基于平行系統(tǒng)理論的平行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

王飛躍 楊堅(jiān) 韓雙雙 楊柳青 程翔

互聯(lián)網(wǎng)自其誕生到現(xiàn)在已發(fā)展了幾十年,隨著用戶數(shù)量的激增、新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展以及網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已經(jīng)無法適應(yīng)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的需求以及未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的需要.以基站為例,在實(shí)際應(yīng)用中,基站的平均負(fù)載以及實(shí)際功耗都大大低于忙時(shí)狀態(tài),這使得頻率資源利用率和基站能效都很低,基站提供的服務(wù)已越發(fā)難以滿足新業(yè)務(wù)的需求.為了滿足日益增長(zhǎng)的用戶需求,目前一般都采用擴(kuò)建基站的方式解決這一問題,而數(shù)量巨大的基站意味著高額的建設(shè)投資、站址配套、站址租賃以及維護(hù)費(fèi)用,建設(shè)更多的基站意味著更多的資本開支和運(yùn)營(yíng)開支,限制了實(shí)際發(fā)展.同時(shí),運(yùn)營(yíng)商各個(gè)工作平臺(tái)互不兼容也將導(dǎo)致在網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容或升級(jí)方面的困難.

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中,數(shù)據(jù)正在從單薄到豐富,使用要求從靜態(tài)變?yōu)閯?dòng)態(tài),連接從固定轉(zhuǎn)向移動(dòng),這些變化都反映了新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的必要性.與此同時(shí),對(duì)廉價(jià)成本及按需交付新服務(wù)的期望等新型服務(wù)需求更加推動(dòng)了新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的發(fā)展.

互聯(lián)網(wǎng)對(duì)于加快國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展、推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步和加速社會(huì)服務(wù)信息化進(jìn)程的不可替代作用,引起了我國(guó)政府的高度重視.在“十三五”信息規(guī)劃中,網(wǎng)絡(luò)安全、智慧城市和云計(jì)算等新一代信息技術(shù)是重要組成部分,它們將大力支撐政府公共服務(wù)能力升、網(wǎng)絡(luò)空間凈化、產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)和新型城化建設(shè),強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)安全,推進(jìn)我國(guó)由網(wǎng)絡(luò)大國(guó)向網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)邁向堅(jiān)實(shí)的步伐.

網(wǎng)絡(luò)世界的每一次重大改變都需要大量時(shí)間,雖然大眾對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)和新技術(shù)的接受能力在提高,但是新技術(shù)的普及仍需要花費(fèi)超過十年時(shí)間.隨著企業(yè)及部門在發(fā)展過程中需要不斷縮減預(yù)算,以及員工需要自動(dòng)化的IT基礎(chǔ)設(shè)施來簡(jiǎn)化操作流程的需求,這些都促使當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)世界的聲音主要集中在如何從傳統(tǒng)以太網(wǎng)向SDN與NFV的新架構(gòu)遷移.這兩種關(guān)鍵技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)軟件化(或IT化)的兩個(gè)基本組成部分.

SDN源自Nick McKeown教授及其學(xué)生Martin Casado等研究人員提出的Ethane結(jié)構(gòu)和OpenFlow模型[1?2],通過把網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)面和控制面分離,從而開放了網(wǎng)絡(luò)的編程能力,并使網(wǎng)絡(luò)的資源甚至結(jié)構(gòu)重構(gòu)成為可能,因此,Ethane[3?4]被認(rèn)為是SDN技術(shù)[5]的起源.2009年,經(jīng)MIT《技術(shù)評(píng)論》命名為SDN,并迅速風(fēng)靡世界,流行于網(wǎng)絡(luò)、信息甚至許多其他與科技無關(guān)的領(lǐng)域[6?8],成為信息通信領(lǐng)域的熱議對(duì)象,對(duì)下一代網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展有著重要的影響.NFV是指能夠動(dòng)態(tài)地進(jìn)行部署或者將具有處理能力的基礎(chǔ)設(shè)施移動(dòng)到不同位置(分布到網(wǎng)絡(luò)終端或者移動(dòng)到云端)的技術(shù).這里的虛擬化可以理解成一種分層的思想,虛擬化的技術(shù)就是在原有的硬件-操作系統(tǒng)-用戶層次中,增添了虛擬機(jī)這一層,變成了硬件-虛擬機(jī)-操作系統(tǒng)-用戶,用虛擬機(jī)來管理硬件資源,增加了動(dòng)態(tài)調(diào)整硬件資源的含義.將網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化,隱藏物理結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,統(tǒng)一地進(jìn)行邏輯層的管理控制,從而滿足多變的網(wǎng)絡(luò)需求.

