典型网络体系结构的比较分析

    作者：曹蓟光

    对现有互联网、电信网的网络体系结构及目前已经提出或试验的新型的网络体系结构，从需求变化、设计理念、结构模型、功能分布、传输模式、编址与命名、寻址与路由、服务质量保证方式、网络安全性、可运营可治理能力、业务支撑能力及其对应的商业模式等方面进行比较分析，从而明确这些网络体系结构的主要特征和根本区别，为未来网络体系结构的研究打下基础。

    1、互联网的体系结构

    （1）需求变化：互联网最早是为了军事和科研而产生的，其目的是在传输链路不可靠的情况下，通过网络的自组织特性（后来的路由协议），实现网络的端到端可达，从而支持文件传输等非盈利性应用。现在互联网体系结构形成时的技术条件和应用需求已经发生了很大变化。最初的互联网设计出现在30年以前，那时个人电脑和局域网络尚未出现，光纤技术也尚在实验室内，跨国的商用链路只有50kbit/s，用户是少数精英，而且只能使用文本界面。如今终端智能越来越高、应用面向普通大众、传输链路已经达到T级，而且接入手段多样。技术条件和应用需求的变化势必要求互联网的体系结构也相应进行调整，但是遗憾的是，互联网的体系结构自从确立到现在没有发生根本性的变化，针对出现的不同需求，采用了渐进性的修补策略，一些功能和技术在原有体系结构上进行堆积，从而使得原本十分简洁清楚的网络结构变得越来越复杂，尤其是在NAT等MIDDLEBOX技术、ipv4/6技术出现以后，在对服务质量、网络安全、可运营可治理等方面的需求不断迫切的情况下，传统互联网的网络结构也面临深度调整甚至变革的问题。

    （2）结构模型：传统互联网在网络结构方面采用“云图模型”，网络简单的分为核心和边缘。整个网络是扁平的，所有网元基本处于同一层次。这种模式对于网络的扩展性和灵活性有很大好处，但是同时也带来了一些问题，如网络功能的增加需要所有网元的配合，这在最早的路由协议实现中得到反应，路由协议的升级需要所有路由器均要同时升级，而这在一个扁平化的网络中是不现实的。针对这些问题，后来提出了网络区域的概念，通过划分区域实现内部路由协议和外部路由协议的区别，从而使得不同区域的路由协议可以分别升级，减少了网络之间的耦合性。

    （3）功能分布：互联网采用了“层次化”的功能模型，通过功能层次的划分来实现功能的聚集和模块化，上下层之间通过标准定义的服务接口来实现服务和被服务的关系。这种层次化的模型简化了网络设计，同时也给网络实现提供了较大的自由度，只要保证功能接口不变，层次内、模块内的功能可以自由调整。

    （4）传输模式：互联网采用了分组交换方式，分组交换方式可以很好地支持多路统计复用，提高网络带宽的利用率。在互联网中采用的是不定长的分组，这在提供了业务数据封装的灵活性和封装效率的同时也给网元对分组的处理增加了难度，使得一些功能不能通过硬件来实现。

    （5）编址与命名：互联网中网元是采用全局命名规则的（当然其中保留了私有地址空间），这是实现网络端到端透明性的基本需求。另外，互联网中网络标识和身份标识是合一的，即IP地址既表示网络位置也表示用户在网络中身份，这种限定性使得互联网对于移动性支持能力先天不足，尽管目前出现了一些解决移动性的方案，如MobileIP和动态DNS等，但是实现起来难度较大，这种实现的不便是由互联网的编址与命名方式所决定的。

    （6）寻址与路由：互联网的寻址和路由方式是和网络的扁平化、编址的全局化和网络的自组织性来决定的。由于在路由协议设计之处，网络传输链路是不可靠的，因此要求网络能够在出现局部故障的时候，智能的发现新的通路实现网络的可达性，从而使得网络表现出自组织的智能。这种网络自组织特性对寻址性能是有影响的。现在网络环境已经发生了很大变化，传输链路的故障率很低，网络通路自组织特性和寻路性能之间需要权衡。在未来网络中是否采用这种全局寻址、通路自组织技术是值得深入研究的，而寻址和路由方式是决定未来网络体系结构的核心要素之一。

