未来自管理互联网的结构和机制

    基金项目：欧盟第七框架项目EFIPSANS(INFSO-ICT-215549)；国家重点基础研究发展规划 (“973”计划) 课题(2009CB320504)；国家自然科学基金资助(60672086)课题、中瑞NGN战略合作计划(2008DFA12110)

    目前在互联网研究领域人们对未来互联网的设计目标、体系结构、实现方法、功能特点等讨论得很激烈，不同的专家学者及工程技术人员对未来互联网都有着不同的观点和看法[1-5]，其中欧盟第七框架(FP7)项目EFIPSANS的专家认为自管理是未来互联网的主要的特征之一，它在满足未来用户需求的同时，实现网络对自身的管理和维护，从而大大减少用户和管理人员对网络的干预；另一方面，自管理网络在服务的灵活性和网络的可靠性及可用性方面也大有改进，整个网络的运营成本能大幅度减少。

    EFIPSANS的主要研究目标是探讨未来自管理互联网的体系结构、行为特征及实现方法。该项目的参加单位包括研究院所(如德国的Fraunhofer FOKUS、爱尔兰的TSSG)、高等院校(如希腊的雅典国家技术大学、波兰的华沙技术大学、卢森堡大学等)和欧洲著名的电信企业(如瑞典的Ericsson、法国的Alcatel-Lucent及西班牙的Telefonica等)。北京邮电大学是该项目的唯一非欧盟成员。

1 自治计算、自治通信及控制环
    未来自管理互联网的技术基础是自治通信技术，而自治通信所应用的自治技术起源于控制论。控制论的主要目的是在组件、设备等单元运行过程中动态地对它们进行管理和优化。控制论能够较好地描述结构清晰的闭合系统，但是对具有离散、时变或具有不确定信息特点的开放系统的描述却比较困难。当系统的结构不确定，或是在不断地变化、被修改时，使用控制论会遇到很大的问题。

    自治技术以控制论为基础，并对它进行了扩展。自治技术能够在一个开放的环境中，快速、动态地集成、使用和优化由各种异构系统在没有集中控制、没有统一的基础设施的情况下联合起来的各种资源。自治系统一般由一个或多个自治单元组成，每个自治单元能完成一定的功能，并且能够与其他单元在动态环境中进行交互。自治单元由一个自治的管理实体和一个或多个被管理实体组成，管理实体负责控制被管理实体的配置，输入和输出，被管理实体则用来实现系统的各种功能。

    自治系统能够形成一个反馈控制环[6]，如图1所示。系统能够通过不同的渠道收集各种信息，如传统的网络环境感知数据、动态产生的各种事件报告、高层的业务应用，甚至用户的需求等。收集到的信息可以采用不确定推理、博弈论或经济模型等方法进行分析、推理和决策，这些决策最后由被管理实体加以实施。

    通过对通信、网络及分布式系统所面临的日益增加的复杂性和动态性的深入反思，自治通信研究的目标是使网络及相关的设备、业务可以工作在完全没有人力监管的状态下，实现自配置、自检测、自调节、自愈等自属性。通过采用自治通信技术，网络可以根据每个用户的需求及其变化来动态地调节网络的行为，从而提高网络的性能和资源利用率，并大大减少网络的维护运营费用。

    目前国际上已开展了一些自治通信领域的研究工作，如FOCALE[7-8]、ANA、CONMan[9]等，但这些工作都没有给出通用的自治网络体系结构。EFIPSANS项目正是以自治通信理论为基础，借鉴了该领域已有的研究成果，提出了新的结构和实现机制。

2 自管理网络结构和机制
    EFIPSANS项目对未来自管理网络的解释是[10]：网络管理的基本功能[11]，如配置管理、性能管理、故障管理、安全管理和计费管理等，和基本的网络功能，如路由、转发、监测、监管等，都能自动地交互信息而参与到控制环中，这样无需外界的干预，网络就能够自己运行和维护，形成自管理的网络。

    该定义的提出是基于这样的两种假设[12]：

• 一些网络的功能平面需要重新构造甚至融合。
• 在不同层次的节点/设备上以及在网络的功能描述方面，自管理网络的实现需要新的概念、新的功能实体以及相应的框架性设计原则。

2.1 通用的自治网络体系结构
    GANA结构如图2所示，总的来说，GANA是由不同的功能平面组成，每个平面包含不同层次的功能实体组成的一个立体的结构。从功能上来看，GANA借用了4D[13]结构中4个功能平面的概念，将网络划分为4个平面，即决策平面、分发平面、发现平面和数据平面。但GANA根据自治网络的特点和需求对每个平面的功能、结构及它们之间的相互关系进行了具体的定义和描述。