在討論網(wǎng)絡(luò)未來形態(tài)的過程中,絕大多數(shù)廠商都將重點(diǎn)放在SDN上.相對(duì)于SDN,NFV提供了應(yīng)用與物理層間的虛擬化層,虛擬機(jī)軟件(VMware)及動(dòng)態(tài)遷移技術(shù)允許創(chuàng)建的虛擬機(jī)池可以動(dòng)態(tài)部署和遷移.與此同時(shí),網(wǎng)絡(luò)虛擬化實(shí)現(xiàn)了在多種虛擬機(jī)管理平臺(tái)間保持這種靈活度,從而可以將任何虛擬機(jī)遷移至任何地方.NFV這種特性將對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)廠商帶來巨大沖擊,這不僅僅是技術(shù)將脫離硬件,而且更能夠充分利用新的物理架構(gòu)(如刀片服務(wù)器集群一樣).NFV在某種程度上,是對(duì)SDN的一種互補(bǔ),如:軟件與硬件解耦,重新定義物理與虛擬以及網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化(操作靈活化).

綜上所述,網(wǎng)絡(luò)軟件化成為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì).同樣,為什么需要平行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)(該理念在文獻(xiàn)[9]中首次提出)？首先是時(shí)代的需求,因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)的各類網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,相應(yīng)的工程復(fù)雜性或社會(huì)復(fù)雜性越來越高,而且工程復(fù)雜性與社會(huì)復(fù)雜性之間的交互程度也越來越強(qiáng).另外,現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)是一個(gè)巨型復(fù)雜系統(tǒng),它橫跨多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域,具有難管理、易變化、難預(yù)測(cè)等特性.基于現(xiàn)實(shí)條件以及成本開支考慮,網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)的可行性、可重復(fù)性和科學(xué)性很難保證.因而要通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)預(yù)先進(jìn)行較為全面而準(zhǔn)確的評(píng)估和修正來改善和提高網(wǎng)絡(luò)性能基本無法實(shí)現(xiàn).隨著技術(shù)的發(fā)展和用戶需求的提升,網(wǎng)絡(luò)變得更加復(fù)雜和重要,因此,如何全面、準(zhǔn)確、實(shí)時(shí)地評(píng)估、改善、提高網(wǎng)絡(luò)性能是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)研究的重要任務(wù)之一.因此,將平行系統(tǒng)理論引入到當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),并研究其相關(guān)理論和技術(shù),進(jìn)一步完善網(wǎng)絡(luò)管理、控制、調(diào)度及分配,優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)整體性能.

1 平行系統(tǒng)及網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

1.1 平行系統(tǒng)

平行系統(tǒng)是指由某一個(gè)自然的現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)虛擬或理想的人工系統(tǒng)所組成的共同系統(tǒng)[10?12].目前,數(shù)學(xué)建模、計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)等方法都是以離線、靜態(tài)、輔助的形式應(yīng)用于現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的管理與控制.然而,對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)的研究,多數(shù)情況下既沒有系統(tǒng)的足夠精確的模型,也不能建立可以解析地預(yù)測(cè)系統(tǒng)短期行為的模型[13].當(dāng)前,要實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)的分析和預(yù)測(cè)基本難以實(shí)現(xiàn),現(xiàn)實(shí)條件和成本因素也限制了復(fù)雜系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究,因此,大多數(shù)情況下只能對(duì)復(fù)雜系統(tǒng)進(jìn)行試探性的研究和分析,進(jìn)而對(duì)其進(jìn)行決策和控制.然而,隨著科技的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步,復(fù)雜系統(tǒng)變得更加龐大和復(fù)雜,繼續(xù)采用這種管理和控制方式所取得效果越來越低.基于此,必須設(shè)法挖掘平行系統(tǒng)中人工網(wǎng)絡(luò)的潛力,使其角色從被動(dòng)到主動(dòng),靜態(tài)到動(dòng)態(tài),離線到在線,以至最后由從屬地位提高到相等的地位,使人工系統(tǒng)在實(shí)際復(fù)雜系統(tǒng)的管理與控制中充分發(fā)揮作用[14].

