蘭巨龍，熊 鋼，胡宇翔，劉釋然，程東年

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心 鄭州 450002）

1 引言

互聯(lián)網(wǎng)自誕生以來，從當(dāng)初單一軍事科研通信，到現(xiàn)在復(fù)雜的商業(yè)化應(yīng)用，再到全球信息通信基礎(chǔ)設(shè)施，其廣泛的應(yīng)用深刻影響著社會發(fā)展的方方面面。然而，作為網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)承載機(jī)制，TCP/IP體系簡單、開放、盡力而為的特征成就了互聯(lián)網(wǎng)，但也正是這些特征使得互聯(lián)網(wǎng)難以從根本上滿足目前業(yè)務(wù)發(fā)展提出的泛在、異構(gòu)、多樣、質(zhì)量、安全等迫切需求[1]。此外，已有的多數(shù)零散式、修補(bǔ)式改進(jìn)措施也均以不改變TCP/IP結(jié)構(gòu)為出發(fā)點(diǎn)，導(dǎo)致其未能與網(wǎng)絡(luò)核心功能有效融合，使得整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)越來越復(fù)雜。

針對互聯(lián)網(wǎng)出現(xiàn)的種種弊端，業(yè)界就試圖重新設(shè)計互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行了不懈的努力，新型網(wǎng)絡(luò)體系研究計劃不斷啟動、實(shí)施和重組，研究工作也不斷深入。國際上，美國通過國家科學(xué)基金會（National Science Foundation，NSF）分別于2005年和2006年啟動了全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境GENI計劃[2]和未來網(wǎng)絡(luò)設(shè)計FIND計劃[3]。2010年，NSF在FIND第一期研究的基礎(chǔ)上啟動了NSF-FIA （future internet architecture）[4]計劃以持續(xù)新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)研究，重點(diǎn)資助4個項(xiàng)目：NDN（named data networking，命名數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) ）[5]、MobilityFirst[6]、NEBULA[7]和 XIA(eXpressive Internet Architecture)[8]。2007 年，歐盟基于第七框架（FP7）計劃，一方面通過對Challenge One項(xiàng)目中子項(xiàng)目4WARD[9]和AUTOI（autonomic internet）[10]的支持展開新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究；另一方面啟動了FIRE （future internet research and experimentation）[11]等長期原創(chuàng)性試驗(yàn)床研究項(xiàng)目。此外，日本的AKARI計劃[12]、韓國未來網(wǎng)絡(luò)計劃[13]等研究工作也在不斷推進(jìn)。

在國家“973”計劃和“863”計劃、國家自然科學(xué)基金等平臺的支持下，國內(nèi)團(tuán)隊(duì)也積極展開了新型互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)方面的研究，并取得了一系列研究成果[14]。北京交通大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)先后開展了“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)體系基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目[15,16]和“智慧協(xié)同網(wǎng)絡(luò)體系研究”項(xiàng)目[17]的研究；清華大學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和協(xié)議基礎(chǔ)研究”項(xiàng)目[18]；北京郵電大學(xué)團(tuán)隊(duì)開展了“面向服務(wù)的未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)與機(jī)制研究”項(xiàng)目[19]。此外，還有其他相關(guān)研究項(xiàng)目也陸續(xù)啟動，由此表明，新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)研究工作在國內(nèi)正不斷興起。

在此背景下，針對當(dāng)今信息網(wǎng)絡(luò)的剛性僵化結(jié)構(gòu)和由此導(dǎo)致的一系列問題，國家科技部于2012年啟動了“973”計劃項(xiàng)目“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究”，旨在利用網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)這一全新的結(jié)構(gòu)性技術(shù)，全面提升網(wǎng)絡(luò)在業(yè)務(wù)適配、服務(wù)質(zhì)量、安全性等方面的支持能力，進(jìn)而建立新型可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)[1,20]。該項(xiàng)目依托于解放軍信息工程大學(xué)等國內(nèi)10家知名科研機(jī)構(gòu)，匯集了國內(nèi)外該領(lǐng)域的30余名專家學(xué)者和上百人的研究隊(duì)伍。相信通過項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)的集體智慧與努力，本項(xiàng)目的創(chuàng)新性成果和突破性進(jìn)展必將為提升我國在信息技術(shù)領(lǐng)域的國際地位做出貢獻(xiàn)，對我國建設(shè)創(chuàng)新型國家具有現(xiàn)實(shí)意義。

2 科學(xué)問題

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)面臨的根本問題是推動新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究的主要動力。下面對當(dāng)前TCP/IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)存在的主要問題展開分析，從而明確可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)研究的任務(wù)出發(fā)點(diǎn)。主要包括業(yè)務(wù)適應(yīng)性、傳輸能力、資源利用、安全可控問題。

