1.引言
隨著互聯(lián)網(wǎng)新型業(yè)務的不斷涌現(xiàn)和網(wǎng)絡規(guī)模的急劇膨脹，現(xiàn)有網(wǎng)絡設備的僵化結構造成網(wǎng)絡服務能力已無法適應上層業(yè)務的多樣性需求，節(jié)點可提供的基礎能力與上層應用需求之間存在鴻溝；同時考慮功耗因素，信息通信領域作為全球增長最快行業(yè)之一，其碳排放也隨著行業(yè)規(guī)模而不斷增長，以之前的能耗增長趨勢推算，互聯(lián)網(wǎng)領域的能源消耗在2025年將占IT行業(yè)總能耗比重達43%，網(wǎng)絡設備的能耗問題已成為互聯(lián)網(wǎng)可持續(xù)發(fā)展的重要障礙，并成為計算機網(wǎng)絡領域的重要研究課題。
綠色網(wǎng)絡概念由Gupta M在2003年的SIGCOMM國際會議上首次提出，目標是在保證上層業(yè)務演進需求的前提下節(jié)省網(wǎng)絡能耗。現(xiàn)有網(wǎng)絡架構和運營部署模式與節(jié)能目標背道而馳，主要原因如下：
基于“打補丁”式的網(wǎng)絡設備功能更新升級模式。導致網(wǎng)絡設備功能復雜，服務能力越來越過剩，服務能力過剩導致能耗浪費；
“峰值”設計模式，對設備的鏈路速率、處理能力和交換能力等指標按照峰值設計，設備在正常運行時的能力富余導致能耗浪費；
現(xiàn)有網(wǎng)絡設備的“剛性化”結構，導致擴展新型業(yè)務時需更換設備，造成大量的網(wǎng)絡設備電子垃圾，電子垃圾的處理將耗費大量能源；
現(xiàn)有網(wǎng)絡設備的“封閉式”生產模式，形成網(wǎng)絡設備生產壟斷加劇，設備廠商為一己之利盲目推進網(wǎng)絡設備更新?lián)Q代，造成網(wǎng)絡資源和能耗的巨大浪費。
隨著新型業(yè)務和網(wǎng)絡規(guī)模的不斷發(fā)展，網(wǎng)絡設備不斷升級替換。由此產生的高能耗、高浪費和低效率等問題Et益突出。國家“863”計劃信息技術領域重大專項“新一代高可信網(wǎng)絡”提出了“可重構柔性網(wǎng)絡(reconfigurable flexiblenetwork，RFNet)”的思想圈，主要針對現(xiàn)有網(wǎng)絡存在的服務可擴展性、靈活性和低功耗等問題，致力于構建一種新型的未來網(wǎng)絡體系，支持服務能力可重構，按上層服務需求選擇資源。并構建面向服務的實體服務網(wǎng)絡嘲，有助于實現(xiàn)綠色節(jié)能網(wǎng)絡。
通過對現(xiàn)有網(wǎng)絡體系結構的研究，新型網(wǎng)絡架構需在服務能力、低耗能、可擴展性、開放性和可管理性等方面進行改進。為支持未來網(wǎng)絡的業(yè)務演進和大規(guī)模部署，將服務能力和綠色節(jié)能作為主要關注點，本文重點研究可重構技術支撐下的RFNet架構，引入RFNet 4層分層模型實現(xiàn)服務能力與網(wǎng)絡資源松耦合，網(wǎng)絡節(jié)點服務能力隨著業(yè)務需求變化進行重構：根據(jù)上層業(yè)務變化構建或釋放滿足需求的實體網(wǎng)絡。基于可重構能力使得RFNet在服務能力支撐和網(wǎng)絡節(jié)能方面具有獨特優(yōu)勢，分別在網(wǎng)絡設備制造產業(yè)、網(wǎng)絡級和節(jié)點級實現(xiàn)節(jié)能設計，從而滿足未來多業(yè)務和綠色網(wǎng)絡需求。
2.新型網(wǎng)絡體系結構研究現(xiàn)狀
新型業(yè)務迅猛發(fā)展對網(wǎng)絡基礎設施提出了挑戰(zhàn)，現(xiàn)有網(wǎng)絡已無法適應上層服務的多樣性需求，究其原因分為如下兩個方面。
