1.引言
隨著互聯網新型業務的不斷涌現和網絡規模的急劇膨脹，現有網絡設備的僵化結構造成網絡服務能力已無法適應上層業務的多樣性需求，節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之一，其碳排放也隨著行業規模而不斷增長，以之前的能耗增長趨勢推算，互聯網領域的能源消耗在2025年將占IT行業總能耗比重達43%，網絡設備的能耗問題已成為互聯網可持續發展的重要障礙，并成為計算機網絡領域的重要研究課題。
綠色網絡概念由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務演進需求的前提下節省網絡能耗。現有網絡架構和運營部署模式與節能目標背道而馳，主要原因如下：
基于“打補丁”式的網絡設備功能更新升級模式。導致網絡設備功能復雜，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；
現有網絡設備的“剛性化”結構，導致擴展新型業務時需更換設備，造成大量的網絡設備電子垃圾，電子垃圾的處理將耗費大量能源；
現有網絡設備的“封閉式”生產模式，形成網絡設備生產壟斷加劇，設備廠商為一己之利盲目推進網絡設備更新換代，造成網絡資源和能耗的巨大浪費。
隨著新型業務和網絡規模的不斷發展，網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“新一代高可信網絡”提出了“可重構柔性網絡(reconfigurable flexiblenetwork，RFNet)”的思想圈，主要針對現有網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絡嘲，有助于實現綠色節能網絡。
通過對現有網絡體系結構的研究，新型網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。為支持未來網絡的業務演進和大規模部署，將服務能力和綠色節能作為主要關注點，本文重點研究可重構技術支撐下的RFNet架構，引入RFNet 4層分層模型實現服務能力與網絡資源松耦合，網絡節點服務能力隨著業務需求變化進行重構：根據上層業務變化構建或釋放滿足需求的實體網絡。基于可重構能力使得RFNet在服務能力支撐和網絡節能方面具有獨特優勢，分別在網絡設備制造產業、網絡級和節點級實現節能設計，從而滿足未來多業務和綠色網絡需求。
2.新型網絡體系結構研究現狀
新型業務迅猛發展對網絡基礎設施提出了挑戰，現有網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。
網絡設備的“剛性化”結構。服務能力無法隨上層業務發展而自我演進，新型業務部署主要依賴設備整體升級和更新換代，導致網絡規模和設備淘汰速率急劇增長，不利于構建綠色節能網絡。
網絡設備生產和維護的壟斷性。網絡設備功能更新和運行維護只能由原設備提供商實施，第三方無法參與網絡設備開發，使得不同制造商設備之間無法統一接人，導致各制造商之間設備不兼容，網絡設備的可復用性差，造成網絡資源的巨大浪費。
國外的各研究機構已對新型網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絡計劃。以上未來網絡計劃參考GENI計劃中PlanetLab倡導的“覆蓋網絡(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絡架構，用以滿足未來不斷涌現的新型業務。
目前國際上對新型網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網需求的基本認識，對未來互聯網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，相對于其他未來網絡研究計劃，RFNet關注的研究點更全面，且圍繞互聯網體系結構的根本問題開展研究，并將網絡耗能研究作為重要內容，為構建未來綠色節能網絡提供思路。
表1 國內外的新型網絡架構研究側重點
3.RFNet體系和組網架構
3.1 RFNet分層模型
由于網絡使用者不同導致上層應用的差異性，從而產生了上層業務需求的多樣性。若采用統一的網絡體系結構或服務模式滿足所有業務需求，在技術上實現“one sizefits all”模式很難，將造成網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，通過區分不同業務的特性，根據不同的業務特性提供不同的承載網絡，核心技術是可重構技術，在此基礎上實現面向服務的網絡構建技術。RFNet通過改變網絡設備自身的服務能力，保持了對業務多樣性的適應，減少了網絡設備對冗余性設計需求，有利于節約網絡設備規模和能耗。采用分層參考模型將RFNet劃分為4層：應用層、業務層、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，包括互聯網和各種應用終端出現的各種新型應用，應用終端業務包括電話機、移動終端、手機等。
業務層：主要實現通信承載參數提取功能，首先分析應用層業務的特征和該業務所需的服務質量需求。在此基礎上確定承載該業務所需的承載媒體。
服務層：是RFNet實現面向服務重構的基礎。根據業務層的承載需求，并結合資源層可提供的物理資源，為相應的上層業務層分配節點內部資源和鏈路資源，在此基礎上實現構建服務承載網為上層業務提供支撐。
資源層：是一種資源可共享的物理實體網絡，該網絡中的節點功能可重構，鏈路連接拓撲可靈活改變，網絡設備主要包括可重構路由節點、光傳輸設備等。
傳統網絡由于應用與網絡無法分離，疲于應對新出現的網絡業務。被迫不斷地改造網絡。
RFNet通過引入分層模型，將服務與網絡資源進行松耦合設計，從而實現基于服務需求構建實體網絡。構建實體網絡只需激活相應網絡資源，取消該業務時釋放實體網絡占用的資源，可實現底層資源的循環利用；當業務負載降低時。可以休眠空閑的節點和鏈路節約能耗。從以上可以看出RFNet具有綠色節能的先天優勢。
3.2 RFNet體系結構
RFNet體系架構中包括6種網絡元素：可重構管理平臺(后面簡稱為管理平臺)、構件庫系統、可重構路由交換平臺、可重構光網絡設備、媒體網關以及用戶終端。RFNet的組網結構如圖2所示。
圖2 RFNet體系結構
可重構管理平臺：主要負責將上層業務需求轉換為重構服務承載網(reconfigurable service carryingnetwork，RSCN)的構建請求，通過構建不同的RSCN支撐不同的用戶業務需求。管理平臺通過感知并管理RFNet全網的物理資源，根據上層業務層提供服務需求，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，從而支撐新的網絡服務。
