黃韜，劉江，霍如，魏亮，劉韻潔

（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

從20世紀(jì)六七十年代分組網(wǎng)絡(luò)最初誕生到現(xiàn)在，互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從一個(gè)學(xué)術(shù)網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)到廣闊的商業(yè)網(wǎng)絡(luò)，已成為日常生活、商業(yè)運(yùn)行和社會(huì)發(fā)展中不可或缺的組成部分。然而，每一項(xiàng)技術(shù)都有其生命周期，隨著人們?cè)絹?lái)越多的使用，它存在的一些問(wèn)題也逐漸暴露出來(lái)，這就是新技術(shù)誕生的源動(dòng)力。

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展目前正面臨著多種多樣的問(wèn)題，其中較為重要的一個(gè)問(wèn)題就是體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)。在體系架構(gòu)設(shè)計(jì)方面，隨著互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的日益增多以及用戶(hù)需求的不斷變化，現(xiàn)有以IP為網(wǎng)絡(luò)層的體系架構(gòu)已經(jīng)越來(lái)越難以持續(xù)發(fā)展，許多技術(shù)挑戰(zhàn)也在這個(gè)過(guò)程中顯現(xiàn)出來(lái)。首先，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)是以IP為細(xì)腰，這就意味著核心體系架構(gòu)難以修改，新的功能只能通過(guò)打補(bǔ)丁的方式在其他層面實(shí)施，這往往導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)臃腫和可擴(kuò)展性差[1]；其次，互聯(lián)網(wǎng)正在滲透到更加廣泛和深入的商業(yè)領(lǐng)域，例如智能制造、金融商務(wù)、家庭電器、可穿戴式設(shè)備，甚至人體植入式設(shè)備等，這就需要更加可信的安全保證，例如要求網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)本身就具備安全屬性，而現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)層中缺乏安全機(jī)制，互聯(lián)網(wǎng)容易受到各種類(lèi)型的攻擊[2]；第三，用戶(hù)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的使用需求已經(jīng)從簡(jiǎn)單的端到端模式轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)海量?jī)?nèi)容的獲取，這向傳統(tǒng)的 TCP/IP端到端網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)提出了挑戰(zhàn)；第四，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)遵循盡力而為的思想，這使在互聯(lián)網(wǎng)上直接承載電信級(jí)業(yè)務(wù)仍存在部分技術(shù)問(wèn)題。最后，互聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)維規(guī)模逐年攀升，現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不具備虛擬化的特征，導(dǎo)致了大量的資源浪費(fèi)。上述多個(gè)層次維度的問(wèn)題與挑戰(zhàn)推動(dòng)了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)革命性體系架構(gòu)的研究，即“重頭再來(lái)”的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)思路。

目前，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究正在全球范圍開(kāi)展，包括美國(guó)、歐洲、亞洲的多個(gè)國(guó)家和地區(qū)均在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域展開(kāi)了持續(xù)性研究，雖然具體的研究?jī)?nèi)容和技術(shù)方案可能有些差別，但總體目標(biāo)與研究方法基本一致。本文通過(guò)充分調(diào)研不同地區(qū)的主要研究項(xiàng)目來(lái)討論未來(lái)網(wǎng)絡(luò)核心架構(gòu)與相關(guān)技術(shù)的發(fā)展方向。

2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究和關(guān)注的熱點(diǎn)之一，不僅在學(xué)術(shù)領(lǐng)域有著廣闊的研究空間，而且在產(chǎn)業(yè)化方面也具有巨大的市場(chǎng)前景，同時(shí)也涉及到國(guó)家核心利益與信息安全，因此各國(guó)政府都高度關(guān)注該領(lǐng)域的發(fā)展，并啟動(dòng)了一系列相關(guān)的重大項(xiàng)目和研究計(jì)劃。

2.1 美國(guó)

美國(guó)關(guān)于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究項(xiàng)目主要由美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)（NSF）組織和管理，目前已開(kāi)展了未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計(jì)（FIND）和未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)（FIA）2個(gè)研究計(jì)劃。

2005年開(kāi)始，F(xiàn)IND資助了關(guān)于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)方面的50多個(gè)研究項(xiàng)目，包括新型體系結(jié)構(gòu)、路由機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、內(nèi)容分發(fā)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)管理、感知與測(cè)量、安全、無(wú)線(xiàn)移動(dòng)等方面，其目的是進(jìn)行不受現(xiàn)在互聯(lián)網(wǎng)限制的廣泛研究，然后再進(jìn)行選優(yōu)。

FIA是繼FIND之后的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)下一研究階段計(jì)劃，于 2010年啟動(dòng)，陸續(xù)啟動(dòng)支持了命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)NDN、MobilityFirst、Nebula、XIA、ChoiceNet 5個(gè)項(xiàng)目，這些項(xiàng)目分別從內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)安全可信機(jī)制、經(jīng)濟(jì)模型等方面對(duì)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)理進(jìn)行探索研究，2014年，該計(jì)劃開(kāi)始進(jìn)入第2階段。

2.2 歐盟

2007年開(kāi)始，歐盟第七框架計(jì)劃（FP7）陸續(xù)資助了150多項(xiàng)關(guān)于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究的項(xiàng)目，包括未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、云計(jì)算、服務(wù)互聯(lián)網(wǎng)、可靠信息通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)媒體和搜索系統(tǒng)、未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)社會(huì)科學(xué)方面、應(yīng)用領(lǐng)域、未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)驗(yàn)床等。其中與未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的項(xiàng)目有FIRE[3]、4WARD[4]、SAIL、CHANGE、PSIRP等。

4WARD項(xiàng)目的目標(biāo)是提出克服現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)問(wèn)題的全新整體性解決方案，下設(shè)6個(gè)子課題，分別從社會(huì)經(jīng)濟(jì)（非技術(shù)問(wèn)題）、新型體系架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)管理、高效路徑轉(zhuǎn)發(fā)、信息中心網(wǎng)絡(luò)方面展開(kāi)研究，基本覆蓋了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要研究方向。

SAIL項(xiàng)目由24個(gè)業(yè)界知名運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、研究機(jī)構(gòu)共同參與，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)適用于運(yùn)營(yíng)商的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，核心研究?jī)?nèi)容包括從關(guān)注網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)向關(guān)注信息對(duì)象的信息網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合云計(jì)算技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的云網(wǎng)絡(luò)，提供面向異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)并具有多路徑、多協(xié)議等特點(diǎn)的開(kāi)放式連接服務(wù)。