網(wǎng)絡設備的“剛性化”結構。服務能力無法隨上層業(yè)務發(fā)展而自我演進，新型業(yè)務部署主要依賴設備整體升級和更新?lián)Q代，導致網(wǎng)絡規(guī)模和設備淘汰速率急劇增長，不利于構建綠色節(jié)能網(wǎng)絡。
網(wǎng)絡設備生產和維護的壟斷性。網(wǎng)絡設備功能更新和運行維護只能由原設備提供商實施，第三方無法參與網(wǎng)絡設備開發(fā)，使得不同制造商設備之間無法統(tǒng)一接人，導致各制造商之間設備不兼容，網(wǎng)絡設備的可復用性差，造成網(wǎng)絡資源的巨大浪費。
國外的各研究機構已對新型網(wǎng)絡體系架構展開研究，較著名的研究計劃包括：美國的GENI計劃、FIND計劃、歐盟的項目、日本的AKARI項目，國內的清華大學和北京交通大學借鑒GENI思想提出了自己的未來網(wǎng)絡計劃。以上未來網(wǎng)絡計劃參考GENI計劃中PlanetLab倡導的“覆蓋網(wǎng)絡(overlay)”思想，目的是探索一種以服務能力為核心的一體化融合網(wǎng)絡架構，用以滿足未來不斷涌現(xiàn)的新型業(yè)務。
目前國際上對新型網(wǎng)絡體系結構還未達成一致，各種研究計劃處于百家爭鳴的局面。各種相關計劃基于對互聯(lián)網(wǎng)需求的基本認識，對未來互聯(lián)網(wǎng)的基本需求設定不同的研究內容，具體內容比較見表1。從表1可以看出，相對于其他未來網(wǎng)絡研究計劃，RFNet關注的研究點更全面，且圍繞互聯(lián)網(wǎng)體系結構的根本問題開展研究，并將網(wǎng)絡耗能研究作為重要內容，為構建未來綠色節(jié)能網(wǎng)絡提供思路。
表1 國內外的新型網(wǎng)絡架構研究側重點
3.RFNet體系和組網(wǎng)架構
3.1 RFNet分層模型
由于網(wǎng)絡使用者不同導致上層應用的差異性，從而產生了上層業(yè)務需求的多樣性。若采用統(tǒng)一的網(wǎng)絡體系結構或服務模式滿足所有業(yè)務需求，在技術上實現(xiàn)“one sizefits all”模式很難，將造成網(wǎng)絡設備的功能冗余復雜，而且設備成本大大提高。RFNet基于“one size fits group”模式，通過區(qū)分不同業(yè)務的特性，根據(jù)不同的業(yè)務特性提供不同的承載網(wǎng)絡，核心技術是可重構技術，在此基礎上實現(xiàn)面向服務的網(wǎng)絡構建技術。RFNet通過改變網(wǎng)絡設備自身的服務能力，保持了對業(yè)務多樣性的適應，減少了網(wǎng)絡設備對冗余性設計需求，有利于節(jié)約網(wǎng)絡設備規(guī)模和能耗。采用分層參考模型將RFNet劃分為4層：應用層、業(yè)務層、服務層和資源層，如圖1所示。
圖1 RFNet的4層劃分模型
應用層：主要面向用戶需求，包括互聯(lián)網(wǎng)和各種應用終端出現(xiàn)的各種新型應用，應用終端業(yè)務包括電話機、移動終端、手機等。
業(yè)務層：主要實現(xiàn)通信承載參數(shù)提取功能，首先分析應用層業(yè)務的特征和該業(yè)務所需的服務質量需求。在此基礎上確定承載該業(yè)務所需的承載媒體。
服務層：是RFNet實現(xiàn)面向服務重構的基礎。根據(jù)業(yè)務層的承載需求，并結合資源層可提供的物理資源，為相應的上層業(yè)務層分配節(jié)點內部資源和鏈路資源，在此基礎上實現(xiàn)構建服務承載網(wǎng)為上層業(yè)務提供支撐。
