侯心迪，郜帥

北京交通大學電子信息工程學院，北京 100044

引 言

近年來，互聯(lián)網(wǎng)相關(guān)技術(shù)的飛速進步催生了眾多諸如5G、云存儲、邊緣計算、人工智能等技術(shù)的相繼出現(xiàn)，使互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展迎來了一段黃金時期[1]。

隨著國內(nèi)外對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和多元網(wǎng)絡(luò)服務的深入研究，網(wǎng)絡(luò)“提供服務的能力”已得到充分發(fā)展。然而，互聯(lián)網(wǎng)的迅速普及和多樣化的應用場景對網(wǎng)絡(luò)服務承載能力提出了更嚴格的要求，互聯(lián)網(wǎng)低下的“服務效率”未能支撐新興服務發(fā)揮出其應有的能力。

現(xiàn)階段的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)和工作模式已在全球范圍大規(guī)模部署和應用，由此構(gòu)建的技術(shù)體系根深蒂固，其創(chuàng)新模式和研究思路具有排他性，不利于網(wǎng)絡(luò)空間新體系和新模式的應用與推廣，存在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僵化、承載單一、未知威脅難以抑制等基礎(chǔ)性問題[2-3]。無法提供高質(zhì)量、高效能、安全可靠的服務保障，對擴展性、移動性、自演進性等能力的支持較差，難以動態(tài)靈活地調(diào)度有限的資源來滿足泛在網(wǎng)絡(luò)的各場景下用戶對多元化、個性化、智慧化等高需求的用網(wǎng)體驗[4-5]。

因此，解除“網(wǎng)絡(luò)提供服務的效率瓶頸”成為互聯(lián)網(wǎng)當前亟待解決的核心問題。本文以多元網(wǎng)絡(luò)空間共存融合為出發(fā)點，提出了智慧融合網(wǎng)絡(luò)的思想，并對其關(guān)鍵技術(shù)及核心機理進行介紹。

1 相關(guān)工作

1.1 新型互聯(lián)網(wǎng)體系研究進展

為突破上述互聯(lián)網(wǎng)服務效率瓶頸，進一步促進互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進步，世界各國均已在新型互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域開展基礎(chǔ)架構(gòu)研究以及關(guān)鍵技術(shù)開發(fā)工作[6-7]。

國外方面，美國先后啟動了諸如GENI、FIND、FIA、FIA-NP 等計劃。2015年美國陸軍提出WINT“戰(zhàn)術(shù)信息網(wǎng)絡(luò)計劃”，進一步強調(diào)了互聯(lián)網(wǎng)在軍事領(lǐng)域的重要戰(zhàn)略地位。2016年，美國實施NITRD“網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)研發(fā)計劃”，該計劃將大容量計算基礎(chǔ)設(shè)施、機器人與智能系統(tǒng)、大規(guī)模數(shù)據(jù)管理與分析、軟件設(shè)計與生產(chǎn)、網(wǎng)絡(luò)安全與信息保障等領(lǐng)域列為研發(fā)重點。2018年9月20日，美國白宮發(fā)布《國家信息網(wǎng)絡(luò)戰(zhàn)略》，概述了美國網(wǎng)絡(luò)的4 項支柱、10 項目標與42 項優(yōu)先行動。日本啟動了NWGN、JGN2+、U-Japan 等戰(zhàn)略計劃，著眼于建設(shè)泛在物聯(lián)網(wǎng)設(shè)施和服務，并在之后提出《科學技術(shù)創(chuàng)新綜合戰(zhàn)略2016》，通過廣泛部署人工智能技術(shù)以完成超智能社會的建設(shè)。

