劉韻潔，黃韜，張嬌，劉江，姚海鵬，謝人超

（北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)與交換國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100876）

1 引言

當(dāng)前，中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模以及用戶數(shù)量已位列全球第一。據(jù)中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)信息中心（CNNIC, China internet network information center）公布的第34次中國(guó)互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計(jì)報(bào)告[1]顯示，截至2014年6月，我國(guó)互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量達(dá)到6.32億，占總?cè)丝诩s46.9%。另外，知名風(fēng)投公司KPCB指出，截至 2013年，中國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)活躍用戶已經(jīng)高達(dá) 5億，全球占比最高。

然而，隨著互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模的飛速增長(zhǎng)以及互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的多樣化，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)也逐步顯現(xiàn)出了各種問(wèn)題，其中2個(gè)非常關(guān)鍵的挑戰(zhàn)如下。

1) OTT業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展。近年來(lái)，實(shí)時(shí)通信工具、在線視頻等 OTT業(yè)務(wù)蓬勃發(fā)展，用戶數(shù)量和數(shù)據(jù)流量快速增長(zhǎng)。截至2013年10月，微信用戶數(shù)量已經(jīng)突破6億，F(xiàn)acebook用戶數(shù)量超過(guò)10億。思科預(yù)計(jì)2016年，OTT業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量將占據(jù)移動(dòng)數(shù)據(jù)流量的71%。OTT業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展帶來(lái)的數(shù)據(jù)流量增加必然會(huì)導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)帶寬被大量占用。然而，由于 OTT業(yè)務(wù)服務(wù)商直接面向用戶提供服務(wù)和計(jì)費(fèi)，使基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供商變成了單純的數(shù)據(jù)傳輸通道，因此缺乏足夠的動(dòng)力進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的擴(kuò)容?？梢灶A(yù)測(cè)，如果按照這一趨勢(shì)，某一天整個(gè)產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈將會(huì)崩塌。那么如何緩解流量快速增長(zhǎng)這一問(wèn)題，一些專家提出對(duì)OTT業(yè)務(wù)流量收費(fèi)的方式，然而這一方法可能會(huì)影響到整個(gè)互聯(lián)網(wǎng)生態(tài)圈的蓬勃發(fā)展，事實(shí)上，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展與其不按流量收費(fèi)密切相關(guān)，如果按照流量收費(fèi)，將會(huì)制約互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，甚至可能會(huì)阻礙其創(chuàng)新。

另外一個(gè)可行的思路是對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，以提供差異性服務(wù)的能力，進(jìn)而引入經(jīng)濟(jì)模型，引導(dǎo)用戶高效合理地使用網(wǎng)絡(luò)資源。事實(shí)上，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用提供商對(duì)于網(wǎng)絡(luò)差異性服務(wù)能力的需求非常強(qiáng)烈，例如，亞馬遜指出網(wǎng)絡(luò)延遲每增加0.1 s，每年銷售將減少1%[2]，谷歌指出用戶搜索延遲每增加0.5 s，搜索量將會(huì)減少20%[3]。據(jù)調(diào)查，85%的內(nèi)容提供商為了提高用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，愿意為更好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量支付最高25%溢價(jià)，但是由于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)不靈活，并不能為特定用戶提供差異性的服務(wù)質(zhì)量。于是，Google等大型內(nèi)容提供商已經(jīng)開始試圖構(gòu)建自己的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來(lái)更靈活地使用網(wǎng)絡(luò)資源，從而滿足業(yè)務(wù)需求[4]。但是，這僅僅是少數(shù)大型企業(yè)能夠選擇的技術(shù)路線，同時(shí)也會(huì)造成基礎(chǔ)設(shè)施資源的巨大浪費(fèi)。

如果可以構(gòu)建更加靈活并能為愿意付費(fèi)用戶提供有服務(wù)質(zhì)量保障的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，則互聯(lián)網(wǎng)可以持續(xù)健康的發(fā)展。為了構(gòu)建這樣一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，可以借鑒交通系統(tǒng)的差異化運(yùn)輸方式，令網(wǎng)絡(luò)具有提供高速公路、普通公路、普通火車、高鐵等差異化服務(wù)的能力，普通用戶可以免費(fèi)使用普通公路，但是服務(wù)質(zhì)量不能得到保障；而對(duì)于服務(wù)質(zhì)量有需求的用戶，可以選擇付一定費(fèi)用來(lái)得到更高的服務(wù)質(zhì)量。這樣一來(lái)，一方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)有服務(wù)質(zhì)量需求的內(nèi)容提供商可以得到服務(wù)保障，而普通用戶和小型創(chuàng)業(yè)公司等可以繼續(xù)免費(fèi)使用互聯(lián)網(wǎng)，促進(jìn)互聯(lián)網(wǎng)的蓬勃發(fā)展。另一方面，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)提供者會(huì)有更高的動(dòng)力去建設(shè)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，來(lái)更好地滿足不同用戶對(duì)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的需求。

