互联网的快速发展给人们的日常生活带来了翻天覆地的变化，微信、优酷、淘宝、支付宝等互联网应用已经家喻户晓。然而，随着上网人数的激增，互联网也面临着前所未有的严峻挑战。
首先，微信、优酷等OTT业务对网络产业价值链产生巨大冲击。所谓OTT业务，就是指第三方通过互联网向用户提供的各种应用。这些应用的流量通过联通、电信等运营商网络，而服务、收费等由第三方管理。大家几乎每天都在使用OTT业务，预计2016年OTT业务流量会占互联网流量的71%。 OTT业务发展速度之快与互联网不按流量收费密切相关。然而，运营商网络仅仅提供服务通道，投入的建设费用却没有回报，长此以往，运营商会失去建设骨干网的动力，导致整个产业价值链产生问题。虽然有些用户愿意支付一定的费用来得到更好的服务，然而现有的互联网体系架构并不能灵活地为用户提供不同的服务。
其次，现有网络架构难以适应海量流量的增长。在地铁、公交等公共交通工具上，几乎每个人都在拿着一部智能手机浏览微博、观看视频、打游戏等。高德纳咨询公司研究主管杰西卡.艾柯姆表示：“全球的移动数据流量飙升，并将在2018年增长300%以上。”这还仅仅是移动流量。据统计，全球互联网的总流量几乎每年都会增加80%～90%。网络是否能够适应如此之快的流量增长速度？当前，运营商主要靠骨干网带宽的频繁扩容来应对流量的巨幅增长，但是这仍然不能满足某些应用的需求，例如，大家看高清视频时经常会觉得比较卡。国内知名内容分发网络（CDN）服务提供商蓝汛公司曾对跨省路径延迟进行过测试，结果是超过80%的时间网络延迟都高于90毫秒。这说明，中国互联网大部分都处于非常拥堵的状态。另外，据调查，网络中的流量很多都存在重复传输。以优酷为例，优酷在2012年播放的电视剧重复达1亿次的有30多部。这么多重复内容在骨干网上重复传输显然是对网络资源的一种浪费，而当前的互联网体系架构并不能避免这种资源浪费。
最后，与实体经济的融合给互联网带来实时性、安全性等性能挑战。“互联网+”“中国制造2025”“工业互联网”“工业4.0”“机器人新战略”——这些名词都可称之为互联网与实体经济的融合。当前实体经济下滑，互联网的应用可以大大提高实体产业的生产效率。麦肯锡的一份报告指出，中国有5.6万亿美元的生产率机遇，因为中国的劳动生产率仅为经济合作与发展组织平均水平的15%～30%。2013年中国互联网占GDP的比例已经达到4.4%，麦肯锡预测互联网在中国GDP中的贡献将可以达到7%～22%，这其中与实体经济的融合会占据重要地位。但是，当前互联网并不能满足实体工业所需要的低延时、服务分级等需求。
面对互联网的这些挑战，联通、电信等运营商应该如何应对呢?未来网络应该是什么样子呢?当前，学术界已经提出多种未来网络体系架构和关键技术，引起热议的有软件定义网络（SDN），内容中心网络（CCN）等。SDN通过将网络交换设备中的控制功能与数据平面隔离出来，并集中式地收集整个网络试图以及对数据平面进行编程，可以灵活地对整个网络进行管控，有利于优化网络性能，但是却不能解决大量信息冗余传输的问题。CCN将传统网络中的IP细腰改成了内容细腰，便于流量的聚合，减小信息冗余，但是管理配置开销大，不能灵活实现负载均衡等网络功能。
受交通系统的影响，我们期望设计一种能够提供差分服务的网络体系架构。大家都知道交通系统可以根据付费水平高低提供不同的服务。飞机可以很快到达目的地但是收费较高，而火车速度比较慢但是收费较低；走普通公路会比较拥堵，而走高速公路则相对畅通。如果我们能够设计一个类似于交通系统的网络，为不同的用户灵活提供不同的服务质量，那么，就可以对享用高服务质量的用户进行收费，解决OTT业务带来的问题。同时，互联网可以响应不同的实体产业对互联网提出的不同服务质量需求。另外，为了解决信息冗余传输的问题，我们的体系架构还需要针对内容进行处理。
━━━━━
