王保進(jìn)，汪斌強(qiáng)，王志明

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

1 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)類型的不斷豐富，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)必須不斷地進(jìn)行革新，才能適應(yīng)這些變化。傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)依靠設(shè)備升級(jí)、帶寬擴(kuò)展以及增加新的協(xié)議算法等方式來(lái)滿足業(yè)務(wù)需求的變化，導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜。根本原因在于當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)是僵化的[1]，只能依靠升級(jí)與擴(kuò)展來(lái)適應(yīng)新業(yè)務(wù)。

目前，國(guó)內(nèi)外都制定了具有前瞻性的新型互聯(lián)網(wǎng)研究建設(shè)計(jì)劃，核心思想都是探索一種能夠支持多業(yè)務(wù)融合的一體化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以解決網(wǎng)絡(luò)用戶業(yè)務(wù)多樣性等急迫需求。國(guó)外對(duì)新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究計(jì)劃主要有美國(guó)的GENI[2]和FIND[3]，歐盟的FIRE[4]和4WARD[5]，以及日本的AKARI[6]等。2005年8月，NSF(national science foundation)宣布了全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境(GENI, globa1 environmem for network innovations)計(jì)劃，GENI基于PlanetLab已建成的實(shí)驗(yàn)床平臺(tái)，其核心目標(biāo)是改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)和分布式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方式；未來(lái)因特網(wǎng)設(shè)計(jì)(FIND,future internet design)與GENI存在重要聯(lián)系，其研究方向基本被GENI涵蓋在內(nèi)，只是其更側(cè)重未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系框架的研究；作為歐盟FP7[7]在ICT領(lǐng)域的重要組成部分，未來(lái)因特網(wǎng)研究實(shí)驗(yàn)(FIRE，future internet research and experimentation)是歐盟為應(yīng)對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)研究、應(yīng)用面臨的諸多挑戰(zhàn)而實(shí)施的大型研究計(jì)劃，其最終目標(biāo)是通過(guò)逐步將現(xiàn)有和未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實(shí)驗(yàn)床平臺(tái)聯(lián)合，建設(shè)一個(gè)動(dòng)態(tài)、可持續(xù)、大規(guī)模的歐洲實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)，從而為歐盟互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展提供多學(xué)科綜合的研究實(shí)驗(yàn)環(huán)境；4WARD是FP7在網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域的代表性子項(xiàng)目，一方面通過(guò)創(chuàng)新，改造現(xiàn)有單個(gè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，克服不足，提高其性能，另一方面研究一種總體網(wǎng)絡(luò)框架，用于實(shí)現(xiàn)各種不同網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的協(xié)作運(yùn)行，從而走出目前網(wǎng)絡(luò)僵化的窘境；AKARI是日本NICT(national institute of information and communications technology)2006年啟動(dòng)的新一代網(wǎng)絡(luò)研究項(xiàng)目，其目標(biāo)是在2015年前研究出一個(gè)全新的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，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(jì)。

國(guó)內(nèi)具有代表性的研究主要有面向服務(wù)提供的可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)[8]（RFNet, reconfigurable flexible network），該網(wǎng)絡(luò)以可重構(gòu)路由交換平臺(tái)[9]為支撐，通過(guò)構(gòu)建多個(gè)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)（RSCN, reconfigurable service carrying networks）的方式實(shí)現(xiàn)多種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并存，從而提供一種解決網(wǎng)絡(luò)僵化問(wèn)題且兼容現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新思路。

可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的資源管理、分配和部署技術(shù)是柔性網(wǎng)絡(luò)理論體系的關(guān)鍵內(nèi)容，目前國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究主要圍繞虛擬網(wǎng)[10]映射（又稱賦值、資源分配）算法展開。虛擬網(wǎng)映射算法大致分為2類[11]：靜態(tài)方式和動(dòng)態(tài)方式。前者在虛擬網(wǎng)的活動(dòng)周期中對(duì)映射方案不做任何調(diào)整；后者能根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)和虛擬網(wǎng)的當(dāng)前狀態(tài)對(duì)映射方案進(jìn)行適應(yīng)性調(diào)整。對(duì)于靜態(tài)方式，Ricci等[12]最早提出了 Assign算法求解實(shí)驗(yàn)床中的子網(wǎng)資源分配問(wèn)題；隨后的研究大多將虛擬網(wǎng)映射問(wèn)題分解為節(jié)點(diǎn)映射和鏈路映射2個(gè)步驟，并分別提出各種啟發(fā)式算法和線性規(guī)劃模型[13～15]；最近的研究正逐步試圖將節(jié)點(diǎn)映射和鏈路映射關(guān)聯(lián)起來(lái)，比如Chowdhury等[16]提出的D-ViNE和R-ViNE算法，以及Jens等[17]的子圖同構(gòu)檢測(cè)算法 vnmFlib。對(duì)于動(dòng)態(tài)方式，He等[18]提出了依據(jù)虛擬網(wǎng)性能動(dòng)態(tài)調(diào)整鏈路帶寬分配的DaVinci算法；Rahman等[19]針對(duì)物理拓?fù)涔收咸岢隽艘环N保證虛擬網(wǎng)生存性的映射算法；Cai等[20]則針對(duì)物理拓?fù)渥兓囊话闱闆r，提出一種基于代價(jià)最小原則的節(jié)點(diǎn)遷移與重映射算法。

上述研究的不足之處在于：大多數(shù)研究只限于發(fā)現(xiàn)新的虛擬網(wǎng)映射模型，缺乏一種有效支持大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的資源管理機(jī)制；在對(duì)虛擬網(wǎng)資源進(jìn)行分配后，缺乏一種通用的網(wǎng)絡(luò)資源管理與部署機(jī)制，使得相關(guān)研究失去實(shí)際意義。針對(duì)這些不足，本文給出一種有效的可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)資源管理方法，并在此基礎(chǔ)上提出可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)資源分配方法和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署方法，最后針對(duì)可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)特性，實(shí)現(xiàn)了一種標(biāo)準(zhǔn)化的網(wǎng)絡(luò)資源管理與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署機(jī)制。

2 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系

2.1 關(guān)鍵概念

面向服務(wù)提供是RFNet的核心思想。由于網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)多樣性、差異化的趨勢(shì)，采用不變的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)或服務(wù)模式支撐所有業(yè)務(wù)需求，即“one size fits all”在技術(shù)上是極難實(shí)現(xiàn)的，設(shè)計(jì)復(fù)雜度和設(shè)備成本也會(huì)很高；從用戶體驗(yàn)質(zhì)量（QoE）角度來(lái)說(shuō)，針對(duì)不同業(yè)務(wù)匹配不同的網(wǎng)絡(luò)體系和服務(wù)模式，即“one size fits one”是最理想的，但如此細(xì)粒度地對(duì)業(yè)務(wù)進(jìn)行適應(yīng)會(huì)帶來(lái)管理復(fù)雜度和管理成本高等問(wèn)題。RFNet綜合上述考慮，采用中等粒度的業(yè)務(wù)適應(yīng)方式，針對(duì)不同業(yè)務(wù)類型提供不同的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（見本文定義1），即“one size fits group”模式。該模式既保持了對(duì)業(yè)務(wù)多樣性的適應(yīng)，又能盡量減少網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的更換頻率。