2) 互聯(lián)網(wǎng)中信息存在大量冗余。當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中的大部分內(nèi)容分發(fā)型應(yīng)用存在大量重復(fù)傳輸問(wèn)題，尤其是視頻流量，例如優(yōu)酷 2011年播放量過(guò)億次電視劇超過(guò) 30部。而當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中視頻流量占據(jù)了大部分，思科預(yù)計(jì)未來(lái)在線視頻流量將會(huì)占據(jù)互聯(lián)網(wǎng)流量的90%以上。這些冗余流量會(huì)浪費(fèi)大量網(wǎng)絡(luò)帶寬，因此消除信息冗余需求十分迫切。當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中主要是利用內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN, content delivery network）技術(shù)來(lái)減少信息冗余。但是，傳統(tǒng)CDN的解決方案存在諸多不足，一方面，其采用重疊網(wǎng)（overlay network）的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，增加了成本，造成了基礎(chǔ)設(shè)施資源的浪費(fèi)。另一方面，通常只有較成熟的公司才有能力去購(gòu)買 CDN服務(wù)，因此 CDN技術(shù)只是減小了購(gòu)買其服務(wù)的內(nèi)容提供商的數(shù)據(jù)流量，并不是一個(gè)整體解決方案。對(duì)于基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，由于缺乏對(duì)內(nèi)容資源的智能調(diào)度能力，信息冗余仍然大量存在，因此基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)具備信息冗余消除能力十分必要。同時(shí)調(diào)查指出，存儲(chǔ)容量比帶寬增長(zhǎng)速度更快，而且存儲(chǔ)成本價(jià)格比帶寬價(jià)格下降更快，按照目前數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)容量平均每1.7年翻倍，而帶寬平均每2.4年翻倍；存儲(chǔ)成本每年下降40%，而帶寬成本每年只下降26%[5]。因此從發(fā)展趨勢(shì)來(lái)看，未來(lái)在基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中部署緩存來(lái)減小信息冗余也是一個(gè)大的方向。

除了以上2個(gè)挑戰(zhàn)，當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)種類飛速增加，個(gè)性化需求不斷出現(xiàn)，尤其是工業(yè)和工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、能源互聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)以及更多的業(yè)務(wù)體驗(yàn)需要差異化服務(wù)。因此，需要探索新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)來(lái)從根本上解決當(dāng)今互聯(lián)網(wǎng)面臨的這些問(wèn)題，滿足用戶的個(gè)性需求。在本文中，提出一種新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)（SCN），試圖構(gòu)建一種開放可擴(kuò)展、高效靈活調(diào)度信息資源的具有差異性服務(wù)能力的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，從而網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施提供商可根據(jù)用戶的個(gè)性化需求，實(shí)現(xiàn)計(jì)算、存儲(chǔ)、帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源靈活調(diào)度，構(gòu)建具有不同服務(wù)能力的虛擬網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而構(gòu)建新的產(chǎn)業(yè)生態(tài)鏈。

SCN基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)思想設(shè)計(jì)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)的主要特點(diǎn)是數(shù)據(jù)控制相分離以及數(shù)據(jù)平面可編程，而數(shù)據(jù)平面只提供了基本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)能力，并不具有提供服務(wù)區(qū)分以及消除信息冗余的能力。但是，這些能力在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)中是非常必要的。所以，在 SCN中，增加了網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力、大數(shù)據(jù)測(cè)量感知能力以及內(nèi)容智能調(diào)度能力。SCN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)主要具有3個(gè)特點(diǎn)。

1) 基于網(wǎng)絡(luò)控制（軟件實(shí)現(xiàn)）與數(shù)據(jù)交換（硬件實(shí)現(xiàn)）分離解決網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜的問(wèn)題，同時(shí)具有靈活構(gòu)建不同服務(wù)質(zhì)量等級(jí)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，從而可以為不同用戶提供差異化服務(wù)。

2) 實(shí)現(xiàn)信息內(nèi)容資源智能有序調(diào)度，內(nèi)容貼近用戶部署，解決信息重復(fù)傳輸問(wèn)題，從而可以更有效利用基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源。

3) 基于大數(shù)據(jù)思想實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)測(cè)量、感知與分析，為網(wǎng)絡(luò)智能調(diào)度、控制提供支撐。

2 相關(guān)工作

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)面臨的問(wèn)題日益嚴(yán)峻，近幾年學(xué)術(shù)界對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的研究很多，側(cè)重點(diǎn)各有不同，主要從網(wǎng)絡(luò)管理、信息冗余、移動(dòng)性、安全性等幾個(gè)方面進(jìn)行展開。本節(jié)將對(duì)當(dāng)前典型未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)要的總結(jié)。

