一体化承载网络体系架构研究

传统信息网络因面向业务支撑设计而造成体系架构的刚性，无法满足业务发展多样性和网络异构的需求，因此无法适应下一代网络融合、可扩展等特点。面向服务提供的技术体系可以解决这一问题。文中以网络承载服务为核心，以可重构路由交换平台为关键支撑技术，设计出一种面向服务提供的网络体系架构———一体化承载网络(UCN)模型，以及基于UCN模型设计出的逻辑承载网的资源均衡构建算法(RBCA)并进行了网络仿真及结果分析，为下一代网络的研究和设计提供了新的思路。

引言

多年来，网络一直沿着面向业务支撑的技术体系发展，为承载特定业务构建网络，为融合新兴业务改造网络。在这一传统的网络技术体系框架下，网络功能、节点性能得到了极大发展，但也存在着单一网络节点平台或网络接口仅支持单一业务网络架构与协议、无法扩展适应快速发展的业务需求等问题，限制了信息网络发展。解决这些问题，需要从发展的角度剖析网络体系架构设计。

目前为适应网络业务的不断发展，一般存在两种解决问题的途径，一是依靠拓展链路传输带宽，提高节点处理速度，增大节点处理容量，设计复杂控制算法和协议等系列技术;二是通过对服务质量的研究，在保证业务网主业务的同时，以修补的方式解决新业务的服务质量。但这都属于面向业务的网络发展模式，即仅面向某一特定业务种类构建网络，不仅难以满足特性差异日益扩大的用户业务承载需求，而且付出了网络复杂度快速提高和传送效率明显降低的代价。面对大量差异化业务的规模化应用，网络无法适应的问题日趋凸现。其主要原因包括信息网络发展初期的协议刚性分层和固定化实现与后期的灵活高效的服务扩展和定制需求之间的不一致、设计初期的单一服务能力与后期多样化应用需求之间的不一致等，即刚性网络体系架构与扩展的业务需求间出现了不可调和的矛盾。1989年Tennenhouse就注意到网络体系架构中协议刚性分层的不合理性，并与Clark一起在1990年提出了应用级组帧(ApplicationLevelFraming，ALF)思想和集成层处理(IntegratedLayerProcessing，ILP)的概念，目的在于减少因不合理的分层引发的协议开销和性能损失。之后，人们又相继开展了主动网和可编程网等方面的研究工作，试图通过节点智能化增强网络的多业务处理能力。其中主动网的研究增强了网络业务适应能力，但它不区分端系统和中间系统，试图将互联网中所有结点都改造成主动结点，破坏了传统互联网体系架构中的透明性原则。而可编程网的研究仅限于框架模型和实现原型这两个方面，缺乏完善、系统的体系架构理论指导。

已经开展的下一代网络体系架构研究表明，融合原则、扩展原则和松耦合原则是下一代网络设计的基础原则。遵循这些原则，可以保持网络发展的一致性和连贯性，既能面对越来越多的业务类型，又能融合底层网络通信基础设施的异构性。

在信息网络中，“服务”概念强调使用而不拥有，利于松耦合，并且能够屏蔽资源的异构性，扩展性强。因此，面向服务提供，基于承载服务，设计网络体系架构，既可以实现控制功能和传送功能松耦合，使得信息网络易于控制和管理，又可以实现业务与网络松耦合，当某种业务出现时，根据其业务特性提供相应服务能力。一旦业务消失，释放对应服务能力和使用的物理资源。

一、面向服务提供的一体化承载网络体系架构

基于以上分析，本文从可演进的角度，对互联网和电信网等传统网络机理进行深入剖析，立足于承载服务，提出一种面向服务提供的一体化承载网络(UniversalCarryingNetwork，UCN)体系架构。

1、UCN分层体系架构

UCN面向服务提供，将传统面向业务单一承载转变为可重构路由交换平台一体化承载，提供多种服务能力;并通过松弛用户业务和网络服务间传统的紧耦合关系，构建逻辑承载网，有效组织网络资源，实现“共性承载，个性服务”

