摘要：當前網(wǎng)絡已經(jīng)發(fā)展了40余年，存在許多問題亟待解決。隨著美國產(chǎn)業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、德國工業(yè)4.0以及“互聯(lián)網(wǎng)+”等戰(zhàn)略的提出，當前的互聯(lián)網(wǎng)所支撐的方向正在由消費型向生產(chǎn)型轉(zhuǎn)變，但是基于TCP/IP的網(wǎng)絡體系架構(gòu)在可擴展性、安全性等方面都無法適應這一轉(zhuǎn)變，因此未來網(wǎng)絡受到了全球范圍的重視，比較有代表性的工作包括軟件定義網(wǎng)絡和信息中心網(wǎng)絡，另一方面，大數(shù)據(jù)技術也在各個行業(yè)嶄露頭角，這些新興的技術都處于發(fā)展初期，仍存在許多問題亟待解決。本文將這些新技術的優(yōu)勢加以利用，提出了一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的網(wǎng)絡架構(gòu)，旨在通過該架構(gòu)來解決新興的未來網(wǎng)絡在發(fā)展中所面臨的問題和挑戰(zhàn)。
關鍵詞:軟件定義網(wǎng)絡；信息中心網(wǎng)絡；大數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)驅(qū)動網(wǎng)絡
1、網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)僵化，不能應對新業(yè)務的需求。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，層次化的結(jié)構(gòu)是互聯(lián)網(wǎng)得以發(fā)展的關鍵，但是網(wǎng)絡規(guī)模不斷增大，層次化結(jié)構(gòu)中封閉的網(wǎng)絡設備中內(nèi)置的大量復雜的協(xié)議，大大增加了網(wǎng)絡優(yōu)化運營的難度，使得科研和管理人員都無法在網(wǎng)絡中部署新的協(xié)議，增加新的業(yè)務能力。
2、網(wǎng)絡不能進行自適應配置。現(xiàn)有網(wǎng)絡中，網(wǎng)絡不能進行自適應配置，必須預先留有足夠的冗余，用來防止峰值時出現(xiàn)網(wǎng)絡擁堵的情況。根據(jù)上海貝爾和諾基亞的調(diào)查研究表明，我國現(xiàn)階段網(wǎng)絡峰值利用率在60%以下，平均網(wǎng)絡利用率只有35%，也就是說，運營商建設1G的寬帶，平均只有350M可以被用戶利用，剩下的65%只能作為“備胎”，長此以往再加上流量的急速增長，運營商需要投入的帶寬建設資源的數(shù)量可想而知。
3、信息網(wǎng)絡正在與傳統(tǒng)行業(yè)進行深度的融合，深度融合之后所帶來的對實時性、安全性等需求是當前網(wǎng)絡難以滿足的。例如在車聯(lián)網(wǎng)中，要求網(wǎng)絡的時延非常小，需要達到10毫秒以下，但是當前互聯(lián)網(wǎng)的傳輸時延80%都高于90毫秒，離車聯(lián)網(wǎng)的目標還相差很遠。
因此，面對當前互聯(lián)網(wǎng)的這些問題和挑戰(zhàn)，全球正在積極展開未來網(wǎng)絡基礎架構(gòu)的研究來解決問題。比較有代表性的工作包括軟件定義網(wǎng)絡（Software-Defined Networking, SDN）[1], 信息中心網(wǎng)絡（Information–Centric Networking, ICN）[2]等，此外，大數(shù)據(jù)技術也在各個行業(yè)嶄露頭角[3]。但是這些新興的未來網(wǎng)絡架構(gòu)和技術仍處在最初的發(fā)展階段，其自身仍存在許多問題亟待解決。因此在本文中，將這些新架構(gòu)、新技術的優(yōu)勢加以利用，綜合的提出了數(shù)據(jù)驅(qū)動的網(wǎng)絡架構(gòu)，旨在通過該架構(gòu)來解決新興的未來網(wǎng)絡在發(fā)展中所面臨的問題和挑戰(zhàn)。
