作者：曹薊光

    對現有互聯網、電信網的網絡體系結構及目前已經提出或試驗的新型的網絡體系結構，從需求變化、設計理念、結構模型、功能分布、傳輸模式、編址與命名、尋址與路由、服務質量保證方式、網絡安全性、可運營可治理能力、業務支撐能力及其對應的商業模式等方面進行比較分析，從而明確這些網絡體系結構的主要特征和根本區別，為未來網絡體系結構的研究打下基礎。

    1、互聯網的體系結構

    （1）需求變化：互聯網最早是為了軍事和科研而產生的，其目的是在傳輸鏈路不可靠的情況下，通過網絡的自組織特性（后來的路由協議），實現網絡的端到端可達，從而支持文件傳輸等非盈利性應用。現在互聯網體系結構形成時的技術條件和應用需求已經發生了很大變化。最初的互聯網設計出現在30年以前，那時個人電腦和局域網絡尚未出現，光纖技術也尚在實驗室內，跨國的商用鏈路只有50kbit/s，用戶是少數精英，而且只能使用文本界面。如今終端智能越來越高、應用面向普通大眾、傳輸鏈路已經達到T級，而且接入手段多樣。技術條件和應用需求的變化勢必要求互聯網的體系結構也相應進行調整，但是遺憾的是，互聯網的體系結構自從確立到現在沒有發生根本性的變化，針對出現的不同需求，采用了漸進性的修補策略，一些功能和技術在原有體系結構上進行堆積，從而使得原本十分簡潔清楚的網絡結構變得越來越復雜，尤其是在NAT等MIDDLEBOX技術、ipv4/6技術出現以后，在對服務質量、網絡安全、可運營可治理等方面的需求不斷迫切的情況下，傳統互聯網的網絡結構也面臨深度調整甚至變革的問題。

    （2）結構模型：傳統互聯網在網絡結構方面采用“云圖模型”，網絡簡單的分為核心和邊緣。整個網絡是扁平的，所有網元基本處于同一層次。這種模式對于網絡的擴展性和靈活性有很大好處，但是同時也帶來了一些問題，如網絡功能的增加需要所有網元的配合，這在最早的路由協議實現中得到反應，路由協議的升級需要所有路由器均要同時升級，而這在一個扁平化的網絡中是不現實的。針對這些問題，后來提出了網絡區域的概念，通過劃分區域實現內部路由協議和外部路由協議的區別，從而使得不同區域的路由協議可以分別升級，減少了網絡之間的耦合性。

    （3）功能分布：互聯網采用了“層次化”的功能模型，通過功能層次的劃分來實現功能的聚集和模塊化，上下層之間通過標準定義的服務接口來實現服務和被服務的關系。這種層次化的模型簡化了網絡設計，同時也給網絡實現提供了較大的自由度，只要保證功能接口不變，層次內、模塊內的功能可以自由調整。

    （4）傳輸模式：互聯網采用了分組交換方式，分組交換方式可以很好地支持多路統計復用，提高網絡帶寬的利用率。在互聯網中采用的是不定長的分組，這在提供了業務數據封裝的靈活性和封裝效率的同時也給網元對分組的處理增加了難度，使得一些功能不能通過硬件來實現。

    （5）編址與命名：互聯網中網元是采用全局命名規則的（當然其中保留了私有地址空間），這是實現網絡端到端透明性的基本需求。另外，互聯網中網絡標識和身份標識是合一的，即IP地址既表示網絡位置也表示用戶在網絡中身份，這種限定性使得互聯網對于移動性支持能力先天不足，盡管目前出現了一些解決移動性的方案，如MobileIP和動態DNS等，但是實現起來難度較大，這種實現的不便是由互聯網的編址與命名方式所決定的。

    （6）尋址與路由：互聯網的尋址和路由方式是和網絡的扁平化、編址的全局化和網絡的自組織性來決定的。由于在路由協議設計之處，網絡傳輸鏈路是不可靠的，因此要求網絡能夠在出現局部故障的時候，智能的發現新的通路實現網絡的可達性，從而使得網絡表現出自組織的智能。這種網絡自組織特性對尋址性能是有影響的。現在網絡環境已經發生了很大變化，傳輸鏈路的故障率很低，網絡通路自組織特性和尋路性能之間需要權衡。在未來網絡中是否采用這種全局尋址、通路自組織技術是值得深入研究的，而尋址和路由方式是決定未來網絡體系結構的核心要素之一。