同樣，歐盟也將發(fā)展重點聚焦在了信息網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，以保持其科技和產(chǎn)業(yè)在國際上的競爭優(yōu)勢，其先后啟動并資助了FIRE（未來互聯(lián)網(wǎng)研究與實驗）和FIRE（in Call 8）、FIRE (in Call 10）等累計超過400 余項的相關(guān)研究項目，并于2016年發(fā)布H2020（地平線計劃）、H2020-SEC（網(wǎng)絡(luò)安全）、H2020-FI（未來互聯(lián)網(wǎng)）計劃[8-9]，進一步加大對互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的投入。國際電信聯(lián)盟于2018年成立Network 2030 焦點組（Focus Group on Technologies for Network 2030），著眼于探索2030年以后的互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)、體系和技術(shù)的發(fā)展方向。

國內(nèi)方面，我國同樣對未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)給予了高度關(guān)注，明確將“加快構(gòu)建高速、移動、安全、泛在的新一代信息基礎(chǔ)設(shè)施”列為重要任務，并先后啟動了“CNGI”中國下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程計劃、國家“863”計劃、“973”計劃、CENI、“互聯(lián)網(wǎng)+”、“未來網(wǎng)絡(luò)試驗設(shè)施”等戰(zhàn)略計劃和重點研發(fā)項目，以進一步促進新型網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的研究與開發(fā)。

不僅如此，國內(nèi)學術(shù)界和企業(yè)領(lǐng)域也對未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了探索，AT＆T 運營商提出的Domain2.0網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型計劃和Vision 2020 計劃，通過軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software-Defined Networking，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）等技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施從“以硬件為中心”轉(zhuǎn)為“以軟件為中心”，并基于云技術(shù)，構(gòu)建了開放式的網(wǎng)絡(luò)。驗證了軟件定義轉(zhuǎn)發(fā)、軟件定義互聯(lián)、軟件定義硬件等理念的可行性，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)拓撲、協(xié)議和接口等方面的多元化可定義。

1.2 網(wǎng)絡(luò)融合研究進展

雖然未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是世界各國關(guān)注的一大焦點，但如今基于IP 的互聯(lián)網(wǎng)已在全球范圍大規(guī)模成功部署，其統(tǒng)治地位極其牢固，任何改變其體系和工作機制的嘗試都很難成功。IP 互聯(lián)網(wǎng)其單一的尋址路由機制在服務效率、安全性、移動性等方面存在不足，網(wǎng)絡(luò)能力簡單而薄弱。而隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務種類的不斷豐富，業(yè)務對網(wǎng)絡(luò)的需求逐漸嚴格，IP 有限和確定的服務能力逐漸顯得無力，無法滿足豐富多樣的上下層功能。

在國外的研究團隊中，Clark 等人提出的網(wǎng)絡(luò)“知識平面”概念[10]，旨在構(gòu)建一套認知系統(tǒng)，并通過人工智能技術(shù)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自配置、自修復和自適應。Mestres 等人提出了“知識定義網(wǎng)絡(luò)”的概念[11]，即使用機器學習算法，通過對網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行分析和決策，進而優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置，提高網(wǎng)絡(luò)性能。文獻[12]提出了一種協(xié)議無關(guān)的數(shù)據(jù)平面編程語言P4（Programming Protocol-Independent Packet Processors），通過分離控制平面和數(shù)據(jù)平面，網(wǎng)絡(luò)管理員可對網(wǎng)絡(luò)資源和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備行為進行靈活調(diào)度和管理，基于功能可編程的方法實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)可擴展和自演化能力。James McCauley 等人于2019年在SIGCOMM 上提出了Trosky 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[13]，基于在網(wǎng)絡(luò)層之上構(gòu)建3.5 層的overlay 思想，力求使網(wǎng)絡(luò)更好的兼容以內(nèi)容標識為中心的網(wǎng)絡(luò)，增強網(wǎng)絡(luò)的可擴展性和進化性。

國內(nèi)方面，我國鄔江興院士團隊提出了多邊共管的多模態(tài)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[14]，即去中心化管理、各方參與、多邊共管、平等開放的異構(gòu)多模態(tài)新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為解決網(wǎng)絡(luò)服務效率和廣義頑健控制問題開辟了一條新途徑。我國張宏科教授的團隊提出了智慧標識網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[15]，該架構(gòu)詳細分析了現(xiàn)階段導致互聯(lián)網(wǎng)服務效能低下的網(wǎng)絡(luò)的“三重綁定”特性，并創(chuàng)造性地提出了“三層兩域”架構(gòu)進行“三重解耦”，為未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供了新思路。