2.3 日本

2006年，日本國(guó)家信息通信技術(shù)研究院（NICT）啟動(dòng)了AKARI研究計(jì)劃，得到政府、大學(xué)、企業(yè)的聯(lián)合資助，該計(jì)劃的核心思路是摒棄現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)限制，從整體出發(fā)研究全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，并充分考慮與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡問(wèn)題。AKARI計(jì)劃首次提出了新一代網(wǎng)絡(luò)（NWGN, new-generation network）的概念，以區(qū)別于傳統(tǒng)的下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN, next generation network），并提出了未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)需要遵循的簡(jiǎn)單、真實(shí)連接、可持續(xù)演進(jìn) 3大原則。目前，AKARI計(jì)劃已完成基本體系架構(gòu)的設(shè)計(jì)，并提出了包括光包交換、光路交換、包分多址、傳輸層控制、位置標(biāo)識(shí)分離、安全、QoS路由等多項(xiàng)創(chuàng)新的技術(shù)方案。

2010年，NICT在工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和政府的聯(lián)合協(xié)作下，整合了AKARI、JGN-X、Network Virtualization、Service-Oriented Unified Network Operations等多個(gè)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的相關(guān)研究項(xiàng)目，形成了新一代網(wǎng)絡(luò)研究與發(fā)展計(jì)劃（new-generation network R&D project）。該計(jì)劃目標(biāo)是覆蓋新一代網(wǎng)絡(luò)研究的各個(gè)領(lǐng)域，通過(guò)有效合作探討未來(lái)網(wǎng)絡(luò)相關(guān)領(lǐng)域的核心技術(shù)成果，使未來(lái)網(wǎng)絡(luò)可以滿(mǎn)足大規(guī)模、多終端情景下的高層次用戶(hù)需求，解決未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的可持續(xù)發(fā)展問(wèn)題，并創(chuàng)造新的社會(huì)價(jià)值。

2.4 中國(guó)

2007年，我國(guó)科研人員開(kāi)始積極跟蹤未來(lái)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的技術(shù)發(fā)展，并先后開(kāi)展了“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)理論研究”、“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”、“可測(cè)可控可管的IP網(wǎng)的基礎(chǔ)研究”、“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議基礎(chǔ)研究”等一系列研究項(xiàng)目，針對(duì)IPv6、互聯(lián)網(wǎng)可信模型、移動(dòng)性、可管可控等方面開(kāi)展了相關(guān)研究，并對(duì)未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)新型體系結(jié)構(gòu)及路由節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了前期探索。2012年，科技部啟動(dòng)了面向未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的研究計(jì)劃，并重點(diǎn)支持了“面向服務(wù)的未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與機(jī)制研究”和“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究”2項(xiàng)課題，2013年，科技部又啟動(dòng)了4項(xiàng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和創(chuàng)新環(huán)境研究項(xiàng)目，期望能進(jìn)一步加強(qiáng)我國(guó)在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究，盡快與國(guó)際水平接軌。與此同時(shí)，國(guó)家自然科學(xué)基金委也啟動(dòng)了“未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)體系理論及關(guān)鍵技術(shù)研究”、“后IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)及其機(jī)理探索”、“未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)”等相關(guān)項(xiàng)目。

在未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展戰(zhàn)略方面，中國(guó)科學(xué)院與中國(guó)工程院在《創(chuàng)新2050：科技革命與中國(guó)的未來(lái)》和《面向2030年中國(guó)工程科技中長(zhǎng)期發(fā)展戰(zhàn)略研究》報(bào)告中都明確提出了我國(guó)加強(qiáng)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的必要性與緊迫性，并分別從基礎(chǔ)科研和工程技術(shù)2個(gè)角度指明了我國(guó)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的戰(zhàn)略方向，同時(shí)提出了擬開(kāi)展重大工程科技專(zhuān)項(xiàng)及相關(guān)政策與措施建議。

3 當(dāng)前主要研究成果

3.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

3.1.1 研究背景

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）的思想來(lái)源于美國(guó)斯坦福大學(xué)Clean Slate研究組提出的一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)Ethane項(xiàng)目[5]。Ethane最初是為了提出一個(gè)新型的企業(yè)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以簡(jiǎn)化管理模型。隨著Ethane項(xiàng)目在斯坦福校園中的部署與實(shí)驗(yàn)，著名的OpenFlow協(xié)議[6]出現(xiàn)了。2008年，Nick McKeown教授在Sigcomm會(huì)議上展示了基于OpenFlow網(wǎng)絡(luò)的演示試驗(yàn)，并隨后在美國(guó)GENI項(xiàng)目中進(jìn)行了校園網(wǎng)和骨干網(wǎng)規(guī)模的試驗(yàn)性部署。隨著OpenFlow技術(shù)的推廣，SDN的概念逐漸浮現(xiàn)，并引起了全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的高度關(guān)注。

2011年3月，德國(guó)電信、Google、Facebook、Microsoft、Verizon和Yahoo等幾家企業(yè)聯(lián)合成立了ONF（open networking foundation）組織[7]，旨在通過(guò)產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式推動(dòng)以O(shè)penFlow為代表的SDN技術(shù)發(fā)展。2011年11月，IETF 82次會(huì)議啟動(dòng)了軟件驅(qū)動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（software driven network）工作組的提案并獲得批準(zhǔn)。其后，IETF經(jīng)過(guò)83～85次會(huì)議形成了路由系統(tǒng)接口I2RS（interface to the routing system）的協(xié)議，進(jìn)一步在 86～89次會(huì)議上陸續(xù)成立了工作組推動(dòng)該協(xié)議的演進(jìn)，并討論其在 SDN架構(gòu)上實(shí)施的可適度及相關(guān)用例的討論分析。2012年，谷歌公司在其全球 12個(gè)數(shù)據(jù)中心的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)上基于SDN架構(gòu)部署了著名的B4網(wǎng)絡(luò)，用于數(shù)據(jù)中心間的流量工程，這一實(shí)踐對(duì) SDN技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用起到了重要推動(dòng)作用，目前 SDN正在全球形成技術(shù)研究和產(chǎn)業(yè)化的熱潮。

3.1.2 體系架構(gòu)

當(dāng)前的互聯(lián)網(wǎng)采用了分布式的架構(gòu)，在這樣的框架下，即使只有一個(gè)網(wǎng)元(NE, network element)[8]增加了一種新的協(xié)議，也需要應(yīng)用該協(xié)議的管理域內(nèi)其他所有網(wǎng)元做出相應(yīng)的結(jié)構(gòu)變更。事實(shí)上，在網(wǎng)絡(luò)中增加一種新的協(xié)議往往需要數(shù)年時(shí)間，才能最終完成從標(biāo)準(zhǔn)化到實(shí)際部署的過(guò)程，這在很大程度上減緩了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的步伐。而 SDN則希望能夠打破這種“傳統(tǒng)”，它讓網(wǎng)絡(luò)可以被軟件定義，這就使得網(wǎng)絡(luò)在滿(mǎn)足用戶(hù)的需求方面更具靈活性，易于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化，并在一定程度上降低成本。