2.1 業(yè)務(wù)適應(yīng)性不足

首席科學(xué)家

蘭巨龍

男，1962年生，國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心總工程師、教授、博士生導(dǎo)師，國家下一代廣播電視網(wǎng)（NGB）總體專家委員會委員，中國通信學(xué)會高級會員，《通信學(xué)報》、《電信科學(xué)》編委，國家“973”計劃項(xiàng)目首席科學(xué)家。

自1997年以來，一直從事IP網(wǎng)絡(luò)理論與技術(shù)研究、核心設(shè)備開發(fā)工作，先后參與了“中國高速信息示范網(wǎng)（CAINONET）”、“中國高性能寬帶信息網(wǎng)（3TNet）”等國家重大計劃工程的建設(shè)，先后主持了1項(xiàng)國家“973”計劃項(xiàng)目，3項(xiàng)國家“863”計劃重大課題和1項(xiàng)國家支撐計劃重大項(xiàng)目，于2005年主持研制成功我國第一臺全部核心技術(shù)擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的高性能IPv6路由器。獲省部級科技進(jìn)步一等獎3次，出版學(xué)術(shù)專著3本，申請國家發(fā)明專利20余項(xiàng)，發(fā)表學(xué)術(shù)論文100余篇，已培養(yǎng)碩士、博士研究生50余名。

伴隨云計算、大型數(shù)據(jù)中心（如Google公司）、在線社交網(wǎng)絡(luò)（如Facebook公司）、電子商務(wù)（如阿里巴巴公司）等網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的飛速發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)形態(tài)不斷豐富，由此也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的需求越來越多樣和多變。然而，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)由于受TCP/IP體系結(jié)構(gòu)的限制，其服務(wù)能力是有限和確定的，這就直接導(dǎo)致了業(yè)務(wù)需求與網(wǎng)絡(luò)固有能力之間的差距日益擴(kuò)大，最終將使得網(wǎng)絡(luò)難以甚至不能支持多樣化的業(yè)務(wù)。例如云計算、數(shù)據(jù)中心等新型應(yīng)用產(chǎn)生的巨大網(wǎng)絡(luò)流量，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過現(xiàn)有以點(diǎn)到點(diǎn)通信模型為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)路由器設(shè)備的承載能力；IP網(wǎng)絡(luò)依據(jù)端口號對應(yīng)用服務(wù)進(jìn)行區(qū)分的模式限制了新應(yīng)用的部署；IP網(wǎng)絡(luò)的“細(xì)腰”結(jié)構(gòu)難以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)負(fù)載均衡、容錯、復(fù)制、多宿、移動性、安全信、定制應(yīng)用等各種業(yè)務(wù)需求。因此面對未來大量的業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)的基本屬性之一就是需要較強(qiáng)的業(yè)務(wù)適應(yīng)性。解決這一根本問題需要探索網(wǎng)絡(luò)按照業(yè)務(wù)需求動態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)重組、功能重構(gòu)的機(jī)理與方法，通過網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的自組織、功能的自調(diào)節(jié)和業(yè)務(wù)的自適配來最大程度地彌合網(wǎng)絡(luò)能力與業(yè)務(wù)需求之間的時變鴻溝，使網(wǎng)絡(luò)能有效適配多變的業(yè)務(wù)需求。

2.2 傳輸能力薄弱

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)的基本傳輸模式是基于IP地址的端到端單播通信，其難以支撐對新業(yè)務(wù)（如YouTube視頻分發(fā)）需要的多播或者任意播等通信模式。同時，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)分組轉(zhuǎn)發(fā)的“盡力而為”原則難以滿足網(wǎng)絡(luò)電話等新業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量（QoS）的需求。此外，在IP網(wǎng)絡(luò)中，由流量工程、多宿主技術(shù)等導(dǎo)致的路由表急劇膨脹現(xiàn)狀，使得網(wǎng)絡(luò)路由查詢性能不斷降低，增加了網(wǎng)絡(luò)處理負(fù)擔(dān)。大量事實(shí)已經(jīng)證明，互聯(lián)網(wǎng)所依賴的基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力過于簡單且長期不變，而且對現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的各種修修補(bǔ)補(bǔ)都難以滿足泛在、互聯(lián)、質(zhì)量、融合、異構(gòu)、可信、可管、可擴(kuò)等信息網(wǎng)絡(luò)的高等級需求。依據(jù)“結(jié)構(gòu)決定功能”的物理法則，面對這些高等級需求，重新設(shè)計網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、模型與協(xié)議，直接增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力便成為解決上述問題的一個關(guān)鍵切入點(diǎn)和突破口。