1.3 研究現(xiàn)狀總結(jié)分析

從上述國內(nèi)外現(xiàn)狀分析可以看出，近年來逐漸出現(xiàn)了以內(nèi)容標識[16]、地理空間標識[17]、身份標識[18]等為中心的新型標識、尋址和路由技術(shù)，并在一些網(wǎng)絡(luò)場景中得到初步部署和應用，其良好性能和效果得到了肯定。

然而現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)統(tǒng)治地位極其牢固，任何改變其體系和工作機制的嘗試都很難成功。例如，對于信息中心網(wǎng)絡(luò)（Information Centric Networking，ICN）而言，諸如命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（Named Data Networking，NDN），雖然該類型的網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生安全性、數(shù)據(jù)獲取效率等方面具有良好的性能，但是網(wǎng)絡(luò)模式由“以地址為中心”變?yōu)椤耙詢?nèi)容為中心”，對其的推廣和部署成本很高，目前只能在邊緣網(wǎng)絡(luò)進行部署嘗試。針對標識網(wǎng)絡(luò)而言，對互聯(lián)網(wǎng)“三重綁定”特性進行“三重解耦”的思想，但是在核心網(wǎng)絡(luò)推廣較為困難，目前在專網(wǎng)進行部署嘗試。即便是針對IP 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的升級換代，如IPv6 技術(shù)，由于其前向不兼容的特性，導致軟件的升級和硬件的更換成本較高，推廣難度很大。

可以看出，既有網(wǎng)絡(luò)體系創(chuàng)新模式和研究思路具有排他性，不利于網(wǎng)絡(luò)空間新體系和新技術(shù)的演進、變革與推廣。因此，本文從未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的持續(xù)演進能力的角度出發(fā)，采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離技術(shù)將基于各類標識空間的多元尋址與路由機制協(xié)調(diào)配合、自然相融，支持多元網(wǎng)絡(luò)標識空間的共存與融合和多域異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通，從而在根本上突破傳統(tǒng)IP 網(wǎng)絡(luò)單一承載的瓶頸，保障互聯(lián)網(wǎng)的開放性、可擴展性、自演進性，支持網(wǎng)絡(luò)形態(tài)按需切換、多域協(xié)同、共治共管等能力，通過多元化服務樣式的兼容，以實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的功能、性能、效能、安全等“服務效能”的提升，并以此為基礎(chǔ)提出了一種標識空間多元化、網(wǎng)絡(luò)異構(gòu)多樣化、服務應用可擴展的智慧融合網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，為互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)創(chuàng)新與突破探索了可能途徑，供廣大科研人員參考。

2 設(shè)計目標、理念和框架

2.1 設(shè)計目標

多元網(wǎng)絡(luò)空間的共存融合涉及以下關(guān)鍵技術(shù)：異構(gòu)標識共管共治技術(shù)、多元標識尋址與路由機制互通技術(shù)、分層劃域網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制技術(shù)。其技術(shù)難點在于如何突破傳統(tǒng)研究思路，克服多元網(wǎng)絡(luò)空間的異構(gòu)特性，設(shè)計多元網(wǎng)絡(luò)共存尋址和協(xié)同路由機制，并針對多形態(tài)網(wǎng)絡(luò)在資源感知適配方面的特色需求，設(shè)計大規(guī)模智慧融合網(wǎng)絡(luò)協(xié)同控制機制，實現(xiàn)異構(gòu)標識空間的高效協(xié)同。因此，本文從“智慧融合”入手，以按需滿足網(wǎng)絡(luò)與用戶的智慧能力需求、支持多樣化異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)空間的共存與融合、考慮未來網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的持續(xù)演進能力為目的，提出以下幾點設(shè)計目標：