    （7）服務質量保證方式：傳統互聯網是不提供服務質量保證的，或者說只提供“盡力而為”的服務質量保證方式。由于目前一些實時性業務的開展對互聯網服務質量提出更高的要求，因此在互聯網上實現服務質量保證是非常困難的，這是由互聯網對業務數據的“無記憶傳輸”特性所決定的，傳統互聯網希望網絡中保存的狀態越少越好，網絡邏輯越簡單越好，業務數據是透明傳輸的，網絡基本不保存和業務數據相關的信息（路由信息除外）。互聯網服務質量保證的實現需要對互聯網的核心理念進行修改、究竟怎樣修改、如何保證后向兼容性和互聯網的簡單特性、如何在簡單性和服務質量保證之間找到平衡點等問題均是未來網絡體系結構中的研究重點。

    （8）網絡安全性：網絡的端到端透明原則是互聯網的核心理念之一。網絡終端可以訪問網絡中的任何一個網元或者其它網絡終端，這種特性對于保證互聯網的通達性有著重要的作用，但是對于網絡安全有較大影響。網絡安全性應該在體系結構層面進行保證，是體系結構的重要內容。

    （9）可治理能力：由于互聯網是自組織性很強的網絡，每個網元只需完成存儲轉發功能，一般來講。對于網絡其它部分的狀況是不關心的。因此用于互聯網的路由器和交換機的網絡治理系統基本上是“各自為戰”的，是網元級別的，并不是網絡級的。這給網絡的運行和維護帶來不便。在未來網絡中，要能夠提供對網絡所有設備的統一治理，不但包括網元級治理，而且包括網絡級治理和業務層面的治理。

    （10）業務支撐能力：由于在互聯網中采用了分層結構，網絡和業務是分離的，即利用同一個IP網絡可以支持多種業務，這是IP技術受到青睞并被普遍認為是下一代網絡基礎協議的重要原因。但是正如前面所分析的那樣，由于IP技術最早是在互聯網環境中產生并為其服務的，因此其在服務質量、安全、可治理性等方面存在著許多不足，也導致了其在為業務提供的不同網絡環境方面還存在較大的局限性。未來網絡應該為業務提供在服務質量、安全等方面有差異性的網絡環境，從而提供各種個性化應用。

    （11）對應的商業模式：互聯網中由于IP網絡的端到端透明性、網絡與業務的分離，業務智能主要在網絡終端上實現。用戶可以自主完成整個業務邏輯，而不需要運營商的參與，這樣運營商只能通過提供傳輸通道等“低級工作”來獲取少量利潤，沒有對業務的控制能力也就不能實現一些高附加值的業務，難以形成合理的盈利模式，最終會阻礙互聯網的發展。目前，互聯網持續發展的資金來源問題正普遍受到各方的關注，因此探索新型的、良性的業務運營模式是一個十分緊迫的研究課題。

    2、電信網的體系結構

    （1）需求變化：傳統電信網絡只有話音業務的需求，因此網絡結構是按照電話業務的需求而專門設計的。隨著數據業務的出現和增長。在電信網絡中出現了許多種分組交換技術，如X.25、幀中繼、ATM等，這些技術各有特點和應用局限性，目前IP技術在電信網絡中的應用范圍越來越廣，一時間“電信網絡的IP化”成為了流行的口號。目前，越來越多的專家熟悉到IP技術在電信網絡中的應用在帶來諸多好處的同時，也由于IP技術的固有問題，如服務質量、安全、可治理性、移動性等，使得電信網絡在應用IP技術后碰到了許多困難。一種利用傳統電信網絡理念來改造IP技術的呼聲正逐步受到重視。越來越多的技術人員認為假如未來在電信網絡中應用的分組交換技術是IP技術的話，其也一定不是現在技術水平上的IP技術，而是洗盡互聯網鉛華以后的、經過電信網理念改造的、更適應電信網絡業務需求的IP技術。

    （2）結構模型：傳統電信網采用的是“樹狀模型”，傳統電信網絡是嚴格分層的，網絡不是扁平化的，處于不同層次的網元在網絡中的功能和作用有較大差別。傳統電話網中分為C1-C5局，這些局之間是層次關系。