2.1 靈活管控

A. Greenberg等人于2005年提出了4D[6]網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，旨在針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)邏輯決策平面和分布式硬件設(shè)備結(jié)合過(guò)緊的問(wèn)題將決策邏輯從底層協(xié)議中完全分離出來(lái)，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)管理。4D項(xiàng)目倡導(dǎo)4個(gè)主要平面：數(shù)據(jù)平面、發(fā)現(xiàn)平面、分發(fā)平面和決策平面。其中，數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能；發(fā)現(xiàn)平面負(fù)責(zé)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的物理組件，并為決策平面提供構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)視圖的基本信息；分發(fā)平面在決策平面和路由器之間建立可靠的通信通道；決策平面通過(guò)邏輯上集中的控制器將網(wǎng)絡(luò)功能轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)分組處理狀態(tài)。在4D項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，2007年，斯坦福大學(xué)研究人員 Martin Casado等人提出的Ethane[7]將安全管理策略添加到網(wǎng)絡(luò)管理當(dāng)中，擴(kuò)充了中央控制器的管理功能，實(shí)現(xiàn)了更細(xì)粒度的流表轉(zhuǎn)發(fā)策略。在 Ethane網(wǎng)絡(luò)中，中央控制器和Ethane交換機(jī)是 2個(gè)主要部件，其中中央控制器負(fù)責(zé)完成網(wǎng)絡(luò)主機(jī)認(rèn)證、IP分配和產(chǎn)生交換機(jī)流表等基本功能，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的控制決策層；Ethane交換機(jī)則負(fù)責(zé)根據(jù)控制器部署的流表進(jìn)行報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，是一個(gè)簡(jiǎn)單的、啞的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)單元。在Ethane工作的基礎(chǔ)上，斯坦福大學(xué)的研究人員于2008年提出了OpenFlow技術(shù)，并逐漸推廣SDN技術(shù)。SDN技術(shù)中的邏輯控制和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)的設(shè)計(jì)思想簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)管理和配置操作，實(shí)現(xiàn)了高層控制邏輯的頑健性。另外，其軟件可編程的特性使得網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)更加靈活，有利于創(chuàng)新應(yīng)用的部署以及網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)。

2.2 信息冗余

施樂(lè)帕洛阿爾托研究中心的 Van Jacobson于2006年分析認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用呈現(xiàn)以信息為中心的特點(diǎn)，提出了信息中心網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。其核心思想是采用類似 URL的層次化命名方式對(duì)信息命名，從而方便用戶進(jìn)行信息搜索和信息獲取。這種架構(gòu)將IP地址為中心過(guò)渡到了以信息為中心，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通過(guò)緩存數(shù)據(jù)可以有效降低信息冗余、加快對(duì)終端用戶的響應(yīng)速度。

這類網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的代表工作包括DONA[8]、NDN[9]、CCN[10]、ICN[11]等。它們主要有3個(gè)共性特性。1）基于分布/訂閱模式。發(fā)布者將內(nèi)容公開，訂閱者需要時(shí)要請(qǐng)求即可。這種模式對(duì)發(fā)布者和訂閱者在空間和時(shí)間上都進(jìn)行了解耦，即發(fā)布者和訂閱者不需要知道對(duì)方的位置，也不需要同時(shí)在線。2）全網(wǎng)緩存。當(dāng)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)內(nèi)容請(qǐng)求時(shí)，如果本地緩存中有此內(nèi)容則直接回復(fù)，否則向鄰居節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求此內(nèi)容，并在收到此內(nèi)容時(shí)在本地進(jìn)行緩存。這種緩存的全局性體現(xiàn)在3方面：對(duì)所有協(xié)議的內(nèi)容都進(jìn)行緩存；對(duì)所有用戶的內(nèi)容都進(jìn)行緩存；網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)而非部分節(jié)點(diǎn)緩存數(shù)據(jù)。3）面向內(nèi)容的安全模型。由于在此類網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中，內(nèi)容大都來(lái)自于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)而非源服務(wù)器，因此安全模型不能基于源地址。所以，內(nèi)容發(fā)布者會(huì)對(duì)發(fā)布的內(nèi)容進(jìn)行簽名，然后，訂閱者只需要檢驗(yàn)內(nèi)容簽名的有效性即可。

2.3 其他

除了以上2種未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)外，還有一些架構(gòu)重點(diǎn)對(duì)移動(dòng)性、安全性和可重構(gòu)方面進(jìn)行了考慮。在移動(dòng)性方面的典型代表為美國(guó) NSF的 FIA項(xiàng)目提出的對(duì)移動(dòng)性支持良好的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)MobilityFirst[12]。MobilityFirst以一個(gè)基于名字的服務(wù)層作為協(xié)議棧的細(xì)腰，此服務(wù)層使用全局唯一標(biāo)識(shí)（GUID）來(lái)區(qū)分不同的終端對(duì)象。使用全局名字解析服務(wù)（GNRS）來(lái)動(dòng)態(tài)綁定名字和地址。在安全性方面的典型代表為美國(guó) NSF支持的 XIA項(xiàng)目。XIA[13]指出由于源端主機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的協(xié)議難以改動(dòng)，所以當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)很難演進(jìn)。XIA對(duì)主機(jī)和內(nèi)容分別進(jìn)行了內(nèi)置安全操作，主機(jī)標(biāo)識(shí)是主機(jī)公網(wǎng)的散列值[14]，內(nèi)容標(biāo)識(shí)是內(nèi)容的散列值，這樣保障了安全性。最后，在可重構(gòu)方面，2013年美國(guó)NSF在其FIA項(xiàng)目第二階段啟動(dòng)了ChoiceNet[15]項(xiàng)目，該項(xiàng)目為互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)開啟了一個(gè)新的架構(gòu)設(shè)計(jì)思路，它注重運(yùn)用經(jīng)濟(jì)原則推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)核心創(chuàng)新持續(xù)進(jìn)行。這種新的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的核心思想是支持選擇，使網(wǎng)絡(luò)不再是黑盒子，通過(guò)選擇和競(jìng)爭(zhēng)生成新的應(yīng)用和商業(yè)模型。以服務(wù)為中心，建立可選擇的技術(shù)方案和經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)聯(lián)。

