傳統信息網絡因面向業務支撐設計而造成體系架構的剛性，無法滿足業務發展多樣性和網絡異構的需求，因此無法適應下一代網絡融合、可擴展等特點。面向服務提供的技術體系可以解決這一問題。文中以網絡承載服務為核心，以可重構路由交換平臺為關鍵支撐技術，設計出一種面向服務提供的網絡體系架構———一體化承載網絡(UCN)模型，以及基于UCN模型設計出的邏輯承載網的資源均衡構建算法(RBCA)并進行了網絡仿真及結果分析，為下一代網絡的研究和設計提供了新的思路。

引言

多年來，網絡一直沿著面向業務支撐的技術體系發展，為承載特定業務構建網絡，為融合新興業務改造網絡。在這一傳統的網絡技術體系框架下，網絡功能、節點性能得到了極大發展，但也存在著單一網絡節點平臺或網絡接口僅支持單一業務網絡架構與協議、無法擴展適應快速發展的業務需求等問題，限制了信息網絡發展。解決這些問題，需要從發展的角度剖析網絡體系架構設計。

目前為適應網絡業務的不斷發展，一般存在兩種解決問題的途徑，一是依靠拓展鏈路傳輸帶寬，提高節點處理速度，增大節點處理容量，設計復雜控制算法和協議等系列技術;二是通過對服務質量的研究，在保證業務網主業務的同時，以修補的方式解決新業務的服務質量。但這都屬于面向業務的網絡發展模式，即僅面向某一特定業務種類構建網絡，不僅難以滿足特性差異日益擴大的用戶業務承載需求，而且付出了網絡復雜度快速提高和傳送效率明顯降低的代價。面對大量差異化業務的規模化應用，網絡無法適應的問題日趨凸現。其主要原因包括信息網絡發展初期的協議剛性分層和固定化實現與后期的靈活高效的服務擴展和定制需求之間的不一致、設計初期的單一服務能力與后期多樣化應用需求之間的不一致等，即剛性網絡體系架構與擴展的業務需求間出現了不可調和的矛盾。1989年Tennenhouse就注意到網絡體系架構中協議剛性分層的不合理性，并與Clark一起在1990年提出了應用級組幀(ApplicationLevelFraming，ALF)思想和集成層處理(IntegratedLayerProcessing，ILP)的概念，目的在于減少因不合理的分層引發的協議開銷和性能損失。之后，人們又相繼開展了主動網和可編程網等方面的研究工作，試圖通過節點智能化增強網絡的多業務處理能力。其中主動網的研究增強了網絡業務適應能力，但它不區分端系統和中間系統，試圖將互聯網中所有結點都改造成主動結點，破壞了傳統互聯網體系架構中的透明性原則。而可編程網的研究僅限于框架模型和實現原型這兩個方面，缺乏完善、系統的體系架構理論指導。

已經開展的下一代網絡體系架構研究表明，融合原則、擴展原則和松耦合原則是下一代網絡設計的基礎原則。遵循這些原則，可以保持網絡發展的一致性和連貫性，既能面對越來越多的業務類型，又能融合底層網絡通信基礎設施的異構性。

在信息網絡中，“服務”概念強調使用而不擁有，利于松耦合，并且能夠屏蔽資源的異構性，擴展性強。因此，面向服務提供，基于承載服務，設計網絡體系架構，既可以實現控制功能和傳送功能松耦合，使得信息網絡易于控制和管理，又可以實現業務與網絡松耦合，當某種業務出現時，根據其業務特性提供相應服務能力。一旦業務消失，釋放對應服務能力和使用的物理資源。

一、面向服務提供的一體化承載網絡體系架構

基于以上分析，本文從可演進的角度，對互聯網和電信網等傳統網絡機理進行深入剖析，立足于承載服務，提出一種面向服務提供的一體化承載網絡(UniversalCarryingNetwork，UCN)體系架構。

1、UCN分層體系架構

UCN面向服務提供，將傳統面向業務單一承載轉變為可重構路由交換平臺一體化承載，提供多種服務能力;并通過松弛用戶業務和網絡服務間傳統的緊耦合關系，構建邏輯承載網，有效組織網絡資源，實現“共性承載，個性服務”