定義 1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)（RFNet service）是指服務(wù)提供者為滿足一類網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求而提供的一套運(yùn)行在可重構(gòu)路由交換平臺(tái)之上的服務(wù)單元（見定義2）集合。在可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的支持下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可被服務(wù)提供商部署、重構(gòu)和釋放。

定義2 服務(wù)單元（service unit）是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的基本組成部分，每一類業(yè)務(wù)需求都可以分解成若干功能的有機(jī)組合，本文把實(shí)現(xiàn)此種功能且具有重構(gòu)特性的實(shí)體稱之為RFNet下的服務(wù)單元。

定義3 在RFNet中，重構(gòu)（reconfiguration）是指通過(guò)構(gòu)件級(jí)別的變更完成不同網(wǎng)絡(luò)服務(wù)之間的轉(zhuǎn)換，以及同種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)不同配置之間的轉(zhuǎn)換。

定義4 構(gòu)件（component）是服務(wù)單元的基本組成部分，是具有一定網(wǎng)絡(luò)處理能力的實(shí)體及其相關(guān)描述。在RFNet中，構(gòu)件可以被明確識(shí)別、復(fù)用和重構(gòu)，分為軟件構(gòu)件和硬件構(gòu)件2大類。構(gòu)件是可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)中的重要資源。

定義 5 可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)是針對(duì)用戶業(yè)務(wù)需求而抽象出來(lái)的邏輯網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)在結(jié)構(gòu)上能夠映射成為實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)的子圖，在資源上是實(shí)際物理平臺(tái)資源的一個(gè)分片（slice）。RFNet中，可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)支持構(gòu)建、重構(gòu)、遷移和注銷等行為。

2.2 分層模型

RFNet采用4層結(jié)構(gòu)的分層參考模型，如圖1所示，自頂向下4層結(jié)構(gòu)分別是：應(yīng)用層、業(yè)務(wù)層、服務(wù)層和資源層，各層所代表的含義如下。

圖1 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)分層參考模型

應(yīng)用層：可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層不同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層定義，它包含了現(xiàn)有及未來(lái)可能出現(xiàn)的各種用戶應(yīng)用，可用來(lái)描述用戶終端業(yè)務(wù)。通過(guò)對(duì)目前用戶應(yīng)用需求的分析，定義用戶業(yè)務(wù)的產(chǎn)生均可以使用應(yīng)用終端、應(yīng)用軟件和應(yīng)用規(guī)模來(lái)確定，應(yīng)用終端包括話機(jī)、移動(dòng)終端、計(jì)算機(jī)等，應(yīng)用軟件指的是終端中具體執(zhí)行人機(jī)交互的應(yīng)用程序，應(yīng)用規(guī)模指明了業(yè)務(wù)規(guī)模的大小。上述應(yīng)用層定義從用戶業(yè)務(wù)生成源出發(fā)，為下層的業(yè)務(wù)層提取業(yè)務(wù)特征確定服務(wù)質(zhì)量參數(shù)提供了便利。

業(yè)務(wù)層：業(yè)務(wù)層主要完成通信承載業(yè)務(wù)，提取應(yīng)用層生成業(yè)務(wù)的特征并且將用戶業(yè)務(wù)聚類，按照業(yè)務(wù)特性、服務(wù)質(zhì)量和承載媒體分別確定相應(yīng)的參數(shù)。該層完成的功能包括媒體網(wǎng)關(guān)功能，信令網(wǎng)關(guān)功能，邊界路由節(jié)點(diǎn)執(zhí)行的分類、整形、標(biāo)記等接入控制功能。該層描述了用戶業(yè)務(wù)的特征，為可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建服務(wù)承載網(wǎng)提供參考標(biāo)準(zhǔn)。

服務(wù)層：該層是可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的核心層，基于資源共享層提供的物理資源，通過(guò)構(gòu)建可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的形式為業(yè)務(wù)層提供所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。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，把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)分為服務(wù)能力、服務(wù)特征和承載技術(shù)3種屬性。根據(jù)上層業(yè)務(wù)層提供的參數(shù)分別確定相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力和服務(wù)特征，選擇合適的承載技術(shù)，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)相比，可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)用戶需求構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，按照業(yè)務(wù)特性提供服務(wù)能力，從業(yè)務(wù)需求出發(fā)保證服務(wù)質(zhì)量。

資源層：資源層是一種資源可共享、節(jié)點(diǎn)可重構(gòu)，能夠提供底層網(wǎng)絡(luò)資源的物理網(wǎng)絡(luò)，資源共享層由可重構(gòu)路由節(jié)點(diǎn)、光傳輸設(shè)備等組成，為可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)提供共享的物理網(wǎng)絡(luò)資源和光傳輸資源。

2.3 組網(wǎng)架構(gòu)

RFNet的組網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示，包括6種元素：可重構(gòu)管理平臺(tái)（RFNet controller，以下簡(jiǎn)稱管理平臺(tái)）、構(gòu)件庫(kù)系統(tǒng)、可重構(gòu)路由交換平臺(tái)、可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、媒體網(wǎng)關(guān)以及用戶終端。各元素的特點(diǎn)如下。

1) 可重構(gòu)管理平臺(tái)。該平臺(tái)負(fù)責(zé)感知和管理全網(wǎng)資源：發(fā)現(xiàn)可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的服務(wù)能力并對(duì)其進(jìn)行組合以支撐相應(yīng)的用戶業(yè)務(wù)；將用戶的業(yè)務(wù)特性參數(shù)轉(zhuǎn)換為RSCN構(gòu)建請(qǐng)求，并根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)資源狀況及可重構(gòu)路由交換平臺(tái)服務(wù)能力構(gòu)建RSCN；根據(jù)構(gòu)建指令，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)出新的節(jié)點(diǎn)服務(wù)能力，支撐新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)?？芍貥?gòu)管理平臺(tái)在RFNet中扮演了服務(wù)提供商和控制代理的角色。

2) 構(gòu)件庫(kù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)存儲(chǔ)有包括第三方廠商開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)件。構(gòu)件存儲(chǔ)的形式為源代碼、二進(jìn)制碼以及相關(guān)描述文檔和配置腳本等多種物理形態(tài)，文檔遵從一定的格式標(biāo)準(zhǔn)?？芍貥?gòu)路由交換平臺(tái)根據(jù)管理平臺(tái)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)服務(wù)，提供新的業(yè)務(wù)承載能力。構(gòu)件庫(kù)系統(tǒng)在RFNet中扮演了構(gòu)件提供商的角色。

圖2 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)

3) 可重構(gòu)路由交換平臺(tái)。該平臺(tái)為各種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的運(yùn)行提供鏈路帶寬、交換、緩存、CPU、FPGA器件等物理資源；提供構(gòu)件運(yùn)行及相關(guān)功能處理、生成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的支撐環(huán)境；提供資源代理（resource agent）和重構(gòu)代理（reconfiguration agent）等管理模塊，以支持資源管理和設(shè)備級(jí)重構(gòu)?？芍貥?gòu)路由交換平臺(tái)在RFNet中扮演了設(shè)施提供商的角色。