軟件定義網(wǎng)絡來自2006年斯坦福大學Clean Slate研究課題[4]，2008年，Nick McKeown教授在Sigcomm會議上展示了基于OpenFlow網(wǎng)絡的演示試驗。軟件定義網(wǎng)絡的思路逐漸形成。2011年3月，成立了ONF (Open Networking Foundation）組織[5]，該組織希望通過產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟的方式推動軟件定義網(wǎng)絡技術發(fā)展。2011年4月20日，印第安納大學、斯坦福Clean State計劃工作組與Internet2發(fā)起了NDDI計劃（Network Development and Deployment Initiative）[6]，希望創(chuàng)建一個基于軟件定義網(wǎng)絡的網(wǎng)絡試驗平臺。2011年11月，第82屆IETF會議啟動了成立軟件驅(qū)動網(wǎng)絡（Software Driven Network）工作組的提案，并同時獲得了批準， IETF的81/82次會議重點討論了SDN的框架、模型、特性、層次化結(jié)構(gòu)、API接口以及技術標準化等方面的內(nèi)容。
軟件定義網(wǎng)絡是一種新型的網(wǎng)絡架構(gòu)，它將控制平面和數(shù)據(jù)平面進行了分離，并將可編程能力引入到控制平面中。這一創(chuàng)新有利于對底層網(wǎng)絡資源的抽象管理，可以從邏輯的形式上支持上層應用，從而實現(xiàn)靈活性和可控性。
軟件定義網(wǎng)絡的體系架構(gòu)如圖1，包括數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層和應用層。數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層不在支持大量的協(xié)議標準，它只需要接收控制層的指令進行操作；對于控制層而言，可以進行全局信息的監(jiān)視，實現(xiàn)集中化的網(wǎng)絡智能；在應用層中，控制層提供的開放的接口來提供多樣化的應用服務。
圖1 軟件定義網(wǎng)絡體系架構(gòu)
SDN面對的問題和挑戰(zhàn)主要包括以下兩點：
1)當前的網(wǎng)絡用戶從關注“在哪里”逐漸轉(zhuǎn)為關注“是什么”，但是SDN并沒有很好的對內(nèi)容的命名和路由解析進行探討。
2)SDN中的控制平面掌握有各種粒度的全局信息數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對于網(wǎng)絡分析和決策是具有重要價值的，但是現(xiàn)階段的研究并沒有對這些數(shù)據(jù)加以有效的利用。
信息中心網(wǎng)絡（Information-Centric Networking，ICN）是近年以來未來網(wǎng)絡一類發(fā)展方向的總稱，其下有美國的CCN，DONA，NDN，和歐盟的PSIRP，4WARD，PURSUIT，SAIL等[7][8]。
施樂帕克研究中心的Van Jacobson于2006年分析認為網(wǎng)絡的應用呈現(xiàn)以內(nèi)容為中心的特點，提出了CCN（內(nèi)容中心網(wǎng)絡）的架構(gòu)，實現(xiàn)了從IP為中心向數(shù)據(jù)為中心的轉(zhuǎn)變，解決地址空間可擴展、流量冗余、移動性、安全性等問題。
NDN是美國NSF于2010年8月支持的4個未來互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)項目之一，該項目力圖改變當前互聯(lián)網(wǎng)以主機為基礎的點對點通信架構(gòu)。歐盟在2008年立項支持的FP7計劃4WARD項目中提出開展Networking of Information（NetInf）研究項目，期望構(gòu)建以信息為中心的網(wǎng)絡體系，項目對命名機制、解析流程、協(xié)議架構(gòu)等方面進行了探討。
2010年，F(xiàn)P7在SAIL（自適應的互聯(lián)網(wǎng)解決方案）重點項目中又進一步支持了該研究方向。
此外，歐盟還專門啟動了針對發(fā)布訂閱通信模式的PSIRP/ PURSUIT項目，在該項目中，組播通信將代替?zhèn)鹘y(tǒng)的單播通信模式，緩存代替?zhèn)鹘y(tǒng)無緩存的數(shù)據(jù)獲取模式。
信息中心網(wǎng)絡與傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)的根本區(qū)別在于以命名信息為中心，并將其作為網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的細腰。從關注“在哪里”——地址和主機，到關注“什么”——用戶和應用需要的信息內(nèi)容。
對象模型是信息中心網(wǎng)絡中的基本概念，包括信息對象（Information Object）、比特級對象（Bit-level Object）。而信息對象作為信息中心網(wǎng)絡的核心元素，其命名和標識影響著整個網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的設計。CCN和NDN項目是以層次化的命名方式對信息對象進行命名，而4WARD與SAIL項目則采用了扁平化的命名方式，目前該領域研究尚無定論。