按照ONF的定義，SDN是一種數(shù)據(jù)平面與控制平面分離，并可直接對(duì)控制平面編程的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。數(shù)控分離將有助于底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)施資源的抽象和管理視圖的集中，從而以虛擬資源的形式支持上層應(yīng)用與服務(wù)，實(shí)現(xiàn)更好的靈活性與可控性。因此，控制功能既不再局限于路由器中，也不再局限于只有設(shè)備的生產(chǎn)廠商才能夠編程和定義。SDN的本質(zhì)是邏輯集中、接口開(kāi)放以及可編程的控制平面。

SDN的邏輯體系架構(gòu)如圖1[7]所示，其中位于中間的 SDN控制層（基于軟件實(shí)現(xiàn)）將監(jiān)視全局信息，并集中實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)智能。這樣對(duì)上層應(yīng)用和策略來(lái)說(shuō)，SDN網(wǎng)絡(luò)將呈現(xiàn)為一個(gè)邏輯交換設(shè)備，從而大大簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)的控制與運(yùn)營(yíng)。同時(shí)，對(duì)下層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)交換設(shè)備不必支持大量的協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，僅僅接受控制器的指令即可，這樣也使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面實(shí)現(xiàn)了充分的簡(jiǎn)化。

3.1.3 關(guān)鍵技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)所涉及的關(guān)鍵技術(shù)包括交互協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)控制器、架構(gòu)可擴(kuò)展性等，下面分別進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹。

圖1 ONF定義的SDN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

1) SDN網(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議

為了實(shí)現(xiàn)軟件定義功能，該交互協(xié)議應(yīng)當(dāng)具有2個(gè)基本特征：首先，協(xié)議應(yīng)能對(duì)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進(jìn)行抽象，提供可編程的接口，同時(shí)可編程性的實(shí)現(xiàn)應(yīng)盡量不影響數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的性能；其次，交互協(xié)議應(yīng)簡(jiǎn)潔高效，以避免控制平面成為網(wǎng)絡(luò)的瓶頸。目前，第一個(gè)具有現(xiàn)實(shí)意義的 SDN協(xié)議是OpenFlow協(xié)議，OpenFlow協(xié)議實(shí)現(xiàn)了交換設(shè)備與控制設(shè)備的相互通信，即 SDN網(wǎng)絡(luò)交互協(xié)議通過(guò)對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)平面設(shè)備的流表進(jìn)行編程。OpenFlow控制器通過(guò)向數(shù)據(jù)平面的交換機(jī)下發(fā)、刪除和更改流表來(lái)指導(dǎo)數(shù)據(jù)平面的交換機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)（流量）的轉(zhuǎn)發(fā)，流表是交換機(jī)/路由器中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)策略控制的核心數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，每個(gè)流表項(xiàng)包含3個(gè)域，分別為匹配域、計(jì)數(shù)域和指令域。OpenFlow協(xié)議就是通過(guò)對(duì)這 3個(gè)域的配置實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)發(fā)平面的可編程性。

在OpenFlow v1.0中每臺(tái)交換設(shè)備中只有一張流表，這張流表中存儲(chǔ)著許多的表項(xiàng)，每一個(gè)表項(xiàng)都表征了一個(gè)“流”及其對(duì)應(yīng)的處理方法。一個(gè)數(shù)據(jù)分組到達(dá)交換機(jī)后需要先匹配流表，若符合其中某條表項(xiàng)的特征，則按照相應(yīng)的動(dòng)作進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，否則封裝為Packet-in消息通過(guò)安全通道交給控制器，再由控制器決定如何處理。隨著OpenFlow協(xié)議的持續(xù)發(fā)展，當(dāng)前已經(jīng)更新到1.4版本。與v1.0版本相比，后續(xù)協(xié)議相繼添加了流水線(xiàn)和組表的架構(gòu)，并對(duì)MPLS、VLAN標(biāo)簽、SCTP協(xié)議和ECN（explicit congestion notification）等功能進(jìn)行了支持。雖然基于現(xiàn)有的交換設(shè)備作改進(jìn)在某種程度上限制了一些靈活性，但是OpenFlow幾乎可以被立即部署到網(wǎng)絡(luò)中，因而受到了廣泛的關(guān)注和研究。

2) SDN網(wǎng)絡(luò)控制器

控制器是 SDN網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，通過(guò)交換機(jī)上報(bào)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)等信息，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)中的資源管理調(diào)度并下發(fā)控制信令使得數(shù)據(jù)平面的交換機(jī)可以協(xié)調(diào)、可靠、高效的工作，類(lèi)似于網(wǎng)絡(luò)的操作系統(tǒng)。類(lèi)比于計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)主要為SDN提供2個(gè)方面的功能：一是提供集中式的編程環(huán)境，開(kāi)發(fā)者不需要關(guān)心網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際架構(gòu)，在開(kāi)發(fā)者看來(lái)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)就好像一臺(tái)單獨(dú)的機(jī)器，有統(tǒng)一的資源管理和調(diào)度；二是提供抽象的編程開(kāi)發(fā)接口，應(yīng)用程序?qū)⒚嫦蜻@些接口進(jìn)行開(kāi)發(fā)，從而獲得所需的特定網(wǎng)絡(luò)特征。為了使整個(gè) SDN網(wǎng)絡(luò)可靠而有效地工作，如何設(shè)計(jì)一個(gè)優(yōu)秀的控制器成為關(guān)鍵。一個(gè)好的控制器設(shè)計(jì)或者架構(gòu)應(yīng)該能夠讓開(kāi)發(fā)者花費(fèi)最少的時(shí)間來(lái)開(kāi)發(fā)出自己滿(mǎn)意的應(yīng)用，還應(yīng)支持在線(xiàn)加載、啟動(dòng)新應(yīng)用程序。同時(shí)還應(yīng)具有可靠性、高效性、易維護(hù)性、易移植性、安全性和簡(jiǎn)明性，以及南向接口支持、網(wǎng)絡(luò)虛擬化、網(wǎng)絡(luò)可編程等特征。

當(dāng)前針對(duì)不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)提出多款各種語(yǔ)言編寫(xiě)的開(kāi)源控制器[9,10]。而單一控制器的處理能力往往會(huì)成為系統(tǒng)性能瓶頸，因此一系列多控制器控制平面技術(shù)[11～14]被相繼提出，這部分內(nèi)容將在可擴(kuò)展性部分做詳細(xì)描述。POX[9]是最早的開(kāi)源OpenFlow控制器之一，僅支持單線(xiàn)程操作，實(shí)現(xiàn)了包括hub、switch、topology和route在內(nèi)的多種應(yīng)用，能夠提供相應(yīng)的編程接口，開(kāi)發(fā)人員能夠在這些接口上實(shí)現(xiàn)自己的應(yīng)用。Beacon[10]具有跨平臺(tái)特性，支持多線(xiàn)程，可以通過(guò) Web的UI進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)控制，使用者可以通過(guò)Web界面進(jìn)行動(dòng)態(tài)的添加或刪除模塊，靈活性高，由于其高效穩(wěn)定的優(yōu)秀特性，已經(jīng)在多個(gè)項(xiàng)目中使用。Big Network Controller是一款商用版的控制器，由Big Switch公司研發(fā)，能夠支持多達(dá)1 000個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，每秒連接最多 250 000臺(tái)主機(jī)。開(kāi)源控制器Floodlight的API能夠與Big Network Controller完全兼容，支持多線(xiàn)程和Web UI。Ryu也是由Python語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)的一款控制器，能夠支持OpenFlow v1.0,v1.2和 v1.3，是目前穩(wěn)定發(fā)布的能夠支持協(xié)議版本最高的控制器之一。另外，由Linux協(xié)會(huì)聯(lián)合業(yè)內(nèi) 18家企業(yè)在 2013年初共同啟動(dòng)研發(fā)的OpenDayligh[14]，是一套實(shí)現(xiàn)了模塊化、可插拔且極為靈活的控制器，能夠被部署在任何支持Java的平臺(tái)上。