面向服務提供的技術體系強調用戶業務與網絡服務關系的松耦合:構建網絡不再依據特定用戶業務需求的網絡服務，而是依據網絡服務提供能力來進行，每一種網絡服務可以支撐多種特性相似的用戶業務，大多數新興業務的出現可以利用原有網絡服務支撐，只有少數新興業務需要網絡提供新的網絡服務。因此，需要對網絡服務能力進行定義。

定義1.服務能力是指服務提供者所能提供的網絡服務的種類。

高效的網絡應該是具有更強服務能力的網絡，這是面向服務提供技術體系的目的。UCN立足于承載服務，如圖1所示，自頂向下3層架構是:業務應用層、業務接入/控制層和網絡服務層。業務應用層通過業務接入/控制層利用網絡服務層生成的網絡服務。網絡服務層由3個子層構成，它們是邏輯承載層、可重構邊緣層和資源共享層。資源共享層提供物理的網絡傳輸和節點處理資源;邏輯承載層為用戶業務類別提供邏輯承載網絡生成網絡服務;可重構邊緣層根據邏輯承載層的需求，利用資源共享層提供的物理資源，構建邏輯承載網絡。

從圖2可以看出UCN模型組網的優勢。根據UCN模型，在業務提供層、服務提供層和資源共享層分別形成了業務提供商、服務提供商和網絡提供商，更利于網絡的管理和運營。以視頻業務為例，業務提供商可以提供視頻廣播、流媒體、游戲、視頻會議等多種業務，用戶只需關心是否得到自己所需業務;服務提供商可根據業務特性和用戶數量、拓撲關系、帶寬需求等，從網絡提供商處租用服務資源，提供滿足業務特性的服務;網絡提供商負責建設網絡，根據服務提供商需求，劃分帶寬等資源，這樣可以做到基礎資源國家統一建設，統一管理，統一分配。所以，在面對快速發展的網絡業務時，“共性承載，個性服務”，可以使網絡需要改造的幾率大幅度下降，網絡對于用戶業務支撐的魯棒性和擴展性顯著提高。但是，依靠現有的網絡節點是無法實現的。可重構路由交換平臺(ReconfigurableRouting&SwitchingPlatform，RRSP)是UCN模型的技術基礎。

2、可重構路由交換平臺

UCN以承載網絡提供服務為核心，服務可以看作是利用網絡物理資源，對運行在其上的網絡業務提供的網絡承載支撐。縱觀網絡數十年發展歷程，路由交換節點的作用可歸納為路徑尋找(尋徑)和路徑選擇(擇路)，路徑尋找由路由功能實現，路徑選擇依靠交換功能實現。路由功能定義是廣義的，如電信網靠網管系統配置路由功能實現尋徑，互聯網則通過路由協議自學習路由實現尋徑，但是無論是電信網還是互聯網都必須通過交換功能來實現擇路。傳統網絡節點的技術機制是一種網絡節點只能完成一種任務，如路由器、程控交換機、以太網交換機等。無論哪一種傳統網絡節點技術都不具有UCN所要求的“共性承載，個性服務”能力;而且傳統網絡協議分層的剛性使得網絡節點改造只能依靠性能升級和擴展，無法實現功能重構。這種發展模式使得業務和承載網關系耦合密切，對于融合下一代網絡業務的擴展部署造成很大困難。

擴展原則要求網絡體系架構不受特定業務限制，融合原則要求網絡具有開放性，那么，是否存在能滿足這些要求的技術思想呢?我們認為，構件化思想和可重構技術就是這一問題的答案。

CN模型中，為滿足面向服務提供需求，構件是具有最小獨立服務功能的單元。一次服務可以看作是一個或多個服務構件組合提供、完成一定任務的功能單元。服務構件是網絡節點中各種功能模塊的抽象，是定義了接口和行為的，可獨立完成某種特定功能的實體，是構建服務的最基本單位。服務構件具有很多實例，獨立或者通過服務組合的方式完成不同的任務。可重構不僅是指完成功能的可重構，而且可以根據服務質量規約進行節點的重構。

UCN模型中，可重構路由交換節點技術的基礎是平臺化支撐下的構件化處理技術。構件化處理的3個等級是平臺、組件和構件。平臺是可重構完成多種任務的系統，平臺為各種組件提供可重構的運行支撐環境。組件是可重構實現特定功能的單元，組件為各種構件提供可重構的運行支撐環境。平臺化支撐構件處理的3個等級中，平臺為組件、組件為構件提供運行環境和處理資源，包括處理器、內存和操作系統等。基于ForCES的控制轉發分離思想，標準化封裝方法屏蔽業務的差異性，實現組件、構件功能和性能組合和擴展，使路由交換平臺能夠提供不同的服務能力。在此基礎上，組件和構件的開發面向服務需求，在統一的接口和運行環境中進行管理和配置，屏蔽不同資源的差異化，并通過邏輯承載網構建進行多個節點的資源分配，提供可擴展的承載網絡服務能力。#p#