2.3 資源利用率低

TCP/IP網(wǎng)絡(luò)“核心簡單，邊緣智能”的特點(diǎn)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)自身缺乏感知、管理、控制的能力，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源利用率低下。例如，研究表明，當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)骨干網(wǎng)鏈路的平均利用率僅為30%～40%[21]；此外，由于休眠、自適應(yīng)、按需定制等智能機(jī)制的缺失，目前網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如數(shù)據(jù)中心服務(wù)器）帶來巨大的能耗。據(jù)預(yù)測，如果維持當(dāng)前低效能的現(xiàn)狀，2015年僅我國數(shù)據(jù)中心的能耗就將達(dá)到1 000億千瓦時左右，相當(dāng)于三峽電站1年的發(fā)電量。當(dāng)前作為支持信息網(wǎng)絡(luò)泛在互聯(lián)、融合異構(gòu)及可信可管可擴(kuò)等的新型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要素，可重構(gòu)技術(shù)日益成為一個重要的研究和發(fā)展方向，并且為網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用提供了技術(shù)支撐。為此，項(xiàng)目將圍繞可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論，重點(diǎn)研究網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過程中的資源虛擬管理機(jī)制、節(jié)點(diǎn)能力組合機(jī)制、邏輯承載和控制管理之間的配合機(jī)制，構(gòu)建完整的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)理和結(jié)構(gòu)，通過網(wǎng)絡(luò)層面的結(jié)構(gòu)可重構(gòu)、資源自配置、能力自調(diào)整，有效解決了網(wǎng)絡(luò)資源利用這一主要問題。

2.4 網(wǎng)絡(luò)安全性差

項(xiàng)目簡介

目前的互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為國家乃至全球的信息基礎(chǔ)設(shè)施，但是隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和新業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)，互聯(lián)網(wǎng)在可擴(kuò)展性、可靠性、泛在服務(wù)、安全可控等方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足用戶需求。為此，科技部設(shè)立了“973”計劃項(xiàng)目“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究”，意在探索一種新型基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，為未來網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)服務(wù)自適應(yīng)、異構(gòu)融合、安全可信可管以及可擴(kuò)展提供一種綜合解決方案。該項(xiàng)目的核心思想是在構(gòu)建一個功能可動態(tài)重構(gòu)和擴(kuò)展的基礎(chǔ)物理網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，為不同業(yè)務(wù)構(gòu)建滿足其根本需求的邏輯承載網(wǎng)，關(guān)鍵突破思路是增強(qiáng)OSI 7層網(wǎng)絡(luò)參考模型中網(wǎng)絡(luò)層與傳輸層的功能，解決IP網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)層的功能瓶頸，并使之與日益增長的應(yīng)用需求和豐富的光傳輸資源相匹配。

TCP/IP互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計的初始目標(biāo)主要是科研交流，其網(wǎng)絡(luò)規(guī)模限制在一個相對封閉、可信、可控的范圍內(nèi)，因此網(wǎng)絡(luò)安全問題并不突出，從而也導(dǎo)致在互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計之初并未考慮構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)內(nèi)嵌的安全機(jī)制。然而，伴隨網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用與技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)成為一個開放、難以管控的復(fù)雜系統(tǒng)，面臨著各種安全威脅。網(wǎng)絡(luò)地址欺騙、數(shù)據(jù)泄露、拒絕服務(wù)攻擊、異常流量等頻發(fā)的網(wǎng)絡(luò)安全問題使得互聯(lián)網(wǎng)疲憊不堪?？梢哉f，缺乏安全可控的服務(wù)性能是互聯(lián)網(wǎng)當(dāng)前面臨的又一個根本性問題。網(wǎng)絡(luò)的安全可管可控直接受制于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在功能和結(jié)構(gòu)要素，通過建立內(nèi)嵌的網(wǎng)絡(luò)安全與管控機(jī)制提升網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)性能，是本項(xiàng)目研究的另一個重要出發(fā)點(diǎn)。

3 研究方案

針對當(dāng)今信息網(wǎng)絡(luò)面臨的一系列問題，本項(xiàng)目基于可重構(gòu)技術(shù)的核心思想，將實(shí)現(xiàn)支持多樣化業(yè)務(wù)需求，增強(qiáng)基礎(chǔ)傳輸能力，滿足泛在互聯(lián)、融合異構(gòu)、安全可管可控的研究目標(biāo)，為設(shè)計新型信息通信網(wǎng)絡(luò)提供一種綜合解決途徑。