面向服务提供的技术体系强调用户业务与网络服务关系的松耦合:构建网络不再依据特定用户业务需求的网络服务，而是依据网络服务提供能力来进行，每一种网络服务可以支撑多种特性相似的用户业务，大多数新兴业务的出现可以利用原有网络服务支撑，只有少数新兴业务需要网络提供新的网络服务。因此，需要对网络服务能力进行定义。

定义1.服务能力是指服务提供者所能提供的网络服务的种类。

高效的网络应该是具有更强服务能力的网络，这是面向服务提供技术体系的目的。UCN立足于承载服务，如图1所示，自顶向下3层架构是:业务应用层、业务接入/控制层和网络服务层。业务应用层通过业务接入/控制层利用网络服务层生成的网络服务。网络服务层由3个子层构成，它们是逻辑承载层、可重构边缘层和资源共享层。资源共享层提供物理的网络传输和节点处理资源;逻辑承载层为用户业务类别提供逻辑承载网络生成网络服务;可重构边缘层根据逻辑承载层的需求，利用资源共享层提供的物理资源，构建逻辑承载网络。

从图2可以看出UCN模型组网的优势。根据UCN模型，在业务提供层、服务提供层和资源共享层分别形成了业务提供商、服务提供商和网络提供商，更利于网络的管理和运营。以视频业务为例，业务提供商可以提供视频广播、流媒体、游戏、视频会议等多种业务，用户只需关心是否得到自己所需业务;服务提供商可根据业务特性和用户数量、拓扑关系、带宽需求等，从网络提供商处租用服务资源，提供满足业务特性的服务;网络提供商负责建设网络，根据服务提供商需求，划分带宽等资源，这样可以做到基础资源国家统一建设，统一管理，统一分配。所以，在面对快速发展的网络业务时，“共性承载，个性服务”，可以使网络需要改造的几率大幅度下降，网络对于用户业务支撑的鲁棒性和扩展性显著提高。但是，依靠现有的网络节点是无法实现的。可重构路由交换平台(ReconfigurableRouting&SwitchingPlatform，RRSP)是UCN模型的技术基础。

2、可重构路由交换平台

UCN以承载网络提供服务为核心，服务可以看作是利用网络物理资源，对运行在其上的网络业务提供的网络承载支撑。纵观网络数十年发展历程，路由交换节点的作用可归纳为路径寻找(寻径)和路径选择(择路)，路径寻找由路由功能实现，路径选择依靠交换功能实现。路由功能定义是广义的，如电信网靠网管系统配置路由功能实现寻径，互联网则通过路由协议自学习路由实现寻径，但是无论是电信网还是互联网都必须通过交换功能来实现择路。传统网络节点的技术机制是一种网络节点只能完成一种任务，如路由器、程控交换机、以太网交换机等。无论哪一种传统网络节点技术都不具有UCN所要求的“共性承载，个性服务”能力;而且传统网络协议分层的刚性使得网络节点改造只能依靠性能升级和扩展，无法实现功能重构。这种发展模式使得业务和承载网关系耦合密切，对于融合下一代网络业务的扩展部署造成很大困难。

扩展原则要求网络体系架构不受特定业务限制，融合原则要求网络具有开放性，那么，是否存在能满足这些要求的技术思想呢?我们认为，构件化思想和可重构技术就是这一问题的答案。

CN模型中，为满足面向服务提供需求，构件是具有最小独立服务功能的单元。一次服务可以看作是一个或多个服务构件组合提供、完成一定任务的功能单元。服务构件是网络节点中各种功能模块的抽象，是定义了接口和行为的，可独立完成某种特定功能的实体，是构建服务的最基本单位。服务构件具有很多实例，独立或者通过服务组合的方式完成不同的任务。可重构不仅是指完成功能的可重构，而且可以根据服务质量规约进行节点的重构。