    （7）服务质量保证方式：传统互联网是不提供服务质量保证的，或者说只提供“尽力而为”的服务质量保证方式。由于目前一些实时性业务的开展对互联网服务质量提出更高的要求，因此在互联网上实现服务质量保证是非常困难的，这是由互联网对业务数据的“无记忆传输”特性所决定的，传统互联网希望网络中保存的状态越少越好，网络逻辑越简单越好，业务数据是透明传输的，网络基本不保存和业务数据相关的信息（路由信息除外）。互联网服务质量保证的实现需要对互联网的核心理念进行修改、究竟怎样修改、如何保证后向兼容性和互联网的简单特性、如何在简单性和服务质量保证之间找到平衡点等问题均是未来网络体系结构中的研究重点。

    （8）网络安全性：网络的端到端透明原则是互联网的核心理念之一。网络终端可以访问网络中的任何一个网元或者其它网络终端，这种特性对于保证互联网的通达性有着重要的作用，但是对于网络安全有较大影响。网络安全性应该在体系结构层面进行保证，是体系结构的重要内容。

    （9）可治理能力：由于互联网是自组织性很强的网络，每个网元只需完成存储转发功能，一般来讲。对于网络其它部分的状况是不关心的。因此用于互联网的路由器和交换机的网络治理系统基本上是“各自为战”的，是网元级别的，并不是网络级的。这给网络的运行和维护带来不便。在未来网络中，要能够提供对网络所有设备的统一治理，不但包括网元级治理，而且包括网络级治理和业务层面的治理。

    （10）业务支撑能力：由于在互联网中采用了分层结构，网络和业务是分离的，即利用同一个IP网络可以支持多种业务，这是IP技术受到青睐并被普遍认为是下一代网络基础协议的重要原因。但是正如前面所分析的那样，由于IP技术最早是在互联网环境中产生并为其服务的，因此其在服务质量、安全、可治理性等方面存在着许多不足，也导致了其在为业务提供的不同网络环境方面还存在较大的局限性。未来网络应该为业务提供在服务质量、安全等方面有差异性的网络环境，从而提供各种个性化应用。

    （11）对应的商业模式：互联网中由于IP网络的端到端透明性、网络与业务的分离，业务智能主要在网络终端上实现。用户可以自主完成整个业务逻辑，而不需要运营商的参与，这样运营商只能通过提供传输通道等“低级工作”来获取少量利润，没有对业务的控制能力也就不能实现一些高附加值的业务，难以形成合理的盈利模式，最终会阻碍互联网的发展。目前，互联网持续发展的资金来源问题正普遍受到各方的关注，因此探索新型的、良性的业务运营模式是一个十分紧迫的研究课题。

    2、电信网的体系结构

    （1）需求变化：传统电信网络只有话音业务的需求，因此网络结构是按照电话业务的需求而专门设计的。随着数据业务的出现和增长。在电信网络中出现了许多种分组交换技术，如X.25、帧中继、ATM等，这些技术各有特点和应用局限性，目前IP技术在电信网络中的应用范围越来越广，一时间“电信网络的IP化”成为了流行的口号。目前，越来越多的专家熟悉到IP技术在电信网络中的应用在带来诸多好处的同时，也由于IP技术的固有问题，如服务质量、安全、可治理性、移动性等，使得电信网络在应用IP技术后碰到了许多困难。一种利用传统电信网络理念来改造IP技术的呼声正逐步受到重视。越来越多的技术人员认为假如未来在电信网络中应用的分组交换技术是IP技术的话，其也一定不是现在技术水平上的IP技术，而是洗尽互联网铅华以后的、经过电信网理念改造的、更适应电信网络业务需求的IP技术。

    （2）结构模型：传统电信网采用的是“树状模型”，传统电信网络是严格分层的，网络不是扁平化的，处于不同层次的网元在网络中的功能和作用有较大差别。传统电话网中分为C1-C5局，这些局之间是层次关系。