4) 可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備?？芍貥?gòu)路由交換平臺(tái)既可以直接互聯(lián)又可以通過(guò)可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。利用可重構(gòu)光網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的重構(gòu)特性可以方便地實(shí)現(xiàn)可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)淇勺儭?/p>

5) 媒體網(wǎng)關(guān)。媒體網(wǎng)關(guān)對(duì)不同的應(yīng)用需求編碼進(jìn)行聚類，并將對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)特性、服務(wù)質(zhì)量和承載媒體參數(shù)發(fā)送至可重構(gòu)管理平臺(tái)。

6) 用戶終端。用戶終端產(chǎn)生應(yīng)用需求，并將應(yīng)用需求參數(shù)進(jìn)行編碼發(fā)送至媒體網(wǎng)關(guān)。應(yīng)用需求參數(shù)包含終端類型、應(yīng)用軟件和應(yīng)用規(guī)模等重要信息。

3 可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的資源管理機(jī)制

為了提高網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性，將RFNet的資源管理分層和分域，通過(guò)構(gòu)建較小的資源管理域，能有效地控制由于網(wǎng)絡(luò)規(guī)模擴(kuò)大帶來(lái)的復(fù)雜度和相應(yīng)開銷的增加。RFNet的資源管理主要包括預(yù)置信令網(wǎng)（PSN, pre-existed signaling network）的構(gòu)建、資源感知和資源分配。

3.1 預(yù)置信令網(wǎng)

預(yù)置信令網(wǎng)是一種特殊的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)，在RFNet初始化時(shí)就被部署到所有節(jié)點(diǎn)上，主要用于傳遞資源代理層內(nèi)部以及資源代理層與資源管理層之間的交互信令，為構(gòu)建其他可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)提供管理環(huán)境支持。預(yù)置信令網(wǎng)從功能角度分為資源代理層（resource agent layer）和資源管理層（resource manage layer），從地域上又分為各個(gè)資源管理域，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

資源代理層由可重構(gòu)路由交換平臺(tái)組成，可重構(gòu)路由交換平臺(tái)原則上是可以被多個(gè)服務(wù)提供商所管轄的，所以不應(yīng)再根據(jù)服務(wù)提供商進(jìn)行分域。在RFNet中，同一服務(wù)提供商的路由交換平臺(tái)是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)所處地理位置及其規(guī)模進(jìn)行分域的，不同服務(wù)提供商所轄的路由交換平臺(tái)可以存在重疊?？芍貥?gòu)路由交換平臺(tái)的主控設(shè)計(jì)中有資源代理模塊，該模塊負(fù)責(zé)感知路由器節(jié)點(diǎn)的剩余資源情況，以及鄰接鏈路的狀態(tài)信息等，并周期性地將其反饋給資源管理層。

資源管理層由可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)組成，每個(gè)管理平臺(tái)負(fù)責(zé)指定域的資源管理，包括：接受用戶的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建請(qǐng)求，對(duì)域內(nèi)資源進(jìn)行感知，構(gòu)建滿足用戶業(yè)務(wù)需求的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)，管理不同可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的資源分配使用情況等。資源管理層之間還存在域間資源管理邏輯，包括域間資源感知和域間資源分配。

預(yù)置信令網(wǎng)的構(gòu)建可分為域內(nèi)和域間 2個(gè)范圍。域內(nèi)構(gòu)建是指管理平臺(tái)與其所管控的可重構(gòu)路由交換平臺(tái)間構(gòu)建一個(gè)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)，采用的是最小生成樹算法，即以管理平臺(tái)為根，可重構(gòu)路由交換平臺(tái)為中間節(jié)點(diǎn)和葉子節(jié)點(diǎn)，最小化管理平臺(tái)到路由節(jié)點(diǎn)間的傳輸延時(shí)與網(wǎng)絡(luò)資源開銷（如圖3中所示的虛線部分）。域間構(gòu)建是指為管理平臺(tái)間傳遞信令而構(gòu)建的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)，管理平臺(tái)間的拓?fù)溥B接關(guān)系可以是全連接（如圖3中所示的加粗虛線部分）、環(huán)狀或者共享樹結(jié)構(gòu)，不同的拓?fù)溥B接關(guān)系在網(wǎng)絡(luò)資源開銷、信令傳遞的實(shí)時(shí)性、可靠性上會(huì)有所不同，如果采用環(huán)狀連接，則路徑規(guī)劃將轉(zhuǎn)化為旅行商問(wèn)題（TSP, travel salesman problem）。

3.2 資源感知

管理平臺(tái)在進(jìn)行可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建時(shí)，需要根據(jù)重構(gòu)網(wǎng)策略進(jìn)行規(guī)劃，只有充分掌握可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的資源使用情況，才能進(jìn)行最優(yōu)的規(guī)劃。由于可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建請(qǐng)求可以是跨域的，所以RFNet的資源感知分為：域內(nèi)資源感知和域間資源感知。

RFNet的資源感知是通過(guò)域內(nèi)網(wǎng)元控制（NEC，network element control）協(xié)議和域間狀態(tài)公告（DSA， inter-domain status announcement）協(xié)議進(jìn)行的。這2種協(xié)議都是基于web service通信，在域內(nèi)資源感知時(shí)，管理平臺(tái)與可重構(gòu)路由交換平臺(tái)之間通過(guò) NEC協(xié)議進(jìn)行通信，從而使管理平臺(tái)感知域內(nèi)路由節(jié)點(diǎn)的拓?fù)溥B接情況、鄰接鏈路情況、節(jié)點(diǎn)性能、節(jié)點(diǎn)功能以及節(jié)點(diǎn)狀態(tài)等信息；在域間資源感知時(shí)，管理平臺(tái)之間通過(guò) DSA協(xié)議維護(hù)域間狀態(tài)的同步。例如，當(dāng)進(jìn)行資源感知時(shí)，管理平臺(tái)通過(guò) NEC協(xié)議將資源感知請(qǐng)求發(fā)送到所轄域的可重構(gòu)路由交換平臺(tái)，可重構(gòu)路由交換平臺(tái)把該節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、鄰接鏈路狀態(tài)、節(jié)點(diǎn)性能、功能以及狀態(tài)返回給管理平臺(tái)。當(dāng)涉及到跨域構(gòu)網(wǎng)時(shí)，管理平臺(tái)還需要將所轄域內(nèi)的整體資源信息通過(guò)DSA協(xié)議通告給其他所有管理平臺(tái)。通常情況下，管理平臺(tái)周期性地感知資源，但當(dāng)節(jié)點(diǎn)狀態(tài)（如鄰接狀態(tài)）發(fā)生變化時(shí)，節(jié)點(diǎn)通過(guò)NEC協(xié)議將新的資源信息發(fā)送給管理平臺(tái)，從而縮短資源感知的更新時(shí)間。

圖3 RFNet的資源管理框架

3.3 資源分配

可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的構(gòu)建過(guò)程實(shí)際上就是底層可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的資源分配過(guò)程，管理平臺(tái)在完成對(duì)資源的感知之后，就可以根據(jù)構(gòu)網(wǎng)策略進(jìn)行資源的最優(yōu)分配?？芍貥?gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的構(gòu)建請(qǐng)求可以是跨域的，所以RFNet的資源分配分為：域內(nèi)資源分配和域間資源分配。