为了达到这些目的，我们提出了服务定制网络（SCN）体系架构。SCN的目标是为用户提供差分服务以及消除信息冗余。设计原则主要包括简单、开放、可扩展，以及高效、灵活调控网络资源和信息资源。其体系架构如图1所示。
SCN体系中的物理基础设施平面主要包括计算资源、链路资源、存储资源和一些用于感知网络状态的深度包检测（DPI）设备。控制平面主要实现资源差异化，可以将物理基础设施平面提供的资源按照用户需求差异化地提供给上层，实现服务质量保障。应用平面是指SCN网络体系架构可以支持的一些应用。
在SCN网络体系架构的控制平面中实现网络和存储资源的差异化，即根据用户的服务质量需求保障其相应的网络和存储等资源，是非常具有挑战性的。在SCN中，我们设计了一套网络虚拟化平台以及基于博弈论的缓存分配方案，来实现网络资源差异化服务和存储资源差异化服务。
首先说网络资源差异化服务。传统网络体系结构中两种经典的网络虚拟化技术分别是虚拟局域网（VLAN）技术和虚拟专用网（VPN）技术，其中隧道技术又有很多种，典型的技术包括GRE、IPoverIP、L2TP、NVGRE以及刚刚推出不久的VxLAN技术。分析这些技术的实现原理，会发现网络虚拟化技术在虚拟网络的定义上都有一些共同特点，即：
虚拟网络的拓扑；
虚拟网络到物理网络的映射关系；
虚拟网络的流规则。
虚拟网络拓扑是指从虚拟网络使用者的视角所观察到的网络结构。虚拟网络到物理网络的映射关系一般是由网络设备自动映射，也有的映射关系由用户手动指定，还有的是部分由用户手动指定，部分自动映射。虚拟网络流规则用来指定流量进入虚拟网络的规则，由于虚拟网络是用户空间看到的视图，而物理流量则存在于物理网络中，因此在一个虚拟网络创建完成后，还需要根据虚拟网络流规则将相应的物理网络的流量资源导入到虚拟网络中。
在虚拟网络的视图中，网络中的端口将被分为两部分，虚拟网络内部端口和虚拟网络边缘端口。内部端口是指虚拟链路所连接的端口，通过这些端口转发的流量依然在虚拟网络内部。边缘端口是指没有链接虚拟链路的端口，这些端口就是虚拟网络的边界，外部流量从边缘端口流入虚拟网络，虚拟网络内部的流量通过边缘端口流出虚拟网络。由于虚拟网络内部端口的存在，我们需要定义一种方法来标记虚拟网络的流量，使得数据包在虚拟网络节点之间转发的过程中不会转发给其他虚拟网络处理。
由于VLAN技术限制了虚拟网络的个数，而VPN本质上只是一种虚拟链路技术，我们提出了一种新的网络虚拟化平台设计方案——CNVP。CNVP是面向网络创新实验环境设计的一种基于OpenFlow协议的网络虚拟化平台，能够在同一个物理网络上虚拟出多个逻辑网络，通过CNVP创建的虚拟网络可以支持地址空间复用，以及保障虚拟网络之间的流量隔离。CNVP 使用多协议标签交换（MPLS）标签标识每个虚网。
当虚网控制器向交换机添加流表信息时，此消息会被CNVP 截获，然后CNVP 根据虚网的配置信息，向即将下发给交换机的流条目增加写MPLS标签的行为，以标识此流所属的虚网。当属于一个虚网的数据分组到达此虚网的边缘交换机时，边缘交换机为此数据分组添加MPLS 标签，并在数据分组离开虚网时去除标签。CNVP 利用MPLS 标签识别每个虚网，从而实现各虚网的流量隔离。另外，在CNVP 中还实现了对物理资源的虚拟化，例如：
带宽，通过为虚网内的交换机配置端口队列来实现带宽隔离，从而为每个虚网分配独占的链路带宽资源；
虚拟化平台CPU，通过为每个虚网设定处理队列，制定相应的处理策略来实现对虚网计算能力的分配和调度。
再说存储资源差异化服务。网络中不同应用对存储需求是不一样的，例如，对于4K高清视频业务，由于该类内容要求的存储容量比较大，而且对存储设备的计算和处理能力要求也比较高，因此，网络提供商就要根据租户的需求，为其分配大量缓存空间以及高速的存储器；对于普通的图片、网页业务，该类内容对存储容量和存储设备的处理速度要求相对不高，因此，网络提供商可以为其分配较小的缓存空间；虚拟现实技术对网络的存储、计算、带宽的要求都非常高，因此在缓存方面，网络提供商就需要为其提供更大的存储空间、更快的内容处理速度，以满足用户的体验质量（QoE）。