（1）多元標識空間的融合與共存：網(wǎng)絡(luò)存在多種標識空間，包含“IP 標識”、“內(nèi)容標識”、“身份標識”、“地理空間標識”等標識方式；支持多種標識空間的轉(zhuǎn)換和互譯，該過程應包括網(wǎng)絡(luò)協(xié)議上的轉(zhuǎn)換和網(wǎng)絡(luò)工作邏輯上的轉(zhuǎn)換；支持多種標識網(wǎng)絡(luò)之間的路由和尋址方式的共存；網(wǎng)絡(luò)中應存在負責統(tǒng)一管理標識空間的管理中心，對網(wǎng)絡(luò)標識進行統(tǒng)一管理，同時應具備軟件可定義能力，從而對未來可能出現(xiàn)的新的標識空間提供注冊、解析和互譯等操作，提高網(wǎng)絡(luò)的演進性和可擴展性。

（2）多域協(xié)同、共管共治：網(wǎng)絡(luò)中存在“自治域”模式，每個自治域所支持的標識空間，所采用的尋址方式、路由機制不盡相同。各網(wǎng)絡(luò)域之間應采取域內(nèi)分層、域間協(xié)同的網(wǎng)絡(luò)工作方式，支持大規(guī)模異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和細粒度資源調(diào)度控制。網(wǎng)絡(luò)中應存在控制器集群，對多元網(wǎng)絡(luò)標識空間進行匹配映射和統(tǒng)一管理，各個自治域網(wǎng)絡(luò)的控制器之間通過東西向接口進行互通，實現(xiàn)域間信息和資源的共享，協(xié)同完成標識的注冊和互譯、路由的選定或設(shè)備的管理配置等功能。

（3）網(wǎng)絡(luò)服務模式智慧切換：網(wǎng)絡(luò)應支持多元化接入手段的選擇和切換以及多元化服務樣式的兼容和擴展，即網(wǎng)絡(luò)應存在多種接入和訪問方式，如4G、5G、Wifi、衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、光纖網(wǎng)絡(luò)、寬帶網(wǎng)絡(luò)等，并支持基于不同標識空間的各類服務，如HTTP、FTP、NDN-Mail、NDN 數(shù)據(jù)獲取、實時視頻傳輸業(yè)務等；網(wǎng)絡(luò)可動態(tài)地、細粒度地感知用戶對業(yè)務質(zhì)量的需求，并相應的對網(wǎng)元設(shè)備進行配置和調(diào)整，主動或被動地切換網(wǎng)絡(luò)服務模式，如采用何種標識空間、路由策略、域間協(xié)同方式等。

2.2 設(shè)計理念和框架

傳統(tǒng)的互聯(lián)網(wǎng)，用戶遷就于單一的網(wǎng)絡(luò)形態(tài)，受限于有限的網(wǎng)絡(luò)服務模式和低下的服務效率，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)生問題無法從根本上得到解決。而隨著用戶數(shù)量的與日俱增，用戶對服務質(zhì)量的要求不斷嚴格，未來互聯(lián)網(wǎng)應具有形態(tài)多樣、架構(gòu)開放的特點，并且支持多樣化網(wǎng)絡(luò)形態(tài)和服務模式任選，具備一定的自演進能力，因此，對未來互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的設(shè)計理念包含以下幾點：

（1）兼容性：網(wǎng)絡(luò)采用開放式軟件定義架構(gòu)，通過Openflow、P4 等SDN 技術(shù)保障網(wǎng)絡(luò)全維可定義、網(wǎng)絡(luò)功能可編程，實現(xiàn)各形態(tài)網(wǎng)絡(luò)的共存和互通，并對既有網(wǎng)絡(luò)應用和服務模式前向兼容。

（2）可擴展：在協(xié)議層方面，通過使用粘合代碼（Glue Code）實現(xiàn)不同形態(tài)網(wǎng)絡(luò)的語義互通，并對應用程序的接口進行共享，使網(wǎng)絡(luò)提供服務的能力不受具體協(xié)議限制。