3) SDN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展技術(shù)

SDN雖然通過(guò)控制平面與數(shù)據(jù)平面的分離實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的靈活高效管控，但目前集中式的管理平面設(shè)計(jì)、以及管理平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的頻繁交互必然影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的整體性能，如控制器負(fù)載過(guò)重、易受攻擊、交互效率低等問(wèn)題都沒(méi)有很好地解決方案，這使得 SDN的應(yīng)用目前還局限于較小規(guī)模的試驗(yàn)網(wǎng)絡(luò)。因此，對(duì) SDN網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展技術(shù)研究已成為待攻克的重要技術(shù)之一。目前，對(duì)SDN網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展技術(shù)的研究主要集中在設(shè)計(jì)新型分布式管理控制架構(gòu)上。分布式管理控制架構(gòu)涉及多個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，如控制器全局視圖的一致性、系統(tǒng)可用性以及多控制器間的負(fù)載均衡等。

當(dāng)前的分布式控制器架構(gòu)領(lǐng)域已經(jīng)產(chǎn)生了一些研究成果。DIFANE[15]結(jié)合了主動(dòng)和被動(dòng)2種安裝流表的方式將流量保持在數(shù)據(jù)平面，從而減小控制器負(fù)載；DevoFlow[16]采取了規(guī)則復(fù)制和局部操作2種方式來(lái)減小OpenFlow交換機(jī)和控制器的信息交互；HyperFlow[11]將網(wǎng)絡(luò)劃分為多個(gè)邏輯區(qū)域，每個(gè)邏輯區(qū)域內(nèi)部署一個(gè)或多個(gè)控制器，所有控制器保存相同的網(wǎng)絡(luò)信息，需要花費(fèi)較大的開(kāi)銷(xiāo)實(shí)時(shí)同步更新。Onix[12]是一個(gè)分層的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，每個(gè)Onix實(shí)例需要維護(hù)本分區(qū)的路由決策，分區(qū)間的路由決策則由 Onix實(shí)例構(gòu)成的集群共同決策。Devolved[13]能夠針對(duì)不同類(lèi)型的應(yīng)用，靈活采用不同層次的控制器進(jìn)行控制。該方案包括 Root控制器和Local控制器，其中，Root控制器能夠根據(jù)全局網(wǎng)絡(luò)信息，運(yùn)行需要全局信息的應(yīng)用，而 Local控制器只允許需要本地信息的應(yīng)用。

3.1.4 小結(jié)

SDN網(wǎng)絡(luò)的核心思想是通過(guò)控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離，從而實(shí)現(xiàn)邏輯上統(tǒng)一的管理控制，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的智能化高效管理。同時(shí)通過(guò)提供多樣化的開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)API接口，完成網(wǎng)絡(luò)控制組件和應(yīng)用組件的靈活設(shè)計(jì)，從而實(shí)現(xiàn)基于應(yīng)用需求的網(wǎng)絡(luò)可定義。目前，SDN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)已成為學(xué)術(shù)界研究的重要技術(shù)之一，也正成為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商關(guān)注的熱點(diǎn)之一。

3.2 信息中心網(wǎng)絡(luò)

3.2.1 研究背景

隨著互聯(lián)網(wǎng)承載內(nèi)容的飛速發(fā)展，用戶(hù)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)絡(luò)的主要行為之一已經(jīng)演變成對(duì)海量?jī)?nèi)容的獲取，這一行為模式與基于端到端通信的 TCP/IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸產(chǎn)生了矛盾，例如，對(duì)熱點(diǎn)視頻的訪(fǎng)問(wèn)可能會(huì)造成部分網(wǎng)絡(luò)反復(fù)傳送相同的內(nèi)容，既浪費(fèi)了資源，也影響了服務(wù)質(zhì)量。為了解決這個(gè)問(wèn)題，學(xué)術(shù)界提出未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該從當(dāng)前以“位置”為中心的體系架構(gòu)，演進(jìn)到以“信息”為中心的架構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)的基本行為模式應(yīng)該是請(qǐng)求和獲取信息，而非實(shí)現(xiàn)端到端可達(dá)，這類(lèi)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)統(tǒng)稱(chēng)為信息中心網(wǎng)絡(luò)（ICN, information centric networking）。ICN的研究主要起源于美國(guó)和歐盟。其中，美國(guó)的主要研究項(xiàng)目包括 CCN、NDN、DONA等。歐盟的主要研究項(xiàng)目包括 NetInf、PURSUIT/PSIRP等；由于CCN/NDN完全以?xún)?nèi)容命名進(jìn)行路由，更能體現(xiàn)信息中心的特征，因此本文將以CCN/NDN為代表介紹信息中心網(wǎng)絡(luò)的核心思想。

2006年，施樂(lè)帕克研究中心（Xerox PARC）的Van Jacobson提出了CCN（內(nèi)容中心網(wǎng)絡(luò)）架構(gòu)[17]，F(xiàn)IA在2010年支持的NDN（命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)）項(xiàng)目也是采用基本相同的架構(gòu)，由加州大學(xué)洛杉磯分校的Lixia Zhang項(xiàng)目組承擔(dān)。CCN/NDN的目的是要開(kāi)發(fā)一個(gè)可以天然適應(yīng)當(dāng)前內(nèi)容獲取模式的新型互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)，其核心思想是保留IP協(xié)議棧的沙漏模型，但是細(xì)腰層采用類(lèi)似URL的層次化內(nèi)容命名，從而實(shí)現(xiàn)從 IP為中心向內(nèi)容/數(shù)據(jù)為中心的轉(zhuǎn)變；同時(shí)，該架構(gòu)采用全網(wǎng)交換節(jié)點(diǎn)緩存模式，以成本不斷降低的緩存換取帶寬，可以有效減小流量冗余和源服務(wù)器負(fù)載，并提高服務(wù)質(zhì)量；另外，該架構(gòu)還采用了對(duì)內(nèi)容本身進(jìn)行加密的方法，而不是依賴(lài)于對(duì)信息容器或信道的加密，這在某種程度上也增強(qiáng)了安全性。