3 服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)

上節(jié)中提到新的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)都有各自的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，然而，它們不能或者只能部分解決當(dāng)前基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者面臨的 OTT業(yè)務(wù)飛速發(fā)展以及信息存在大量冗余等挑戰(zhàn)。本節(jié)將會(huì)具體介紹為解決基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者當(dāng)前面臨的挑戰(zhàn)而提出的服務(wù)定制網(wǎng)絡(luò)。

3.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

1) 提供差異化服務(wù)質(zhì)量

SCN可以為內(nèi)容提供商等用戶構(gòu)建差異化服務(wù)質(zhì)量的虛擬網(wǎng)絡(luò)，用戶可以根據(jù)特定的需求以及經(jīng)濟(jì)承受能力選擇適合的服務(wù)等級(jí)，從而構(gòu)建良好健康的互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)濟(jì)模式。通過(guò)限制OTT業(yè)務(wù)占用的網(wǎng)絡(luò)資源，OTT業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊也可以迎刃而解。

2) 減少信息冗余

對(duì)于信息冗余帶來(lái)的帶寬浪費(fèi)問(wèn)題，CDN也可以部分解決，但它是一種覆蓋網(wǎng)的方案。而 SCN試圖讓網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)本身具備避免信息冗余的能力，網(wǎng)絡(luò)具有感知內(nèi)容、網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的功能，然后基于大數(shù)據(jù)的智能數(shù)據(jù)挖掘與分析，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)內(nèi)容資源和網(wǎng)絡(luò)資源的智能調(diào)度，從而實(shí)現(xiàn)有效消減信息冗余，充分利用網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的能力。

3) 網(wǎng)絡(luò)可演進(jìn)

雖然現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)存在很多問(wèn)題，但是已經(jīng)經(jīng)受住了各種考驗(yàn)，用一種革命式的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)替換現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)非常漫長(zhǎng)的過(guò)程，也面臨著市場(chǎng)等各方面的壓力。因此，為了漸進(jìn)式部署，使SCN有可能被運(yùn)營(yíng)商等基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者采納，以較低的成本逐步部署到現(xiàn)網(wǎng)中。SCN當(dāng)前設(shè)計(jì)方案仍然兼容采用基于IP的數(shù)據(jù)分組格式，采用深度數(shù)據(jù)分組檢測(cè)（DPI, deep packet inspection）的方式進(jìn)行內(nèi)容解析和調(diào)度。然而，當(dāng)未來(lái)出現(xiàn)新的內(nèi)容命名標(biāo)識(shí)體系（如NDN/CCN等）或更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議后，SCN系統(tǒng)需要能夠方便地過(guò)渡至新的命名體系，支持新的技術(shù)。因此，SCN的設(shè)計(jì)目標(biāo)之三是立足于解決現(xiàn)有的互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題，同時(shí)符合未來(lái)的發(fā)展方向，具有可演進(jìn)性。

3.2 設(shè)計(jì)框架

SCN是基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的，然而軟件定義網(wǎng)絡(luò)主要解決了物理網(wǎng)絡(luò)資源的調(diào)度，并沒(méi)有對(duì)信息資源進(jìn)行挖掘和調(diào)度。因此，SCN在軟件定義網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加了一個(gè)信息平面，如圖 1所示，SCN的設(shè)計(jì)框架主要包括物理基礎(chǔ)設(shè)施平面、控制平面和信息平面3個(gè)平面以及相鄰平面之間的接口。

信息平面的主要特點(diǎn)是開放和智能。主要負(fù)責(zé)對(duì)收集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘分析，從而指導(dǎo)內(nèi)容的智能調(diào)度，實(shí)現(xiàn)信息貼近用戶部署，降低信息冗余傳輸。

控制平面的主要特點(diǎn)是可管控、可擴(kuò)展。主要負(fù)責(zé)全局網(wǎng)絡(luò)視圖創(chuàng)建與維護(hù)，虛擬子網(wǎng)的隔離等。從而構(gòu)建不同服務(wù)等級(jí)虛擬網(wǎng)絡(luò)，緩解 OTT等業(yè)務(wù)的沖擊。

物理基礎(chǔ)設(shè)施平面需要高效、靈活可定義。例如，對(duì)于新協(xié)議，流表可以自定義；網(wǎng)絡(luò)測(cè)量粒度可以動(dòng)態(tài)定義；網(wǎng)絡(luò)測(cè)量接口可方便配置等。