    （3）功能分布：傳統電話網絡中業務和網絡是不分開的，但是隨著數據業務的開展，尤其隨著IP技術在電信網絡中的應用，電信網中網絡與業務的分離趨勢明顯。業務和網絡的分離在帶來諸多好處的同時。也增加了運營商對業務的控制難度，而運營商正是通過對業務的控制來獲得增值利潤的。

    （4）傳輸模式：傳統電信網中采用的電路交換技術，隨著數據業務的開展，在現有電信網絡中電路交換和分組交換技術并存，可以理解為一個正處于過渡時期的網絡。在各個過渡時期，電路交換技術和分組交換技術的并存有兩種方式，一是一些業務利用電路交換、另一些業務利用分組交換，兩者是不交叉的；另一種方式是在網絡邊緣利用分組交換技術，充分發揮分組交換統計復用的高性能，而在網絡核心利用電路交換技術，實現大顆粒數據的時分復用，保證骨干網的性能和傳輸效率。

    （5）編址與命名：采用層次化編碼方式（E.164）。

    （6）尋址與路由：傳統電信網絡中尋址和路由基本是靜態的，而且是局部的。在交換機上配好數據以后，不同層次的交換機只需看不同位置的電話號碼進行鏈路建立即可。而不需要動態建立路由數據和全局路由，即尋址只需要在同一網絡層次中進行，并不需要全程搜索，尋址具有局部特性。

    （7）服務質量保證方式：傳統電信網絡中電話是主要的應用，而電話是基于電路交換的，在通話之前要通過信令建立一條專用的虛擬電路，只要電路能夠建立起來，在電話過程中電話的服務質量均是有保證的。

    （8）網絡安全性：在傳統電信網絡中的用戶終端只能在運營商的控制下訪問其它用戶終端，而不能對運營商網絡中的任意網元（程控交換機）進行訪問，即在傳統電信網絡中存在UNI，NNI和SNI接口的區別，用戶只能看到UNI接口，而NNI接口以上部分，尤其是SNI接口以上的部分，完全由運營商來控制。也正是利用這一點，運營商實現了對用戶的控制，也可以保證網絡的安全性。

    （9）可治理能力：傳統電信網絡中，未來提高對網絡的治理能力，在網絡治理方面不但包括網元治理，而且包括網絡治理，甚至包括業務層的治理。

    （10）業務支撐能力：由于傳統電信網絡是針對電話業務而設計并優化的，其對其它業務的支持能力較弱，因此為了支持新業務，在初期基本采用了一個業務一個網的建設模式，但是隨著業務種類的增加，這種方式的弊端（治理難度、維護難度、建設成本等）很快暴露出來，最理想的方式是利用一個網絡來承載所有業務，這樣不但可以節約建設成本，而且在治理維護方面也會帶來一些好處，因此從上世紀八十年代開始人們向著這個目標開始了長期而艱辛的探索。ISDN，B-ISDN，FR，ATM等技術紛紛登場，又很快消落，直到在互聯網領域取得成功應用的IP技術走入電信網以后，一些樂觀的專家認為終于找到了合適的技術，但是隨著IP技術在電信網絡中的快速滲透，IP技術也暴露出了許多問題，因此人們在關注IP技術的同時，也在不停地反思IP技術究竟是不是電信網絡所需要的終極技術。

    （11）對應的商業模式：傳統電信網絡中運營商對用戶的接入和用戶所能使用的業務進行完全控制，用戶完全依靠運營商來滿足業務需求，因此運營商可以通過對用戶的控制來提供各種業務，并獲取附加利潤，其商業模式是成熟的，也被證實是成功的。

    3、FARA的體系結構

    （1）設計理念：FARA網絡體系結構是MIT（美國麻省理工）與其它技術機構合作的研究成果，旨在采用自頂向下的方法，從需求出發，提出一種更適合未來業務與應用的網絡體系結構。FARA是針對下一代互聯網而設計的，并沒有考慮下一代電信網（承載網）的需求，在設計時沒有著重考慮對現有IP網絡的兼容性問題。FARA模型還在逐步完善之中，這種研究思路代表了互聯網發展的重要方向之一。