二、邏輯承載網構建

1、網絡模型及描述

不管是IP網的單播、多播，還是電信網的話音通信、廣電網的廣播，都可以認為是網絡提供的一種承載服務。一體化承載設計是在可重構路由交換平臺作為節點組成的骨干承載網上，將業務建網需求轉化為一個或多個源目節點對間的承載服務能力需求，將網絡拓撲、資源狀態等條件優化考慮，構建出多個邏輯承載子網，分別提供完全不同的服務能力。邏輯承載網構建的需求是業務提供層提出的，在一段時間內所需提供的服務能力是不發生變化的，即骨干網拓撲一旦形成，資源一經分配，在較長一段時間內不發生變化，因此邏輯承載網構建可以看作是源2目節點對間的靜態拓撲構建和資源優化分配問題。

假定服務提供能力要求都已轉化為相應的帶寬需求，服務提供需求可以描述如下:

LCN∈{UCN|{ILi，OLi，RQoS}(i=1，2，…，m)，NT}(1)其中，LCN為所要求的邏輯承載網，UCN為一體化承載網絡，ILi為輸入接口，OLi為輸出接口，RQoS為QoS需求，m為輸入/輸出接口數量，NT為網絡類型。也即，業務提供層需要構建的LCN是業務提供商指定了網絡的輸入輸出接口，并根據用戶業務所屬的聚類及其帶寬要求等構建的UCN子集。

邏輯承載網構建關注骨干承載網資源，假設所研究范圍內所有的路由交換平臺都是可重構的，采用圖論方法進行描述。基礎承載網以圖Gs=(Vs，Es)來描述，其中Vs代表基礎承載網中節點處理資源的集合，Es代表基礎承載網中網絡傳輸鏈路的集合。基于可重構路由交換平臺的一體化網絡構建是在基礎承載網中尋找子圖集合Gv(Gv=Gv1∪Gv2∪…∪GvK，其中Gv1=(Vv1，Ev1)，Gv2=(Vv2，Ev2)，…，GvK=(VvK，EvK)，K代表網絡服務提供能力)。Vv和Ev仍然是基礎承載網中的節點和鏈路的某個子集，且分別代表子圖中的節點集合和鏈路集合，VvΑVs，EvΑEs。

基于可重構路由交換平臺的邏輯承載網構建還應滿足以下原則:

(1)同構約束。當兩個節點能支持相同的網絡服務類型時，稱節點同構，這是兩個節點能夠互連組網的基礎。即對于Gs=(Vs，Es)，假設每個節點有K個端口，并且序號相同的端口同構，即節點i和節點j的對應端口k(k=1，2，…，K)支持的服務類型相同。此時，定義節點接口連接狀態c(k)(i，j)。若節點i和節點j的對應接口k同構，則節點i和節點j之間至少存在一條能提供某服務能力的物理通路，c(k)(i，j)=1;否則c(k)(i，j)=0。

(2)性能約束。如帶寬約束和跳數約束。基于多種度量相關的思想可以證明，一定條件下，包傳輸量、抖動等都可以轉化為高效的帶寬函數，因此，假設服務提供層將用戶及業務的QoS需求映射為帶寬需求。邏輯承載網構建也關注跳數對網絡構建的約束，以往的虛擬網研究關注虛擬網與基礎資源的映射，而假定兩個虛節點間跳數不受限制，事實上，因為業務特性、網絡拓撲與網絡連通性等因素，往往對跳數應具有相應限制。因此，服務提供商應根據到來的業務請求，將RQoS計算，得到業務請求的帶寬需求LBi及計算分析得到跳數限制hmax。

2、邏輯承載網構建算法

如上文分析，研究可重構路由交換平臺節點怎樣組網，提供盡可能多的服務能力，是構建邏輯承載網的目標，也是一體化承載網絡體系架構的模型驗證所需要的。因此首先給出構建邏輯承載網的構建算法。