3.3 物理基礎(chǔ)設(shè)施平面

SCN中物理基礎(chǔ)設(shè)施平面由交換設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備以及DPI設(shè)備等組成?？刂破矫嫱ㄟ^(guò)南向接口協(xié)議可以對(duì)底層基礎(chǔ)設(shè)施層設(shè)備的計(jì)算、存儲(chǔ)、鏈路帶寬資源進(jìn)行統(tǒng)一的控制與調(diào)配，為不同等級(jí)的服務(wù)分配所需要的資源。同時(shí)，依賴控制平面下發(fā)的存儲(chǔ)策略，基礎(chǔ)設(shè)施層的存儲(chǔ)設(shè)備可以對(duì)內(nèi)容進(jìn)行緩存，為用戶提供就近的訪問(wèn)，從而減少網(wǎng)絡(luò)信息的冗余。此外，基礎(chǔ)設(shè)施層的DPI設(shè)備將對(duì)分組進(jìn)行檢測(cè)分析，用于分析分組的特征與提取分組中的關(guān)鍵字段等，以支持大數(shù)據(jù)分析等，為上層做出決策。

3.4 控制平面

SCN中的控制層除了具備基本的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能外，還具有網(wǎng)絡(luò)虛擬化能力來(lái)為不同用戶提供差異化的服務(wù)，解決 OTT業(yè)務(wù)流量對(duì)網(wǎng)絡(luò)的沖擊問(wèn)題。通過(guò)構(gòu)建邏輯上隔離的子網(wǎng)，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者可以給不同用戶按照需求分配不同的網(wǎng)絡(luò)、帶寬等資源，同時(shí)，用戶還可以根據(jù)自身的具體需求在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部使用不同的策略機(jī)制。另外，子網(wǎng)之間的隔離提高了不同子網(wǎng)間傳輸信息的機(jī)密性，有助于增加用戶之間的信息安全。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，首先 SCN需要具有虛網(wǎng)映射和虛網(wǎng)隔離的功能。用戶首先向網(wǎng)絡(luò)提出虛網(wǎng)請(qǐng)求，這包括節(jié)點(diǎn)、鏈路、每個(gè)節(jié)點(diǎn)的CPU、內(nèi)存等需求以及每條鏈路對(duì)應(yīng)的帶寬等需求。然后控制器根據(jù)用戶的請(qǐng)求信息在物理網(wǎng)絡(luò)中找到恰當(dāng)?shù)墓?jié)點(diǎn)和路徑來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯上相當(dāng)?shù)奶摂M子網(wǎng)，即虛網(wǎng)映射。最后，控制器通過(guò)一定的策略來(lái)實(shí)現(xiàn)虛網(wǎng)隔離。

當(dāng)前對(duì)于虛網(wǎng)映射和虛網(wǎng)隔離都已經(jīng)有較多的研究[16～24]，不過(guò)，虛網(wǎng)映射的研究大多偏重于理論研究，缺少工程實(shí)踐的驗(yàn)證支持。虛網(wǎng)映射是NP難問(wèn)題，已有工作提出了不同的啟發(fā)式算法，這些算法均可以在SCN框架中使用。

虛網(wǎng)隔離除了具備基本的虛擬子網(wǎng)之間的流量隔離外，還應(yīng)該具備：1）可擴(kuò)展性好，否則在大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)中使用可能會(huì)成為性能瓶頸；2）支持地址空間復(fù)用，即虛擬子網(wǎng)可以使用重疊的私網(wǎng)地址；3）支持虛擬設(shè)備配置。從用戶角度來(lái)看，操作虛擬網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備應(yīng)該如同操作物理設(shè)備一樣，可以方便地對(duì)虛擬設(shè)備進(jìn)行配置。

在 SCN中，設(shè)計(jì)了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)CNVP[25]（C-lab network virtualization platform）來(lái)滿足以上特性。CNVP能夠?qū)Φ讓游锢砭W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，并根據(jù)不同網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議定義虛擬網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施的共享復(fù)用。CNVP使用MPLS標(biāo)簽標(biāo)識(shí)每個(gè)虛網(wǎng)（根據(jù)不同的需求此標(biāo)簽未來(lái)可以更換）。當(dāng)虛網(wǎng)控制器向交換機(jī)添加流表信息時(shí)，此消息會(huì)被CNVP截獲，然后CNVP根據(jù)虛網(wǎng)的配置信息，向即將下發(fā)給交換機(jī)的流條目增加寫MPLS標(biāo)簽的行為，以標(biāo)識(shí)此流所屬的虛網(wǎng)。當(dāng)屬于一個(gè)虛網(wǎng)的數(shù)據(jù)分組到達(dá)此虛網(wǎng)的邊緣交換機(jī)時(shí)，邊緣交換機(jī)為此數(shù)據(jù)分組添加MPLS標(biāo)簽，并在數(shù)據(jù)分組離開虛網(wǎng)時(shí)去除標(biāo)簽。CNVP利用MPLS標(biāo)簽識(shí)別每個(gè)虛網(wǎng)，從而實(shí)現(xiàn)各虛網(wǎng)的流量隔離。另外，在CNVP中還實(shí)現(xiàn)了對(duì)物理資源的虛擬化，例如：1）帶寬，通過(guò)為虛網(wǎng)內(nèi)的交換機(jī)配置端口隊(duì)列來(lái)實(shí)現(xiàn)帶寬隔離，從而為每個(gè)虛網(wǎng)分配獨(dú)占的鏈路帶寬資源；2）虛擬化平臺(tái) CPU，通過(guò)為每個(gè)虛網(wǎng)設(shè)定處理隊(duì)列，制定相應(yīng)的處理策略來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)虛網(wǎng)計(jì)算能力的分配和調(diào)度。