3.1 研究思路

針對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在能力與結(jié)構(gòu)對業(yè)務(wù)需求的適應(yīng)性差，對融合、泛在、質(zhì)量、安全、擴(kuò)展、可管可控、移動等支持能力低下的一系列亟待解決的科學(xué)問題，本項(xiàng)目提出解決上述問題的核心思想——“可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)”。具體研究思路如下：

· 創(chuàng)立網(wǎng)絡(luò)元能力理論，建立可重構(gòu)、可擴(kuò)展的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)在功能結(jié)構(gòu)能夠針對業(yè)務(wù)的特征和要求進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)對多樣業(yè)務(wù)的有效適配；

·提出“可重構(gòu)多態(tài)網(wǎng)絡(luò)層”的概念、模型和結(jié)構(gòu)，直接增強(qiáng)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)傳輸能力；

· 研究多態(tài)尋址路由機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)多樣的功能體制；

·基于元能力理論，研究網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)過程中資源虛擬、網(wǎng)絡(luò)能力組合、邏輯承載與控制等機(jī)制，構(gòu)建完整的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)理和結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層面結(jié)構(gòu)、資源和能力的可重構(gòu)、自配置與自調(diào)整；

· 研究可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全可信模型，建立具有多級強(qiáng)度的安全基片結(jié)構(gòu)及安全管控機(jī)制，提出基于邏輯承載的業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)的安全可管可控機(jī)理和結(jié)構(gòu)。

3.2 研究目標(biāo)

項(xiàng)目簡介

該項(xiàng)目從增強(qiáng)信息通信網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力入手，提出了控制平面、管理平面、數(shù)據(jù)平面分離的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)功能參考模型，并在此基礎(chǔ)上創(chuàng)立了包括網(wǎng)絡(luò)元能力理論、多態(tài)尋址路由機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)理和安全可管可控機(jī)理在內(nèi)的可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)理論體系，進(jìn)而構(gòu)建起具有支持現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)兼容演進(jìn)、滿足多種業(yè)務(wù)普適服務(wù)、易于規(guī)模擴(kuò)展的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)體系。

可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究工作的開展，是滿足信息社會進(jìn)步的迫切需要、弱化乃至擺脫對國外信息網(wǎng)絡(luò)理論及標(biāo)準(zhǔn)依賴的重要一步。這既是一份項(xiàng)目組面臨的迫切科學(xué)使命，又是我國立足于信息網(wǎng)絡(luò)高端領(lǐng)域的歷史機(jī)遇。項(xiàng)目的設(shè)立及其預(yù)期成果將對提升我國社會信息化水平、提高信息技術(shù)領(lǐng)域核心競爭力具有重要意義。

在上述研究思路的指導(dǎo)下，項(xiàng)目總體目標(biāo)是突破傳統(tǒng)IP承載的能力瓶頸，形成具有重要科學(xué)意義的基礎(chǔ)理論和方法，創(chuàng)建可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)，形成一系列具有自主知識產(chǎn)權(quán)的國家、國際標(biāo)準(zhǔn)，為提高我國信息技術(shù)領(lǐng)域的國際競爭力。項(xiàng)目的具體目標(biāo)如下。

（1）創(chuàng)建可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)理論體系，具體包括：創(chuàng)立網(wǎng)絡(luò)元能力理論，構(gòu)建可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，揭示可重構(gòu)的自匹配機(jī)理；建立基于元能力和元服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)資源多尺度、多層次描述體系，創(chuàng)建基于元能力理論的多業(yè)務(wù)普適網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)理，形成元能力和元服務(wù)的建模規(guī)范；提出面向業(yè)務(wù)的精細(xì)化流量特征分析方法，提出業(yè)務(wù)自適應(yīng)的承載重構(gòu)認(rèn)知機(jī)理及構(gòu)建機(jī)制；建立面向多態(tài)的網(wǎng)絡(luò)尋址及路由體系結(jié)構(gòu)模型，提出新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)下協(xié)議尋址和路由機(jī)理，構(gòu)建支持宏電路的交換機(jī)制；提出可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全可管可控體系，提出具有多級強(qiáng)度的安全基片結(jié)構(gòu)及相關(guān)的安全管控機(jī)制；研制原型系統(tǒng)，建立可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

（2）創(chuàng)建具有重要科學(xué)意義的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)和方法，掌握具有自主知識產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)，形成可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的系列國內(nèi)國際標(biāo)準(zhǔn)，具體包括：可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)；元能力、元服務(wù)、多態(tài)尋址及路由交換的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

