國家“973”計劃資助了“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議基礎(chǔ)研究”項目，研究新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與協(xié)議。國家“863”計劃信息技術(shù)領(lǐng)域2008年度專題課題資助了目標導(dǎo)向類課題“身份與位置分離的新型路由關(guān)鍵技術(shù)與實驗系統(tǒng)”[29],研究身份與位置標識分離的新型路由尋址體系結(jié)構(gòu)及解決方案。2010年11月，國家“863”計劃信息技術(shù)領(lǐng)域啟動了“三網(wǎng)融合演進技術(shù)與系統(tǒng)研究”重大項目[30]，將“面向三網(wǎng)融合的創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)”列為重要研究內(nèi)容。2011年度國家“973”計劃支持了“面向服務(wù)的未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與機制研究”和“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究”兩個項目。前者以面向服務(wù)為核心設(shè)計理念，以服務(wù)標識作為沙漏模型的細腰，并以服務(wù)標識驅(qū)動路由和數(shù)據(jù)傳輸，在體系結(jié)構(gòu)和核心機理層面進行針對性研究；后者側(cè)重于構(gòu)建一個功能可動態(tài)重構(gòu)和擴展的基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)，為不同業(yè)務(wù)構(gòu)建滿足其根本需求的邏輯承載網(wǎng)，以解決目前IP網(wǎng)絡(luò)層的功能瓶頸。2012年2月發(fā)布的“973”計劃項目申請指南將“智能協(xié)同網(wǎng)絡(luò)理論研究”列為重要支持方向[31]。

這些項目的開展，為我國信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域培養(yǎng)了一批頂尖科學(xué)家和優(yōu)秀的科研人才，并且提高了我國信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域在世界范圍內(nèi)的影響力，為我國開展未來信息網(wǎng)絡(luò)體系理論的研究提供了良好的技術(shù)基礎(chǔ)。特別地，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實驗室在前期“973”計劃項目“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”的資助下，創(chuàng)造性地將網(wǎng)絡(luò)劃分為“普適服務(wù)層”和“交換路由層”，提出并設(shè)計了“4種標識”和“3種映射”的未來互聯(lián)網(wǎng)新體系機理與架構(gòu)，改進了互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施安全性、移動性、路由表可擴展性以及可控可管性，提升了服務(wù)遷移、服務(wù)可靠接入、普適服務(wù)等能力。該項目實現(xiàn)了完整的原型系統(tǒng)并得到了推廣應(yīng)用，在IEEE Transactions等國際頂級期刊上發(fā)表多篇論文[32～41]。在教育部2009年12月組織的科技成果鑒定中，鑒定委員會一致認為：“該項目在未來信息網(wǎng)絡(luò)體系、理論及技術(shù)等核心研究領(lǐng)域取得了重大突破性進展。在網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、標識解析映射機制等方面有重大創(chuàng)新，具有國際先進水平。”在2011年11月，科技部組織的國家“973”計劃項目驗收中，該項目結(jié)題評價為優(yōu)秀。

綜上所述，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能很好地滿足當今應(yīng)用的需求，阻礙著網(wǎng)絡(luò)的進一步發(fā)展，重新審視網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，甚至考慮革命性的變革已經(jīng)成為世界各國政府和信息領(lǐng)域研究者們的共識。

圖1 一體化標識網(wǎng)絡(luò)新型體系結(jié)構(gòu)模型

圖2 一體化可信網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)模型

3 智慧標識網(wǎng)絡(luò)的未來互聯(lián)網(wǎng)體系

3.1 一體化標識網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

傳統(tǒng)信息網(wǎng)絡(luò)的原創(chuàng)模式基本是一種網(wǎng)絡(luò)支持一種主要服務(wù)，如互聯(lián)網(wǎng)主要面向數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)設(shè)計，難以保證實時業(yè)務(wù)及服務(wù)質(zhì)量，電信網(wǎng)主要面向話音業(yè)務(wù)設(shè)計，很難適應(yīng)寬帶流媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需要?，F(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)的這種原創(chuàng)模式在理論與技術(shù)上存在著嚴重的先天缺陷，導(dǎo)致它們基本上都只能支持一種主要業(yè)務(wù)，難以對其他業(yè)務(wù)提供良好的支持。

在充分分析了現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)存在的不足以及未來信息網(wǎng)絡(luò)演進的可能趨勢的基礎(chǔ)上，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實驗室依托國家“973”計劃“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”項目，提出的一體化網(wǎng)絡(luò)原創(chuàng)模式如圖1所示。該原創(chuàng)模式的總思路可歸納為：“4種標識，3類映射”，實現(xiàn)了在同一種網(wǎng)絡(luò)下支持各種不同服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)設(shè)計模式，并提出了一個全新網(wǎng)絡(luò)的兩層體系結(jié)構(gòu)模型——一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)新型體系結(jié)構(gòu)模型。該模型包括“網(wǎng)通層”和“服務(wù)層”兩個層次。