資源層：是一種資源可共享的物理實體網(wǎng)絡，該網(wǎng)絡中的節(jié)點功能可重構，鏈路連接拓撲可靈活改變，網(wǎng)絡設備主要包括可重構路由節(jié)點、光傳輸設備等。
傳統(tǒng)網(wǎng)絡由于應用與網(wǎng)絡無法分離，疲于應對新出現(xiàn)的網(wǎng)絡業(yè)務。被迫不斷地改造網(wǎng)絡。
RFNet通過引入分層模型，將服務與網(wǎng)絡資源進行松耦合設計，從而實現(xiàn)基于服務需求構建實體網(wǎng)絡。構建實體網(wǎng)絡只需激活相應網(wǎng)絡資源，取消該業(yè)務時釋放實體網(wǎng)絡占用的資源，可實現(xiàn)底層資源的循環(huán)利用；當業(yè)務負載降低時。可以休眠空閑的節(jié)點和鏈路節(jié)約能耗。從以上可以看出RFNet具有綠色節(jié)能的先天優(yōu)勢。
3.2 RFNet體系結構
RFNet體系架構中包括6種網(wǎng)絡元素：可重構管理平臺(后面簡稱為管理平臺)、構件庫系統(tǒng)、可重構路由交換平臺、可重構光網(wǎng)絡設備、媒體網(wǎng)關以及用戶終端。RFNet的組網(wǎng)結構如圖2所示。
圖2 RFNet體系結構
可重構管理平臺：主要負責將上層業(yè)務需求轉換為重構服務承載網(wǎng)(reconfigurable service carryingnetwork，RSCN)的構建請求，通過構建不同的RSCN支撐不同的用戶業(yè)務需求。管理平臺通過感知并管理RFNet全網(wǎng)的物理資源，根據(jù)上層業(yè)務層提供服務需求，在共享物理資源基礎上構建RSCN。在RSCN構建過程中涉及構件重構下載，在構件庫系統(tǒng)中下載與服務相關的功能構件，對可重構路由交換平臺加載并運行新構件，從而改變可重構路由交換平臺的服務能力，從而支撐新的網(wǎng)絡服務。
構件庫系統(tǒng)：為實現(xiàn)RFNet向第三方開放，構件庫系統(tǒng)存儲各種功能構件，支持第三方廠商開發(fā)的標準構件。可重構路由交換平臺根據(jù)管理平臺的指令，從構件庫中下載相關構件，通過在節(jié)點內部替換構件改變其功能，實現(xiàn)網(wǎng)絡服務能力重構。
可重構路由交換平臺：該平臺內部包括節(jié)點資源代理和功能重構代理，主要完成節(jié)點內部資源管理和節(jié)點功能的重構支撐功能。其共享的物理資源包括鏈路接口帶寬、緩存容量、交換能力、可編程邏輯、處理器等物理資源。
可重構光網(wǎng)絡設備：提供數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓怄溌吩O備，可根據(jù)RSCN的需求改變可重構柔性網(wǎng)絡的拓撲結構。
媒體網(wǎng)關：主要匯聚分析不同應用的業(yè)務特性和服務質量需求。并將相應的服務需求參數(shù)化后發(fā)送至可重構管理平臺。
用戶終端：用戶終端作為用戶上層應用業(yè)務運行的物理終端。首先與媒體網(wǎng)關進行互聯(lián)，交互應用業(yè)務信息。
3.3 RFNet組網(wǎng)技術