信息中心網(wǎng)絡借助在網(wǎng)絡中緩存、逐跳傳輸?shù)燃夹g能夠高效地減少網(wǎng)絡中傳統(tǒng)數(shù)據(jù)密集型應用（如www、文件下載等）的流量，即通過“存儲換帶寬”的策略來降低鏈路帶寬消耗并節(jié)省設備能耗；同時信息中心網(wǎng)絡更加關注安全問題，直接對信息內(nèi)容本身進行保護，而不再像傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡主要保護數(shù)據(jù)包和通道的安全，從而實現(xiàn)從信任主機到信任信息內(nèi)容的設計思路轉(zhuǎn)變。
雖然CCN有良好的發(fā)展事態(tài)，但是仍存在許多問題需要解決，例如如何更好的對內(nèi)容和用戶興趣進行命名、以內(nèi)容命名的數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)、網(wǎng)絡內(nèi)緩存和可移動性等。此外，大多數(shù)現(xiàn)階段的網(wǎng)絡應用、傳輸層協(xié)議、主機和路由器都是以用戶為中心的，不可能在朝夕之間部署內(nèi)容為中心的網(wǎng)絡架構(gòu)，然而隨著網(wǎng)絡中緩存成本的降低，網(wǎng)絡內(nèi)緩存已經(jīng)成為了提升用戶體驗的主要途徑。
隨著互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)庫技術、高性能存儲設備的快速發(fā)展，人們正在快速的生成著各種數(shù)據(jù)：照片、郵件、位置信息、視頻等等。國際文獻資料中心從2006年開始，逐年發(fā)表一個“數(shù)字宇宙”的報告，來跟蹤全球數(shù)據(jù)量的增長情況。2006年時，全球數(shù)據(jù)量為0.18ZB，2011年達到1.8ZB，預計到2020年時，會達到40ZB，這個數(shù)字為地球上所有海灘上沙?？倲?shù)的57倍，因此大數(shù)據(jù)問題應運而生。
2011年5月，麥肯錫公司在美國舉辦了EMC World年度大會，發(fā)布了“Big data: The next frontier for innovation, competition and productivity”的報告，第一次提出了“大數(shù)據(jù)”的概念。2012年世界經(jīng)濟論壇發(fā)布了“Big data, big impact: New possibilities for international development”的報告，明確指出了大數(shù)據(jù)為全世界發(fā)展帶來的新機遇。2012年3月，美國政府打不了“大數(shù)據(jù)研究發(fā)展倡議”，啟動了“大數(shù)據(jù)發(fā)展計劃”。聯(lián)合國于2012年也公布了“Challenges and opportunities with big data”的白皮書。對于我國而言，工信部發(fā)布了物聯(lián)網(wǎng)“十二五”規(guī)劃，提出了海量數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)挖掘、圖像視頻智能分析等大數(shù)據(jù)的重要組成成分。在中國計算機學會的主導下，成立了大數(shù)據(jù)專家委員會。2013年科技部正式啟動了863“面向大數(shù)據(jù)的先進存儲結(jié)構(gòu)及關鍵技術”的研究項目[9]。
近些年來，大數(shù)據(jù)迅速發(fā)展成為科技界和企業(yè)界關注的熱點，通過利用大數(shù)據(jù)技術可以獲得意想不到的商業(yè)價值 [10]。什么是大數(shù)據(jù)，至今為止沒有公認的定義，從宏觀角度而言，大數(shù)據(jù)是一種對結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化的大量數(shù)據(jù)進行快速準確的存儲、分類、管理、抽象和分析的技術 [11]。
在當下數(shù)據(jù)進行爆炸式增加的階段，例如網(wǎng)絡中的博客文章、照片、郵件等在一直不斷的增長，這些數(shù)據(jù)也恰好暗示了一些用戶的行為，漸漸地這些數(shù)據(jù)也就產(chǎn)生了巨大的商業(yè)價值，這也就促使了許多商業(yè)組織建立了大數(shù)據(jù)分析和處理平臺。