（3）培養(yǎng)一批高素質(zhì)的科研人才；發(fā)表一批該領(lǐng)域內(nèi)的高水平學(xué)術(shù)論文；建立起可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的專利標(biāo)準(zhǔn)群，提交國際標(biāo)準(zhǔn)草案，形成國家或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和國際標(biāo)準(zhǔn)。

該項(xiàng)目通過以上研究目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，將泛在互聯(lián)、服務(wù)保證、融合異構(gòu)、安全可信、可管可擴(kuò)等功能內(nèi)嵌到可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，從而使得新網(wǎng)絡(luò)具有天然的“基因”去解決網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的相關(guān)問題。

3.3 功能模型

學(xué)術(shù)團(tuán)隊(duì)

本課題由解放軍信息工程大學(xué)牽頭，香港中文大學(xué)、浙江工商大學(xué)、浙江大學(xué)、北京大學(xué)深圳研究生院、北京航空航天大學(xué)、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、北京科技大學(xué)、原工業(yè)和信息化部電信研究院、上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心共同承擔(dān)。項(xiàng)目根據(jù)擬解決的關(guān)鍵科學(xué)問題和研究內(nèi)容，設(shè)置6個研究課題。

課題一：可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的理論與體系結(jié)構(gòu)。其目標(biāo)是創(chuàng)立可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)理論體系，構(gòu)建可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型，解決網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)能力和重構(gòu)的理論支撐問題，由解放軍信息工程大學(xué)、香港中文大學(xué)負(fù)責(zé)承擔(dān)。

課題二：網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)制及結(jié)構(gòu)。其目標(biāo)是通過建立網(wǎng)絡(luò)資源多尺度多層次描述體系，創(chuàng)建基于元能力理論的多業(yè)務(wù)普適網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)理，解決網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)制問題，由浙江工商大學(xué)、原工業(yè)和信息化部電信研究院負(fù)責(zé)承擔(dān)。

可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系按照自頂向下設(shè)計方法，采用以網(wǎng)絡(luò)元能力為基礎(chǔ)、以可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)為核心、以滿足業(yè)務(wù)多樣要求為目標(biāo)的新型模型，其功能參考模型如圖1所示。該網(wǎng)絡(luò)功能模型是一種新型的功能分層模型，主要表現(xiàn)在：數(shù)據(jù)平面中通過增強(qiáng)網(wǎng)際互聯(lián)傳輸層的能力形成可重構(gòu)多態(tài)網(wǎng)絡(luò)層，管理平面中引入一個全新的認(rèn)知承載功能，控制平面中提出了多態(tài)尋址、服務(wù)承載、安全基片等新型網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)控制機(jī)理。

可重構(gòu)多態(tài)網(wǎng)絡(luò)層的直接目標(biāo)是增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)互聯(lián)傳輸能力，其基本功能包括OSI 7層網(wǎng)絡(luò)參考模型中網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層的功能，并增加了支持業(yè)務(wù)需求的新功能?？芍貥?gòu)多態(tài)網(wǎng)絡(luò)層包括基態(tài)和多態(tài)兩個子層，基態(tài)子層實(shí)現(xiàn)基本尋址、路由、交換功能，能同時支持面向連接和無連接分組傳遞；多態(tài)子層針對業(yè)務(wù)要求，呈現(xiàn)性能特定、安全特定、多播特定等的多模態(tài)特性，即對于具有同類性能（或安全、多播等）要求的一組業(yè)務(wù)流，通過確保其性能要求的特定虛電路形態(tài)（亦稱為“宏電路”）予以承載，為此多態(tài)子層就包含各種模態(tài)的宏電路。

圖1 可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系功能參考模型

功能參考模型中的認(rèn)知功能主要是針對管理面中的業(yè)務(wù)承載管理需求，提供對業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的認(rèn)知服務(wù)以及節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)之間的協(xié)同服務(wù)。作為一種全新的管理功能，認(rèn)知功能主要包含資源虛擬切面、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)切面和服務(wù)承載切面。資源虛擬切面對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)節(jié)點(diǎn)資源和網(wǎng)絡(luò)資源的特征及動態(tài)行為進(jìn)行感知，從而為網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)切面提供基礎(chǔ)重構(gòu)組件；網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)切面對全網(wǎng)范圍內(nèi)相互分離無關(guān)的抽象資源以及對位于數(shù)據(jù)面的基礎(chǔ)傳輸能力（分組和宏電路）進(jìn)行認(rèn)知聚合與組配，形成服務(wù)承載切面需要的基本重構(gòu)承載能力；服務(wù)承載切面是為多樣化的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)提供直接承載的網(wǎng)絡(luò)功能部分，它直接表現(xiàn)為各種具有特定能力的服務(wù)承載網(wǎng)，從而構(gòu)成具體承載控制實(shí)體運(yùn)行的直接物理基礎(chǔ)。控制平面的尋址、服務(wù)承載、安全管控等機(jī)制則融合于認(rèn)知功能各切面的構(gòu)建與重構(gòu)之中。