RFNet的資源分配是通過(guò)域內(nèi)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)元控制（VEC, intra-domain virtual element control）協(xié)議和域間可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)控制（VNC，inter-domain virtual network control）協(xié)議進(jìn)行的。與資源感知協(xié)議類似，資源分配協(xié)議也是基于web service通信的。當(dāng)管理平臺(tái)進(jìn)行可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建時(shí)，管理平臺(tái)根據(jù)資源感知情況以及構(gòu)網(wǎng)策略作出規(guī)劃，如果涉及到跨域構(gòu)網(wǎng)，管理平臺(tái)將所需的其余域的構(gòu)網(wǎng)需求通過(guò) VNC協(xié)議發(fā)送到所對(duì)應(yīng)的管理平臺(tái)中，這些管理平臺(tái)再規(guī)劃出本域內(nèi)的構(gòu)網(wǎng)方案。這樣，無(wú)論域內(nèi)或域間請(qǐng)求，管理平臺(tái)只需將構(gòu)網(wǎng)指令通過(guò) VEC協(xié)議發(fā)送至相關(guān)可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的重構(gòu)代理模塊中，并在收到其重構(gòu)成功響應(yīng)后完成可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的構(gòu)建。

4 可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法與機(jī)制

映射是構(gòu)建可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的重要過(guò)程，是可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的重要功能。所謂可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射，即根據(jù)用戶的構(gòu)建需求及物理網(wǎng)絡(luò)當(dāng)前的資源狀況和服務(wù)能力，通過(guò)映射算法在構(gòu)建需求與網(wǎng)絡(luò)資源之間進(jìn)行匹配，以獲得最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)資源分配方案進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的部署，生成可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)。

4.1 映射模型

一個(gè)簡(jiǎn)單的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射實(shí)例如圖 4所示，該可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求有3個(gè)虛擬節(jié)點(diǎn)a、b、c以及虛擬鏈接ab、ac組成，物理網(wǎng)絡(luò)由A、B、C、D、E、F節(jié)點(diǎn)及其相應(yīng)物理鏈接組成。經(jīng)過(guò)映射，得到滿足節(jié)點(diǎn)約束和鏈路約束的最優(yōu)匹配結(jié)果，即虛擬鏈路(a,b)對(duì)應(yīng)物理路徑(A,B,C,D)，虛擬鏈路(a,c)對(duì)應(yīng)物理路徑(A,B,F)。

圖4 可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射實(shí)例

上述實(shí)例反映出可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射本質(zhì)上是一個(gè)關(guān)于圖的最優(yōu)問(wèn)題，所以本文將可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射抽象成一個(gè)圖模型，并在此基礎(chǔ)上根據(jù)目標(biāo)函數(shù)求最優(yōu)解?？芍貥?gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射模型的建立如下。

可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求模型。將可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建請(qǐng)求用無(wú)向圖表示，其中 Nv和Lv代表可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的虛節(jié)點(diǎn)集合和虛邊集合，代表可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求對(duì)虛節(jié)點(diǎn)和虛鏈路的約束條件，比如對(duì)虛節(jié)點(diǎn)的CPU資源、地理位置等的約束，以及對(duì)虛鏈路的帶寬、延遲等的約束。

可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射模型?？芍貥?gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射問(wèn)題可以描述為從Gυ到 GS子集的一個(gè)滿足 Gv中約束條件的映射行為，表示形式如下：

節(jié)點(diǎn)映射：

鏈路映射：

目標(biāo)函數(shù)。為了使底層物理網(wǎng)絡(luò)能夠承載更多的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射請(qǐng)求，本文基于負(fù)載均衡策略制定目標(biāo)函數(shù)。首先，定義t時(shí)刻底層物理網(wǎng)絡(luò) GS的各節(jié)點(diǎn)負(fù)載 Nload(t, u)和鏈路負(fù)載 Lload(t, e)，其中u∈NS，e∈LS。可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射模型對(duì)節(jié)點(diǎn)和鏈路的資源屬性進(jìn)行了抽象化描述，本文將著重關(guān)注其中的鏈路帶寬資源和節(jié)點(diǎn)CPU計(jì)算資源，進(jìn)而得到對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載和鏈路負(fù)載的具體定義。

節(jié)點(diǎn)負(fù)載：

鏈路負(fù)載：

其中， C PU( t, u)表示t時(shí)刻節(jié)點(diǎn)u的CPU資源使用量， C PU( u)表示節(jié)點(diǎn) u的 CPU資源總量；BW( t, e)表示t時(shí)刻鏈路e的帶寬使用量，B W ( e)表示鏈路e的帶寬總量。通過(guò)式（1）和式（2）的定義，可以進(jìn)而得出節(jié)點(diǎn)均衡度和鏈路均衡度。

節(jié)點(diǎn)均衡度：

鏈路均衡度：

將節(jié)點(diǎn)均衡度和鏈路均衡度線性組合，就可以得到可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射的目標(biāo)函數(shù)：

其中，α，β分別代表節(jié)點(diǎn)均衡度和鏈路均衡度的權(quán)重，多數(shù)情況下節(jié)點(diǎn)均衡度和鏈路均衡度是不會(huì)同時(shí)達(dá)到的，所以本文采用對(duì)二者加權(quán)組合的形式來(lái)評(píng)價(jià)整個(gè)底層物理網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載均衡性；tk表示第 k個(gè)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射請(qǐng)求到達(dá)后的時(shí)刻?？芍貥?gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射的目標(biāo)就是使式（5）達(dá)到最小，也即讓整個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)始終處于負(fù)載均衡的狀態(tài)。

可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射請(qǐng)求是在線的，可以看成是M/M/1排隊(duì)過(guò)程，所以無(wú)法提前預(yù)知。在這種情況下，對(duì)節(jié)點(diǎn)負(fù)載和鏈路負(fù)載進(jìn)行遞推。

當(dāng)?shù)趉個(gè)請(qǐng)求到達(dá)時(shí)：

根據(jù)省耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)實(shí)施方案的要求，堅(jiān)持“四統(tǒng)一”原則進(jìn)行耕地質(zhì)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)的建設(shè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)選擇在生產(chǎn)管理方法及水平與當(dāng)?shù)卮竺娣e生產(chǎn)相同或相似的地方，省級(jí)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)4個(gè)處理小區(qū)，即：長(zhǎng)期無(wú)肥區(qū)、當(dāng)季無(wú)肥區(qū)、常規(guī)施肥區(qū)、測(cè)土配方施肥區(qū)。常規(guī)施肥區(qū)面積不小于333.4 m2，長(zhǎng)期無(wú)肥區(qū)、當(dāng)年無(wú)肥區(qū)、測(cè)土配方施肥區(qū)面積為66.7 m2。長(zhǎng)期無(wú)肥區(qū)和測(cè)土施肥區(qū)用水泥做成永久性隔離小區(qū)，小區(qū)進(jìn)水口位于進(jìn)水渠上游。其余小區(qū)用塑料薄膜嵌入地下做成防滲漏的田埂來(lái)隔離。當(dāng)年無(wú)肥區(qū)在監(jiān)測(cè)點(diǎn)田塊內(nèi)活動(dòng)輪換，5年以上輪換一次[1]。