為支持不同的上層應用業(yè)務需求，RFNet的服務能力重構通過在服務層構建RSCN實現(xiàn)，在構建RSCN過程中實現(xiàn)綠色網(wǎng)絡節(jié)能。管理平臺負責RFNet中的RSCN建立過程，功能劃分為需求解析、資源感知、承載網(wǎng)映射、網(wǎng)絡服務映射4部分，其中需求解析功能用于分析對應業(yè)務所需的節(jié)點內部和鏈路資源需求：資源感知功能用于實時監(jiān)控RFNet中的可用資源，判斷剩余資源是否可滿足當前業(yè)務構建承載網(wǎng)的需求：承載網(wǎng)映射功能用于確定承載網(wǎng)所涉及的節(jié)點和鏈路：網(wǎng)絡服務映射功能用于將業(yè)務部署到承載網(wǎng)的節(jié)點運行。管理平臺的各部分功能在RSCN構建過程中的作用如圖3所示。
圖3 管理平臺的內部功能劃分
RSCN在RFNet中的生成流程如下。
(1)通過可重構路由交換平臺內部的資源代理功能，及時向管理平臺發(fā)送本平臺內部的資源使用情況，管理平臺收集維護整個RFNet中的節(jié)點和鏈路資源信息。
(2)根據(jù)上層業(yè)務需求構建RSCN時，管理平臺分析構建承載網(wǎng)絡所需的資源需求情況，確定剩余資源是否滿足構建該RSCN要求。
(3)在當前資源可以滿足RSCN構建需求的前提下，管理平臺內部的承載網(wǎng)映射功能給出承載網(wǎng)映射算法，從而在RFNet中為RSCN確定所需的節(jié)點和鏈路資源。
(4)確定節(jié)點以后，管理平臺內部的服務映射模塊為各節(jié)點設計重構方案，確定在各節(jié)點中運行何種功能構件。
(5)管理平臺將服務映射結果的重構指令發(fā)送至各個路由交換平臺，平臺內部的重構代理模塊根據(jù)指令從構件系統(tǒng)庫中下載對應的功能構件，功能重構代理負責對平臺功能進行重構操作。
(6)路由交換平臺執(zhí)行重構指令以后，構建出的RSCN即可滿足上層業(yè)務需求，由于節(jié)點重構涉及內部資源的再分配，需將剩余資源情況反饋給管理平臺，便于后續(xù)構建新的RSCN。
4.RFNet的節(jié)能機制
4.1 網(wǎng)絡設備產業(yè)級節(jié)能
在RFNet服務層中采用虛擬化技術構建RSCN，即在同一網(wǎng)絡架構下支持多種異構網(wǎng)絡并存，將基礎設施供應商(infrastructure provider，InP)和網(wǎng)絡服務提供商(serviceprovider，SP)進行分離，由不同基礎設施供應商管理的底層物理網(wǎng)絡形成資源共享的可虛擬化網(wǎng)絡資源，網(wǎng)絡服務提供商提供上層業(yè)務服務。在共享的節(jié)點資源和物理鏈路上規(guī)劃虛擬網(wǎng)絡的資源需求，在此基礎上構建多個不同的RSCN，實現(xiàn)底層資源的有效復用，從而提高基礎設施資源利用率。
RFNet中的RSCN虛擬化模型如圖4所示。虛擬網(wǎng)(virtual network)請求由虛擬節(jié)點通過虛擬鏈路構成的虛擬拓撲形成，服務供應商根據(jù)虛擬網(wǎng)請求組建虛擬網(wǎng)。
圖4 RSCN虛擬化模型
RFNet在服務層采用虛擬化技術，根據(jù)上層業(yè)務需求適應未來各種新興業(yè)務的增量式部署應用。在新業(yè)務部署過程中，RFNet通過變換服務與資源映射關系更改服務能力，RFNet中的節(jié)點無需進行擴展或替換，從而保證RFNet對未來新型業(yè)務支持的可持續(xù)性。通過服務層與資源層映射變換，可實現(xiàn)按需構建或拆除實體網(wǎng)絡，增強底層資源的可復用性，提高網(wǎng)絡資源利用率，節(jié)約RFNet中的設備能耗。通過部署RFNet可滿足未來較長一段時間內新型業(yè)務的發(fā)展，增加網(wǎng)絡設備的使用時間，延長電子設備的更新?lián)Q代周期，減少網(wǎng)絡設備淘汰產生的電子垃圾，有助于構建綠色節(jié)能可持續(xù)發(fā)展網(wǎng)絡。