（3）易部署：考慮到傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)難以從根本上更新?lián)Q代，且網(wǎng)絡(luò)存在自治域?qū)Φ润w結(jié)構(gòu)，因此采用增量式部署，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用基于網(wǎng)關(guān)設(shè)備和控制器的多域協(xié)同模式，軟件可定義的服務功能模塊（支持多協(xié)議的交換機、路由器等）初步部署于網(wǎng)絡(luò)邊緣，核心網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元逐步替換為軟件可定義設(shè)備，實現(xiàn)對多元網(wǎng)絡(luò)空間的支持。

（4）需求驅(qū)動：網(wǎng)絡(luò)可感知用戶對多元化業(yè)務的不同需求，并根據(jù)各個自治域網(wǎng)絡(luò)的資源分布、網(wǎng)絡(luò)鏈路狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)計算能力等信息，采用控制器集群域間協(xié)商的方式，對網(wǎng)元動態(tài)適配，按需對網(wǎng)絡(luò)尋址方式、路由方式、服務模式進行主動或被動的切換，保障網(wǎng)絡(luò)服務效率。

根據(jù)上文提出的設(shè)計目標以及設(shè)計理念，智慧融合網(wǎng)絡(luò)理論框架示意圖如圖1所示。該框架中，智慧融合網(wǎng)絡(luò)包含三類空間，即知識空間、智慧空間、運行空間。

其中，知識空間負責對各個域所擁有的數(shù)據(jù)資源進行注冊，對其安全性、合法性進行驗證，并對各資源所處域的位置進行映射、記錄和定期更新，為網(wǎng)絡(luò)控制平面的資源查詢工作提供保障。知識空間還需對網(wǎng)絡(luò)可用的計算能力、存儲能力、鏈路帶寬等資源進行統(tǒng)一管理，為多域協(xié)同管理工作提供支撐。

智慧空間主要負責對各域的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)進行感知，包括對網(wǎng)絡(luò)標識空間、網(wǎng)元工作狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)負載分布等要素的感知，并根據(jù)不同用戶應用對業(yè)務的不同需求，制定并下發(fā)合理的服務策略（網(wǎng)絡(luò)標識空間的選擇、網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的切換、數(shù)據(jù)獲取方式、是否使用網(wǎng)絡(luò)緩存優(yōu)勢等）。該類功能主要通過網(wǎng)絡(luò)的控制平面實現(xiàn)。

運行空間負責提供對多元異構(gòu)標識空間的支持，并實現(xiàn)多元尋址與路由等功能，針對智慧空間下發(fā)的決策，靈活定制多樣化路由。支持智慧空間需求的多樣化資源調(diào)度策略并提供多元業(yè)務承載，將網(wǎng)絡(luò)運行中各個自治域生成的多維運行信息（如路由表、負載分布、資源位置變動等信息）提供給知識空間，以便實時反饋網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，為服務決策的更改和完善提供保障。

3 智慧融合網(wǎng)絡(luò)

3.1 網(wǎng)絡(luò)分類及功能

由于不同的標識空間需要不同的協(xié)議支持，導致其底層硬件及模塊設(shè)計將具有很大差異，因此，多元網(wǎng)絡(luò)空間的融合的過程中將會出現(xiàn)多種類型的融合網(wǎng)絡(luò)，本文將其分為以下三類融合網(wǎng)絡(luò)。