按照上述思路，圖2給出了CNVP網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)的功能設(shè)計(jì)框圖，各功能模塊的詳細(xì)說(shuō)明如下。

圖2 CNVP的功能組成

1) 南向接口。CNVP目前支持的南向接口有OpenFlow協(xié)議，具體版本包括V1.0和V1.3這2種，未來(lái)計(jì)劃支持更多的南向接口協(xié)議，如XMPP等協(xié)議。

2) 物理網(wǎng)絡(luò)。提供交換機(jī)管理、拓?fù)涔芾砗徒K端管理的功能。交換機(jī)管理實(shí)現(xiàn)CNVP與數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備通信、管理會(huì)話和端口的功能；拓?fù)涔芾硗ㄟ^(guò)定時(shí)發(fā)送LLDP（link layer discovery protocol）探測(cè)分組探測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的鏈路狀態(tài)；終端管理提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行管理的功能。

3) 虛擬網(wǎng)絡(luò)。提供虛網(wǎng)管理、拓?fù)涔芾?、流空間管理、虛擬交換機(jī)管理、數(shù)據(jù)分組緩存管理、信令處理和數(shù)據(jù)庫(kù)管理的功能。虛網(wǎng)管理提供對(duì)虛網(wǎng)基本信息進(jìn)行管理的操作以及虛網(wǎng)的創(chuàng)建、刪除、啟動(dòng)和停止功能；拓?fù)涔芾硖峁?duì)虛網(wǎng)拓?fù)涞亩x；流空間管理提供對(duì)流空間的配置和流空間沖突檢測(cè)的功能；虛擬交換機(jī)管理提供與控制器交互的邏輯對(duì)象，維護(hù)與控制器之間的會(huì)話；數(shù)據(jù)分組緩存管理用于交換機(jī)和控制器之間通信時(shí)對(duì)負(fù)載數(shù)據(jù)的緩存處理，以降低控制器和交換機(jī)之間的網(wǎng)絡(luò)流量；信令處理提供上行消息的虛網(wǎng)分發(fā)和下行信令的整形處理；數(shù)據(jù)庫(kù)用于保存虛網(wǎng)信息、拓?fù)涠x以及流空間定義等信息。

4) 接口。CNVP目前可以提供 CLI、JSON-RPC接口和REST接口3種類型的接口，其中 JSON-RPC接口實(shí)現(xiàn)了基于 Web的網(wǎng)絡(luò)虛擬化管理系統(tǒng)，可對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)、虛擬網(wǎng)絡(luò)、拓?fù)涔芾淼冗M(jìn)行可視化操作，極大地方便了用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)的了解和使用。

3.5 信息平面

SCN中的信息平面主要通過(guò)對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行測(cè)量感知，然后對(duì)收集的信息進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)信息資源在網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)間的智能調(diào)度，使內(nèi)容更加貼近用戶，從而減小網(wǎng)絡(luò)中的信息冗余，同時(shí)提高對(duì)用戶請(qǐng)求的響應(yīng)速度。

傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)中的緩存策略通常是針對(duì)具體協(xié)議的，例如HTTP協(xié)議。而SCN中的緩存能力是網(wǎng)絡(luò)本身的一種屬性：一方面，不再局限于特定的內(nèi)容，即可以針對(duì)更加廣義的內(nèi)容進(jìn)行緩存來(lái)去除信息冗余；另一方面，不再是針對(duì)特定內(nèi)容提供商。所有網(wǎng)絡(luò)使用者均可以享用網(wǎng)絡(luò)緩存的這種能力來(lái)提高對(duì)用戶的響應(yīng)速度。

SCN中的去除信息冗余功能主要是通過(guò)實(shí)時(shí)用戶請(qǐng)求處理模塊和定期內(nèi)容調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)的。為了實(shí)現(xiàn)對(duì)廣義內(nèi)容的緩存，SCN中的接入網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要具有DPI能力，控制器維護(hù)所有存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上的內(nèi)容分布。用戶對(duì)內(nèi)容的請(qǐng)求與內(nèi)容在不同服務(wù)器之間的調(diào)度均由控制器進(jìn)行管理，2個(gè)過(guò)程是獨(dú)立的。

實(shí)時(shí)用戶請(qǐng)求處理。當(dāng)用戶請(qǐng)求到達(dá)時(shí)，此模塊負(fù)責(zé)對(duì)請(qǐng)求內(nèi)容進(jìn)行解析，并找到合適的內(nèi)容提供者。具體流程如圖3所示。

1) 用戶的數(shù)據(jù)分組發(fā)向接入交換機(jī)。

2) 接入交換機(jī)利用 DPI功能檢測(cè)用戶的數(shù)據(jù)分組是否是請(qǐng)求分組，如果是請(qǐng)求分組，則將整個(gè)請(qǐng)求數(shù)據(jù)分組發(fā)向控制器。