圖1為平行系統(tǒng)的基本框架,主要包括實(shí)際系統(tǒng)和人工系統(tǒng).通過二者的相互作用,完成對(duì)實(shí)際系統(tǒng)的管理與控制、對(duì)相關(guān)行為和決策的實(shí)驗(yàn)與評(píng)估、對(duì)有關(guān)人員進(jìn)行系統(tǒng)的學(xué)習(xí)與培訓(xùn)等.平行系統(tǒng)的主要目的是通過實(shí)際系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的相互連接,對(duì)二者之間的行為進(jìn)行對(duì)比與分析,完成對(duì)各自未來狀況的“借鑒”與“評(píng)估”,相應(yīng)地調(diào)節(jié)各自的管理與控制方式,達(dá)到實(shí)施有效解決方案以及學(xué)習(xí)和培訓(xùn)的目的[11,15?16].

1.2 網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀與需求

用戶對(duì)于通信帶寬的需求永無止境[17?20].首先,上網(wǎng)流量增長(zhǎng)巨大；其次,連接用戶數(shù)大幅提升；三是多樣化的應(yīng)用和服務(wù)要求,即傳輸速率的提升將會(huì)衍生各種應(yīng)用:如網(wǎng)上金融、遠(yuǎn)程教學(xué)、移動(dòng)醫(yī)療、智能交通等基本業(yè)務(wù)將更加移動(dòng)化；同時(shí),物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展亦會(huì)帶來人機(jī)混合通信業(yè)務(wù)量的增加；另一個(gè)挑戰(zhàn)則是繼續(xù)擴(kuò)大的城市化.上述趨勢(shì)讓我們看到百億設(shè)備連接、史無前例的多樣化的需求和應(yīng)用場(chǎng)景.這些無疑都會(huì)帶來無線業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)處理能力的激增,需要更為有效、舒適、安全地接入和共享信息機(jī)制,而這些需要通過提高無線通信的容量、能效和頻譜效率來獲得,同時(shí)兼顧低成本和可持續(xù)的發(fā)展模式.

圖1 平行系統(tǒng)的基本框架

未來的無線網(wǎng)絡(luò)需要為用戶提供高質(zhì)量低價(jià)格的網(wǎng)絡(luò)服務(wù).為此網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商需要從以下幾個(gè)方面著手:降低資本消耗,包括減少硬件設(shè)備開支（如基站建設(shè)）和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)開支（如場(chǎng)地租賃、電費(fèi)等）；提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,增加用戶帶寬；網(wǎng)絡(luò)操作平臺(tái)能夠支持更多標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議,整合現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源,為用戶提供更加友好的網(wǎng)絡(luò)接入服務(wù).中國(guó)移動(dòng)提出的云無線接入網(wǎng)（C-RAN）在一定程度上可以達(dá)到上述要求.C-RAN主要由基帶處理單元池和遠(yuǎn)端射頻單元兩部分組成,由于兩者之間交換數(shù)據(jù)量較大,通常采用光纖通信.基帶處理單元池通過對(duì)多個(gè)基站處理單元虛擬化,可以實(shí)現(xiàn)資源共享與協(xié)作.與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比,C-RAN在相同大小小區(qū)內(nèi)可以降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)成本,減少能源消耗,提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率.遠(yuǎn)端射頻單元只負(fù)責(zé)基本的模/數(shù)、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等功能,其核心服務(wù)基本都在基帶處理單元池中,通過基帶處理單元池可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端射頻單元的協(xié)同合作,提升系統(tǒng)頻譜效率.C-RAN架構(gòu)的特點(diǎn)能夠解決當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商所面臨的問題,因此越來越受到重視.