3.2.2 體系架構(gòu)

CCN/NDN的體系架構(gòu)設(shè)計(jì)主要參考了當(dāng)前IP網(wǎng)絡(luò)的沙漏模型，其協(xié)議棧模型如圖2所示，細(xì)腰部分為內(nèi)容塊（content chunk），取代了傳統(tǒng)的 IP細(xì)腰。這個(gè)結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)是可以在方便全球互聯(lián)的同時(shí)，支持網(wǎng)絡(luò)層以外各個(gè)層級(jí)的繁榮發(fā)展。

CCN/NDN中包含2種數(shù)據(jù)分組，分別是興趣分組（interest packet）和數(shù)據(jù)分組（data packet），如圖3所示。興趣分組主要包含內(nèi)容命名；數(shù)據(jù)分組除了內(nèi)容命名外，還有安全簽名和數(shù)據(jù)。

CCN/NDN網(wǎng)絡(luò)的通信是由接收端（即數(shù)據(jù)請(qǐng)求者）驅(qū)動(dòng)的。為了接收數(shù)據(jù)，請(qǐng)求者向網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送興趣分組，路由器記錄收到興趣分組的接口，存儲(chǔ)在PIT（pending interest table）中，并且通過(guò)在FIB（forwarding information base）表中查找命名轉(zhuǎn)發(fā)興趣分組。當(dāng)興趣分組到達(dá)目的節(jié)點(diǎn)后，數(shù)據(jù)分組將會(huì)按記錄的PIT原路返回，沿路刪除PIT條目，并根據(jù)緩存策略決定是否緩存在途經(jīng)節(jié)點(diǎn)的 CS（content store）表中，這樣的一次請(qǐng)求和內(nèi)容返回就構(gòu)成了CCN/NDN網(wǎng)絡(luò)的基本通信過(guò)程。

除了這個(gè)基本過(guò)程外，為了實(shí)現(xiàn)內(nèi)容與地址的無(wú)關(guān)，興趣分組還可能在其他2種情況下得到滿(mǎn)足并不再轉(zhuǎn)發(fā)至目的節(jié)點(diǎn)：一是每個(gè)興趣分組到達(dá)路由節(jié)點(diǎn)后都要經(jīng)過(guò)CS表，如果CS中已經(jīng)緩存了該內(nèi)容，則直接返回?cái)?shù)據(jù)分組，完成通信；二是在CS未能命中的情況下，興趣分組要經(jīng)過(guò)PIT表的檢索，如果發(fā)現(xiàn)命名相同的條目，意味著同樣的請(qǐng)求已經(jīng)由本節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，但卻還未收到數(shù)據(jù)分組，此時(shí)只需將收到興趣分組的端口添加到現(xiàn)存條目中，則當(dāng)數(shù)據(jù)分組返回時(shí)，會(huì)按照多個(gè)記錄端口返回，這樣就減少了數(shù)據(jù)分組不必要的重發(fā)。上述2種情況可以理解為請(qǐng)求的非實(shí)時(shí)和實(shí)時(shí)聚合，一種通過(guò)CS完成，一種通過(guò) PIT完成，這兩張表也是CCN/NDN路由節(jié)點(diǎn)和傳統(tǒng)路由節(jié)點(diǎn)的主要區(qū)別，如圖4所示[18]。

圖2 CCN協(xié)議棧

圖3 CCN/NDN分組格式

3.2.3 關(guān)鍵技術(shù)

CCN作為一種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，增添了一些全新的組成要素，同時(shí)現(xiàn)有的一些工作機(jī)制與工作流程也需要重新設(shè)計(jì)。文獻(xiàn)[17]對(duì)CCN架構(gòu)的組成以及各種方案進(jìn)行了深入剖析?？偨Y(jié)起來(lái)，所涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括：命名機(jī)制、緩存策略、路由與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、傳輸策略、移動(dòng)性等。

1) 命名機(jī)制

相比傳統(tǒng)的IP網(wǎng)絡(luò)，CCN/NDN不再關(guān)注內(nèi)容存儲(chǔ)的地址，解耦了身份與地址雙重身份，因此命名可以直接與內(nèi)容的屬性相關(guān)。CCN/NDN采取了分層式的命名結(jié)構(gòu)[19]，例如，由PARC生產(chǎn)的一個(gè)視頻可以命名為/parc/videos/WidgetA.mpg，其中“/”表示名字組成部分的分界，而不是名字的組成部分。這種分層式的命名結(jié)構(gòu)有利于體現(xiàn)不同數(shù)據(jù)塊之間的關(guān)系，可以有效聚合，以減少路由條目。為了檢索動(dòng)態(tài)生成的數(shù)據(jù)，請(qǐng)求者與發(fā)布者在數(shù)據(jù)的命名規(guī)范上需要統(tǒng)一。

需要注意的是，雖然層級(jí)化命名具有良好的可讀性和聚合性，但是在查表速度上難以匹敵扁平化命名機(jī)制，因此ICN領(lǐng)域中也存在以扁平命名為基礎(chǔ)的體系架構(gòu)，但目前命名領(lǐng)域的研究還沒(méi)有定論，仍需要進(jìn)一步的探討和論證。

2) 緩存策略

隨著存儲(chǔ)技術(shù)的日益成熟，其價(jià)格不斷降低，這也是CCN/NDN架構(gòu)提出的基礎(chǔ)之一，即采用全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)部署緩存的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容的高效分發(fā)。由于每個(gè)數(shù)據(jù)分組都獨(dú)立于其源目的地址，路由器可以將它緩存到CS中響應(yīng)后續(xù)的請(qǐng)求。CCN/NDN路由器中的CS與IP路由器中的Buffer類(lèi)似，都是用來(lái)緩存數(shù)據(jù)分組的，區(qū)別是IP路由器將數(shù)據(jù)分組轉(zhuǎn)發(fā)之后不能再利用該數(shù)據(jù)分組，而CCN/NDN路由器還可以重復(fù)使用該數(shù)據(jù)，因?yàn)樵贑CN/NDN中該數(shù)據(jù)可以根據(jù)命名識(shí)別。除了增強(qiáng)內(nèi)容的分發(fā)效率，CCN/NDN的緩存還可以用來(lái)提升分組丟失重傳的效率。

CCN/NDN領(lǐng)域目前有很多研究集中在緩存策略的設(shè)計(jì)方面，包括緩存替換策略、放置決定策略、管理技術(shù)等。文獻(xiàn)[20]給出了現(xiàn)有 CCN/NDN緩存技術(shù)的研究綜述?，F(xiàn)有大部分研究主要分成2類(lèi)：一是通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型或仿真實(shí)驗(yàn)的方法，評(píng)估ICN系統(tǒng)現(xiàn)有緩存策略性能[21～25]；二是提出各種新型緩存策略以提升網(wǎng)絡(luò)性能[26～36]。