SCN可以根据租户的需要，为其提供定制化的缓存服务。假设网络已经部署了分布式网内缓存，每一个租户都需要一定的缓存资源来保障其服务。每一个节点的缓存资源可以被切分成一个个的缓存资源块，每一个租户在所有节点获得的缓存资源块联合起来，可以看作一个租户的缓存切片。因此，需要研究如何高效、合理地给各个租户分配缓存储资源，为此，我们提出了一种基于博弈论的缓存分配方案。
将用户的请求命中缓存而节省的网络流量视为该切片的收益，这种收益还包括网络时延的降低；同时将未命中缓存，去源服务器请求内容视为一种成本，这种成本还包括用户网络体验不佳；另外，切片获得缓存资源需要支付给网络提供商一定的费用，即切片的价格成本。因此，建立以下非合作博弈模型。（1）Player：网络中的每一个缓存切片；（2）Strategy：分配的缓存空间大小；（3）Payoff function：切片的缓存命中带来的收益减去缓存未命中和缓存价格成本。通过纳什均衡理论，我们证明了纳什均衡的存在，并利用迭代算法，求出来纳什均衡，即最优的切片缓存资源分配的方案。
━━━━━
基于SCN体系架构，刘韵洁院士团队在2013年8月已经在北京、上海、广州、南京、西安等全国26个主要城市部署了基于SCN架构的未来网络试验网（如图2所示），国内80多个创新团队以及美国XIA团队、欧盟OneLab团队在试验网中进行了试验。试验网可以与现有的互联网及欧美未来网络试验网进行互联互通。
SCN的体系架构和基于SCN架构的未来网络试验网得到了国际知名专家的高度评价，SDN的主要提出者、美国工程院院士斯科特.申克（Scott Shenker）认为，“SCN与SDN 2.0传递着相同的信息”；欧盟未来网络OneLab、OpenLab等主要负责人塞尔日.弗迪达（Serge Fdida）认为，“联邦机制对于未来网络试验设施至关重要”；开放网络基金会（ONF）执行主席丹.皮特（Dan Pitt）认为，“中国在SDN商业化方面走得很快，SCN的理念和ONF的理念很接近”；前美国国家卫生基金会计算机与网络系统分部主任、IEEE 会士赵伟认为，“未来网络试验网非常适合Wintenet的实现验证”；美国卡耐基梅隆大学教授、未来网络体系结构XIA项目负责人、IEEE会士彼得.斯丁科斯特（Peter Steenkiste）希望XIA在未来网络试验网上进行部署验证。
试验验证是互联网研究的基本方法，网络技术的创新与应用需要一个大规模、国家级的试验网络平台。2013年2月，国务院8号文件将中国未来网络试验设施项目（CENI）列入《国家重大科技基础设施建设中长期规划（2012—2030年）》。CENI项目的整体目标是：全面提升网络创新能力，增强网络产业核心竞争力，保障网络空间安全，确保网络可持续发展。2015年8月，在国家发改委的组织下，CENI正式立项，江苏省未来网络创新研究院作为总牵头单位，同时汇聚国内60多所高校、40多个科研院所与企业开始研发建设工作。
CENI的总体建设目标是在全国40个城市建设100个边缘网络，统一顶层设计、资源充分共享、多网各具特色、需求驱动发展。基于CENI平台拟开展的创新性工作有：骨干网改造提升的试验验证、基于数据中心重构网络的试验验证、光与IP网络融合的试验验证、5G网络新型体系架构的试验验证、4K视频业务分发的试验验证、网络操作系统的试验验证、业务编排系统的试验验证、运营商网络大数据的试验验证等。
致谢：感谢国家973计划项目“面向服务的未来互联网体系结构与机制”（项目编号：2012CB315800）的支持。
张娇：北京邮电大学副教授、硕士生导师。
黄韬：北京邮电大学教授、博士生导师。
刘韵洁：中国工程院院士、教授、博士生导师。
>>>本文为原创，转载请回复。<<<