其中，t和t-分別代表第 k個(gè)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求到達(dá)、注銷、重構(gòu)之后的時(shí)刻和之前的時(shí)刻；u和v為該承載網(wǎng)請(qǐng)求所對(duì)應(yīng)的任意物理節(jié)點(diǎn)，e和 e'為該承載網(wǎng)請(qǐng)求所對(duì)應(yīng)的任意物理鏈路；Δ C PUK(u)表示物理節(jié)點(diǎn)u分配給該承載網(wǎng)請(qǐng)求的CPU資源，ΔB Wk( e)表示物理鏈路e分配給該承載網(wǎng)請(qǐng)求的帶寬資源； MkN， MkL分別代表該承載網(wǎng)節(jié)點(diǎn)映射和鏈路映射；，分別代表該承載網(wǎng)映射被重構(gòu)之后新的節(jié)點(diǎn)映射和鏈路映射。此外，請(qǐng)求重構(gòu)是指原有節(jié)點(diǎn)/鏈路映射方案發(fā)生改變，其只會(huì)發(fā)生在請(qǐng)求達(dá)到與注銷的時(shí)間段之內(nèi)。

4.2 映射算法與機(jī)制

基于前述模型，得到RFNet下可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法，如圖5所示。

圖5 RFNet下可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法

該算法分為節(jié)點(diǎn)映射和鏈路映射2部分。其中，節(jié)點(diǎn)映射的基本思想是將節(jié)點(diǎn)資源需求大的虛擬節(jié)點(diǎn)映射到節(jié)點(diǎn)負(fù)載小的物理節(jié)點(diǎn)，其前提是該物理節(jié)點(diǎn)的剩余資源滿足需求；鏈路映射的基本思想是在滿足鏈路約束的所有最短路徑中選擇可以使整體均衡度指標(biāo)最小的路徑，并將其作為當(dāng)前虛擬鏈路所對(duì)應(yīng)的物理路徑。

此外，如果映射請(qǐng)求對(duì)虛擬節(jié)點(diǎn)做地理位置的限制，那么虛擬節(jié)點(diǎn)映射將可能會(huì)跨越多個(gè)管理域（如圖6所示），映射算法也需要進(jìn)行相應(yīng)的擴(kuò)展，從而產(chǎn)生域間可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法，如圖 7所示。

圖6 跨域可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求的映射

圖7 域間可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法

該算法的基本思想是：首先將可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求根據(jù)地理位置約束分割為若干子可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)，以及連接不同子可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的虛擬連接；針對(duì)每個(gè)子可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求，在相應(yīng)管理域內(nèi)施行域內(nèi)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法；針對(duì)域間虛擬連接，利用最短路徑算法得到跨域的物理路徑，完成域間虛擬鏈路的映射。

可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射是RFNet進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)級(jí)重構(gòu)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，通過(guò)可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)完成，其執(zhí)行過(guò)程如圖8所示。

圖8 可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建過(guò)程

從圖中可以看出，管理平臺(tái)通過(guò)資源感知模塊收集各可重構(gòu)路由交換平臺(tái)資源代理模塊所反饋的資源使用情況；當(dāng)有可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建請(qǐng)求到來(lái)時(shí)，管理平臺(tái)結(jié)合當(dāng)前資源情況，分析可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)請(qǐng)求，通過(guò)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射算法得到資源分配策略；之后，通過(guò)資源分配模塊將資源分配策略轉(zhuǎn)成重構(gòu)命令，并發(fā)送至各可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的重構(gòu)代理模塊，由其負(fù)責(zé)對(duì)路由器進(jìn)行實(shí)際的重構(gòu)操作。

5 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射機(jī)制

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射就是將用戶的業(yè)務(wù)需求映射為構(gòu)件的過(guò)程，即業(yè)務(wù)—服務(wù)—構(gòu)件的映射過(guò)程。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射過(guò)程分為2個(gè)階段：拓?fù)溆成浜蜆?gòu)件組合。拓?fù)溆成潆A段主要完成將用戶業(yè)務(wù)類型映射為處理流程圖（PFG，process-flow graph）；構(gòu)件組合階段主要是根據(jù)處理流程圖，搜索出最優(yōu)的構(gòu)件組合方案，使其滿足總體的業(yè)務(wù)性能需求。

5.1 拓?fù)溆成?/h3>

拓?fù)溆成涞倪^(guò)程包括業(yè)務(wù)映射、服務(wù)映射和構(gòu)件映射。

業(yè)務(wù)映射是對(duì)用戶提供的業(yè)務(wù)特性 Tf=(p1,p2,· · ·,pn)進(jìn)行分類，分類的依據(jù)是業(yè)務(wù)庫(kù)（TDB， traffic database）中存儲(chǔ)的各業(yè)務(wù)類型的聚類中心 Ci=(c1, c2,···,cn)。聚類中心ci是預(yù)先得到的，根據(jù)ATM、DiffServ等業(yè)務(wù)聚類標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行聚類，從而得到聚類中心。然后，通過(guò)業(yè)務(wù)分類模塊可以得到業(yè)務(wù)特征 Tf所屬的業(yè)務(wù)類型索引（TID, traffic type identification）：

服務(wù)映射是根據(jù)業(yè)務(wù)類型索引查詢?cè)摌I(yè)務(wù)類型的服務(wù)拓?fù)?Gserv。服務(wù)映射庫(kù)（SMDB， service mapping database）存儲(chǔ)了不同業(yè)務(wù)類型的服務(wù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，記為 (TID, Gserv)，其中， Gserv= ( Sr, Eserv)，Sr = { Si|Si= ( SID, N ame, D escription), i = 1 ,2,… ,k }為服務(wù)單元的集合， Eserv為服務(wù)單元間的連接關(guān)系。整個(gè)SMDB相當(dāng)于專家知識(shí)庫(kù)，每種業(yè)務(wù)類型在功能上可以分解為由若干服務(wù)單元組成的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)作為專家知識(shí)被存儲(chǔ)和管理。服務(wù)映射代理的作用是根據(jù)業(yè)務(wù)類型索引對(duì) SMDB進(jìn)行查詢，返回相應(yīng)的服務(wù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

構(gòu)件映射是根據(jù)服務(wù)單元索引（SID， service unit identification）查詢?cè)摲?wù)單元所對(duì)應(yīng)的處理流程（process-flow），從而將服務(wù)拓?fù)?Gserv映射為處理流程圖 Gproc。構(gòu)件映射庫(kù)（CMDB， component mapping database）存儲(chǔ)了不同服務(wù)單元所對(duì)應(yīng)的處理流程，記為 ( S ID, G 'proc)，其中：