UCN模型中，可重构路由交换节点技术的基础是平台化支撑下的构件化处理技术。构件化处理的3个等级是平台、组件和构件。平台是可重构完成多种任务的系统，平台为各种组件提供可重构的运行支撑环境。组件是可重构实现特定功能的单元，组件为各种构件提供可重构的运行支撑环境。平台化支撑构件处理的3个等级中，平台为组件、组件为构件提供运行环境和处理资源，包括处理器、内存和操作系统等。基于ForCES的控制转发分离思想，标准化封装方法屏蔽业务的差异性，实现组件、构件功能和性能组合和扩展，使路由交换平台能够提供不同的服务能力。在此基础上，组件和构件的开发面向服务需求，在统一的接口和运行环境中进行管理和配置，屏蔽不同资源的差异化，并通过逻辑承载网构建进行多个节点的资源分配，提供可扩展的承载网络服务能力。

二、逻辑承载网构建

1、网络模型及描述

不管是IP网的单播、多播，还是电信网的话音通信、广电网的广播，都可以认为是网络提供的一种承载服务。一体化承载设计是在可重构路由交换平台作为节点组成的骨干承载网上，将业务建网需求转化为一个或多个源目节点对间的承载服务能力需求，将网络拓扑、资源状态等条件优化考虑，构建出多个逻辑承载子网，分别提供完全不同的服务能力。逻辑承载网构建的需求是业务提供层提出的，在一段时间内所需提供的服务能力是不发生变化的，即骨干网拓扑一旦形成，资源一经分配，在较长一段时间内不发生变化，因此逻辑承载网构建可以看作是源2目节点对间的静态拓扑构建和资源优化分配问题。

假定服务提供能力要求都已转化为相应的带宽需求，服务提供需求可以描述如下:

LCN∈{UCN|{ILi，OLi，RQoS}(i=1，2，…，m)，NT}(1)其中，LCN为所要求的逻辑承载网，UCN为一体化承载网络，ILi为输入接口，OLi为输出接口，RQoS为QoS需求，m为输入/输出接口数量，NT为网络类型。也即，业务提供层需要构建的LCN是业务提供商指定了网络的输入输出接口，并根据用户业务所属的聚类及其带宽要求等构建的UCN子集。

逻辑承载网构建关注骨干承载网资源，假设所研究范围内所有的路由交换平台都是可重构的，采用图论方法进行描述。基础承载网以图Gs=(Vs，Es)来描述，其中Vs代表基础承载网中节点处理资源的集合，Es代表基础承载网中网络传输链路的集合。基于可重构路由交换平台的一体化网络构建是在基础承载网中寻找子图集合Gv(Gv=Gv1∪Gv2∪…∪GvK，其中Gv1=(Vv1，Ev1)，Gv2=(Vv2，Ev2)，…，GvK=(VvK，EvK)，K代表网络服务提供能力)。Vv和Ev仍然是基础承载网中的节点和链路的某个子集，且分别代表子图中的节点集合和链路集合，VvΑVs，EvΑEs。

基于可重构路由交换平台的逻辑承载网构建还应满足以下原则:

(1)同构约束。当两个节点能支持相同的网络服务类型时，称节点同构，这是两个节点能够互连组网的基础。即对于Gs=(Vs，Es)，假设每个节点有K个端口，并且序号相同的端口同构，即节点i和节点j的对应端口k(k=1，2，…，K)支持的服务类型相同。此时，定义节点接口连接状态c(k)(i，j)。若节点i和节点j的对应接口k同构，则节点i和节点j之间至少存在一条能提供某服务能力的物理通路，c(k)(i，j)=1;否则c(k)(i，j)=0。