圖4 CCN/NDN節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)模型

3) 路由與轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制

在CCN/NDN架構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)的路由機(jī)制也不再基于IP地址，而是基于內(nèi)容命名進(jìn)行路由。內(nèi)容路由與IP路由的目的類(lèi)似，即讓各個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)知曉網(wǎng)絡(luò)中的內(nèi)容情況，以便于對(duì)請(qǐng)求進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。目前在 CCNx中普遍使用 OSPFN路由算法[37]，類(lèi)似傳統(tǒng)的OSPF協(xié)議。文獻(xiàn)[38～45]同樣也是采用了各種優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)基于傳統(tǒng)的 OSPF協(xié)議進(jìn)行改進(jìn)。文獻(xiàn)[46～50]結(jié)合CCN/NDN網(wǎng)絡(luò)中的緩存設(shè)計(jì)路由策略，使得路由充分利用緩存資源以提升性能。支持移動(dòng)環(huán)境的CCN路由方法也產(chǎn)生了部分研究成果[51]。

CCN/NDN的轉(zhuǎn)發(fā)策略能夠根據(jù)數(shù)據(jù)平面的狀態(tài)調(diào)整轉(zhuǎn)發(fā)決策。該領(lǐng)域的研究主要通過(guò)觀測(cè)興趣分組/數(shù)據(jù)分組的流量或歷史痕跡，檢測(cè)到連接失敗、擁塞等信息，進(jìn)而尋找替換的路徑來(lái)避免類(lèi)似問(wèn)題。已有的研究包括：通過(guò)傳遞探測(cè)信息來(lái)感知更優(yōu)的路徑[52,53]；通過(guò)多路徑轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)自適應(yīng)地選擇最優(yōu)的通信路徑[54]；通過(guò)結(jié)合緩存狀態(tài)來(lái)設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)可調(diào)的轉(zhuǎn)發(fā)策略[40]。它們都在一定程度上增加了通信開(kāi)銷(xiāo)或其他代價(jià)，但是能夠有效地避免鏈路失效或產(chǎn)生延遲。

4) 移動(dòng)性

隨著無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的發(fā)展，用戶(hù)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)性支持需求越來(lái)越強(qiáng)烈，然而由于IP具有身份位置的雙重屬性，使當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)沒(méi)辦法很好支持移動(dòng)性。CCN/NDN基于請(qǐng)求者驅(qū)動(dòng)的模式可以很好地解決終端移動(dòng)的問(wèn)題，因?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)會(huì)暫存?zhèn)鬏斨械臄?shù)據(jù)分組，當(dāng)用戶(hù)重新定位以后，可以通過(guò)一些策略重新發(fā)送未收到內(nèi)容的興趣分組，實(shí)現(xiàn)無(wú)縫移動(dòng)[55]。但是在源端的移動(dòng)性問(wèn)題中，鑒于 CCN中層級(jí)化命名機(jī)制與地址相關(guān)，因此會(huì)造成路由重新收斂的問(wèn)題，文獻(xiàn)[56～60]對(duì)此展開(kāi)了一定程度的研究。另外，CCN本身支持為用戶(hù)提供多數(shù)據(jù)源（網(wǎng)絡(luò)中眾多的緩存），一定程度上減輕了內(nèi)容提供者移動(dòng)帶來(lái)的影響[59]。

3.2.4 小結(jié)

CCN/NDN作為一種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，顛覆了人們對(duì)傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)識(shí)，給出了一個(gè)嶄新的研究視角。雖然還存在較多的技術(shù)細(xì)節(jié)問(wèn)題沒(méi)有得到完善，目前也缺乏具有革命意義的應(yīng)用驅(qū)動(dòng)，但是隨著研究的不斷進(jìn)步，CCN/NDN將有希望為現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)模型帶來(lái)革命性的變化。

3.3 其他未來(lái)網(wǎng)絡(luò)模型

3.3.1 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)

考慮到現(xiàn)有 IP網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)基于固定的端到端的連接，不能解決移動(dòng)設(shè)備和服務(wù)動(dòng)態(tài)增加的需求趨勢(shì)，因此隨著網(wǎng)絡(luò)需求的轉(zhuǎn)變，越來(lái)越多的研究者認(rèn)為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)具備移動(dòng)性的基本屬性。FIA項(xiàng)目在2010年支持的MobilityFirst就是以移動(dòng)性為目標(biāo)，由美國(guó)羅格斯大學(xué)和其他7個(gè)大學(xué)共同合作，其目標(biāo)是設(shè)計(jì)一種面向移動(dòng)場(chǎng)景、健壯、可信、以移動(dòng)終端作為主流設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，提供更為強(qiáng)大的安全和信任機(jī)制。該體系架構(gòu)的基本技術(shù)特征包括：支持快速的全局命名解析；采用公鑰基礎(chǔ)設(shè)施實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的驗(yàn)證；核心網(wǎng)絡(luò)采用扁平地址結(jié)構(gòu)；支持存儲(chǔ)—轉(zhuǎn)發(fā)的路由方式；支持逐跳的分段數(shù)據(jù)傳輸；支持可編程的移動(dòng)計(jì)算模式等。從長(zhǎng)期目標(biāo)來(lái)看，MobilityFirst將致力于通過(guò)V2V和V2I模式實(shí)現(xiàn)成千上萬(wàn)車(chē)輛的連接，包括提供服務(wù)定位、地理路由以及可靠多播等能力，MobilityFirst的體系架構(gòu)如圖5所示。

3.3.2 云網(wǎng)絡(luò)

云網(wǎng)絡(luò)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)虛擬化和自管理技術(shù)，將云計(jì)算的技術(shù)和思想融合到未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)之中，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算、存儲(chǔ)和傳輸資源按需管理控制的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

2010年，F(xiàn)IA項(xiàng)目支持了Nebula，由賓夕法尼亞大學(xué)和其他 11個(gè)大學(xué)共同合作，目的是構(gòu)建一個(gè)云計(jì)算中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。Nebula認(rèn)為未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)將由一大批高可用和可擴(kuò)展的數(shù)據(jù)中心互連組成，多個(gè)云提供商可以獨(dú)立地使用復(fù)制技術(shù)，使得移動(dòng)用戶(hù)可以通過(guò)有線(xiàn)或無(wú)線(xiàn)等不同方式接入到最近的數(shù)據(jù)中心。因此，該項(xiàng)目計(jì)劃構(gòu)建可靠、可信的高速核心網(wǎng)絡(luò)連接各個(gè)云計(jì)算數(shù)據(jù)中心。其中，數(shù)據(jù)中心可由多個(gè)提供商提供，核心網(wǎng)絡(luò)通過(guò)冗余高性能鏈路和高可靠的路由控制軟件實(shí)現(xiàn)高可用性。Nebula的關(guān)鍵組成部分包括：Nebula數(shù)據(jù)平面（NDP），用于建立靈活接入控制和防御攻擊的路徑；Nebula虛擬可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（NVENT），作為控制平面，提供應(yīng)用服務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)和網(wǎng)絡(luò)抽象（如冗余、一致性和策略路由）；Nebula核心網(wǎng)絡(luò)，連接數(shù)據(jù)中心和高效路由器。Nebula的體系架構(gòu)如圖6所示。