為構(gòu)件處理集合， Eproc為構(gòu)件處理間的連接關(guān)系，PIDsource為該處理流程圖的源節(jié)點(diǎn)索引， P IDsink為該處理流程圖的末節(jié)點(diǎn)索引。服務(wù)單元分解成處理流程的方案作為一種專家知識(shí)被 CMDB存儲(chǔ)和管理，從而使得 CMDB成為一個(gè)專家知識(shí)庫(kù)。構(gòu)件映射代理則根據(jù)服務(wù)單元索引SID對(duì)CMDB進(jìn)行查詢，得到各自對(duì)應(yīng)的處理流程圖 G 'proc，最后將之組合成整個(gè)業(yè)務(wù)類型的處理流程圖 Gproc。

5.2 構(gòu)件組合

拓?fù)溆成潆A段生成了處理流程圖procG ，其每個(gè)節(jié)點(diǎn)均為一個(gè)處理單元iP，根據(jù)iP的描述信息Description對(duì)構(gòu)件庫(kù)進(jìn)行基于關(guān)鍵字的檢索操作，可以得到滿足iP處理能力的候選構(gòu)件集合。構(gòu)件組合階段就是從每個(gè)候選構(gòu)件集合i中挑選出第j個(gè)構(gòu)件ijC，從而形成構(gòu)件組裝圖compG 。

構(gòu)件組合的依據(jù)是性能。由于RFNet下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)在運(yùn)行時(shí)需要滿足一定的性能要求 Capreq=[p1,p2,…,pn]，所以候選構(gòu)件都具備性能模型。候選構(gòu)件ijC的性能模型可以描述為

構(gòu)件組合問(wèn)題建立在整數(shù)線性規(guī)劃模型基礎(chǔ)上，其復(fù)雜性為NP-hard問(wèn)題。如果采用枚舉算法，則計(jì)算時(shí)間復(fù)雜度為 O ( Mnn)，所以僅適用于小規(guī)模構(gòu)件組合。對(duì)于大規(guī)模構(gòu)件組合，本文采用模擬退火算法進(jìn)行近似求解。

5.3 節(jié)點(diǎn)重構(gòu)機(jī)制

可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的體系結(jié)構(gòu)基于開放式、轉(zhuǎn)發(fā)與控制相分離的思想實(shí)現(xiàn)，支持路由交換節(jié)點(diǎn)級(jí)的重構(gòu)，并定義了軟硬件方面的完整重構(gòu)模型?？芍貥?gòu)路由交換平臺(tái)的重構(gòu)包括硬件重構(gòu)和軟件重構(gòu)，其中軟件重構(gòu)過(guò)程如圖9中A箭頭所示，硬件重構(gòu)過(guò)程如B箭頭所示。

當(dāng)主控部件接收到來(lái)自可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)的重構(gòu)命令時(shí)，重構(gòu)代理模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)并解析命令，如果涉及到軟件重構(gòu)，則交由軟件構(gòu)件代理來(lái)處理，反之則交由硬件構(gòu)件代理。對(duì)于前者，軟件構(gòu)件代理進(jìn)行如下操作：1）接收軟件重構(gòu)描述文件，并提取相關(guān)信息；2）判斷所需的構(gòu)件在構(gòu)件庫(kù)系統(tǒng)中是否齊全，并提取其描述信息；3）判斷可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的資源是否足夠此次重構(gòu)；4）從構(gòu)件庫(kù)系統(tǒng)中下載所需的軟件構(gòu)件；5）將軟件構(gòu)件部署到軟件構(gòu)件運(yùn)行環(huán)境中，并啟動(dòng)構(gòu)件；6）返回重構(gòu)結(jié)果。對(duì)于后者，硬件構(gòu)件代理進(jìn)行如下操作：1）接收硬件重構(gòu)描述文件，并提取相關(guān)信息；2）判斷所需的構(gòu)件在構(gòu)件庫(kù)系統(tǒng)中是否齊全，并提取其描述信息；3）根據(jù)單板資源管控模塊提供的信息，判斷單板資源是否足夠此次硬件重構(gòu)；4）從構(gòu)件庫(kù)系統(tǒng)中下載所需的硬件構(gòu)件；5）將硬件構(gòu)件發(fā)送至相應(yīng)的單板部件中，再通過(guò)單板資源管控模塊將其部署到硬件構(gòu)件運(yùn)行環(huán)境中；6）返回重構(gòu)結(jié)果。

圖9 可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的重構(gòu)過(guò)程

主控部件（CE）是可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的控制核心，主要負(fù)責(zé)路由平臺(tái)的業(yè)務(wù)配置、運(yùn)行管理、資源監(jiān)控、路由計(jì)算、路由下發(fā)、軟硬件構(gòu)件管理等工作，其軟件架構(gòu)如圖 10所示，包括：管理接口、構(gòu)件運(yùn)行環(huán)境與構(gòu)件、構(gòu)件管理與監(jiān)控、服務(wù)映射層、設(shè)備抽象層、ForCES協(xié)議中間件、Linux操作系統(tǒng)。

其中，管理接口為外界提供資源代理和重構(gòu)代理等模塊，使可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)管理平臺(tái)能對(duì)可重構(gòu)路由交換平臺(tái)進(jìn)行資源管理和重構(gòu)；構(gòu)件運(yùn)行環(huán)境為軟件構(gòu)件提供生命周期內(nèi)所需的各類資源，如CPU、內(nèi)存等資源；主控部件中的構(gòu)件包括路由協(xié)議構(gòu)件、基本協(xié)議棧構(gòu)件、管理構(gòu)件、網(wǎng)絡(luò)安全構(gòu)件、QoS構(gòu)件等；構(gòu)件管理與監(jiān)控模塊主要完成構(gòu)件的動(dòng)態(tài)加載/卸載、實(shí)例化、析構(gòu)、綁定和解除綁定接口，以及在此基礎(chǔ)上建立和約束動(dòng)態(tài)重構(gòu)的環(huán)境等工作；服務(wù)映射層與各路由協(xié)議構(gòu)件交互，獲得路由更新信息，并與操作系統(tǒng)內(nèi)核交互路由信息，進(jìn)行路由更新、重發(fā)布等；設(shè)備抽象層將各種線卡物理設(shè)備和接口映射到主控部件，創(chuàng)建主控部件本地虛擬接口，并保存所有資源的抽象信息和屬性信息；ForCES協(xié)議中間件包括ForCES管理控制、ForCES協(xié)議層和傳輸映射層，主要完成ForCES協(xié)議消息的封裝、解封裝、收發(fā)與管理等操作。

圖10 主控部件的軟件架構(gòu)

6 實(shí)驗(yàn)評(píng)估

通過(guò)上述的描述，可以看出RFNet在網(wǎng)絡(luò)管控和可擴(kuò)展性上具有突出的特點(diǎn)，本節(jié)從網(wǎng)絡(luò)層面對(duì)RFNet的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建性能進(jìn)行評(píng)估。