近年來,“云”已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)與分布式系統(tǒng)發(fā)展的趨勢(shì),然而,隨著網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)的不斷增大,網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備種類的日益增多,終端設(shè)備的處理能力越來越強(qiáng),“云”的概念正在逐漸擴(kuò)散到終端用戶設(shè)備,例如移動(dòng)終端,即“霧”網(wǎng)的概念.

綜上所述,如何充分挖掘“云”網(wǎng)和“霧”網(wǎng)各自的優(yōu)勢(shì)成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展面臨的必然問題.在功能方面,網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)必須滿足靈活、高效、支持多種服務(wù)為目標(biāo)；在技術(shù)方面,軟件定義網(wǎng)絡(luò)、虛擬計(jì)算等成為可能的基礎(chǔ)技術(shù),核心網(wǎng)與接入網(wǎng)融合、移動(dòng)性管理、策略管理、網(wǎng)絡(luò)功能重組等成為進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問題.因此,平行網(wǎng)絡(luò)在這樣的網(wǎng)絡(luò)需求背景下應(yīng)運(yùn)而生.

2 平行網(wǎng)絡(luò)

2.1 基本架構(gòu)

平行網(wǎng)絡(luò)主要由人工網(wǎng)絡(luò),計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行3部分組成,其核心是整網(wǎng)協(xié)調(diào).如圖2所示,通過一個(gè)集中式的控制器,提供開放式的控制接口,實(shí)現(xiàn)可編程的智能管控平臺(tái),管理員可以根據(jù)具體情況和需求重新定義各種網(wǎng)絡(luò)控制策略,并將這些控制策略應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò),進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)的控制.考慮通過平行系統(tǒng)理論對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn)與分析,從而更有效地調(diào)配傳輸帶寬等網(wǎng)絡(luò)資源,提高資源的有效管理和利用,從而提供一種新的網(wǎng)絡(luò)解決方案,有效地解決不斷變化的網(wǎng)絡(luò)需求；針對(duì)網(wǎng)絡(luò)的性能、可擴(kuò)展性、安全性,提供潛在的解決方案.

人工網(wǎng)絡(luò)作為計(jì)算實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ),把認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)對(duì)物理資源的優(yōu)化和智能網(wǎng)絡(luò)對(duì)人之需求的動(dòng)態(tài)響應(yīng)結(jié)合起來,使實(shí)際網(wǎng)絡(luò)與人工網(wǎng)絡(luò)平行互動(dòng),形成大反饋,最終形成平行網(wǎng)絡(luò)理論.

實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的狀態(tài)參數(shù)將被實(shí)時(shí)傳遞到人工網(wǎng)絡(luò),人工網(wǎng)絡(luò)對(duì)這些實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),從而得到各類決策和指導(dǎo)方案,并將這些方案反饋到實(shí)際系統(tǒng).實(shí)際系統(tǒng)根據(jù)這些反饋方案運(yùn)行,其產(chǎn)生的各項(xiàng)運(yùn)行數(shù)據(jù)將再次反饋到人工網(wǎng)絡(luò),并分析當(dāng)前實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài),對(duì)控制方案進(jìn)行再優(yōu)化.通過這樣往復(fù)且科學(xué)、系統(tǒng)的方法得到效果評(píng)價(jià)指標(biāo),最終確定優(yōu)化、控制和資源調(diào)度方案.

1)人工系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了解耦與開放的功能,把底層的硬件封裝起來,留下軟件接口,既保護(hù)了底層,又方便后續(xù)從高層操作.即將物理系統(tǒng)中模型的屬性抽象出來,構(gòu)建人工模型,從而在對(duì)人工模型的控制過程中,無需再考慮整體物理模型之間高度耦合關(guān)系和不確定的相互作用.平行網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)于把底層硬件通過軟件平臺(tái)整合起來,形成一個(gè)與底層硬件相對(duì)獨(dú)立的軟件可控制的系統(tǒng),無需在整體控制和優(yōu)化中針對(duì)底層硬件部署.