    决策平面制订控制网络行为的所有决策，包括接纳控制、负载均衡、网络配置、路由、服务质量、安全等。决策平面根据网络拓扑、流量、时间、用户上下文、网络目标/策略、一定网络域内结点和设备的能力及资源限制的变化等做出决策，以控制各个被管理的实体的行为。决策平面由不同的决策单元(DE)组成。决策平面及决策单元是提供自治属性，实现自管理网络的关键部件。

    发现平面由负责发现网络或服务的组成实体，并为它们创建逻辑标志，定义标志的作用域及持续时间，进行相应的管理等。如发现一个节点有多少个接口，一个节点持有多少个转发信息表(FIB)，发现邻居等。发现平面还负责节点的能力发现、网络发现与服务发现等。发现平面的核心是一些具有自描述与自通告能力的协议或机制。在一个自管理网络中，发现平面的协议或机制由决策平面的DE来进行自动的配置，这些协议或机制即为被管理单元(ME)。

    数据平面由一些处理单个数据包的协议与机制组成，如IP转发、层二交换等。处理依据来自于决策平面的输出，如设置转发表、包过滤策略、链路调度权重、队列管理参数以及隧道与网络地址的映射等。同发现平面相同，数据平面也由多个被管理实体组成。

    分发平面在一个节点内部及节点之间的实体(如DE和ME)间提供一个用于交互控制信息以及任何非用户数据信息的可靠的和有效的通信手段。信息的交互方式包括被动获得(即通过Push的方式)与主动询问(即通过Pull的方式)两种。分发平面传送的信息包括以下几种类型：信令信息、监测数据(包括状态信息的变化等)及其他在DE之间传送的控制信息，如故障、差错、失败、报警等异常信息。ICMPv6、MLD、DHCPv6、SNMP、IPFIX、NetFlow及IPC等都属于该平面。分发平面也由多个ME构成。

    在GANA结构中，4个平面既相互独立，又相互依赖。如发现平面的某些单元可能会使用数据平面所提供的服务，它们也可能使用分发平面提供的功能。而分发平面可以不使用数据平面提供的服务，两者可以相互独立存在。决策平面的DE使用分发平面的服务实现彼此间的通信。另外特别值得注意的是不同平面上的DE与ME之间构成了形成自治系统所不可缺少的控制环，并且DE与ME可以处于相同或不同的网络节点中。

2.2 决策单元及层次化控制环
    DE是GANA提供自治属性，实现网络自管理的关键部件。由于网络功能很复杂，因此在网络节点中通常需要由多个DE来负责不同的决策过程，以控制和管理不同的网络实体。

    如图3所示，在GANA结构中多个DE按照分级的方式进行组织。所有的DE被分成协议级、功能级、节点级和网络级。协议级处于最底层，它涉及一些具体的协议(如OSPF、TCP等)。协议级DE的存在允许相关协议呈献出自治特征。位于第二层的是功能级DE，它涉及用于设计与实现相关网络功能的DE。这些功能DE抽象了一些特定的网络功能(如路由功能、移动性管理功能等)及与之相关的算法等。第三层是节点级的DE。这些DE掌握一个网络节点的所有信息并可以直接或间接地影响该节点所有的DE。如节点的主决策单元通过管理不同的DE来调节该节点在网络中的行为。位于最高层的DE是网络级的DE，这些DE拥有部分网络中其他节点的信息，它们能够利用这些信息控制和影响本节点的主决策单元。同时，网络级DE还负责与其他节点中的网络级DE合作以交换信息，实现整个网络的自管理。

    GANA结构中DE之间存在分级关系、 对等关系、同属关系3种关系。

    不同的关系直接影响DE之间相互通信的机制。

    在GANA的4平面结构中，决策平面的DE与各平面中的ME根据图1所示的原理构成控制环，实现各种自治功能。由于在GANA中，节点的DE和ME被层次化地组织起来，因而形成了层次化的控制环(HCL)。图4具体描述了GANA中的控制环。

2.3 工程设计及标准化方面的考虑
    GANA实质为结点/设备及网络体系结构实现自管理的参考模型，通过规范及标准化结构化的功能实体来保证互操作性，进而实现整个网络的自管理属性。

    在GANA结构中，一个DE收集信息并经过分析后触发的行为，被称为自治行为。它是用于管理或重新配置相关ME的行为，如自配置、自描述、自通告、自愈、自优化等。由于自治行为与特定DE相关，同时还可能与该DE所处的控制环的信息提供部分捆绑在一起，或是与该DE控制下的各ME绑定，因此，自治行为说明/规范是描述GANA结构及DE功能的正式说明/规范。此外，为了实现并工程化DE及相关的控制环、ME，EFIPSANS项目组的研究人员正在进行相关模型及工具的研究和设计工作，如元模型、信息模型、系统模型、数据模型、策略框架、配置文件、知识库及工具链等的相关设计及实现工作正在展开。