4.2 網(wǎng)絡和節(jié)點級節(jié)能
RFNet中資源層所描述的物理網(wǎng)絡，共享資源包括可重構路由節(jié)點和光鏈路傳輸設備。可重構服務實體網(wǎng)通過對網(wǎng)絡資源的規(guī)劃和管理，利用最小的資源構建符合需求的實體網(wǎng)絡，提高網(wǎng)絡資源利用率，達到降低網(wǎng)絡能耗的目的。實體網(wǎng)絡在運行過程中，通過感知上層業(yè)務的變化，若發(fā)現(xiàn)當前網(wǎng)絡資源承載該業(yè)務時存在冗余，通過重構網(wǎng)絡，關閉不需要的節(jié)點，以較少的節(jié)點資源滿足當前業(yè)務的需求，從而降低網(wǎng)絡能耗，如圖5所示。
圖5 節(jié)點休眠實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)能
在網(wǎng)絡中業(yè)務量和鏈路利用率都較低的情況下。通過重新建立RSCN，將流經(jīng)不同鏈路的數(shù)據(jù)流遷徙到單一鏈路上，在此情況下可關閉部分鏈路或將部分鏈路處于休眠狀態(tài)，實現(xiàn)對鏈路能源的有效管理及利用，進而可降低物理網(wǎng)絡能耗，如圖6所示。
圖6 鏈路休眠實現(xiàn)網(wǎng)絡節(jié)能
為支持第三方的構件應用，RFNet的節(jié)點設備采用構件化組裝開發(fā)技術。事先在構件庫中存放各種可用的功能構件，當上層業(yè)務需求變化時，在構件庫中搜索選擇相應的新構件，重構組裝后形成不同的服務能力，因此可重構路由交換平臺的服務能力變化可以通過更新、添加和刪除不同構件完成。當上層業(yè)務功能取消或刪減時，在對應的服務能力構件組中休眠部分構件。如圖7所示。通過在節(jié)點設備內部引人構件休眠機制，不但滿足上層業(yè)務的功能需求，同時可降低節(jié)點設備本身的功耗。
圖7 構件休眠實現(xiàn)節(jié)點節(jié)能
5.結束語
現(xiàn)有網(wǎng)絡采用資源冗余滿足未來新型業(yè)務的動態(tài)變化需求，在服務能力、綠色節(jié)能和開放性等方面存在不足，本文對比分析了國內外提出的新型網(wǎng)絡結構，提出了一種符合未來網(wǎng)絡業(yè)務演進的RFNet體系結構，重點關注服務支撐能力和綠色節(jié)能。RFNet采用分層架構實現(xiàn)了服務能力與網(wǎng)絡資源解耦合設計，在不改造RFNet的前提下，不斷演進的需求。RFNet基于虛擬化技術組建實體服務網(wǎng)絡，可在網(wǎng)絡設備生產、部署和升級等環(huán)節(jié)實現(xiàn)產業(yè)節(jié)能。通過實時感知底層網(wǎng)絡資源，在滿足上層業(yè)務需求的前提下，利用RSCN優(yōu)化構建新的服務實體網(wǎng)絡。實現(xiàn)網(wǎng)絡級的節(jié)點和端口休眠節(jié)能；根據(jù)上層業(yè)務功能變更，對節(jié)點內部的部分空閑構件引人休眠技術，從而降低網(wǎng)絡設備功耗。下一步工作是在RFNet體系結構下研究區(qū)分上層業(yè)屬性的服務能力重構機制。并在網(wǎng)絡級和節(jié)點級建立功耗評估模型。
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本文標題：可重構柔性網(wǎng)絡架構與節(jié)能機制研究
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