構件庫系統：為實現RFNet向第三方開放，構件庫系統存儲各種功能構件，支持第三方廠商開發的標準構件。可重構路由交換平臺根據管理平臺的指令，從構件庫中下載相關構件，通過在節點內部替換構件改變其功能，實現網絡服務能力重構。
可重構路由交換平臺：該平臺內部包括節點資源代理和功能重構代理，主要完成節點內部資源管理和節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。
可重構光網絡設備：提供數據傳輸的光鏈路設備，可根據RSCN的需求改變可重構柔性網絡的拓撲結構。
媒體網關：主要匯聚分析不同應用的業務特性和服務質量需求。并將相應的服務需求參數化后發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務運行的物理終端。首先與媒體網關進行互聯，交互應用業務信息。
3.3 RFNet組網技術
為支持不同的上層應用業務需求，RFNet的服務能力重構通過在服務層構建RSCN實現，在構建RSCN過程中實現綠色網絡節能。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、承載網映射、網絡服務映射4部分，其中需求解析功能用于分析對應業務所需的節點內部和鏈路資源需求：資源感知功能用于實時監控RFNet中的可用資源，判斷剩余資源是否可滿足當前業務構建承載網的需求：承載網映射功能用于確定承載網所涉及的節點和鏈路：網絡服務映射功能用于將業務部署到承載網的節點運行。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中的節點和鏈路資源信息。
(2)根據上層業務需求構建RSCN時，管理平臺分析構建承載網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映射功能給出承載網映射算法，從而在RFNet中為RSCN確定所需的節點和鏈路資源。
(4)確定節點以后，管理平臺內部的服務映射模塊為各節點設計重構方案，確定在各節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送至各個路由交換平臺，平臺內部的重構代理模塊根據指令從構件系統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)路由交換平臺執行重構指令以后，構建出的RSCN即可滿足上層業務需求，由于節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，便于后續構建新的RSCN。
4.RFNet的節能機制
4.1 網絡設備產業級節能
在RFNet服務層中采用虛擬化技術構建RSCN，即在同一網絡架構下支持多種異構網絡并存，將基礎設施供應商(infrastructure provider，InP)和網絡服務提供商(serviceprovider，SP)進行分離，由不同基礎設施供應商管理的底層物理網絡形成資源共享的可虛擬化網絡資源，網絡服務提供商提供上層業務服務。在共享的節點資源和物理鏈路上規劃虛擬網絡的資源需求，在此基礎上構建多個不同的RSCN，實現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(virtual network)請求由虛擬節點通過虛擬鏈路構成的虛擬拓撲形成，服務供應商根據虛擬網請求組建虛擬網。
圖4 RSCN虛擬化模型
RFNet在服務層采用虛擬化技術，根據上層業務需求適應未來各種新興業務的增量式部署應用。在新業務部署過程中，RFNet通過變換服務與資源映射關系更改服務能力，RFNet中的節點無需進行擴展或替換，從而保證RFNet對未來新型業務支持的可持續性。通過服務層與資源層映射變換，可實現按需構建或拆除實體網絡，增強底層資源的可復用性，提高網絡資源利用率，節約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務的發展，增加網絡設備的使用時間，延長電子設備的更新換代周期，減少網絡設備淘汰產生的電子垃圾，有助于構建綠色節能可持續發展網絡。
4.2 網絡和節點級節能
RFNet中資源層所描述的物理網絡，共享資源包括可重構路由節點和光鏈路傳輸設備。可重構服務實體網通過對網絡資源的規劃和管理，利用最小的資源構建符合需求的實體網絡，提高網絡資源利用率，達到降低網絡能耗的目的。實體網絡在運行過程中，通過感知上層業務的變化，若發現當前網絡資源承載該業務時存在冗余，通過重構網絡，關閉不需要的節點，以較少的節點資源滿足當前業務的需求，從而降低網絡能耗，如圖5所示。
圖5 節點休眠實現網絡節能
在網絡中業務量和鏈路利用率都較低的情況下。通過重新建立RSCN，將流經不同鏈路的數據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，實現對鏈路能源的有效管理及利用，進而可降低物理網絡能耗，如圖6所示。
圖6 鏈路休眠實現網絡節能
為支持第三方的構件應用，RFNet的節點設備采用構件化組裝開發技術。事先在構件庫中存放各種可用的功能構件，當上層業務需求變化時，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。通過在節點設備內部引人構件休眠機制，不但滿足上層業務的功能需求，同時可降低節點設備本身的功耗。
圖7 構件休眠實現節點節能
5.結束語
現有網絡采用資源冗余滿足未來新型業務的動態變化需求，在服務能力、綠色節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絡結構，提出了一種符合未來網絡業務演進的RFNet體系結構，重點關注服務支撐能力和綠色節能。RFNet采用分層架構實現了服務能力與網絡資源解耦合設計，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絡，可在網絡設備生產、部署和升級等環節實現產業節能。通過實時感知底層網絡資源，在滿足上層業務需求的前提下，利用RSCN優化構建新的服務實體網絡。實現網絡級的節點和端口休眠節能；根據上層業務功能變更，對節點內部的部分空閑構件引人休眠技術，從而降低網絡設備功耗。下一步工作是在RFNet體系結構下研究區分上層業屬性的服務能力重構機制。并在網絡級和節點級建立功耗評估模型。
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本文標題：可重構柔性網絡架構與節能機制研究
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