（1）第一類融合網(wǎng)絡(luò)：該類型的融合網(wǎng)絡(luò)為多形態(tài)共存型，即不同的物理網(wǎng)絡(luò)域中，每個物理網(wǎng)絡(luò)域所使用的網(wǎng)絡(luò)標識空間僅有一個，在網(wǎng)絡(luò)層上，僅進行單協(xié)議棧支持，核心網(wǎng)為現(xiàn)有的IP 模式。該類型的網(wǎng)絡(luò)可視為對IP 核心網(wǎng)絡(luò)的一種增量式擴展，是智慧融合網(wǎng)絡(luò)的初始階段。網(wǎng)絡(luò)中每個自治域僅支持一種標識空間和尋址方式，但網(wǎng)絡(luò)存在多個自治域，不同的自治域之間通過邊界網(wǎng)關(guān)相連接，不同類型的網(wǎng)絡(luò)之間，其報文格式翻譯和協(xié)議轉(zhuǎn)換工作由邊界網(wǎng)關(guān)節(jié)點完成，控制器集群負責各個域所擁有資源的注冊、存儲、映射工作，其示意圖如圖2所示。

圖1 智慧融合網(wǎng)絡(luò)理論框架Fig.1 Theoretical framework of smart integrated networking

圖2 第一類融合網(wǎng)絡(luò)Fig.2 The integrated networking: Type one

特點和功能：

①網(wǎng)絡(luò)中部分關(guān)鍵設(shè)備（邊界網(wǎng)關(guān)節(jié)點、核心交換機等）支持可編程控制。

②僅從域的層面上支持多標識空間共存，單個域無法支持多個標識空間。

③域內(nèi)針對所屬本域的資源，僅能采用本域支持的尋址和路由方式，域間信息交互需要進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。

（2）第二類融合網(wǎng)絡(luò)：該類型的融合網(wǎng)絡(luò)為多形態(tài)融合型，即同一個物理網(wǎng)絡(luò)域中，可存在多種標識空間，其尋址和路由方式可根據(jù)標識空間的不同而切換，在網(wǎng)絡(luò)層上可實現(xiàn)對多種協(xié)議棧的支持，核心網(wǎng)為IP 模式。該類型的網(wǎng)絡(luò)可視為對單個自治域的功能性擴展，網(wǎng)絡(luò)的融合體現(xiàn)在自治域個體中，是智慧融合網(wǎng)絡(luò)的過渡階段。網(wǎng)絡(luò)中各自治域擁有不盡相同的多種標識空間，并可以根據(jù)各自的標識類型，采用對應的尋址和路由方式。邊界網(wǎng)關(guān)僅進行域間傳輸，并不一定涉及協(xié)議轉(zhuǎn)換過程，控制器根據(jù)用戶需求和網(wǎng)絡(luò)情況，對網(wǎng)絡(luò)形態(tài)進行切換或并用，示意圖如圖3所示。

圖3 第二類融合網(wǎng)絡(luò)Fig.3 The integrated networking: Type two

特點和功能：

①網(wǎng)絡(luò)中全部交換設(shè)備支持可編程控制。

②各自治域網(wǎng)絡(luò)可按需切換域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)形態(tài)（標識空間、尋址方式、路由方式等）。

③可根據(jù)域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)情況，復用多種形態(tài)的網(wǎng)絡(luò)為用戶的同一個業(yè)務提供服務。

（3）第三類融合網(wǎng)絡(luò)：該類型的融合網(wǎng)絡(luò)為多形態(tài)混合型，即由第一類融合網(wǎng)絡(luò)與第二類融合網(wǎng)絡(luò)組成的混合式架構(gòu)，且核心網(wǎng)設(shè)備也支持多元網(wǎng)絡(luò)標識和尋址，是智慧融合網(wǎng)絡(luò)的最終階段。網(wǎng)絡(luò)支持多種用戶接入方式，并根據(jù)用戶對業(yè)務的需求，切換或并用多元網(wǎng)絡(luò)空間，更改服務方式。由于網(wǎng)絡(luò)中存在第一類融合網(wǎng)絡(luò)，因此網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責報文格式的翻譯和協(xié)議轉(zhuǎn)換工作，各域的控制器不僅需要對其所在域所擁有的資源進行注冊和存儲，還需通過東西向接口，采用一定的集群策略，與其他域的控制器進行信息交互，實現(xiàn)多域協(xié)同控制和管理。示意圖如圖4所示。