6.1 環(huán)境設(shè)置

仿真環(huán)境為Intel(R) Core(TM) i7 CPU 2.67GHz，RAM 2GB的PC上，通過(guò)C++編程實(shí)現(xiàn)RSCN映射算法。使用GT-ITM[22]隨機(jī)產(chǎn)生50個(gè)節(jié)點(diǎn)組成的RFNet底層拓?fù)?，以? 000個(gè)RSCN拓?fù)?。RFNet的節(jié)點(diǎn)和鏈路資源在50到100間均勻分布，節(jié)點(diǎn)連接概率為0.5。RSCN節(jié)點(diǎn)數(shù)在2到10之間均勻分布，節(jié)點(diǎn)和鏈路資源約束在0到50之間均勻分布，節(jié)點(diǎn)連接概率為0.5。RSCN請(qǐng)求的到達(dá)過(guò)程服從以100時(shí)間單位均值為5(單位：個(gè))作為參數(shù)的泊松過(guò)程，每個(gè) RSCN的生存時(shí)間服從參數(shù)為μ= 1 000的指數(shù)分布。此外，在對(duì)式(5)的全網(wǎng)負(fù)載均衡性計(jì)算中，取 α =β=0.5。

6.2 評(píng)價(jià)尺度

可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建目的是研究承載網(wǎng)的服務(wù)提供能力。本算法通過(guò)引入負(fù)載強(qiáng)度，對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源利用及網(wǎng)絡(luò)負(fù)載分布是否均衡進(jìn)行衡量，進(jìn)而影響承載網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)提供能力。因此，本文使用以下4種尺度對(duì)算法的性能加以評(píng)價(jià)討論。

1) 構(gòu)建成功率

根據(jù)前文分析，增強(qiáng)承載網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的體現(xiàn)是構(gòu)建盡可能多的RSCN。因此，類似于虛擬網(wǎng)研究中的接受比(acceptance ratio)，定義網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功率這個(gè)重要的評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建算法是否有效的尺度。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功率是一段時(shí)間內(nèi)算法構(gòu)建成功的RSCN數(shù)占總構(gòu)建請(qǐng)求數(shù)的百分比。即

2) 最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度

最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是衡量物理網(wǎng)內(nèi)路由交換節(jié)點(diǎn)承載的服務(wù)承載網(wǎng)所造成的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度nS的最大值。為比較算法對(duì)節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度影響，還定義了平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度。平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度是衡量物理網(wǎng)內(nèi)路由交換節(jié)點(diǎn)承載的服務(wù)承載網(wǎng)所造成的節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度nS的數(shù)學(xué)期望，即

其中， VLCN為RSCN節(jié)點(diǎn)， Vs為物理網(wǎng)節(jié)點(diǎn)，N為物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)，在這里， N ≤ 5 0。

3) 平均鏈路利用率

平均鏈路利用率是衡量利用算法所構(gòu)建的服務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)所占鏈路帶寬之和與物理網(wǎng)絡(luò)分配的所有鏈路資源帶寬之和的比值。

該式所定義的平均鏈路利用率可以衡量算法對(duì)整網(wǎng)鏈路資源的均衡利用情況。

4) 構(gòu)建平均收益

構(gòu)建RSCN是服務(wù)提供商通過(guò)“批發(fā)”物理網(wǎng)絡(luò)資源，“零售”給各業(yè)務(wù)提供商。因此，應(yīng)該定義指標(biāo)來(lái)衡量構(gòu)建算法帶來(lái)的收益。本文所定義的構(gòu)建收益是服務(wù)提供商構(gòu)建RSCN后，形成服務(wù)能力賣給業(yè)務(wù)提供商所獲得的收益，與業(yè)務(wù)提供商所需的RSCN帶寬bwi（ lv） 成正比。

而構(gòu)建平均收益定義為

表示一段時(shí)間內(nèi)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建收益的平均值。

6.3 結(jié)果討論

1) 構(gòu)建成功率

圖 11橫軸表示的請(qǐng)求數(shù)為從仿真起始時(shí)刻開始到本時(shí)刻，累計(jì)到達(dá)的所有請(qǐng)求的個(gè)數(shù)。由仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)建網(wǎng)請(qǐng)求到達(dá)數(shù)不多時(shí)，幾種算法的構(gòu)建成功率都可以接近或等于 100%，但隨著請(qǐng)求數(shù)逐漸增加，由于各種算法資源分配方法的不同，使構(gòu)建成功率出現(xiàn)了不同的變化，接近線性的下降過(guò)程。而隨著請(qǐng)求數(shù)的進(jìn)一步增加，原來(lái)存在的RSCN達(dá)到生存時(shí)間，不斷有網(wǎng)絡(luò)資源釋放，因此，構(gòu)建成功率會(huì)逐漸達(dá)到一種統(tǒng)計(jì)上的穩(wěn)態(tài)。在比較的 4種算法中，文獻(xiàn)[14]中的 basic-VN和sub-VN算法采用啟發(fā)式方法進(jìn)行節(jié)點(diǎn)映射，且假設(shè)資源是無(wú)限的，為性能比較，改動(dòng)為適合本文仿真環(huán)境。由仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，構(gòu)建成功率基本為50%左右，并沒有RSCNM算法的構(gòu)建成功率高。這是因?yàn)?basic-VN，sub-VN雖然考慮了節(jié)點(diǎn)可用資源及最大負(fù)載強(qiáng)度，但鏈路映射仍然采用與文獻(xiàn)[13]相似的最短路徑選路算法SPF，容易產(chǎn)生瓶頸鏈路；RSCNM構(gòu)建成功率高于60%，由于RSCNM算法不使用最短路徑進(jìn)行選路，并且在資源分配過(guò)程中均衡了負(fù)載強(qiáng)度，使每一次的分配給后續(xù)的構(gòu)建造成的影響相對(duì)都是均衡的，使構(gòu)建成功率明顯要高；可以看出 RSCNM 構(gòu)建成功率比其他算法有10%以上的提高。

圖11 構(gòu)建成功率

2) 平均鏈路利用率

由圖12可以看出，請(qǐng)求數(shù)較少時(shí)，幾種算法所帶來(lái)的平均鏈路利用率都是快速上升的，隨著請(qǐng)求次數(shù)增加到170次左右，在每個(gè)時(shí)間窗內(nèi)不斷有RSCN到達(dá)生存期，釋放資源，使平均鏈路利用率達(dá)到一種統(tǒng)計(jì)上的穩(wěn)態(tài)。由于RSCNM算法引入了負(fù)載強(qiáng)度控制，剛開始鏈路負(fù)載分布較均衡，平均鏈路利用率并不高，當(dāng)其他算法已經(jīng)出現(xiàn)較高平均鏈路利用率后，RSCNM 算法在請(qǐng)求次數(shù)達(dá)到200次才開始升高，并且均衡分布負(fù)載，構(gòu)建成功率要高于其他算法，當(dāng)達(dá)到統(tǒng)計(jì)穩(wěn)態(tài)后，平均鏈路利用率比其他算法都要高。從圖12還可以看出，由于RSCNM算法根據(jù)物理網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)自適應(yīng)選擇偏重鏈路強(qiáng)度均衡的路徑或者節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度均衡的路徑，可以看出不管是偏重于哪個(gè)指標(biāo)，對(duì)鏈路利用率的影響都是積極的，使得鏈路資源使用均衡，因此最終得到的平均鏈路利用率是相對(duì)較高的。