4 研究內(nèi)容

基于上述頂層思路，本項(xiàng)目主要研究內(nèi)容為[20]：可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)理論體系、網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)制及結(jié)構(gòu)形態(tài)、業(yè)務(wù)自適應(yīng)認(rèn)知承載機(jī)理、多態(tài)尋址及路由交換、安全可管可控機(jī)理以及模擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺。下面從項(xiàng)目關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新性兩方面進(jìn)行簡要介紹。

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)新型網(wǎng)絡(luò)能夠按照業(yè)務(wù)需求動態(tài)進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能重組，從而達(dá)到提供多樣化和全方位的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、滿足多樣性的業(yè)務(wù)要求、具備高質(zhì)量通信效果的設(shè)計目的，該項(xiàng)目的技術(shù)核心是建立可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)理論體系，其主要內(nèi)容包括元能力理論、認(rèn)知與重構(gòu)機(jī)理以及多態(tài)尋址路由機(jī)制，如圖2所示。

項(xiàng)目簡介

課題三：業(yè)務(wù)自適應(yīng)認(rèn)知承載機(jī)理。其目標(biāo)是提出業(yè)務(wù)自適應(yīng)的承載重構(gòu)認(rèn)知機(jī)理及構(gòu)建機(jī)制，解決可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)適配問題，由浙江大學(xué)負(fù)責(zé)承擔(dān)。

課題四：可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的尋址及路由交換。其目標(biāo)是建立多態(tài)尋址路由機(jī)制，構(gòu)建支持宏電路的路由交換機(jī)制，解決可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)中支持多種網(wǎng)絡(luò)體制并存的網(wǎng)絡(luò)尋址及路由交換問題，主要由北京大學(xué)深圳研究生院、香港中文大學(xué)負(fù)責(zé)承擔(dān)。

課題五：可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的安全和管控機(jī)理與結(jié)構(gòu)。其目標(biāo)是提出具有多級強(qiáng)度的安全基片結(jié)構(gòu)及相關(guān)的安全管控機(jī)制，解決可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的安全可管可控問題，主要由北京航空航天大學(xué)、北京科技大學(xué)、解放軍信息工程大學(xué)負(fù)責(zé)承擔(dān)。

圖2 可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)理論體系

在圖2中，元能力理論主要是針對網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求多樣多變與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力有限確定之間的差異性，研究基于業(yè)務(wù)特征需求與網(wǎng)絡(luò)承載服務(wù)二者抽象的“網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)—網(wǎng)絡(luò)元服務(wù)—網(wǎng)絡(luò)元能力”這一基礎(chǔ)理論模型及相關(guān)機(jī)制[20]。認(rèn)知與重構(gòu)機(jī)理則是從網(wǎng)絡(luò)管理角度出發(fā)，研究支撐可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建與重構(gòu)操作的全新網(wǎng)絡(luò)認(rèn)知重構(gòu)功能，該功能對底層資源進(jìn)行認(rèn)知，并基于認(rèn)知結(jié)果構(gòu)建針對不同業(yè)務(wù)類型的服務(wù)承載網(wǎng)和動態(tài)調(diào)整服務(wù)承載網(wǎng)結(jié)構(gòu)。多態(tài)尋址路由機(jī)制是研究可滿足未來網(wǎng)絡(luò)多樣化通信主體需求的多態(tài)路由協(xié)議體系，該體系既可表示為通過基態(tài)協(xié)議特化的不同協(xié)議體系，也可以表示為某一種協(xié)議體系的多個運(yùn)行態(tài)。

基于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究方案和理論體系，項(xiàng)目設(shè)計了可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系的總體框架，如圖3所示。

如圖3所示的總體框架主要涉及管理面、控制面、數(shù)據(jù)面3部分內(nèi)容。管理平面主要執(zhí)行多維狀態(tài)感知和實(shí)時資源認(rèn)知操作，以獲取應(yīng)用傳送要求、網(wǎng)絡(luò)資源配置和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)信息，并依據(jù)可重構(gòu)管理決策結(jié)果向控制平面下達(dá)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)操作命令。管理面涉及的關(guān)鍵技術(shù)主要包括網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的關(guān)鍵機(jī)制及結(jié)構(gòu)形態(tài)、業(yè)務(wù)自適應(yīng)認(rèn)知承載機(jī)理。