● 算法描述

本節首先給出了邏輯承載網構建的非資源均衡構建算法(non2ResourceBalancingConstructingAlgorithm，n2RBCA)，本算法根據業務請求進行網絡拓撲構建。

資源信息管理服務器中根據構建需求(ILi、OLi等)，生成節點連接關系表H、邏輯承載網鏈路表L、路由表R并初始化為空。

1）在H中，搜索ILi到OLi的連接，同時計算每條連接的跳數h，h=∑i≠jc(k)(i，j)，若h 并轉到步2;

2）在L中，根據各鏈路可用帶寬計算路徑可用帶寬Bavail，計算出R中所有ILi到OLi的路徑帶寬，判斷是否滿足LBiΦBavail，若滿足，則尋路成功，并記錄該路徑到R;若存在多條，則選擇Bavail最大的一條路徑。

一體化承載網服務能力不僅表現在是否能構造出符合需求的拓撲，還體現在網絡資源分配的合理性方面。網絡資源分配的合理性主要是指當前資源的分布和剩余資源分布會直接影響到后續邏輯承載網的構建的效率。因此，本文給出了體現資源分布影響的資源均衡邏輯承載網構建算法(ResourceBal2ancingConstructingAlgorithm，RBCA)。算法定義節點強度和路徑節點平均強度概念，并在n2RBCA基礎上加入步3。

定義2.節點強度Sn:節點上已經承載的邏輯承載網個數。

路徑節點平均強度Sn:路徑上所有節點的節點強度的數學期望，

對步2所選出的多條路徑計算出節點強度Sn及路徑節點平均強度Sn，選擇Sn最小的路徑，記錄該路徑及所用資源到R，構成邏輯承載網信息，并配置到物理承載節點，為數據建立路由交換通路。

● 算法仿真及結果

仿真網絡采用具有14個節點21條鏈路的NS2FNET骨干網(如圖3所示)，這是一個物理拓撲不規則的實際網絡。所仿真的算法都以C語言編程實現。在仿真過程中，假定每個節點都具有3種服務提供能力，即k=3，每個節點的物理鏈路帶寬都為10G/s。每次業務請求帶寬在(0，1G)均勻分布隨機生成。

圖3 14個節點的NSFNET骨干網

hmax的取值與業務特性、網絡拓撲、路徑連通度等密切相關。hmax取值過大，會導致時延或者丟包等服務質量損失;hmax取值過小，可能會導致關鍵節點負載過重，引起擁塞。因此服務提供商在構建邏輯承載網時，必須首先確定hmax的取值。本文計算得出邏輯承載網跳數h與可選路徑數關系如圖4所示，不妨取hmax為4。

圖4 h約束下的可選路徑數

圖5 RBCA與n2RBCA算法LCN構建成功率比較

在圖3的網絡仿真環境中，進行30次隨機業務請求，分別記錄每次的業務請求數與邏輯承載網成功構建次數，并進行統計平均，得出邏輯承載網構建成功率。業務請求數與邏輯承載網構建成功率的關系如圖5所示。可以看出，當業務請求數較少時，RBCA算法與n2RBCA算法性能差別不大，所產生的邏輯承載網個數基本可以一致。但由于RBCA算法注重已分配資源對剩余網絡拓撲構建均衡性的影響，隨著業務請求數量增加，RBCA算法比n2RBCA的邏輯承載網構建成功率要高。因此，RBCA算法更有利于構建具有更強服務能力的UCN。

三、結束語

面向業務支撐的技術體系已經造成網絡業務發展瓶頸，研究滿足下一代網絡融合、可擴展等需求的新型體系架構勢在必行。本文基于面向服務提供的思想，提出以網絡承載服務為核心，給出一種承載網絡體系架構———UCN的設計，并給出了邏輯承載網構建算法。它具有以下優點:(1)以業務特性參數、用戶需求參數和網絡資源參數的匹配實現服務質量;(2)可擴展性強，可以適應未來快速發展的業務類型;(3)可避免為承載特定業務而大規模改造或設計新的核心網絡基礎設施;由國家統一建設基礎資源，“共性承載，個性服務”，避免基礎資源重復建設。

本文仿真環境所采用的NSFNET拓撲雖然較接近實際骨干網部署，但一體化承載網絡體系架構對未來大規模應用的適應性仍有待組網驗證。因此，下一步工作將進行一體化承載網絡體系架構的試驗網建設，為大規模工程部署做準備。