3) 控制器根據(jù)請(qǐng)求分組的請(qǐng)求內(nèi)容，查看在存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)上是否已經(jīng)存在。如果不存在，則將用戶此次請(qǐng)求的流到服務(wù)器的轉(zhuǎn)發(fā)表下發(fā)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)上。如果存在，則找到一個(gè)離用戶節(jié)點(diǎn)最近的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的IP地址。將用戶此次請(qǐng)求的流到相應(yīng)存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)的轉(zhuǎn)發(fā)表下發(fā)到相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)上。

4) 如果用戶請(qǐng)求內(nèi)容不在存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中，則服務(wù)器收到用戶請(qǐng)求，并將內(nèi)容傳輸給用戶。

5) 如果用戶請(qǐng)求內(nèi)容已經(jīng)存在于存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中，則相應(yīng)的存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)收到用戶請(qǐng)求后，將內(nèi)容傳輸給用戶。

圖3 緩存策略

定期內(nèi)容調(diào)度?？刂破鞫ㄆ诘馗鶕?jù)用戶請(qǐng)求的內(nèi)容進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，然后根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行服務(wù)器到存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)之間的內(nèi)容調(diào)度。如果存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)已經(jīng)沒(méi)有剩余存儲(chǔ)空間，則可以根據(jù)某個(gè)緩存策略進(jìn)行緩存替換，例如根據(jù)用戶請(qǐng)求的熱度對(duì)訪問(wèn)頻率比較低的內(nèi)容進(jìn)行替換。

3.6 SCN特性

3.6.1 提供差異化服務(wù)

SCN中的網(wǎng)絡(luò)虛擬化平臺(tái)CNVP，可以對(duì)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行隔離，并為不同的業(yè)務(wù)進(jìn)行不同的帶寬資源分配。從而 OTT業(yè)務(wù)無(wú)法過(guò)度占用帶寬，侵占其他業(yè)務(wù)的資源。

3.6.2 減少信息冗余

SCN中的緩存策略具有全網(wǎng)有效性和所有內(nèi)容有效性?？刂破魍ㄟ^(guò)對(duì)用戶請(qǐng)求進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，并根據(jù)分析結(jié)果指導(dǎo)內(nèi)容的智能調(diào)度，可以大大提高緩存的命中率，從而減少信息冗余。

4 SCN實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證

4.1 小規(guī)模實(shí)現(xiàn)

為了驗(yàn)證 SCN的基本性能，本文基于網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)環(huán)境C-LAB[25]，利用其計(jì)算和存儲(chǔ)資源構(gòu)建了一套小規(guī)模 SCN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。此實(shí)驗(yàn)平臺(tái)共包括30多個(gè)交換節(jié)點(diǎn)，10多個(gè)專用計(jì)算存儲(chǔ)節(jié)點(diǎn)。整個(gè)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

該實(shí)驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)中的主要節(jié)點(diǎn)間采用了光纖直連以保證骨干網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度，交換節(jié)點(diǎn)采用了Open vSwitch軟件交換機(jī)與H3C、盛科、Pica8、xNet等硬件交換機(jī)共存的模式，并且在各個(gè)節(jié)點(diǎn)做了數(shù)據(jù)平面的無(wú)線擴(kuò)展，以方便用戶接入。

圖4 SCN實(shí)驗(yàn)平臺(tái)拓?fù)?/p>

4.2 性能驗(yàn)證

為了驗(yàn)證 SCN網(wǎng)絡(luò)提供的差異化服務(wù)能力和消除信息冗余能力，設(shè)計(jì)了如下2個(gè)實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn) 1提供差異化服務(wù)。在這個(gè)實(shí)驗(yàn)中，用戶向SCN網(wǎng)絡(luò)提出2個(gè)虛擬子網(wǎng)請(qǐng)求，請(qǐng)求的帶寬大小不同。記這2個(gè)子網(wǎng)分別為A和B，拓?fù)淙鐖D5所示。子網(wǎng)A中所有的鏈路帶寬請(qǐng)求值為C1 Mbit/s，子網(wǎng)B中所有的鏈路帶寬請(qǐng)求值為C2 Mbit/s，其中C2=(100-C1) Mbit/s。在完成2個(gè)子網(wǎng)的映射之后，為了測(cè)試SCN網(wǎng)絡(luò)確實(shí)按照子網(wǎng)的不同需求提供了不同的帶寬值，在這2個(gè)子網(wǎng)中的2個(gè)終端間建立TCP連接，傳輸同樣大小的文件，測(cè)試流的完成時(shí)間。在實(shí)驗(yàn)中，使用的文件大小為10 MB。