與傳統(tǒng)數(shù)據(jù)相比，大數(shù)據(jù)的基本特征有5個V，包括：volume(體積大)、velocity(速度快)、variety(模式多)、veracity(精確性高)、value(價值高)。針對大數(shù)據(jù)這5個特點，一些互聯(lián)網(wǎng)公司，例如Google、Facebook、Microsoft退出了不同的大數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，他們利用深度學習、知識技術、可視化等技術使得大數(shù)據(jù)得到了迅猛的發(fā)展。
在大數(shù)據(jù)技術發(fā)展過程中，涌現(xiàn)出如Hadoop和Spark等批處理和流處理技術，但是在處理過程中如果對數(shù)據(jù)預處理不完善，會導致數(shù)據(jù)的可用性差，數(shù)據(jù)不準確等問題。海量數(shù)據(jù)的處理需要可靠的架構(gòu)設計，強大的數(shù)據(jù)中心來支撐。因此，如何在保證高并發(fā)穩(wěn)定訪問的同時，有效減少服務器的負載，成為大數(shù)據(jù)發(fā)展過程中的一大挑戰(zhàn)。
毫無疑問的是在SDN中有大量數(shù)據(jù)存在，然而很少有研究會真正將這些寶貴的數(shù)據(jù)加以分析和利用，從而幫助控制器更好的做出全網(wǎng)決策。因此有必要在控制器中增加大數(shù)據(jù)分析模塊來更加智能的確定功能統(tǒng)一的網(wǎng)絡解決方案。
該架構(gòu)的參考模型見圖2，由三層結(jié)構(gòu)組成，分別是數(shù)據(jù)層、控制層和應用層，接下來將詳細介紹各層的功能。
圖2 數(shù)據(jù)驅(qū)動的網(wǎng)絡架構(gòu)
數(shù)據(jù)平面由多個SDN智能轉(zhuǎn)發(fā)設備組成，可以是SDN交換機或數(shù)據(jù)中心、基站等，這些智能轉(zhuǎn)發(fā)設備的功能特點主要包括以下幾點：
1)智能轉(zhuǎn)發(fā)設備是在傳統(tǒng)轉(zhuǎn)發(fā)設備的基礎上嵌入了內(nèi)容緩存功能，緩存功能的加入可以有效的降低對用戶的內(nèi)容請求響應時延。當用戶的內(nèi)容請求到達與之相連的智能轉(zhuǎn)發(fā)設備時，該轉(zhuǎn)發(fā)設備首先與本地緩存的內(nèi)容相匹配，如匹配成功則之間回復用戶的請求；否則，從其他智能轉(zhuǎn)發(fā)設備取回該內(nèi)容來回復用戶的請求。
2)在智能轉(zhuǎn)發(fā)設備中還嵌入了監(jiān)控裝置，該監(jiān)控裝置是可擴展的分布式監(jiān)控模塊并具有高性能的運算系統(tǒng)，它負責收集智能轉(zhuǎn)發(fā)設備上的內(nèi)容數(shù)據(jù)、緩存數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)，并定期地通過南向接口將這些數(shù)據(jù)上傳到控制平面，其中內(nèi)容數(shù)據(jù)包括用戶的內(nèi)容請求、緩存中的內(nèi)容信息等；緩存數(shù)據(jù)包括緩存的大小和利用率；網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)包括網(wǎng)絡拓撲、流量數(shù)據(jù)、鏈路數(shù)據(jù)等。
3)智能轉(zhuǎn)發(fā)設備還負責根據(jù)控制器下發(fā)的流表對數(shù)據(jù)包進行轉(zhuǎn)發(fā)，并且可以接收來自控制器的流表對緩存的大小和緩存的內(nèi)容進行調(diào)整和重新布局，從而可以確保內(nèi)容和緩存的重新配置。
控制層通過兩個接口連接了數(shù)據(jù)層和應用層，因此控制層是該架構(gòu)的核心組成部分，它主要由兩部分組成，分別是大數(shù)據(jù)處理平臺和SDN控制器。
大數(shù)據(jù)分析平臺嵌入了分析能力，所分析是數(shù)據(jù)包括用戶數(shù)據(jù)，如內(nèi)容數(shù)據(jù)、緩存數(shù)據(jù)，網(wǎng)絡數(shù)據(jù)，流表數(shù)據(jù)等。大數(shù)據(jù)分析平臺應用分析算法從大量的數(shù)據(jù)中挖掘有用的信息，從而建立流量模型、用戶行為模型和內(nèi)容流行度模型從而更好的理解網(wǎng)絡狀態(tài)、用戶需求和內(nèi)容流行度。最后大數(shù)據(jù)將分析得到的決策信息，如內(nèi)容重分配、緩存重分布以及網(wǎng)絡管理策略等，并將這些決策信息傳遞給SDN的控制器模塊。