    （3）功能分布：传统电话网络中业务和网络是不分开的，但是随着数据业务的开展，尤其随着IP技术在电信网络中的应用，电信网中网络与业务的分离趋势明显。业务和网络的分离在带来诸多好处的同时。也增加了运营商对业务的控制难度，而运营商正是通过对业务的控制来获得增值利润的。

    （4）传输模式：传统电信网中采用的电路交换技术，随着数据业务的开展，在现有电信网络中电路交换和分组交换技术并存，可以理解为一个正处于过渡时期的网络。在各个过渡时期，电路交换技术和分组交换技术的并存有两种方式，一是一些业务利用电路交换、另一些业务利用分组交换，两者是不交叉的；另一种方式是在网络边缘利用分组交换技术，充分发挥分组交换统计复用的高性能，而在网络核心利用电路交换技术，实现大颗粒数据的时分复用，保证骨干网的性能和传输效率。

    （5）编址与命名：采用层次化编码方式（E.164）。

    （6）寻址与路由：传统电信网络中寻址和路由基本是静态的，而且是局部的。在交换机上配好数据以后，不同层次的交换机只需看不同位置的电话号码进行链路建立即可。而不需要动态建立路由数据和全局路由，即寻址只需要在同一网络层次中进行，并不需要全程搜索，寻址具有局部特性。

    （7）服务质量保证方式：传统电信网络中电话是主要的应用，而电话是基于电路交换的，在通话之前要通过信令建立一条专用的虚拟电路，只要电路能够建立起来，在电话过程中电话的服务质量均是有保证的。

    （8）网络安全性：在传统电信网络中的用户终端只能在运营商的控制下访问其它用户终端，而不能对运营商网络中的任意网元（程控交换机）进行访问，即在传统电信网络中存在UNI，NNI和SNI接口的区别，用户只能看到UNI接口，而NNI接口以上部分，尤其是SNI接口以上的部分，完全由运营商来控制。也正是利用这一点，运营商实现了对用户的控制，也可以保证网络的安全性。

    （9）可治理能力：传统电信网络中，未来提高对网络的治理能力，在网络治理方面不但包括网元治理，而且包括网络治理，甚至包括业务层的治理。

    （10）业务支撑能力：由于传统电信网络是针对电话业务而设计并优化的，其对其它业务的支持能力较弱，因此为了支持新业务，在初期基本采用了一个业务一个网的建设模式，但是随着业务种类的增加，这种方式的弊端（治理难度、维护难度、建设成本等）很快暴露出来，最理想的方式是利用一个网络来承载所有业务，这样不但可以节约建设成本，而且在治理维护方面也会带来一些好处，因此从上世纪八十年代开始人们向着这个目标开始了长期而艰辛的探索。ISDN，B-ISDN，FR，ATM等技术纷纷登场，又很快消落，直到在互联网领域取得成功应用的IP技术走入电信网以后，一些乐观的专家认为终于找到了合适的技术，但是随着IP技术在电信网络中的快速渗透，IP技术也暴露出了许多问题，因此人们在关注IP技术的同时，也在不停地反思IP技术究竟是不是电信网络所需要的终极技术。

    （11）对应的商业模式：传统电信网络中运营商对用户的接入和用户所能使用的业务进行完全控制，用户完全依靠运营商来满足业务需求，因此运营商可以通过对用户的控制来提供各种业务，并获取附加利润，其商业模式是成熟的，也被证实是成功的。

    3、FARA的体系结构

    （1）设计理念：FARA网络体系结构是MIT（美国麻省理工）与其它技术机构合作的研究成果，旨在采用自顶向下的方法，从需求出发，提出一种更适合未来业务与应用的网络体系结构。FARA是针对下一代互联网而设计的，并没有考虑下一代电信网（承载网）的需求，在设计时没有着重考虑对现有IP网络的兼容性问题。FARA模型还在逐步完善之中，这种研究思路代表了互联网发展的重要方向之一。