圖5 MobilityFirst體系架構(gòu)

圖6 Nebula體系架構(gòu)

3.3.3 可選網(wǎng)絡(luò)

互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為了企業(yè)、政府、軍隊(duì)和個(gè)人通信的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施。面對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)和網(wǎng)絡(luò)被使用的狀況，需要互聯(lián)網(wǎng)提供更多更全面的功能，而現(xiàn)有部署的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不能滿(mǎn)足這些新功能的實(shí)施。

2012年，美國(guó)NSF在其FIA項(xiàng)目中啟動(dòng)了對(duì)ChoiceNet項(xiàng)目的支持，該項(xiàng)目為互聯(lián)網(wǎng)演進(jìn)開(kāi)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。這種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的核心思想是支持選擇，使得網(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。建立在這些原則之上的網(wǎng)絡(luò)將能夠針對(duì)當(dāng)前和未來(lái)的挑戰(zhàn)出現(xiàn)新的解決方案，以服務(wù)為中心，建立可選擇的技術(shù)方案與經(jīng)濟(jì)之間的關(guān)聯(lián)，其架構(gòu)如圖7所示。這項(xiàng)工作的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)和原型目的是：①鼓勵(lì)可替換方案，允許用戶(hù)從一系列的服務(wù)中進(jìn)行選擇；②用戶(hù)將對(duì)高優(yōu)先級(jí)和具有創(chuàng)新性的服務(wù)付費(fèi)；③提供能夠保證隨時(shí)感知可用的替換方案及其性能的機(jī)制。解決方案可以來(lái)源于不同方向，包括計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、管理科學(xué)和網(wǎng)絡(luò)經(jīng)濟(jì)等知識(shí)。該項(xiàng)目更廣泛的影響在于創(chuàng)新了未來(lái)互聯(lián)網(wǎng)的運(yùn)營(yíng)和經(jīng)濟(jì)模型，也可能有望成為基礎(chǔ)設(shè)施的重要特性之一。

3.4 信息中心網(wǎng)絡(luò)與軟件定義網(wǎng)絡(luò)的融合

3.4.1 研究背景

如上文所述，ICN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠解決內(nèi)容的冗余傳輸并且解耦身份標(biāo)識(shí)和位置標(biāo)識(shí)雙重身份，其特點(diǎn)如下：①以?xún)?nèi)容為中心的請(qǐng)求應(yīng)答模型；②基于內(nèi)容命名的路由；③網(wǎng)內(nèi)緩存；④內(nèi)嵌于內(nèi)容的安全機(jī)制。但是也存在一些不足，包括：①缺乏內(nèi)容的主動(dòng)推送；②缺乏全網(wǎng)的集中控制機(jī)制；③缺乏協(xié)議快速演進(jìn)部署的能力。而 SDN技術(shù)使得復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)變得更加簡(jiǎn)單，可以更靈活地調(diào)度底層物理資源，其特點(diǎn)如下：①數(shù)據(jù)平面專(zhuān)注于轉(zhuǎn)發(fā)，控制平面對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源擁有全局視圖；②網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和業(yè)務(wù)特性適配以及硬件設(shè)備之間的通信可通過(guò)設(shè)定協(xié)議編程實(shí)現(xiàn)；③可根據(jù)上層用戶(hù)的不同業(yè)務(wù)需求，靈活高效地分配調(diào)度基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)資源。但是存在如下不足：①缺乏緩存機(jī)制；②缺乏內(nèi)容控制。

為了讓網(wǎng)絡(luò)與存儲(chǔ)和計(jì)算融合，綜合 ICN和SDN的2種技術(shù)架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，使融合后的架構(gòu)能夠高效利用計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源，并具有高可控性，是解決目前網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題和未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)發(fā)展的重要方向之一。

3.4.2 體系架構(gòu)

圖7 ChoiceNet架構(gòu)

由于ICN分為集中式和分布式2種系統(tǒng)形式，因此關(guān)于ICN和SDN的融合也分為這2種形式。自從2012年開(kāi)始，關(guān)于ICN與SDN的融合架構(gòu)開(kāi)始陸續(xù)出現(xiàn)，包括歐盟FP7項(xiàng)目CONVERGENCE提出的CONET-over-SDN架構(gòu)[60]，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)提出的 OF-CCN[61]架構(gòu)，以及清華大學(xué)提出的NDN-over-OpenFlow框架[62]等。

CONET是CONVERGENCE項(xiàng)目提出的一套以?xún)?nèi)容為中心的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案，其核心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖 8所示。OFELIA項(xiàng)目則主要建設(shè)了歐洲的OpenFlow測(cè)試床。為了驗(yàn)證和評(píng)估CONET的可實(shí)施性，歐盟將CONET部署到OFELIA網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行驗(yàn)證，形成了CONET-over-SDN的架構(gòu)方案。

韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)在 ONS2012峰會(huì)中提出了基于OpenFlow平臺(tái)實(shí)施的ICN架構(gòu)的設(shè)計(jì)思路和實(shí)施展示，其架構(gòu)如圖9所示。利用現(xiàn)有OpenFlow功能實(shí)現(xiàn)內(nèi)容高效分發(fā)，將一個(gè)私有IP地址與每個(gè)分發(fā)文件映射，同時(shí)使用HTTP向主機(jī)傳輸內(nèi)容，支持移動(dòng)性、多播/任播?？刂破骶S護(hù)內(nèi)容的映射表，記錄每個(gè)內(nèi)容存在哪個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中。當(dāng)某個(gè)文件被請(qǐng)求時(shí)，控制器為該文件分配一個(gè)私有地址，之后該文件的請(qǐng)求分組和數(shù)據(jù)分組都是用這個(gè)分配的私有地址實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)。

3.4.3 小結(jié)

關(guān)于架構(gòu)融合的研究目前還停留在雛形階段，然而可以明確的是，ICN和 SDN融合的目標(biāo)為：一方面面向網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商構(gòu)建虛擬化高效管控、物理資源可調(diào)度的基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，另一方面面向網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供商構(gòu)建可靈活感知、有服務(wù)質(zhì)量保障、內(nèi)容資源可調(diào)度的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，最終建設(shè)一套安全可重構(gòu)、高效可擴(kuò)展、開(kāi)放可定義、支持異構(gòu)融合的新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，解決可擴(kuò)展性、安全性、移動(dòng)性、服務(wù)質(zhì)量保障、可控可管、可重構(gòu)、可感知以及綠色節(jié)能等現(xiàn)存問(wèn)題。

