网络体系结构现状及发展

网络体系结构现状及发展

高健

（沈阳航空航天大学计算机学院，沈阳，110136）

摘要：互联网在本世纪取得了及其快速的发展，成为了世界上覆盖范围最广、规模最大、

信息资源最丰富的全球信息基础设施。但随着互联网的大范围适用，高速度发展，其设计

之初潜藏的局限性也日趋显著，因此随着互联网的使用出现了大量需要解决的问题。为

此，研究者及使用者从不同角度，不同层次给出各种解决方案。本文将从网络体系结构的

角度，叙述网络体系结构的现状和发展。

关键词：网络体系结构；SDN；网络覆盖

“体系结构”一词翻译自英文Architecture，美国传统词典给出的词义是“部件的有序安排；结构”。在计算机和通信领域，体系结构就是指一个系统的基本组织，系统的组件、组件之间的相互关系、组件和环境之间的相互关系以及设计和进化的原则。现在，通常把网络体系结构理解为对层次划分、各层功能（协议）定义以及层间接口等的描述说明。

经过40多年的发展，互联网取得了巨大成功，已经发展成为世界上覆盖范围最广、规模最大、信息资源最丰富的全球信息基础设施，对社会进步、经济发展和国家安全具有重大战略意义。由于互联网的设计初衷并不承载全社会信息基础设施的重任，因此随着互联网的使用出现了大量需要解决的问题。为此，国际互联网标准组织通过不断制定新的国际标准来不断增强互联网的功能，如各种RFC（Request For Comments，是由互联网工程任务组（IETF）发布的一系列备忘录）的提出，就是一种不断修补的演进方式。

另一方面，支持“Clean-slate”方式的未来互联网体系结构的研究也在逐渐增加。上世纪90年代开始，美国和欧盟相继提出了FIND、GENI、FIRE，4WARD等未来互联网体系结构和创新环境研究项目，以提供开放、可编程的网络环境为网络创新提供支持。软件定义网络（Software Defined Networking，SDN）即是在此背景下被提出。

1.SDN的提出

SDN的思想是通过将网络控制与网络转发解耦合，对网络进行抽象以屏蔽底层复杂度，为上层提供简单、高效的配置与管理，从而支持未来各种新型网络体系结构和新型业务的创新。SDN以其开放性、高效管控性、良好的演进性、可承载其他多种网络体系结构等品质得到国际工业界和学术界的高度重视。SDN已成为网络学术界和工业界最为关注的热点之一，目前已成为下一代互联网/未来互联网的研究大潮中的主要发展方向。

Opeti Flow技术作为SDN转发抽象的实现之一，已经受到学术界和工业界普遍关注和广泛研究。GENI和FIRE在2011年提出将采用Open Flow技术来构建下一代未来网络体系结构的创新环境。但是，Open Flow在灵活性、可扩展性和大规模应用等方面存在不足，而目前SDN还处于发展的初期阶段，在体系结构设计、接口抽象、控制平面扩展和虚拟化管理、原型系统研制、实验平台构建、新型网络体系结构和业务支持验证等方面还需进一步研究。

2013年，国家高技术研究发展计划（863计划）启动了“未来网络体系结构创新环境（FINE）”课题。基于“十一五”科技计划项目“可信任互联网”以及“未来互联网”的研究成果基础，课题立足于解决制约未来网络体系结构创新环境构建和发展的一系列问题。

2.基于SDN的网络体系结构创新环境

FINE未来网络体系结构创新环境FINE课题组按照“转发技术多样化、控制平面集成化、资源管理虚拟化、协议实现模块化、运行模式服务化”的设计原则，遵循“突破关键技术、研制系统软件、搭建试验平台、部署应用示范”的研究思路，主要研究内容包括:设计基于软件定义网络思想的开放和可定义的未来网络体系结构创新环境（FINE）的总体架构；研究确定的、可组装的和深度可编程的三类数据平面抽象技术及其设备；研究可扩展的网域操作系统及其开发接口；研究基于云服务模式的虚拟化平台；搭建覆盖教育、电信、广电和军队领域部分科研院所的FINE试验平台；基于试验平台进行新体系结构和IP 新协议的示范。

2.1 FINE的体系结构研究

通过分析未来网络体系结构的技术特点和发展趋势，梳理已有网络试验平台/床的设计方法、运行模式和制约因素，我们提出基于SDN的目标设计FINE的总体架构，研究支持未来网络体系结构创新的设计方法、分层结构和功能构成和运行机制，能够更加灵活、方便地支持各种新型网络体系结构和新网络业务的开发、试验和运行。FINE的总体架构包括四个层次，即开放设备、网域操作系统、虚拟化平台、上层应用。

2.2 开放设备的数据平面抽象技术研究

通过研究当前转发平面开放方法，分析数据平面抽象能力的需求，按照转发能力的支持程度和设备部署的成本要求，以下三类数据平面抽象方法:确定的数据平面抽象技术，例如Open Flow扩展是其中的一种技术；灵活组装的数据平面抽象技术；比特级深度可编程的数据平面抽象技术。项目组与设备厂商和其他高校合作，正在研制支持上述技术的网络设备原型系统。

2.3 网络操作系统-TUNOS研究

研究网络操作系统TUNOS的体系结构、功能构成和跨域协商，实现屏蔽下层多种数据平面抽象，对开放网络设备等网络元素进行统一表示和控制，提供集中式与分布式结合的统一的控制平面接口和全局网络视图，大大降低网络管控测复杂度。