2)在人工網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上,利用人工網(wǎng)絡(luò)提供的抽象的控制接口模型,進(jìn)行計(jì)算實(shí)驗(yàn),實(shí)現(xiàn)了集中控制、整體優(yōu)化和決策的功能.參考模型自適應(yīng)控制方法是基于人工模型提供的軟件接口,針對(duì)人工模型反饋的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算和優(yōu)化,從而無需考慮物理實(shí)現(xiàn)的具體控制手段.所得反饋參數(shù)也是對(duì)物理系統(tǒng)進(jìn)行屬性封裝之后獲得,無需考慮物理層具體的數(shù)據(jù)采集方法.相當(dāng)于使用已得到的軟件接口,對(duì)網(wǎng)絡(luò)整體進(jìn)行規(guī)劃操作和編程實(shí)現(xiàn).

圖2 平行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

3)在“不斷探索和改善”的原則下,結(jié)合從定性到定量的綜合集成思想和分布并行的高性能計(jì)算技術(shù),利用人工系統(tǒng)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)、平行執(zhí)行等理論和方法,建立平行網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)控制與管理的理論和方法體系.從而通過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交互過程,提供網(wǎng)絡(luò)管理、控制、調(diào)度、資源分配等措施,使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)迅速達(dá)到最優(yōu)化.

2.2 人工網(wǎng)絡(luò)

2.2.1 人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

人工網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)的思想,采用轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離、控制邏輯集中和網(wǎng)絡(luò)能力開放的方式.

1)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離:轉(zhuǎn)發(fā)平面僅執(zhí)行基本的數(shù)據(jù)收發(fā),而具體的數(shù)據(jù)收發(fā)方式、數(shù)據(jù)處理方法、業(yè)務(wù)方面的控制則由控制平面執(zhí)行.

2)控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面之間的開放接口:這些接口便于控制平面的功能擴(kuò)展,控制平面中的各項(xiàng)應(yīng)用不需要考慮過多底層的技術(shù),僅需要考慮自身的邏輯實(shí)現(xiàn),提高了其擴(kuò)展性.

3)邏輯上的集中控制:控制平面可以在邏輯上管理和控制多個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)平面,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)的控制,進(jìn)而可以對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析和觀察,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化控制.

把底層硬件通過軟件平臺(tái)整合起來,形成一個(gè)與底層硬件相對(duì)獨(dú)立的軟件可控制的系統(tǒng),無需在整體控制和優(yōu)化中針對(duì)底層硬件部署.

如圖3所示,人工網(wǎng)絡(luò)的典型架構(gòu)可以分為3層,分別是應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層.應(yīng)用層主要包括各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)和應(yīng)用,如郵件、視頻、語音等.中間的控制層用于實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)資源的管理和控制,保證網(wǎng)絡(luò)的正常高效運(yùn)行.最底層的基礎(chǔ)設(shè)施層主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集.控制層采用開放式的控制架構(gòu),它能夠?yàn)樯蠈討?yīng)用層和下層的基礎(chǔ)設(shè)施層提供統(tǒng)一的管理和控制接口,從而實(shí)現(xiàn)各層之間邏輯上的分離.控制層采用接口實(shí)現(xiàn)層與層之間的聯(lián)系,通過各種接口為上層提供應(yīng)用資源,對(duì)下層資源進(jìn)行統(tǒng)一管理,使得網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展和業(yè)務(wù)開發(fā)更加便利.

圖3 人工網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

2.2.2 人工網(wǎng)絡(luò)建模方法

1)基于代理agent的方法

代理的主要特征是自主性、社交能力、學(xué)習(xí)與進(jìn)化自適應(yīng)能力,以及移動(dòng)能力等.利用代理方法描述分析人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可以分為3個(gè)部分,即代理本身、代理的環(huán)境和社交規(guī)則.代理可以是人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備或網(wǎng)絡(luò)用戶,它們具有不同的功能,能夠提供不同的服務(wù),并且這些功能和服務(wù)會(huì)隨著時(shí)間和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的改變而改變.代理的環(huán)境是各種代理們賴以生存和活動(dòng)的空間,是它們的“生命”舞臺(tái),既可以是現(xiàn)實(shí)網(wǎng)絡(luò)和社會(huì)環(huán)境的反映,也可以是虛擬的數(shù)學(xué)或計(jì)算過程.代理環(huán)境從自然環(huán)境來說可以是網(wǎng)絡(luò)的地理位置、氣候環(huán)境等因素,從社會(huì)環(huán)境來說可以是人類的社會(huì)活動(dòng),當(dāng)?shù)氐姆伞⒎ㄒ?guī)、風(fēng)俗習(xí)慣等.在實(shí)際中,考慮哪些因素主要由這些因素是否會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為造成影響確定.代理的社交規(guī)則是指代理本身、場(chǎng)所本身、代理之間、場(chǎng)所之間、代理與場(chǎng)所之間的準(zhǔn)則和步驟,從簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)發(fā)送與接收的協(xié)議到復(fù)雜的大型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)管理方法、性能優(yōu)化算法等等.