圖4 第三類融合網(wǎng)絡(luò)Fig.4 The integrated networking: Type three

特點和功能：

①網(wǎng)絡(luò)層上實現(xiàn)了標識空間的融合共存。

②支持多樣域間的資源尋址和路由方式。

③核心網(wǎng)以及部分自治域內(nèi)支持網(wǎng)絡(luò)形態(tài)的按需切換或復用。

④各個域之間實現(xiàn)了多域協(xié)同和共管共治，以提高服務效率。

3.2 智慧融合網(wǎng)絡(luò)互通方案

基于上述的設(shè)計目標和理念，本文設(shè)計了智慧融合網(wǎng)絡(luò)互通方案，為了便于說明，文中僅以基于IP 標識的TCP/IP 網(wǎng)絡(luò)和基于內(nèi)容標識的NDN 網(wǎng)絡(luò)的融合網(wǎng)絡(luò)為例，對智慧融合網(wǎng)絡(luò)的工作過程進行介紹。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備使用P4 技術(shù)實現(xiàn)任意網(wǎng)元的可編程控制，基于IP 標識的網(wǎng)絡(luò)域（包含IPv4、IPv6）采用匹配—轉(zhuǎn)發(fā)的工作模式，基于內(nèi)容標識的NDN 網(wǎng)絡(luò)采用NFD 協(xié)議進行尋址、路由和轉(zhuǎn)發(fā)，互通方案示意圖如圖5所示。

其中，終端1 和終端4 為IP 終端，終端2 和終端3 為NDN 終端；域控制器負責資源查詢、網(wǎng)絡(luò)形態(tài)切換、多域協(xié)同等功能；PG 為智慧融合網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點，負責用戶接入和網(wǎng)關(guān)功能，該設(shè)備具有跨網(wǎng)絡(luò)種類互通和跨網(wǎng)絡(luò)通道接入能力，即支持IPv4、IPv6、內(nèi)容標識網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的主動切換和協(xié)同，以及不同網(wǎng)絡(luò)通道、鏈路方式，蜂窩、WiFi 等多種網(wǎng)絡(luò)接入方式。

網(wǎng)絡(luò)中存在4 種傳輸場景，即IP-NDN-IP、IPNDN、NDN-IP-NDN、NDN-IP，IP-IP 和NDN-NDN的情況不做考慮。

圖5 智慧融合網(wǎng)絡(luò)互通方案Fig.5 The communication scheme of smart integrated networking

在IP-NDN 場景下，終端1 發(fā)起HTTP 服務，請求獲取具有特定內(nèi)容名的數(shù)據(jù)，由于接入節(jié)點為PG1，其所在域為IP 域，因此無需進行協(xié)議轉(zhuǎn)換。當數(shù)據(jù)包到達PG1 時，該網(wǎng)關(guān)節(jié)點對控制器發(fā)起請求，以獲取該內(nèi)容所在域的信息，并根據(jù)控制器反饋的信息（內(nèi)容源終端2 所屬網(wǎng)絡(luò)域的網(wǎng)關(guān)IP），將數(shù)據(jù)發(fā)往PG3。由于與PG3 相連的PG4 所屬域為NDN 域，因此PG3 需將收到的數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，并生成臨時映射表，記錄源網(wǎng)關(guān)節(jié)點的IP 地址。當數(shù)據(jù)包到達PG4 時，為NDN 興趣包格式，因此，PG4 將該興趣包發(fā)往所在域的網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，該興趣包的內(nèi)容名最終在PG5 處命中，并發(fā)往終端2。終端2根據(jù)興趣包的內(nèi)容名構(gòu)建數(shù)據(jù)包，并按源端口發(fā)回至PG3。PG3 查詢臨時映射表，根據(jù)源網(wǎng)關(guān)節(jié)點的IP 地址建立路由，將數(shù)據(jù)包進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，重構(gòu)為HTTP 響應包，并通過匹配—轉(zhuǎn)發(fā)機制，最終發(fā)回至終端1。