3) 最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度

由圖13可以看出，對(duì)于到達(dá)的請(qǐng)求，RSCNM 、basic-VN、sub-VN算法穩(wěn)態(tài)的最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度接近45%，靠近平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度40%，比起SPF (55%)來(lái)說(shuō)，有了較大的改善。這是因?yàn)镽SCNM算法包含了根據(jù)路徑平均節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度進(jìn)行計(jì)算的步驟，而basic-VN、sub-VN在節(jié)點(diǎn)映射時(shí)采用了最小化最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度的算法。同時(shí)，從圖 13還可以看出，一定的到達(dá)請(qǐng)求次數(shù)內(nèi)，RSCNM 的最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度略比 basic-VN，sub-VN要好，但有時(shí)受到算法調(diào)整鏈路強(qiáng)度影響而發(fā)生變化。這是因?yàn)镽SCNM算法強(qiáng)調(diào)網(wǎng)絡(luò)資源分配的均衡性，使每個(gè)節(jié)點(diǎn)上分布的RSCN個(gè)數(shù)相對(duì)均衡，并不會(huì)為某次資源分配而造成網(wǎng)絡(luò)負(fù)載失衡；并且采取自適應(yīng)調(diào)整，有時(shí)會(huì)根據(jù)鏈路強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，因此會(huì)對(duì)它的最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度性能有所影響。

圖12 平均鏈路利用率

圖13 最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度

4) 構(gòu)建平均收益

由圖14可以看出，根據(jù)RSCN構(gòu)建平均收益的定義，隨著請(qǐng)求數(shù)增加，由于能夠構(gòu)建的RSCN數(shù)目增加，收益呈遞增的趨勢(shì)。當(dāng)請(qǐng)求數(shù)到達(dá)一定數(shù)量后，由于網(wǎng)絡(luò)可用資源逐漸減少(釋放資源相對(duì)構(gòu)建請(qǐng)求所需資源，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠)，構(gòu)建成功率的降低并呈穩(wěn)態(tài)，能夠構(gòu)建的RSCN數(shù)目也呈穩(wěn)態(tài)趨勢(shì)，構(gòu)建平均收益也呈穩(wěn)態(tài)分布(由于每隔一段時(shí)間釋放一些資源，因此，盡管構(gòu)建成功率降低，但存在的RSCN數(shù)目及所用資源基本成穩(wěn)態(tài)趨勢(shì))。

圖14 構(gòu)建平均收益

7 結(jié)束語(yǔ)

本文在可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)背景下，對(duì)“資源管理—承載網(wǎng)映射—網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射”機(jī)制進(jìn)行了詳細(xì)論述。首先，介紹了可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)；其次，闡述了可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)的資源管理機(jī)制；然后，闡述了可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射機(jī)制，并著重提出一種基于負(fù)載均衡的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)域內(nèi)、域間構(gòu)建算法；最后，根據(jù)可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)的資源映射方案，提出一種基于構(gòu)件化可重構(gòu)路由交換平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)部署機(jī)制。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本文提出的可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)映射算法在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建成功率、最大節(jié)點(diǎn)強(qiáng)度、平均鏈路利用率和構(gòu)建平均收益上具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

本文提出的可重構(gòu)柔性網(wǎng)絡(luò)“資源管理—承載網(wǎng)映射—網(wǎng)絡(luò)服務(wù)映射”流程機(jī)制已成功應(yīng)用在建成的“可重構(gòu)柔性實(shí)驗(yàn)網(wǎng)”之上。未來(lái)將通過(guò)部署更多的業(yè)務(wù)應(yīng)用來(lái)測(cè)試、驗(yàn)證和完善所提出的關(guān)鍵機(jī)制。

[1] TURNER J, TAYLOR D. Diversifying the internet[A]. Proceedings of the IEEE Conference on Global Telecommunications[C]. St Louis,USA, 2005. 755-760.

[2] GENI. Global environment for network innovations[EB/OL].http://www.geni.net.

[3] FIND. Future internet network design[EB/OL]. http://find.isi.edu. San Jose, USA, 2004.

[4] FIRE: future internet research and experimentation[EB/OL]. http://cordis. europa.eu/fp7/ict/fire, 2010-12-29.

[5] 4WARD[EB/OL]. http://www.4ward-project.eu/.

[6] NICT. New Generation Network Architecture—AKARI Conceptual Design (ver1.1)[S]. October 2008.

[7] FP7[EB/OL]. http://cordis.europa.eu/fp7.

[8] HU Y X, LAN J L, WU J X. Providing personalized converged services based on flexible network reconfiguration[J]. Science China Information Sciences, 2011, 54(2): 334-347.

[9] 李玉峰, 邱菡, 蘭巨龍. 可重構(gòu)路由器研究的現(xiàn)狀與展望[J]. 中國(guó)工程科學(xué)，2008,10(7):82-95.LI Y F, QIU H, LAN J L. Status quo and outlook of reconfigurable research[J]. China Engineering Sciences, 2008, 10(7): 82-95.

[10] ANDERSON T, PETERSON L, SHENKER S, et al. Overcoming the Internet impasse through virtualization[J]. Computer, 2005, 38(4):34-41.

[11] HAIDER A, POTTER R, NAKAO A. Challenges in resource allocation in network virtualization[A]. Proceedings of the ITC Specialist Seminar on Network Virtualization[C]. 2009:131-140.

[12] Ricci R, ALFELD C, LEPREAU J. A solver for the network testbed mapping problem[J]. ACM Computer Communication Review, 2003,33(2):65-81.

[13] YU M, YI Y, REXFORD J, et al. rethinking virtual network embedding: substrate support for path splitting and migration[J]. ACM SIGCOMM Computer Communications Review, 2008,38(2):17-29.

[14] ZHU Y, AMMAR M. Algorithms for assigning substrate network resources to virtual network components[A]. Proceedings of the IEEE INFOCOM[C]. Barcelona, Catalunya, Spain, 2006. 1-12.

[15] LU J, TURNER J. Efficient Mapping of Virtual Networks onto a Shared Substrate[R]. WUCSE-2006-35, Washington University, 2006.

[16] CHOWDHURY N, RAHMAN M, BOUTABA R. Virtual network embedding with coordinated node and link mapping[A]. Proceedings of the IEEE INFOCOM[C]. 2009. 783-791.

[17] LISCHKA J, KARL H. A virtual network mapping agorithm based on subgraph isomorphism detection[A]. Proceedings of the ACM SIGCOMM VISA[C]. 2009. 81-88.

[18] HE J, ZHANG S R, LI Y, et al. Davinci: dynamically adaptive virtual networks for a customized internet[A]. Proceedings of the ACM CoNEXT Conference[C]. Madrid, SPAIN, 2008. 1-12.

[19] RAHMAN M R, AIB I, BOUTABA R. Survivable virtual network embedding[A]. Proceedings of the 29th Conference on Computer Communications (IEEE INFOCOM)[C]. 2010. 40-52.

[20] CAI Z P, LIU F, XIAO N, et al. Virtual network embedding for evolving networks[A]. Proceedings of the IEEE Global Telecommunications Conference[C]. 2010. 1-5.

[21] EPPSTEIN D. Finding the k shortest paths[A]. Proceedings of the IEEE Symposium on Foundations of Computer Science[C]. 1994.154-165.

[22] ZEGURA E W, CALVERT K L, BHATTACHARJEE S. How to model an internetwork[A]. Proceedings of the IEEE INFOCOM[C].1996. 594-602.