根據(jù)大數(shù)據(jù)平臺給出的決策信息，SDN控制器模塊通過向數(shù)據(jù)層下發(fā)流表來改變智能轉(zhuǎn)發(fā)設備的狀態(tài)和緩存狀態(tài)，包括數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則、緩存分配情況和內(nèi)容分布情況，調(diào)整后的網(wǎng)絡可以大程度的提升緩存利用率。
因此控制層的功能可以歸納為以下兩點：
1)對數(shù)據(jù)平面：SDN控制模塊接收來自數(shù)據(jù)平面的網(wǎng)絡狀態(tài)信息來構(gòu)成網(wǎng)絡全局視圖，并且向數(shù)據(jù)平面下發(fā)流表轉(zhuǎn)發(fā)規(guī)則；與此同時，大數(shù)據(jù)分析平臺接收來自智能轉(zhuǎn)發(fā)設備的各類數(shù)據(jù)，包括緩存數(shù)據(jù)、內(nèi)容數(shù)據(jù)和網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)。根據(jù)緩存數(shù)據(jù)并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析功能，我們可以得知哪個智能轉(zhuǎn)發(fā)設備有較高的內(nèi)容請求頻率，則接下來將會給該轉(zhuǎn)發(fā)設備分配更多的緩存資源；根據(jù)內(nèi)容數(shù)據(jù)并利用大數(shù)據(jù)分析功能，得到哪些內(nèi)容在哪些轉(zhuǎn)發(fā)設備上有較高的請求熱度，則將會把該內(nèi)容緩存在該轉(zhuǎn)發(fā)設備上，從而降低大部分用戶的內(nèi)容請求時延；通過網(wǎng)絡狀態(tài)數(shù)據(jù)和大數(shù)據(jù)分析能力，得到哪些鏈路和轉(zhuǎn)發(fā)設備會出現(xiàn)負載擁塞，則將會在將會在路由轉(zhuǎn)發(fā)時盡量避免容易出現(xiàn)擁塞的鏈路和節(jié)點。大數(shù)據(jù)分析模塊將這些決策策略傳遞給SDN控制器模塊，然后控制器通過下發(fā)流表的方式執(zhí)行相應的策略。
2)對應用平面：向用戶提供內(nèi)容請求服務和應用程序服務，控制層感知這些服務請求，并根據(jù)服務請求制定相應的完成策略，并將策略下發(fā)給數(shù)據(jù)平面，從而實現(xiàn)用戶請求。
應用層包括各種各樣的內(nèi)容服務和應用程序服務來滿足用戶的需求，利用北向接口和控制層，應用層可以獲取全局視圖，并且以編程的方式利用數(shù)據(jù)層的物理資源來實現(xiàn)用戶的請求。
一個用戶向與之相連的智能交換機提交了內(nèi)容請求，當該交換機處緩存有該內(nèi)容或是交換機可以利用流表取回該內(nèi)容時，該交換機將立即回復用戶的請求或是根據(jù)流表取回該內(nèi)容；否則，該交換機則將用戶請求上傳給控制器，控制器根據(jù)全局信息得到取回該內(nèi)容的最優(yōu)路徑，并向交換機下發(fā)流表，從而取回該內(nèi)容。與此同時，大數(shù)據(jù)平臺定期接收來自智能交換機上傳的數(shù)據(jù)，并根據(jù)這些數(shù)據(jù)分析網(wǎng)絡狀態(tài)、性能和用戶行為，并將分析的結(jié)果傳遞給控制器，控制器將根據(jù)這些結(jié)果調(diào)整內(nèi)容的分布和緩存的分配。
例如某一用戶想與之相連的智能交換機提交了對電影《阿凡達》的內(nèi)容請求，但是該電影并沒有緩存在交換機中，根據(jù)交換機中的流表也不能轉(zhuǎn)發(fā)取回該電影，因此交換機將該內(nèi)容請求上傳給控制器，控制器下發(fā)流表，該交換機根據(jù)流表轉(zhuǎn)發(fā)取回電影《阿凡達》。一段時間之后，大數(shù)據(jù)平臺根據(jù)數(shù)據(jù)分析得知該智能交換機所連接的用戶對電影《阿凡達》有著很高的請求頻率，并將這一分析結(jié)果傳遞給控制器，控制器通過流表的下發(fā)將該電影緩存在該智能控制器中，從而可以大大降低大多數(shù)用戶的請求等待時間。
因此，大數(shù)據(jù)模塊通過對軟件定義網(wǎng)絡和信息中心網(wǎng)絡中的數(shù)據(jù)進行分析，得到網(wǎng)絡中各種終端的興趣與需求，更加智能地解決了網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)緩存與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)等問題，有效地緩解網(wǎng)絡擁塞，從而提高網(wǎng)絡的性能。
重慶分公司
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