2)基于功能擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)仿真器方法

在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)研究過程中,由于實(shí)驗(yàn)條件的限制,通常采用軟件平臺(tái)搭建一個(gè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)環(huán)境,然后在該系統(tǒng)環(huán)境下對(duì)各個(gè)研究成果進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.以當(dāng)前比較熱門的SDN研究為例,由于SDN是針對(duì)一個(gè)大型完整的網(wǎng)絡(luò)研究,因此,提供實(shí)際硬件環(huán)境對(duì)SDN進(jìn)行研究比較困難.而Mininet的出現(xiàn)則解決了這一問題,它能夠快速建立一個(gè)大型的虛擬網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),研究者可以在Mininet的基礎(chǔ)上安裝合適的控制器,如NOX/POX,Trema,Ryu,Floodlight等就可以在該環(huán)境下進(jìn)行各項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)、驗(yàn)證,同時(shí)所有代碼幾乎可以無縫遷移到真實(shí)網(wǎng)絡(luò).

對(duì)于人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的建模與搭建,首先使用仿真軟件建立人工網(wǎng)絡(luò)模型(Mininet和Floodlight可以建立一個(gè)虛擬網(wǎng),并實(shí)現(xiàn)對(duì)拓?fù)涔芾怼⒃O(shè)備管理、路徑計(jì)算、Web訪問和管理等的控制),然后通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)仿真器增加模塊、擴(kuò)展功能(如功耗管理,接口管理,資源分配等),完善人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型,之后在增強(qiáng)后的網(wǎng)絡(luò)仿真器建立的人工網(wǎng)絡(luò)中,增加與之對(duì)應(yīng)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中特殊變量、模型(如針對(duì)該網(wǎng)絡(luò)區(qū)域所處位置干擾較強(qiáng)增加干擾參數(shù),針對(duì)不同時(shí)間段流量變化建立流量變動(dòng)模型等),從而逼近實(shí)際網(wǎng)絡(luò),實(shí)現(xiàn)對(duì)人工網(wǎng)絡(luò)模型的搭建.

在人工網(wǎng)絡(luò)模型建立過程中,首先根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況以及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,確定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)(節(jié)點(diǎn)位置、接口類型、功率大小等)及環(huán)境參數(shù)(涉及當(dāng)?shù)胤煞ㄒ?guī)、人為因素、自然環(huán)境因素等),使人工網(wǎng)絡(luò)盡可能地逼近實(shí)際網(wǎng)絡(luò).在此基礎(chǔ)之上,將網(wǎng)絡(luò)功能模塊化,各個(gè)模塊具備實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的某一項(xiàng)或幾項(xiàng)功能,模塊之間除了部分參數(shù)相關(guān)聯(lián)之外,其余部分都保持獨(dú)立,這樣不僅讓人工網(wǎng)絡(luò)逼近實(shí)際網(wǎng)絡(luò),而且其模塊化的特點(diǎn)也利于網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展和管理.觀察模塊用于觀察人工網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行狀況,包括功率、流量、路由等,這些參數(shù)可以用圖形化界面或數(shù)字顯示,同時(shí)存儲(chǔ)在日志表中,為對(duì)比、觀察、分析和優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能提供實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù).

2.2.3 計(jì)算實(shí)驗(yàn)

計(jì)算實(shí)驗(yàn)是通過對(duì)人工網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種“實(shí)驗(yàn)”,對(duì)網(wǎng)絡(luò)行為進(jìn)行分析和預(yù)測(cè),從而指導(dǎo)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行.因此,一個(gè)科學(xué)而完善的計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)至關(guān)重要.