    （2）結構模型：FARA支持互聯網拓撲是分層的，這種分層不同于現有互聯網只是簡單的包含骨干網絡和接入網，而是包括更為嚴格的層次結構。

    （3）功能分布：堅持網絡協議棧分層模型，層與層之間、不同功能模塊之間的依靠性要最小化。

    （4）傳輸模式：堅持分組交換，分組是可變長的；堅持網絡端到端透明性原則；支持對多種異構底層網絡的支持（兼容）。

    （5）編址與命名：采用層次化的編址與命名體系，全局編址與命名（GlobalAddressing）。

    （6）尋址與路由：支持局部路由方式、支持移動性。

    （7）服務質量保證方式：堅持采用面向無連接的技術。

    （8）可運營可治理能力：網路的控制與治理是分布的。

    （9）業務支撐能力：支持多種業務，成為公共承載網絡。

    4、3TNet的體系結構

    3TNet是國家“八六三”計劃信息領域重大專項，主要面向流媒體業務等高帶寬需求應用。

    3TNet的網絡拓撲遵循分層拓撲結構，采用電路和分組混合的交換體制，主要包括T比特級核心層和G比特級邊緣層。核心層是由T比特級的自動交換光網絡和T比特級的路由器組成的支持雙模雙協議棧（IPv4/6）的骨干傳輸層，邊緣層是由G比特級的光傳送網絡和G比特級的路由器組成的邊緣匯接傳輸層。

    3TNet提出了一種新的網絡拓撲架構，大大提高了互聯網絡的性能，對流媒體、VoIP等多媒體業務能夠很好地支持。但是它基本沒有對現有的網絡協議體系結構作根本性改變，因此并沒有解決移動、安全、可信等突出問題。

    5、MP的體系結構

    MP（MedianetPRotocol）是流媒體寬帶網絡的協議，是流媒體網絡的基礎技術，是包含流媒體信息傳輸、儲存和處理的相對完整的技術體系。媒體網（Medianet）是一個定位為提供多媒體服務的下一代網絡的平臺，其核心是視頻流媒體加上寬帶網絡。

    （1）分組交換模式：在ISO的網絡協議棧模型中，MP技術主要工作在第二層，即數據鏈路層。分組交換技術在網絡統計復用方面的高性能MP技術本質上依然屬于分組交換技術，與IP技術（和以太網技術）、ATM技術等主要分組交換技術不同的是：MP技術中的分組（包）只包含三個固定長度，分別對應不同的業務數據的封裝需求，而IP技術的幀長是可變長的，這種變長包在提高了網絡的業務數據承載效率和提高封裝靈活性的同時，也給網元的處理帶來了難度，尤其是對于分組的硬件處理實現帶來不便，影響了分組處理效率的提高。而ATM中的信元是固定長度的（只有53個字節），這種單一長度的分組便于分組的硬件實現，也在一定程度上影響了業務數據封裝的靈活性和效率。MP技術中的三種固定長度的分組是對以太網分組和ATM信元的優點的結合。

    （2）面向無連接為主，連接為輔：MP是面向無連接的異步分組技術，可以理解成是一種經過優化的以太網技術。之所以MP技術選用無連接方式工作，是由視頻流媒體業務數據的特性所決定的，流媒體對于網絡時延和時延變化較為敏感，但是能夠容忍一定的網絡損傷（如丟包率等）。面向連接的重傳機制對于實時性很強的流媒體業務來講是無效的、也是沒有必要的、甚至是災難性的，但是面向連接對于信令流是十分必要的。

    （3）包結構：MP網絡考慮到和廣泛使用的以太網技術的兼容，采用了和以太網幀相同的幀結構，只是對于以太網幀中的比特位進行了重新的命名并賦予了不同和含義。MP分組的地址部分由4個參數組成，共計14BYTE：網絡目標地址（DA：6BYTE）、網絡源地址（SA：6BYTE）、用戶子網目標地址（HAD：1BYTE）、用戶子網源地址（HSD：1BYTE）。其中，DA和SA實現骨干網和接入網的尋址，HDA和HAS實現多種媒體流的區分和用戶子網的尋址。

    （4）層次化的編址體系：MP技術采用了有序化結構的地址體系，MP地址不僅具備惟一性，同時具備可定位和可定性功能，如同個人身份證號碼一樣，隱含了該用戶端口的地理位置、設備性質、服務權限等其它特征。MP交換機可以根據這些特征規定分組的行為規則，不同性質的數據分組實現骨干網細分、接入網融合的MP網絡結構模式。