    （2）结构模型：FARA支持互联网拓扑是分层的，这种分层不同于现有互联网只是简单的包含骨干网络和接入网，而是包括更为严格的层次结构。

    （3）功能分布：坚持网络协议栈分层模型，层与层之间、不同功能模块之间的依靠性要最小化。

    （4）传输模式：坚持分组交换，分组是可变长的；坚持网络端到端透明性原则；支持对多种异构底层网络的支持（兼容）。

    （5）编址与命名：采用层次化的编址与命名体系，全局编址与命名（GlobalAddressing）。

    （6）寻址与路由：支持局部路由方式、支持移动性。

    （7）服务质量保证方式：坚持采用面向无连接的技术。

    （8）可运营可治理能力：网路的控制与治理是分布的。

    （9）业务支撑能力：支持多种业务，成为公共承载网络。

    4、3TNet的体系结构

    3TNet是国家“八六三”计划信息领域重大专项，主要面向流媒体业务等高带宽需求应用。

    3TNet的网络拓扑遵循分层拓扑结构，采用电路和分组混合的交换体制，主要包括T比特级核心层和G比特级边缘层。核心层是由T比特级的自动交换光网络和T比特级的路由器组成的支持双模双协议栈（IPv4/6）的骨干传输层，边缘层是由G比特级的光传送网络和G比特级的路由器组成的边缘汇接传输层。

    3TNet提出了一种新的网络拓扑架构，大大提高了互联网络的性能，对流媒体、VoIP等多媒体业务能够很好地支持。但是它基本没有对现有的网络协议体系结构作根本性改变，因此并没有解决移动、安全、可信等突出问题。

    5、MP的体系结构

    MP（MedianetPRotocol）是流媒体宽带网络的协议，是流媒体网络的基础技术，是包含流媒体信息传输、储存和处理的相对完整的技术体系。媒体网（Medianet）是一个定位为提供多媒体服务的下一代网络的平台，其核心是视频流媒体加上宽带网络。

    （1）分组交换模式：在ISO的网络协议栈模型中，MP技术主要工作在第二层，即数据链路层。分组交换技术在网络统计复用方面的高性能MP技术本质上依然属于分组交换技术，与IP技术（和以太网技术）、ATM技术等主要分组交换技术不同的是：MP技术中的分组（包）只包含三个固定长度，分别对应不同的业务数据的封装需求，而IP技术的帧长是可变长的，这种变长包在提高了网络的业务数据承载效率和提高封装灵活性的同时，也给网元的处理带来了难度，尤其是对于分组的硬件处理实现带来不便，影响了分组处理效率的提高。而ATM中的信元是固定长度的（只有53个字节），这种单一长度的分组便于分组的硬件实现，也在一定程度上影响了业务数据封装的灵活性和效率。MP技术中的三种固定长度的分组是对以太网分组和ATM信元的优点的结合。

    （2）面向无连接为主，连接为辅：MP是面向无连接的异步分组技术，可以理解成是一种经过优化的以太网技术。之所以MP技术选用无连接方式工作，是由视频流媒体业务数据的特性所决定的，流媒体对于网络时延和时延变化较为敏感，但是能够容忍一定的网络损伤（如丢包率等）。面向连接的重传机制对于实时性很强的流媒体业务来讲是无效的、也是没有必要的、甚至是灾难性的，但是面向连接对于信令流是十分必要的。

    （3）包结构：MP网络考虑到和广泛使用的以太网技术的兼容，采用了和以太网帧相同的帧结构，只是对于以太网帧中的比特位进行了重新的命名并赋予了不同和含义。MP分组的地址部分由4个参数组成，共计14BYTE：网络目标地址（DA：6BYTE）、网络源地址（SA：6BYTE）、用户子网目标地址（HAD：1BYTE）、用户子网源地址（HSD：1BYTE）。其中，DA和SA实现骨干网和接入网的寻址，HDA和HAS实现多种媒体流的区分和用户子网的寻址。

    （4）层次化的编址体系：MP技术采用了有序化结构的地址体系，MP地址不仅具备惟一性，同时具备可定位和可定性功能，如同个人身份证号码一样，隐含了该用户端口的地理位置、设备性质、服务权限等其它特征。MP交换机可以根据这些特征规定分组的行为规则，不同性质的数据分组实现骨干网细分、接入网融合的MP网络结构模式。