(2)性能约束。如带宽约束和跳数约束。基于多种度量相关的思想可以证明，一定条件下，包传输量、抖动等都可以转化为高效的带宽函数，因此，假设服务提供层将用户及业务的QoS需求映射为带宽需求。逻辑承载网构建也关注跳数对网络构建的约束，以往的虚拟网研究关注虚拟网与基础资源的映射，而假定两个虚节点间跳数不受限制，事实上，因为业务特性、网络拓扑与网络连通性等因素，往往对跳数应具有相应限制。因此，服务提供商应根据到来的业务请求，将RQoS计算，得到业务请求的带宽需求LBi及计算分析得到跳数限制hmax。

2、逻辑承载网构建算法

如上文分析，研究可重构路由交换平台节点怎样组网，提供尽可能多的服务能力，是构建逻辑承载网的目标，也是一体化承载网络体系架构的模型验证所需要的。因此首先给出构建逻辑承载网的构建算法。

● 算法描述

本节首先给出了逻辑承载网构建的非资源均衡构建算法(non2ResourceBalancingConstructingAlgorithm，n2RBCA)，本算法根据业务请求进行网络拓扑构建。

资源信息管理服务器中根据构建需求(ILi、OLi等)，生成节点连接关系表H、逻辑承载网链路表L、路由表R并初始化为空。

1）在H中，搜索ILi到OLi的连接，同时计算每条连接的跳数h，h=∑i≠jc(k)(i，j)，若h 并转到步2;

2）在L中，根据各链路可用带宽计算路径可用带宽Bavail，计算出R中所有ILi到OLi的路径带宽，判断是否满足LBiΦBavail，若满足，则寻路成功，并记录该路径到R;若存在多条，则选择Bavail最大的一条路径。

一体化承载网服务能力不仅表现在是否能构造出符合需求的拓扑，还体现在网络资源分配的合理性方面。网络资源分配的合理性主要是指当前资源的分布和剩余资源分布会直接影响到后续逻辑承载网的构建的效率。因此，本文给出了体现资源分布影响的资源均衡逻辑承载网构建算法(ResourceBal2ancingConstructingAlgorithm，RBCA)。算法定义节点强度和路径节点平均强度概念，并在n2RBCA基础上加入步3。

定义2.节点强度Sn:节点上已经承载的逻辑承载网个数。

路径节点平均强度Sn:路径上所有节点的节点强度的数学期望，

对步2所选出的多条路径计算出节点强度Sn及路径节点平均强度Sn，选择Sn最小的路径，记录该路径及所用资源到R，构成逻辑承载网信息，并配置到物理承载节点，为数据建立路由交换通路。

● 算法仿真及结果

仿真网络采用具有14个节点21条链路的NS2FNET骨干网(如图3所示)，这是一个物理拓扑不规则的实际网络。所仿真的算法都以C语言编程实现。在仿真过程中，假定每个节点都具有3种服务提供能力，即k=3，每个节点的物理链路带宽都为10G/s。每次业务请求带宽在(0，1G)均匀分布随机生成。

图3 14个节点的NSFNET骨干网

hmax的取值与业务特性、网络拓扑、路径连通度等密切相关。hmax取值过大，会导致时延或者丢包等服务质量损失;hmax取值过小，可能会导致关键节点负载过重，引起拥塞。因此服务提供商在构建逻辑承载网时，必须首先确定hmax的取值。本文计算得出逻辑承载网跳数h与可选路径数关系如图4所示，不妨取hmax为4。

图4 h约束下的可选路径数

图5 RBCA与n2RBCA算法LCN构建成功率比较

在图3的网络仿真环境中，进行30次随机业务请求，分别记录每次的业务请求数与逻辑承载网成功构建次数，并进行统计平均，得出逻辑承载网构建成功率。业务请求数与逻辑承载网构建成功率的关系如图5所示。可以看出，当业务请求数较少时，RBCA算法与n2RBCA算法性能差别不大，所产生的逻辑承载网个数基本可以一致。但由于RBCA算法注重已分配资源对剩余网络拓扑构建均衡性的影响，随着业务请求数量增加，RBCA算法比n2RBCA的逻辑承载网构建成功率要高。因此，RBCA算法更有利于构建具有更强服务能力的UCN。

三、结束语