4 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展趨勢(shì)分析

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)具有重要的研究意義，但是在具體的研究方向上還處于百家爭(zhēng)鳴的階段，在對(duì)當(dāng)前主流的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)進(jìn)行總結(jié)和分析后，從中抽取了以下幾個(gè)方面，作為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究中的重要組成部分或值得討論的問(wèn)題。

1) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)處理好革新式架構(gòu)與演進(jìn)式部署的關(guān)系

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)重頭再來(lái)的思想，核心意義是不受到現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的束縛和限制，它的架構(gòu)可以是革新的，但是其部署實(shí)施必須是一個(gè)循序漸進(jìn)的過(guò)程。目前因特網(wǎng)鏈接了數(shù)十億節(jié)點(diǎn)并且擁有數(shù)以百萬(wàn)計(jì)的應(yīng)用程序，因此研究的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)必須也具備這種特質(zhì)，即傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用程序應(yīng)該要能夠在新的架構(gòu)上進(jìn)行通信，同樣新的節(jié)點(diǎn)和應(yīng)用程序也要能夠在現(xiàn)有因特網(wǎng)架構(gòu)上通信。因此新舊設(shè)備之間在邊界點(diǎn)需要提供特殊的設(shè)施，保證能夠兼容各種版本的底層通信協(xié)議，通過(guò)小規(guī)模部署不斷擴(kuò)大新架構(gòu)的規(guī)模。

圖8 CONET體系架構(gòu)

圖9 OF-CCN體系架構(gòu)

2) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)遵循簡(jiǎn)單開(kāi)放的基本原則

互聯(lián)網(wǎng)的使用模式已經(jīng)從端到端的通信轉(zhuǎn)變?yōu)槲磥?lái)網(wǎng)絡(luò)的以?xún)?nèi)容、數(shù)據(jù)、用戶(hù)為中心的模式，設(shè)計(jì)目標(biāo)的變化自然導(dǎo)致了設(shè)計(jì)規(guī)則的變化。然而，網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單開(kāi)放的特征是網(wǎng)絡(luò)能夠繁榮發(fā)展的基礎(chǔ)，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)可以繼續(xù)探討，功能可以更加多樣，但是形成的架構(gòu)一定要簡(jiǎn)單開(kāi)放，才能推動(dòng)廣泛的使用。

3) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)注重應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的因素

網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模發(fā)展從來(lái)都是以應(yīng)用為驅(qū)動(dòng)的，無(wú)論是推動(dòng)電話(huà)網(wǎng)發(fā)展的電話(huà)業(yè)務(wù)，還是推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的萬(wàn)維網(wǎng)技術(shù)，都是鮮活的實(shí)例。事實(shí)證明，當(dāng)有足夠重要的應(yīng)用出現(xiàn)時(shí)，兼容性、最優(yōu)性等因素都不會(huì)成為問(wèn)題。因此，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的研究既要定位于優(yōu)化現(xiàn)在的網(wǎng)絡(luò)，更要努力尋找一個(gè)可以顛覆當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新應(yīng)用類(lèi)型。

4) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)內(nèi)嵌安全性等需求

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)當(dāng)具備安全性、移動(dòng)性、自管理、中斷容忍等一些關(guān)鍵功能?，F(xiàn)有的不同項(xiàng)目都是各自偏重某一些問(wèn)題展開(kāi)的研究，單一的一個(gè)項(xiàng)目無(wú)法解決當(dāng)前出現(xiàn)的種種挑戰(zhàn)。目前像FIA這種合作計(jì)劃正在整合各種先前的研究成果，轉(zhuǎn)化成一個(gè)連貫的、融合的項(xiàng)目組。如何整合這些不同的需求和由此產(chǎn)生的架構(gòu)仍然是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題，但這樣的趨勢(shì)已經(jīng)產(chǎn)生。

5) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)應(yīng)具有天然服務(wù)分發(fā)能力

過(guò)去十年推動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的主要趨勢(shì)就是服務(wù)的多樣性，如Google、Facebook、YouTube以及產(chǎn)生大量的互聯(lián)網(wǎng)流量的類(lèi)似服務(wù)，而云計(jì)算和移動(dòng)設(shè)備的增值導(dǎo)致了互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的進(jìn)一步增長(zhǎng)。因此面對(duì)大量的服務(wù)需求，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的一個(gè)基本屬性就是高效的服務(wù)分發(fā)能力，由電信運(yùn)營(yíng)商提供來(lái)支撐多種多樣應(yīng)用服務(wù)提供商使用的能力，滿(mǎn)足負(fù)載均衡、容錯(cuò)、復(fù)制、多宿、移動(dòng)性、強(qiáng)安全性、定制應(yīng)用等各種需求，也就是說(shuō)，服務(wù)有可能成為新的細(xì)腰層，而內(nèi)容和IP都是它的一種特例。

6) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮引入利益相關(guān)者之間的博弈關(guān)系

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)需要在多個(gè)利益相關(guān)者（用戶(hù)、互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商、應(yīng)用服務(wù)提供商、數(shù)據(jù)擁有者和政府）之間提供可擴(kuò)展靈活的接口進(jìn)行交互和政策、法律的實(shí)施，未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)必須要綜合考慮社會(huì)和經(jīng)濟(jì)因素，來(lái)平衡和調(diào)節(jié)各利益相關(guān)者之間的利益。

7) 未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)驗(yàn)證應(yīng)考慮建設(shè)大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

目前，不同國(guó)家的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)研究的測(cè)試床都是專(zhuān)門(mén)基于先前的研究項(xiàng)目建設(shè)的，具有不同的功能和重點(diǎn)。因此從長(zhǎng)遠(yuǎn)的角度來(lái)看，如何建立一個(gè)可控可管、能夠?qū)崿F(xiàn)資源虛擬化共享的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)研究的一個(gè)重點(diǎn)方向。另外，虛擬共存、資源動(dòng)態(tài)分配、架構(gòu)優(yōu)勝劣汰的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)特征，也很可能成為未來(lái)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)的一種基礎(chǔ)模式。

5 結(jié)束語(yǔ)

未來(lái)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)得到全球?qū)W術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的充分重視，針對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的不同問(wèn)題和需求，關(guān)于未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方法也各有特點(diǎn)，呈現(xiàn)出百家爭(zhēng)鳴的現(xiàn)狀，然而未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的最終目標(biāo)是一致的，都是要建設(shè)一個(gè)可信可控可管、為用戶(hù)提供更好服務(wù)質(zhì)量和使用體驗(yàn)的網(wǎng)絡(luò)。本文介紹了目前未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)領(lǐng)域的主要研究成果，由于篇幅所限，并沒(méi)有將所有的項(xiàng)目一一列舉，只選擇了其中比較具有代表性的項(xiàng)目。期望通過(guò)綜述該領(lǐng)域的已有研究成果，探討分析研究目標(biāo)和方法，總結(jié)研究思路，從而為國(guó)內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的研究人員提供參考和幫助。

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