2.4 提供云服务的虚拟化平台系统-VCP研究

作为网络协议的虚拟化云服务平台，VCP为APP提供一体化的服务，需研究面向用户实验网络的整个生命周期的服务机制与各阶段的运行环境。

2.6 FINE创新网络试验平台建设

依托清华大学和教育网覆盖的其他院校的网络资源，以及电信、广电和军队等领域的试验网络，通过部署和升级开放网络设备及系统软件等多种方式，建立13个示范点组成的规模化、多行业、具有不同网络业务和环境的广泛代表性的创新网络试验平台。

2.7 新型网络体系结构和IP新协议的示范

在HNE试验环境上对新型网络体系结构和IP新协议进行示范，研究、实现、部署和运行若干新型网络体系结构和IP新协议，能够充分证明试验环境的平台承载能力和体系的融合能力。目前考虑支持的主要应用示范包括新体系结构(NDN、PTDN等)和IP新协议(IPv6域内和域间源地址验证、ILNP、二维路由等)。

目前SDN还处于发展的初期阶段，许多关键技术及关键网元设备亟待研究与开发。所述未来网络体系结构创新环境FINE，吸收了SDN思想中的积极成分，又对SDN的体系结构和技术有其发展和超越。设计好未来网络研究的基础设施，对支持我们未来网络的技术创新和体系演进，形成我国在未来网络领域的重大影响力具有重要意义。

3.网络覆盖

为增强移动性管理、名址服务、QoS 管理等网络能力，需对IP 网络进行能力提升。如果直接在底层网络引入这些功能，需要更换设备或者大量修改当前的底层通信协议，在性能上可能使底层网络设备负载过大，并且会带来网络设备兼容性问题，同时花费巨大，耗时过长。

3.1 网络覆盖的提出

覆盖网络（overlay network）技术可以在不改变底层网络的情况下，实现上述功能，提升通信网络的性能。具体而言，可通过设置覆盖服务节点，节点之间采用对等P2P 网络技术，每个节点既是服务提供者也是服务使用者，同时还负责消息的路由，形成服务覆盖网络，协同完成应用服务功能。从数据转发平面上看，覆盖网属于应用层虚拟网络。服务节点间主要通过TCP 协议形成虚拟链路，通过特定的覆盖路由算法，实现覆盖网络通信功能。这种嵌套性体系结构仍属基本体系结构模型的正常应用。

从控制平面、安全平面上看，覆盖网通过增设相关功能实体，实现了对OSI 立体分层模型相关平面的功能扩展，细化了相关平面的模型描述。此外，覆盖网还增加了一个新的平面，即服务平面，涉及服务提供、服务控制、服务管理、服务发现和调用等功能。

3.2 网络覆盖的发展

为了更好地提供覆盖网服务，A.Nakao 等提出了路由Underlay（衬垫层）的设想。所谓Underlay是一种基础服务覆盖层，其体系结构分为3 个子层，如图2 所示。拓扑探测内核通过网管接口或独立探测分析，获得底层网络的拓扑结构和路由信息。服务覆盖网络通过调用路由服务库，实现针对特定应用的路由决策。

图2路由Underlay（衬垫层）结构

通过设置路由Underlay 为各种上层应用提供公共路由服务，可以减小路由探测开销，优化流量分布。其路由服务可在底层IP 网络静态的、基本联通性BGP 路由功能之上，提供QoS 属性等动态功能。这是通过覆盖网提供增强控制功能的典型例子。

此外，文献分别对覆盖网在增强DNS性能、故障路径快速倒换以增强网络可靠性、增强网络QoS 等方面的应用进行了研究。通过覆盖层、衬垫层提供公共的、虚拟化的增强网络功能，也得到了产业界的重视。Cisco 公司提出了面向服务的网络体系结构SONA(Service Oriented Network Architecture)。不过与一般覆盖网络使用独立服务节点提供统一通信、认证、虚拟化、移动性等增强网络功能不同，Cisco 将相关功能实体迁移到路由器、交换机以及用于运行和管理网络的其他专用设备上。换言之，上层应用本身将拥有更简单的架构，能够调用更适合由基于网络的服务实体执行的各种功能。另外，由于网络能够识别重要事件，然后将其传输给应用，因此，网络服务还能使应用本身得到增强。

SONA 分为网络基础层、交互应用层（也称为集成网络服务层）、应用层。SONA在本质上并不是一种网络体系结构，而是一种功能模型，能够使网络动态提供新服务，以便为企业提供能够适应流程要求的灵活性和可靠性。不过SONA 毕竟是厂家的标准，可能会造成网络设备不兼容、难开发。

中国移动公司提出的分布式业务网络（DSN），是一套面向移动互联网并促进电信网和互联网融合的核心网体系架构和解决方案。在DSN 中，P2P 技术用于网络控制面，从而实现控制面的负载均衡、容灾、高可拓展等特性；P2P 技术也用于网络用户面，从而实现用户面的路由优化和分布式存储、内容分发等，能有效地降低服务器成本。DSN分为P2P 路由子层、控制子层、业务使能子层和应用子层。目前DSN 只是提出了基本的框架，要获得推广应用还需在交互流程、业务数据模型等方面进行细化。

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