    目前，在欧洲标准化组织(ETSI)中已经成立了一个关于自管理网络的工业标准化工作组AFI[14]。AFI致力于自管理网络工程化方面的研究。其中的一个子项目组重点关注GANA标准化方面的工作；另一个子项目组则专注于将元模型用于GANA，目标是利用形式化的描述和设计方法实现GANA模型和控制环的工程化。

3 结束语
    自管理是未来互联网的主要特点之一。自管理互联网能够实现多种自治功能，如设备和网络的自发现、自配置、无人为干预条件下资源的自提供及虚拟化、业务的自组合、应用的自感知、自监测等。基本的网络功能也能实现自治，如自治的路由、转发、移动性管理、QoS管理等等。本文介绍了EFIPSANS项目提出的实现未来自管理互联网的通用自治网络体系结构GANA及其相关机制。基于GANA结构，网络所有的自治功能都能由不同的平面及不同层次的DE及控制环来实现。自治行为说明和规范是GANA结构标准化及工程化的基础。目前基于GANA结构的自管理网络的稳定性、复杂性及可扩展性的验证工作正在积极的展开。

4 参考文献
[1] GENI Net Global Environment for Network Innovations[EB/OL]. [2009-09-30]. http://www.geni.net/.
[2] NSF NeTS FIND initiative [EB/OL]. [2009-07-25]. http://www.nets-find.net/.
[3] European IST FP6 ANA (autonomic network architecture) Project [EB/OL]. [2009-08-20]. http://www.ana-project.org/.
[4] GREENBERG A, HJALMTYSSON G, MALTZ D A, et al. A clean slate 4D approach to network control and management[J]. Computer Communication Review, 2005,35(5):41-54.
[5] EC funded - FP7 - EFIPSANS project [EB/OL]. [2009-09-30]. http://efipsans.org/.
[6] DOBSON S, DENAZIS S, FERNANDEZ A, et al. A survey of autonomic communications[J]. ACM Transactions on Autonomous and Adaptive Systems,2006,1(2):223-259.
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[10] BALLANI H, FRANCIS P. CONMan: A step towards network manageability[C]//Proceedings of Conference on Applications, Technologies, Architectures, and Protocols for Computer Communications (SIGCOMM’07), Aug 27-31, 2007, Kyoto, Japan. New York, NY,USA: ACM, 2007: 205-216.
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[12] ITU-T Rec. M. 3400. TMN management functions[S]. 2006.
[13] CHAPARADZA R. The self-managing future Internet powered by the current IPv6 and extensions to IPv6 towards IPv6++ and EFIPSANS initiated IETF drafts[C]//Proceedings of Global Mobile Internet and IPv6: Next Generation Internet Summit 2009,Apr 15-16,2009,Beijing,China. 2009.
[14] AFI ISG: Autonomic network engineering for the self-managing future Internet (AFI)[EB/OL]. [2009-05-30]. http://portal.etsi.org/afi/.

收稿日期：2010-01-20

    为此，EFIPSANS项目提出了一个通用的自治网络结构(GANA)，并将GANA作为设计和实现未来自管理互联网的基础。

[摘要] 文章介绍了由欧盟第七框架(FP7)项目EFIPSANS提出的具有自治属性的未来自管理互联网的结构和机制。该结构将网络的功能分成决策、分发、发现及数据等4个平面。位于不同平面的决策单元和被管理实体及其他信息收集实体组成协议层、功能层、节点层及网络层等4个层次的控制环。决策单元及其相关的控制环和被管理的实体实现了网络对自身的管理和维护，大大减少用户和管理员对网络的干预，从而降低网络的运营成本，提高终端用户的体验。目前欧洲电信标准组织(ETSI)成立了一个新的工业标准研究组，正在进行自管理互联网相关的标准化工作。

[关键词] 未来互联网；自管理网络；自治网络；通用的自治网络体系结构

[Abstract] This paper introduces the architecture and mechanism of future self-managing Internet. The architecture was proposed by the EU FP7 EFIPSANS project. It classifies network functions into four planes: decision, dissemination, discovery and data. Furthermore, four hierarchical controls are formed by the decision elements and managed entities in different functional planes. Decision elements and the corresponding control loops, as well as the managed entities, realize the function of self management and maintenance of the network. This decreases the need for intervention by end-users and network administrators, reduces the OPEX and improves the end-user experience. Currently, a newly founded ISG in ETSI AFI is devoting time to the development and standardization of the architecture.

[Keywords] future Internet; self-management network; autonomous network; GANA