控制平面主要負(fù)責(zé)從管理平面獲取網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)操作命令，將其轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的流程命令，并實(shí)施具體的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)

圖3 可重構(gòu)通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系總體架構(gòu)

項(xiàng)目簡介

課題六：可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的驗(yàn)證平臺。其目標(biāo)是建立可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺，對可重構(gòu)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)、理論和機(jī)制等進(jìn)行有效性驗(yàn)證，由國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、原工業(yè)和信息化部電信研究院、解放軍信息工程大學(xué)、上海寬帶技術(shù)及應(yīng)用工程研究中心負(fù)責(zé)承擔(dān)。

項(xiàng)目中6個課題中，課題一為其他課題提供體系支撐和理論基礎(chǔ)；課題二為課題三、課題四和課題五提供網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)支持；課題三為課題四和課題五建立承載網(wǎng)認(rèn)知構(gòu)建基礎(chǔ)；課題四為課題五提供多態(tài)尋址、路由和交換技術(shù)支撐；課題六全面驗(yàn)證本項(xiàng)目理論、機(jī)制、結(jié)構(gòu)和方法的合理性與有效性。項(xiàng)目的6個課題覆蓋基礎(chǔ)理論的建立、機(jī)制結(jié)構(gòu)方法的形成和效果驗(yàn)證問題，形成一個統(tǒng)一的整體。操作，主要技術(shù)包括多態(tài)尋址與路由技術(shù)、服務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及基于安全基片的網(wǎng)絡(luò)安全可管可控機(jī)理。

數(shù)據(jù)平面按照控制平面的具體操作構(gòu)造數(shù)據(jù)傳送通道（宏電路和分組傳遞），保證數(shù)據(jù)的傳送，并完成節(jié)點(diǎn)資源和服務(wù)路徑的組合和重構(gòu)。其中主要支撐技術(shù)是基于可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)理論體系而實(shí)現(xiàn)的宏電路技術(shù)、可重構(gòu)路由器平臺以及網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)機(jī)制。

4.2 創(chuàng)新性

以創(chuàng)立由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求驅(qū)動的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)理論與體系結(jié)構(gòu)為核心目標(biāo)，項(xiàng)目分別在網(wǎng)絡(luò)元能力理論、增強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)核心基礎(chǔ)傳輸能力、可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的安全可管可控機(jī)制以及可重構(gòu)服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建理論4個方面取得了如下創(chuàng)新成果。

第一，提出了網(wǎng)絡(luò)元能力理論。為解決現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的“剛性”結(jié)構(gòu)難以支持不斷涌現(xiàn)的新型業(yè)務(wù)問題，本項(xiàng)目從業(yè)務(wù)、元服務(wù)、元能力3個功能層面對網(wǎng)絡(luò)功能和資源進(jìn)行了抽象和劃分，提出了支撐元能力理論的可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)模型。項(xiàng)目通過組織國際學(xué)術(shù)會議“西湖國際學(xué)術(shù)論壇”，參加全球ONS峰會、國內(nèi)CONS峰會等平臺宣傳和展示了的網(wǎng)絡(luò)元能力理論的研究成果，并與美國加州大學(xué)洛杉磯分校、美國西北大學(xué)等著名高校的知名學(xué)者進(jìn)行了深入研討交流與合作。

第二，提出了宏電路機(jī)制。為了增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)核心基礎(chǔ)傳輸能力，項(xiàng)目提出了可適配業(yè)務(wù)需求的自適應(yīng)基礎(chǔ)傳輸通道——宏電路，建立了與宏電路相匹配的多態(tài)尋址與路由交換機(jī)制。宏電路機(jī)制為克服當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)傳送能力薄弱問題和網(wǎng)絡(luò)內(nèi)在能力與結(jié)構(gòu)對業(yè)務(wù)需求適應(yīng)性差的問題提供了一個有效途徑。項(xiàng)目研究團(tuán)隊(duì)先后參加IETF國際會議、國際電信聯(lián)盟 （ITU）未來網(wǎng)絡(luò)工作組（SG13）會議，與國外研究機(jī)構(gòu)的研究者一直保持著良好的研究交流和合作關(guān)系，推動了該方向關(guān)鍵技術(shù)與整體架構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)研制工作。