其中，網(wǎng)通層主要包括虛擬接入子層、虛擬骨干子層以及接入標識解析映射（如圖2所示），其核心理論是一體化網(wǎng)絡(luò)接入標識與交換路由標識分離聚合映射理論。虛擬接入子層引入接入標識ID的概念和機制，實現(xiàn)各種固定、移動、傳感網(wǎng)絡(luò)等的統(tǒng)一接入；虛擬骨干子層為各種接入網(wǎng)絡(luò)提供交換路由標識ID，用于核心網(wǎng)絡(luò)上的廣義交換路由和尋路；接入標識解析映射將多個交換路由標識ID映射到多個連接標識ID。

接入標識解析映射定義如下：

其中，zM（n）RID表示網(wǎng)絡(luò)中的交換路由標識，M表示某次選路，RID表示交換路由標識ID；xMN（n）AID表示端系統(tǒng)的接入標識，M表示交換路由標識下標，N表示接入位置，AID表示接入標識ID；Ω(·)是一對多的映射函數(shù)，完成一個交換路由標識ID到多個接入標識ID的映射；其逆映射Ω-1(·)將不同的接入標識ID映射回交換路由標識ID。

作為網(wǎng)通層支撐理論的接入標識與交換路由標識分離聚合映射理論，其主要作用可歸結(jié)如下。

（1）實現(xiàn)了多元化接入與終端的統(tǒng)一接入

使得網(wǎng)通層實現(xiàn)了多元化接入網(wǎng)絡(luò)與終端（如互聯(lián)網(wǎng)中的固定網(wǎng)絡(luò)、移動網(wǎng)絡(luò)和傳感網(wǎng)絡(luò)等，電信網(wǎng)中的各種接入網(wǎng)絡(luò)和終端等）的統(tǒng)一接入，克服了傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)和電信網(wǎng)的接入網(wǎng)絡(luò)單一的問題，拓展了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的范圍。

（2）保證用戶的隱私性和安全性

各種接入網(wǎng)絡(luò)的接入標識代表它們的身份，而交換路由標識僅用于核心網(wǎng)絡(luò)進行路由交換。接入標識和交換路由標識分離后，代表用戶身份的接入標識不會在核心網(wǎng)絡(luò)上傳播，使得其他用戶不可能通過截獲核心網(wǎng)絡(luò)的信息分析用戶的身份，保證了用戶的隱私性；也不可能通過用戶的身份截獲他們的信息，保證了用戶信息的安全性。

（3）保證了網(wǎng)絡(luò)的可控可管性

各種接入網(wǎng)絡(luò)在申請接入標識時，網(wǎng)絡(luò)管理者根據(jù)用戶的簽約信息，對各種接入網(wǎng)絡(luò)進行接入控制和鑒權(quán)，鑒權(quán)的結(jié)果決定是否接受用戶連接請求，同時決定為用戶提供的服務(wù)質(zhì)量水平。

（4）保證了各種接入網(wǎng)絡(luò)及用戶的移動性和傳感性

各種接入網(wǎng)絡(luò)在移動到其他位置之后，僅其接入標識需要發(fā)生變化，代表核心網(wǎng)絡(luò)連接的交換路由標識不需要發(fā)生變化，只需要改變交換路由標識和接入標識的映射關(guān)系。這樣，核心網(wǎng)絡(luò)上的用戶連接不需要中斷，就可以保證用戶繼續(xù)接受各種服務(wù)。

服務(wù)層包括虛擬服務(wù)子層、虛擬連接子層以及服務(wù)標識解析映射、連接標識解析映射。在服務(wù)層需要建立普適服務(wù)理論模型，探索與解決一體化網(wǎng)絡(luò)下服務(wù)的映射、匹配/選擇、組合/分解、執(zhí)行過程中一系列基礎(chǔ)理論、方法與關(guān)鍵技術(shù)問題，著重解決為個性化用戶提供多元化服務(wù)，即實現(xiàn)服務(wù)普適化。一體化網(wǎng)絡(luò)下普適服務(wù)的服務(wù)層模型，如圖3所示。

這里，服務(wù)標識映射將虛擬服務(wù)子層和虛擬連接子層的工作聯(lián)系起來，完成服務(wù)對象標識到多個連接標識的映射，實現(xiàn)通信設(shè)備間的普適服務(wù)連接，映射定義如下：