在NDN-IP 場景下，終端2 發(fā)送興趣包，以獲取具有特定內(nèi)容名的數(shù)據(jù)，接入節(jié)點PG5 對控制器發(fā)起請求，獲取到內(nèi)容所在域的信息，控制器對PG4 的內(nèi)容名條目進行更新，因此，經(jīng)由PG5 發(fā)出的興趣包，最終在PG4 命中。PG4 進行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將興趣包改為HTTP 請求包，其目的地址為PG3 的IP 地址。當PG3 收到請求包后，其對內(nèi)容服務器進行查詢，獲取到PG1 的IP 地址，因此將數(shù)據(jù)包發(fā)往PG1，并最終發(fā)至終端1。終端1 根據(jù)請求中的內(nèi)容名，構(gòu)建HTTP 響應包，并構(gòu)建路由，將響應包發(fā)往PG4。PG4 提取出響應包中的數(shù)據(jù)，根據(jù)內(nèi)容名重構(gòu)為NDN 數(shù)據(jù)包，并按照源端口依次發(fā)回至終端2。

對于IP-NDN-IP 和 NDN-IP-NDN 兩類場景，其過程與上述過程相似，只是需要在目的終端的接入節(jié)點PG 處額外進行一次協(xié)議轉(zhuǎn)換，因此不再進行贅述。

圖6 多元網(wǎng)絡(luò)空間協(xié)同傳輸測試結(jié)果圖Fig.6 The performance of cooperative transmission under multi-dimensional cyberspace

由于IP 域內(nèi)存在IPv4 和IPv6 兩種標識空間，因此，用戶可并用兩種標識空間下的傳輸模式，進行協(xié)同傳輸以提高傳輸效率。以終端1 與PG3 的通信為例，終端1 將數(shù)據(jù)發(fā)往PG1 處，若兩種標識空間處于可用狀態(tài)，則PG1 根據(jù)報頭信息、IPv4 和IPv6 的報頭模板，將數(shù)據(jù)包拆分為多個分組，并根據(jù)混沌算法，進行傳輸協(xié)議混淆和數(shù)據(jù)包亂序操作。拆分后的數(shù)據(jù)分組根據(jù)各自標識空間下的路由機制，最終發(fā)至PG3，并在PG3 處執(zhí)行解混沌算法，將數(shù)據(jù)分組還原為數(shù)據(jù)包。多元網(wǎng)絡(luò)空間協(xié)同傳輸?shù)男阅軠y試結(jié)果如圖6所示。

由圖可知，在IPv4 和IPv6 兩種標識空間下，使用兩種協(xié)議進行協(xié)同傳輸，網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬提升約2.4 倍，在理論上證明了采用多種標識空間進行協(xié)同傳輸?shù)目尚行浴?/p>

4 結(jié)論與展望

針對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)存在的承載模式單一、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僵化、服務效率低下等問題，本文從多元網(wǎng)絡(luò)空間共存和融合的角度出發(fā)，通過融合多種網(wǎng)絡(luò)標識空間，支持網(wǎng)絡(luò)形態(tài)轉(zhuǎn)換和多域協(xié)同共管，從而提升網(wǎng)絡(luò)的服務效能，提出了智慧融合網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，并以由兩種網(wǎng)絡(luò)標識空間所構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)為例，對智慧融合網(wǎng)絡(luò)所采用的關(guān)鍵技術(shù)及互通過程進行介紹和說明，對傳輸性能進行了簡要評估，為未來互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展提供了一種新思路。

另一方面，本文所提出的智慧融合網(wǎng)絡(luò)對其他可能存在的網(wǎng)絡(luò)標識空間的融合方法仍需繼續(xù)完善和探討，傳輸安全問題以及網(wǎng)絡(luò)所采用的關(guān)鍵技術(shù)和核心原理也需要進一步研究和驗證，對實際部署方式以及性能評估仍需進一步討論。

利益沖突聲明

所有作者聲明不存在利益沖突關(guān)系。