    （5）有序化的尋址方式：MP采用了類似于E.164地址尋址方式的層次化尋址方式，由于MP地址中定義了明確的網絡層次，因此尋址只需要在同一層次中進行。即尋址具有局部特性，并不需要全程搜索。MP采用了局部地址路由算法，可將每一層交換機的尋址范圍限定在局部空間之內，使得MP交換機無需存儲路由表，無需實時計算路由。提高了交換機的處理效率、降低了交換機的復雜度。MP網絡的各個層次均可以成為一個自治域，MP網絡的建立、調整和路由選擇在每個自治域中獨立實現，因此無論哪個層次的自治域中網絡結構的改變，均不會影響上下以及其它自治域的正常運行。這種分層自治結構確保了在不增加復雜度的前提下將網絡規模進行擴大。

    （6）流量猜測和離線路由算法：由于MP技術的處理對象是數據流量穩定的流媒體，因此可以對MP業務流量進行猜測和資源預留，這種資源預留要求網絡中的網元（MP交換機）要保存每個流的狀態信息，由于流的帶寬是固定的，因此MP交換機所保存的狀態信息是有限的。

    （7）帶內信令（隨路信令）：MP分組中包含了長數據包、短數據包和信令包，即信令包與其它數據包用同一邏輯網絡來承載，這樣既省去了同步系統，又省去了獨立的信令系統。

    6、結束語

    通過對上述網絡的體系結構的比較可以發現，這些網絡體系結構在面對目前的應用需求時，都存在著一些問題，對這些問題的反思對于未來網絡體系結構的研究有著重要意義，是研究的出發點。

    （1）在安全性方面（安全）

    通常認為傳統電信網絡是安全的，因為電信的網絡層次和網絡區域是嚴格定義的，用戶只能看到UNI接口，而NNI和SNI以上的網絡和應用用戶是不能直接訪問的。在互聯網缺乏一個系統的安全體系結構，在TCP/IP底層協議沒有完善的內置安全機制，現有的安全技術都是以修修補補的形式增加進來的，因此難免會出現安全漏洞、功能重疊、實現復雜等各種問題。

    （2）在移動性方面（泛在）

    泛在要求網絡能給用戶提供無時不在、無處不在、無所不有的綜合服務。由于最初的TCP/IP協議體系是面向固定位置的主機而設計的，IP地址被賦予雙重功能。一是表示主機所處的位置，用于網絡層路由；二是標識主機本身，用于建立傳輸層的連接。這種功能耦合導致無法支持主機和IP地址的動態綁定，進而無法很好地解決主機的移動問題。傳統電信網絡的體系結構形成時，移動通信需求還不是十分強烈，因此其體系結構中未考慮終端的移動性。移動性是后來才補充到電信網絡中的。

    （3）在網絡性能方面（性能）

    在目前的互聯網協議體系結構中，網絡性能和服務質量保證是一個難題。互聯網本質上提供的是一種“盡力而為”的無連接的服務。由于傳統電信網絡是有信令存在的，是面向連接的，兩端在通信之前已經建立好了通道（虛電路），并且已經進行了資源預留，因此只要通過接納控制的通信要求均能在后續通信中對其服務質量進行保證。

    （4）在可管和可控方面（可管、可控）

    互聯網的核心理念之一是對于數據進行無記憶傳送，在網絡中盡量不保存或少保存狀態信息，從而保證網絡設備的簡單和高效。這種理念使得網元中缺少用于治理的必要信息，使得治理員無法高效對網絡進行治理和控制。電信網絡中是十分注重網絡的可治理性的，在其體系結構中已經包含了對網絡和業務狀態信息的搜集和治理，并且在行業內也已經制訂并形成了系統的網絡治理體系，因此一般認為電信網絡的體系結構在網絡治理性方面并不存在欠缺。

    （5）在可信性方面（可信）

    互聯網的開放和匿名特征使得互聯網的可信任性一直無法保證。電信網中由于有嚴格的區域劃分，存在UNI，NNI，SNI接口，同一運營商NNI以上部分均認為是可信任的，不同運營商之間的網絡通常也認為是可信任的，因此一般認為，傳統電信網絡的網絡體系結構在可信任機制方面是不存在缺陷的。