圖3 一體化網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)層模型

其中，zN（n）SID表示一種服務(wù)，N表示服務(wù)種類，SID是服務(wù)標識；（zNM（n）CID，zNM（n）CNo）表示在服務(wù)下映射出的某一連接，M種連接類型選擇，CID是連接標識，zNM（n）CNo表示某一連接的連接號，用于區(qū)分每種連接中的某個連接號，CNo表示連接號數(shù)；Φ(·)是服務(wù)標識解析映射的函數(shù)。從式（2）可知，Φ(·)是一對多的映射函數(shù)，完成一個服務(wù)到多個連接的映射；其逆映射Φ-1(·)完成將連接子層收到的多個連接向一個服務(wù)的映射。

3.2 未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)的原創(chuàng)模式是相對“靜態(tài)”和“僵化”的，如網(wǎng)絡(luò)不能自動感知服務(wù)（業(yè)務(wù)）的需求變化，網(wǎng)絡(luò)資源無法按照需求動態(tài)適配等，無法滿足未來網(wǎng)絡(luò)“高速”、“海量”、“泛在”、“綠色”的通信需求。要從根本上解決現(xiàn)有信息網(wǎng)絡(luò)原始設(shè)計的嚴重弊端，必須在一體化標識網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，進一步創(chuàng)建全新的未來智慧型網(wǎng)絡(luò)體系與機制，建立相應(yīng)的基礎(chǔ)理論體系。為此，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實驗室在前期“973”計劃項目“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”成果的基礎(chǔ)上，依托國家“973”計劃項目“未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)研究”項目，深入研究和探索支持智慧（智能、感知、認知、動態(tài)等）服務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的未來網(wǎng)絡(luò)體系基礎(chǔ)理論，提出資源動態(tài)適配的未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，提出了資源動態(tài)適配的未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)“三層”、“兩域”總體系架構(gòu)模型（如圖4所示）?！叭龑印?，即智慧服務(wù)層、資源適配層和網(wǎng)絡(luò)組件層；“兩域”，即實體域和行為域。

圖4中，智慧服務(wù)層主要負責(zé)服務(wù)的標識和描述以及服務(wù)的智慧查找與動態(tài)匹配等；資源適配層通過感知服務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，動態(tài)地適配網(wǎng)絡(luò)資源并構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)族群，以充分滿足服務(wù)需求，進而提升用戶體驗，并提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率；網(wǎng)絡(luò)組件層主要負責(zé)數(shù)據(jù)的存儲與傳輸以及網(wǎng)絡(luò)組件的行為感知與聚類等。該體系3層結(jié)構(gòu)之間的智慧映射函數(shù)分別為F1、F2和F3，如圖5所示，分別完成服務(wù)需求到族群的選擇、族群內(nèi)網(wǎng)絡(luò)組件與服務(wù)需求的匹配以及網(wǎng)絡(luò)組件的行為聚類功能。實體域使用服務(wù)標識（service ID,SID）標記一次智慧服務(wù)，實現(xiàn)服務(wù)的資源和位置分離；使用族群標識（family ID,FID）標記一個族群功能模塊，使用組件標識（node ID,NID）標記一個網(wǎng)絡(luò)組件設(shè)備，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的控制和數(shù)據(jù)分離及身份與位置分離；行為域使用服務(wù)行為描述（service behavior description，SBD）、族群行為描述（family behavior description，F(xiàn)BD）和 組 件 行 為 描 述（node behavior description，NBD），分別描述實體域中服務(wù)標識、族群標識和組件標識的行為特征。

圖4 “三層”、“兩域”總體系架構(gòu)模型

圖5 未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系模型

智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系通過動態(tài)感知并智慧化匹配服務(wù)需求，進而選擇合理的網(wǎng)絡(luò)族群及其內(nèi)部組件提供智慧化的服務(wù)，并通過引入行為匹配、行為聚類、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜行為博弈決策等機制，實現(xiàn)資源的動態(tài)適配和協(xié)同調(diào)度，使網(wǎng)絡(luò)更高效、優(yōu)化、節(jié)能等。

資源動態(tài)適配的未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的基本工作原理如圖6所示。在智慧服務(wù)層和資源適配層之間，使用行為匹配機制，在行為域中，根據(jù)服務(wù)需求行為描述和族群功能行為描述形成一次映射，為智慧服務(wù)尋求最佳的族群功能模塊搭配組合，然后根據(jù)實體域的族群間協(xié)作機制，控制指定的族群功能模塊進行協(xié)同工作，從而實現(xiàn)服務(wù)標識到族群標識的映射過程；在資源適配層和網(wǎng)絡(luò)組件層之間，使用行為聚類機制，在行為域中根據(jù)族群行為描述和組件行為描述形成另一次映射，為族群功能模塊判定最合理的網(wǎng)絡(luò)組件構(gòu)成，然后根據(jù)實體域的族群內(nèi)聯(lián)動機制，在族群功能模塊內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)組件之間建立相互聯(lián)動關(guān)系，以完成族群功能模塊的整體功能，實現(xiàn)由族群標識到組件標識的映射過程。通過這兩次映射，網(wǎng)絡(luò)資源可以依據(jù)服務(wù)需求動態(tài)適配，從而實現(xiàn)智慧服務(wù)。