計(jì)算實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)主要有:針對(duì)不同對(duì)象進(jìn)行多種預(yù)測(cè)/推測(cè)、在線/平行執(zhí)行、針對(duì)多重世界、構(gòu)成復(fù)雜多元、自底向上涌現(xiàn)生成的計(jì)算實(shí)驗(yàn)方法等.

一般來說,計(jì)算實(shí)驗(yàn)用于研究系統(tǒng)或過程的性能.這些系統(tǒng)或過程是由代理、物、方法以及其他源構(gòu)成,給系統(tǒng)或過程一個(gè)輸入,就會(huì)得到相應(yīng)的輸出結(jié)果.在計(jì)算實(shí)驗(yàn)中,系統(tǒng)自身的變量以及其他因素有些是可控的,有些是不可控的.計(jì)算實(shí)驗(yàn)需要確定哪些參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)最有影響；如何設(shè)置有影響的因素以使系統(tǒng)的響應(yīng)總是接近希望的水平,使系統(tǒng)的響應(yīng)變異性較小,以及使不可控因素的作用最小等.

平行網(wǎng)絡(luò)中的計(jì)算實(shí)驗(yàn)是指優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn),即快速、高效地確定影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件.優(yōu)化實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容十分豐富,可以分為以下幾種類型:1)按計(jì)算實(shí)驗(yàn)因素?cái)?shù)目的不同可以分為單因素優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn)、多因素優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn).單因素優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn)可以采用包括均分法、黃金分割法、對(duì)分法、斐波那契法等統(tǒng)稱為優(yōu)選法的多種方法；對(duì)于多因素優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn),首先需要確定計(jì)算實(shí)驗(yàn)因素?cái)?shù)目、取值范圍,并盡可能使這些因素可計(jì)量,然后采用諸如正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)、均勻設(shè)計(jì)等方法對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì).2)按計(jì)算實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡牟煌梢苑譃橹笜?biāo)水平優(yōu)化和穩(wěn)健型優(yōu)化計(jì)算實(shí)驗(yàn).指標(biāo)水平優(yōu)化以實(shí)驗(yàn)指標(biāo)最優(yōu)為目的,穩(wěn)健型優(yōu)化以減少實(shí)驗(yàn)指標(biāo)的波動(dòng)為目的.3)按計(jì)算實(shí)驗(yàn)過程的不同可以分為序貫計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)和整體計(jì)算實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì).序貫計(jì)算實(shí)驗(yàn)是從一個(gè)起始點(diǎn)出發(fā),根據(jù)前面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果決定后面的實(shí)驗(yàn)位置,使實(shí)驗(yàn)指標(biāo)不斷優(yōu)化,比如0.618法、二分法等.整體計(jì)算實(shí)驗(yàn)要求實(shí)驗(yàn)點(diǎn)能均勻地分布在全部可能的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)中,依據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定最優(yōu)實(shí)驗(yàn)條件,比如正交設(shè)計(jì)法和均勻設(shè)計(jì)法等.

2.2.4 平行執(zhí)行

通過實(shí)際網(wǎng)絡(luò),修正人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的模型,使其成為實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的“備用”網(wǎng)絡(luò).只有當(dāng)人工網(wǎng)絡(luò)足夠精確逼近實(shí)際網(wǎng)絡(luò)時(shí),通過對(duì)人工網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種統(tǒng)計(jì)計(jì)算實(shí)驗(yàn),來相應(yīng)調(diào)整實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理與控制策略,才具有實(shí)際意義.因此,實(shí)施真正意義上的平行執(zhí)行需要滿足平行執(zhí)行條件,包括:1)人工網(wǎng)絡(luò)模型精度滿足逼近的要求；2)人工系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性需要得到有效滿足.

圖4 平行執(zhí)行框圖

通過平行執(zhí)行,實(shí)際網(wǎng)絡(luò)能夠在資源有限的情況下保證業(yè)務(wù)的QoS,并為用戶終端提供更加優(yōu)質(zhì)的服務(wù).在小區(qū)中,用戶的移動(dòng)性導(dǎo)致話務(wù)量分布不均勻,再加上信道容易受到環(huán)境的干擾而起伏變化,使得當(dāng)前的資源管理和分配技術(shù)很難滿足實(shí)際需求.平行執(zhí)行能夠?qū)崟r(shí)反饋實(shí)際網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)給人工網(wǎng)絡(luò),在修正后的人工網(wǎng)絡(luò)上動(dòng)態(tài)調(diào)整和靈活分配網(wǎng)絡(luò)中的可用資源,提高網(wǎng)絡(luò)頻率資源利用率,保證用戶的業(yè)務(wù)需求,提升實(shí)際網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效率.