如圖6所示，流的完成時(shí)間與子網(wǎng)請(qǐng)求的帶寬值是成正比的。例如，當(dāng)給子網(wǎng)A分配的帶寬為10 Mbit/s時(shí)，傳輸完10 MB文件需要約10 MB×8/10 Mbit/s = 8 s。這與圖 6中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（8.2 s）非常接近，說(shuō)明SCN網(wǎng)絡(luò)確實(shí)給子網(wǎng)A保障了10 Mbit/s的帶寬。而對(duì)于子網(wǎng)B，當(dāng)給子網(wǎng)A分配的帶寬為10 Mbit/s時(shí)，子網(wǎng)B得到的帶寬為90 Mbit/s，所以，傳輸完 10 MB的文件需要約 10 MB×8/90 Mbit/s=0.89 s，這與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（0.98 s）也很接近。同樣，對(duì)于圖中的第2列數(shù)據(jù)（橫坐標(biāo)為20 Mbit/s），這時(shí)給子網(wǎng)A分配的帶寬為20 Mbit/s，所以，給子網(wǎng)B分配的帶寬為100-20=80 Mbit/s。在子網(wǎng)A中，傳輸完一個(gè)10 MB的文件，需要的時(shí)間為10 MB×8/20 Mbit/s= 4 s，這與圖中左數(shù)第2個(gè)矩形標(biāo)記所示的4.1 s非常接近。在子網(wǎng)B中，傳輸完一個(gè)10 MB的文件，需要的時(shí)間為10 MB×8/80 Mbit/s = 1 s，這與圖中左數(shù)第2個(gè)圓形標(biāo)記所示的1.18 s也非常接近。其他數(shù)據(jù)類似。因此，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明SCN網(wǎng)絡(luò)確實(shí)可以按照子網(wǎng)的需求提供差異化的網(wǎng)絡(luò)帶寬資源。

圖5 子網(wǎng)A和子網(wǎng)B拓?fù)?/p>

圖6 不同子網(wǎng)中的流完成時(shí)間

實(shí)驗(yàn)2減少信息冗余。此實(shí)驗(yàn)主要是為了測(cè)試 SCN確實(shí)具有有效消減信息冗余的能力。為了對(duì)比，令內(nèi)容提供商A使用SCN的緩存功能，而B不使用。然后，令同一個(gè)用戶分別訪問(wèn)內(nèi)容提供商A和B的內(nèi)容1 000次，每次都記錄下響應(yīng)時(shí)間。

圖7顯示了2種情況下訪問(wèn)時(shí)間的累積分布函數(shù)（CDF, cumulative distribution function），CDF曲線可以表明訪問(wèn)時(shí)間的分布情況?？梢钥吹?，用戶請(qǐng)求使用了緩存功能的內(nèi)容提供商A的內(nèi)容時(shí)，縱坐標(biāo)從0到1對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)（訪問(wèn)時(shí)間）全部集中在2 s左右，這說(shuō)明訪問(wèn)內(nèi)容A的所有請(qǐng)求均可以在 2 s左右得到響應(yīng)。而訪問(wèn)不使用緩存功能的內(nèi)容提供商B的內(nèi)容時(shí)，95%的請(qǐng)求在3 s內(nèi)得到響應(yīng)，而還有5%的請(qǐng)求響應(yīng)時(shí)間介于3 s和23 s之間。由于緩存節(jié)點(diǎn)距離用戶更近，所以，訪問(wèn)內(nèi)容提供商A的時(shí)間分布說(shuō)明大部分請(qǐng)求都在 2 s左右的時(shí)間得到了響應(yīng)，即在緩存處得到訪問(wèn)的內(nèi)容，不需要再去訪問(wèn)內(nèi)容源服務(wù)器，這可以大大減少內(nèi)容源服務(wù)器到緩存節(jié)點(diǎn)內(nèi)容的冗余度。而訪問(wèn)內(nèi)容提供商B的內(nèi)容時(shí)，有95%的請(qǐng)求在3 s左右才得到響應(yīng)，說(shuō)明請(qǐng)求不能在緩存節(jié)點(diǎn)得到響應(yīng)，需要訪問(wèn)內(nèi)容源服務(wù)器，這樣會(huì)造成訪問(wèn)內(nèi)容在內(nèi)容源服務(wù)器到用戶的重復(fù)傳輸。此實(shí)驗(yàn)表明SCN的緩存功能使得向內(nèi)容提供商A訪問(wèn)的絕大部分重復(fù)請(qǐng)求可以從緩存節(jié)點(diǎn)直接獲取內(nèi)容，從而可以有效消減服務(wù)器到用戶之間的冗余信息。

圖7 訪問(wèn)不同內(nèi)容的響應(yīng)時(shí)間分布

5 結(jié)束語(yǔ)

當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)中存在 2個(gè)亟待解決的問(wèn)題：OTT業(yè)務(wù)飛速發(fā)展以及信息高度冗余。為了解決這2個(gè)問(wèn)題，提出了一種新的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)SCN。SCN主要包括基礎(chǔ)設(shè)施層、控制層和信息層3個(gè)平面，通過(guò)提供差分服務(wù)的能力能夠有效避免OTT業(yè)務(wù)大量占用帶寬，同時(shí)通過(guò)提供緩存功能能夠大大減少高度信息冗余對(duì)帶寬的浪費(fèi)。在小規(guī)模網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明 SCN確實(shí)具備為不同用戶提供不同服務(wù)質(zhì)量以及消減信息冗余的能力。

[1] http://www.cnnic.cn/hlwfzyj/hlwxzbg/hlwtjbg/201407/P020140721507 223212132.pdf[EB/OL]. 2014.

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