第三，提出了基于安全基片的網(wǎng)絡(luò)安全理論模型。為了解決當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)安全功能簡單疊加不能滿足系統(tǒng)復(fù)雜安全要求的問題，實(shí)現(xiàn)安全可管可控的網(wǎng)絡(luò)傳輸，項(xiàng)目創(chuàng)立了基于安全基片的網(wǎng)絡(luò)安全理論模型，構(gòu)建了面向業(yè)務(wù)應(yīng)用的、內(nèi)嵌的和基于安全基片的安全管控機(jī)制。相關(guān)研究成果得到了法國巴黎第八大學(xué)等眾多院校的知名密碼學(xué)家的肯定。

第四，提出了基于“時—空”資源分配的服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建理論。為了解決當(dāng)前服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建未考慮其動態(tài)的時間屬性等問題，項(xiàng)目提出了基于“時—空”資源分配的服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建理論，有效地提高了資源的利用率和服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建的成功率，實(shí)現(xiàn)了可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)資源的精細(xì)化管理與動態(tài)調(diào)配，為不同的業(yè)務(wù)提供了確保服務(wù)質(zhì)量的服務(wù)承載網(wǎng)。項(xiàng)目組多次受邀到國際重要會議、論壇上發(fā)表該方向上的主題報告或演示，積極推廣服務(wù)承載網(wǎng)構(gòu)建理論等可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的研究成果，擴(kuò)大了項(xiàng)目研究在國際上的影響力。

5 研究進(jìn)展

自2012年啟動以來，項(xiàng)目按照課題組的形式在各自領(lǐng)域和任務(wù)范圍展開深入研究，目前圓滿完成了前一階段的預(yù)期目標(biāo)，并成功召開了多次項(xiàng)目階段性總結(jié)會和項(xiàng)目中期檢查評審會。項(xiàng)目取得的重要研究成果的具體情況如下。

·建立了可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)體系。項(xiàng)目組積極參與IETF標(biāo)準(zhǔn)化組織工作，主導(dǎo)完成IETF標(biāo)準(zhǔn)2項(xiàng)，完成并提交IETF草案3項(xiàng)；啟動和主導(dǎo)國際電信聯(lián)盟關(guān)于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)研制工作，在ITU-T SG13完成了標(biāo)準(zhǔn)制定1項(xiàng)（ITU-T Y.2622），完成標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)1項(xiàng)；啟動和主導(dǎo)中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會開展了可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)研制工作，完成國內(nèi)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)10項(xiàng)。

·建立了可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的專利群。項(xiàng)目以建立可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的專利群為目標(biāo)，分別圍繞可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)總體結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)元能力理論、增強(qiáng)基礎(chǔ)傳送能力（宏電路）、認(rèn)知與重構(gòu)機(jī)制、多態(tài)尋址路由與交換、安全管控體系和試驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)備共7個方面開展了專利申請工作。目前，項(xiàng)目組已累計申請國內(nèi)外發(fā)明專利70余項(xiàng)，建立了可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的專利群。

·發(fā)表了一批高質(zhì)量的學(xué)術(shù)研究成果。項(xiàng)目組已發(fā)表論文170余篇，其中SCI檢索論文40余篇，國際頂級會議8篇，EI檢索論文120余篇，國內(nèi)一類學(xué)報百余篇；組織出版專著7部；組織國際學(xué)術(shù)會議3次；組織舉辦《通信學(xué)報》“可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)柔性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)”?？?次，積極擴(kuò)大可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的影響。

·建立了基于可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的多樣化實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證環(huán)境。項(xiàng)目組緊緊圍繞研究任務(wù)，分別開發(fā)建立了可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)專用模擬仿真平臺、虛實(shí)結(jié)合的可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)仿真驗(yàn)證平臺以及可重構(gòu)柔性駐地試驗(yàn)網(wǎng)，為項(xiàng)目理論研究和關(guān)鍵技術(shù)仿真試驗(yàn)驗(yàn)證提供了堅實(shí)基礎(chǔ)。

6 結(jié)束語

針對現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僵化和由此導(dǎo)致的一系列問題，國家“973”計劃“可重構(gòu)信息通信基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)體系研究”項(xiàng)目提出立足可重構(gòu)技術(shù)實(shí)現(xiàn)新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，支持新型業(yè)務(wù)快速部署，具有靈活的可擴(kuò)展性和安全服務(wù)能力，并且隨著項(xiàng)目研究的不斷深入，可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)體系將會越來越完善并標(biāo)準(zhǔn)化。本文結(jié)合項(xiàng)目開展情況，從項(xiàng)目的研究背景、解決問題、研究方案、研究內(nèi)容與進(jìn)展幾方面對相關(guān)研究工作進(jìn)行了概述。實(shí)踐證明，該項(xiàng)目的實(shí)施對我國新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的研究起到了積極的推動作用，也必將提高我國在信息技術(shù)領(lǐng)域的國際影響力。

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