如圖4所示,通過平行執(zhí)行,修正實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)狀態(tài),從而調(diào)整優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源管理(功率控制、信道分配、調(diào)度、切換、接入控制、負(fù)載控制、端到端的QoS和自適應(yīng)編碼調(diào)制等),達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的目的.

3 平行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)需要綜合考慮計(jì)算資源、建造成本以及改進(jìn)性能3個(gè)方面.在平行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中,首要考慮的有兩點(diǎn):一是網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)是采用集中式設(shè)計(jì)還是分布式設(shè)計(jì),二是網(wǎng)絡(luò)的控制集中到何種程度或采用何種方式分布.開展面向未來網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的服務(wù)需求、技術(shù)需求、頻譜需求、用戶體驗(yàn)以及無線業(yè)務(wù)特征和商業(yè)發(fā)展模式的研究,將有助于從宏觀上把握技術(shù)應(yīng)用的動(dòng)向和對(duì)整個(gè)系統(tǒng)各個(gè)層面的需求,從而最終設(shè)計(jì)出符合未來發(fā)展要求的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),按需實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的靈活構(gòu)建和功能配置.

平行網(wǎng)絡(luò)中心控制的特點(diǎn)使得網(wǎng)絡(luò)控制中心可以觀測(cè)和分析網(wǎng)絡(luò)全局運(yùn)行狀態(tài),實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)優(yōu)化,并提供網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展部署、安全保障、性能分析和檢測(cè)等手段；同時(shí),平行網(wǎng)絡(luò)的控制器可以分布在網(wǎng)絡(luò)的不同層級(jí),并且控制器之間相互協(xié)作,從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)不同層級(jí)之間的協(xié)作和優(yōu)化.

圖5 平行網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用

平行網(wǎng)絡(luò)能力開放化的特點(diǎn),使得網(wǎng)絡(luò)能力虛擬化、服務(wù)化,網(wǎng)絡(luò)不再是設(shè)備供應(yīng)商,而轉(zhuǎn)變?yōu)榉?wù)供應(yīng)商,平行網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步的拓展.通過實(shí)際網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與人工網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的交互運(yùn)行和過程演繹,能以最短的時(shí)間得到最佳的優(yōu)化方案.平行網(wǎng)絡(luò)的思想可用于任何現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)及下一代網(wǎng)絡(luò)中,從而更有效地優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀態(tài),滿足不同用戶的網(wǎng)絡(luò)需求.

如圖5所示,對(duì)于網(wǎng)絡(luò)本身,平行網(wǎng)絡(luò)具有接入控制與承載分離,接入集中控制與管理,無線網(wǎng)絡(luò)虛擬化,可編程和靈活性等特點(diǎn).除此之外,作為一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),其提供的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)對(duì)于云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、智慧城市等技術(shù)和項(xiàng)目的發(fā)展也具有促進(jìn)和支撐作用.

4 總結(jié)和展望

本文通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀的研究分析及對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的調(diào)研,結(jié)合平行系統(tǒng)理論,提出了新一代網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)—平行網(wǎng)絡(luò).平行網(wǎng)絡(luò)主要由人工網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算實(shí)驗(yàn)和平行執(zhí)行3部分組成.通過人工網(wǎng)絡(luò)與實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的平行互動(dòng),平行網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的自動(dòng)化配置和對(duì)網(wǎng)絡(luò)流量及網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行實(shí)時(shí)操控與調(diào)度,提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行性能.

目前平行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的研究還處于初始階段,其理論與應(yīng)用還有待完備的算法、工具、系統(tǒng)和平臺(tái)的建立和使用,涉及多學(xué)科、跨學(xué)科的綜合交叉融合,因此,需要更多的研究人員投入更多的時(shí)間和精力才能將其由理論推向?qū)嶋H.