    （5）有序化的寻址方式：MP采用了类似于E.164地址寻址方式的层次化寻址方式，由于MP地址中定义了明确的网络层次，因此寻址只需要在同一层次中进行。即寻址具有局部特性，并不需要全程搜索。MP采用了局部地址路由算法，可将每一层交换机的寻址范围限定在局部空间之内，使得MP交换机无需存储路由表，无需实时计算路由。提高了交换机的处理效率、降低了交换机的复杂度。MP网络的各个层次均可以成为一个自治域，MP网络的建立、调整和路由选择在每个自治域中独立实现，因此无论哪个层次的自治域中网络结构的改变，均不会影响上下以及其它自治域的正常运行。这种分层自治结构确保了在不增加复杂度的前提下将网络规模进行扩大。

    （6）流量猜测和离线路由算法：由于MP技术的处理对象是数据流量稳定的流媒体，因此可以对MP业务流量进行猜测和资源预留，这种资源预留要求网络中的网元（MP交换机）要保存每个流的状态信息，由于流的带宽是固定的，因此MP交换机所保存的状态信息是有限的。

    （7）带内信令（随路信令）：MP分组中包含了长数据包、短数据包和信令包，即信令包与其它数据包用同一逻辑网络来承载，这样既省去了同步系统，又省去了独立的信令系统。

    6、结束语

    通过对上述网络的体系结构的比较可以发现，这些网络体系结构在面对目前的应用需求时，都存在着一些问题，对这些问题的反思对于未来网络体系结构的研究有着重要意义，是研究的出发点。

    （1）在安全性方面（安全）

    通常认为传统电信网络是安全的，因为电信的网络层次和网络区域是严格定义的，用户只能看到UNI接口，而NNI和SNI以上的网络和应用用户是不能直接访问的。在互联网缺乏一个系统的安全体系结构，在TCP/IP底层协议没有完善的内置安全机制，现有的安全技术都是以修修补补的形式增加进来的，因此难免会出现安全漏洞、功能重叠、实现复杂等各种问题。

    （2）在移动性方面（泛在）

    泛在要求网络能给用户提供无时不在、无处不在、无所不有的综合服务。由于最初的TCP/IP协议体系是面向固定位置的主机而设计的，IP地址被赋予双重功能。一是表示主机所处的位置，用于网络层路由；二是标识主机本身，用于建立传输层的连接。这种功能耦合导致无法支持主机和IP地址的动态绑定，进而无法很好地解决主机的移动问题。传统电信网络的体系结构形成时，移动通信需求还不是十分强烈，因此其体系结构中未考虑终端的移动性。移动性是后来才补充到电信网络中的。

    （3）在网络性能方面（性能）

    在目前的互联网协议体系结构中，网络性能和服务质量保证是一个难题。互联网本质上提供的是一种“尽力而为”的无连接的服务。由于传统电信网络是有信令存在的，是面向连接的，两端在通信之前已经建立好了通道（虚电路），并且已经进行了资源预留，因此只要通过接纳控制的通信要求均能在后续通信中对其服务质量进行保证。

    （4）在可管和可控方面（可管、可控）

    互联网的核心理念之一是对于数据进行无记忆传送，在网络中尽量不保存或少保存状态信息，从而保证网络设备的简单和高效。这种理念使得网元中缺少用于治理的必要信息，使得治理员无法高效对网络进行治理和控制。电信网络中是十分注重网络的可治理性的，在其体系结构中已经包含了对网络和业务状态信息的搜集和治理，并且在行业内也已经制订并形成了系统的网络治理体系，因此一般认为电信网络的体系结构在网络治理性方面并不存在欠缺。

    （5）在可信性方面（可信）

    互联网的开放和匿名特征使得互联网的可信任性一直无法保证。电信网中由于有严格的区域划分，存在UNI，NNI，SNI接口，同一运营商NNI以上部分均认为是可信任的，不同运营商之间的网络通常也认为是可信任的，因此一般认为，传统电信网络的网络体系结构在可信任机制方面是不存在缺陷的。