未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)的最終目標是用資源動態(tài)適配的未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)替代現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，從而建立一個智慧化的網(wǎng)絡(luò)平臺，實現(xiàn)資源的動態(tài)適配，以優(yōu)化利用網(wǎng)絡(luò)資源，從而向用戶提供高效、可信的普適服務(wù)，顯著提升用戶體驗。

圖6 未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系功能模型

4 原型系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)

為了驗證所提出的新網(wǎng)絡(luò)體系理論與機制的正確性與可行性，北京交通大學(xué)下一代互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)設(shè)備國家工程實驗室研制了一體化標識網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)，開發(fā)了一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的一體化標識網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，具體包括廣義交換路由器、接入交換路由器、接入標識映射服務(wù)器、接入標識認證服務(wù)器、普適網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器、專用電話代理服務(wù)器、多連接服務(wù)器、多連接客戶端、服務(wù)標識映射服務(wù)器、普適網(wǎng)絡(luò)Web服務(wù)器、普適網(wǎng)絡(luò)客戶端、一體化標識骨干路由器、一體化標識接入路由器、標識認證服務(wù)器、標識分配服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)器、控制服務(wù)器、管理服務(wù)器、視頻會議服務(wù)器等。

研發(fā)過程中，嚴格按照軟件工程學(xué)和協(xié)議工程學(xué)方法，將原型系統(tǒng)的研發(fā)過程分為需求分析、概要設(shè)計、詳細設(shè)計、編碼、測試等幾個階段。這些階段是相互疊加的開發(fā)過程：只有前一個階段的文檔評審?fù)曛?，才可以進入下一個階段。下一個階段進行過程中，如果發(fā)現(xiàn)前一個階段設(shè)計有誤，必須停止現(xiàn)階段的工作，分析錯誤的原因，修改進行前一階段的設(shè)計，只有修改再次經(jīng)過確認后，方可繼續(xù)本階段的工作。

下面給出了未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系理論與關(guān)鍵技術(shù)仿真與驗證方案，如圖7所示。

針對資源動態(tài)適配的未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系的主要基礎(chǔ)理論，擬分別采用DipZoom等軟件對網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)進行分析與建模，采用OMNeT++對“三層”、“兩域”體系架構(gòu)進行網(wǎng)絡(luò)仿真，使用PlanetLab服務(wù)驗證平臺進行驗證。在理論得到初步驗證后，建立一個小規(guī)模原型系統(tǒng)，通過自主開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)功能測試儀進行網(wǎng)絡(luò)功能測試，并對原型系統(tǒng)反饋的數(shù)據(jù)進行分析，驗證和評估小規(guī)模原型系統(tǒng)的正確性與可行性。在此基礎(chǔ)上，將原型系統(tǒng)升級到示范網(wǎng)的應(yīng)用規(guī)模，使用Smartbits網(wǎng)絡(luò)測試儀器測試網(wǎng)絡(luò)的性能、抗壓能力、異常處理，并對用戶反饋的信息進行分析。最終實現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)體系的大規(guī)模部署和實現(xiàn)。

擬采用的原型系統(tǒng)拓撲如圖8所示。該原型系統(tǒng)重點從智慧服務(wù)層理論與機制、資源適配層理論與機制、網(wǎng)絡(luò)組件層理論與機制等方面，全面綜合開展具體驗證工作。

5 結(jié)束語

目前，國內(nèi)外對新一代信息網(wǎng)絡(luò)的研究已進入白熱化，基于分離映射的思想在學(xué)術(shù)界得到了廣泛承認，未來信息網(wǎng)絡(luò)全網(wǎng)標識化指日可待，但如何實現(xiàn)智慧化的標識網(wǎng)絡(luò)，在有效解決網(wǎng)絡(luò)安全、移動、可控可管等的基礎(chǔ)上，使網(wǎng)絡(luò)更高效、優(yōu)化、節(jié)能方面尚未形成較為完整的體系，具有很好的發(fā)展前景和潛在機遇。本文針對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)原始設(shè)計模式存在的嚴重缺陷，在深化一體化標識網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)理論，擴大一體化標識網(wǎng)絡(luò)已有成果的基礎(chǔ)上，指出了未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)智慧化發(fā)展趨勢，為有效解決網(wǎng)絡(luò)可擴展性、移動性、安全性等問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)更高效、優(yōu)化、節(jié)能等跨越式發(fā)展和實質(zhì)性突破提供了參考。

圖7 未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系理論與關(guān)鍵技術(shù)仿真與驗證方案

圖8 未來智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)原型系統(tǒng)驗證拓撲

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