国家自然基金标书-可重构信息通信基础网络体系研究
项目名称：可重构信息通信基础网络体系研究首席科学家：兰巨龙 中国人民解放军信息工程大学起止年限：2012.1-2016.8依托部门：河南省科技厅一、关键科学问题及研究内容2.1 关键科学问题由立项依据和国内外研究现状不难看出：第一，随着IP网络业务形态的不断丰富，业务对网络的需求越来越多样和多变，而IP网络的服务能力却是有限的和确定的，这就直接导致了业务需求与网络固有能力之间的差距日益扩大，最终将使得网络难以甚至不能支持多样化的业务。解决该问题需要探索网络按照业务需求动态进行结构重组、功能重构的机理与方法，通过网络结构的自组织、功能的自调节和业务的自适配来最大程度地弥合网络能力与业务需求之间的时变鸿沟，使网络能有效适配多变的业务需求。第二，信息网络所依赖的基础互联传输能力过于简单且长期不变。大量实践已经证明，现有信息基础网络或者基于现有基础信息网络进行的各种修修补补都难以满足泛在、互联、质量、融合、异构、可信、可管、可扩等信息网络的高等级需求。依据“结构决定功能”的物理法则，面对这些高等级需求，重新设计网络体系结构、模型与协议，直接增强网络基础互联传输能力便成为解决上述问题的一个关键切入点和突破口。国际上关于新型网络体系结构的研究方兴未艾，但整体上来看这些研究仍处于百家争鸣的初级阶段，尤其是对于新型信息通信网络基础理论的研究还十分初步，这为我国利用“弯道效应”抢占未来信息技术制高点提供了难得的机遇。第三，作为支持信息网络泛在互联、融合异构及可信可管可扩等的新型网络服务要素，可重构技术日益成为一个重要的研究和发展方向，但是目前可重构技术的作用范围和固有能力均局限于网络单元层面，不能做到全局意义的网络重构。从节点和局部意义的可重构发展到网络级别的可重构需要机理和机制的创新，其中多维认知协同机理是实现可重构的重要基础。第四，安全可管可控是信息网络的重要设计目标，网络的安全可管可控直接受制于网络内在功能和结构要素，必须在网络体系结构中内嵌网络安全与管控机制。在可重构信息通信基础网络体系下，需要结合基础互联传输能力的增强及网络的重构，从网络体系结构的层面上探索网络安全可管可控的全新形态、机理与模型。本项目以信息网络的上述挑战性问题为切入点，针对未来信息通信基础网络的根本需求，凝练出如下四个拟解决的关键科学问题及其基本解决思路：（1）可重构可扩展的基础网络体系结构问题。业务的特征和需求通常是多样和变化的，而网络服务能力却是相对有限和确定的。业务与网络之间这种愈发显著的差异性成为制约网络发展的一个显著瓶颈。这种差异性是信息网络研究与发展的永恒动力。本项目研究这种差距的成因和特性，提出“可重构网络”的核心思想，研究并建立面向业务需求的网络可重构机理、模型与方法。创立网络元能力理论，即通过对各种业务需要提供的服务的基本网络服务元素（元服务）进行聚类构建元服务模型，通过对各种元服务需要网络提供的基本网络功能元素（元能力）构建网络元能力模型，通过元服务与元能力的适配实现网络对多种业务的普适。（2）信息网络基础互联传输能力的强化机理与模型问题。为了解决IP网络层功能单一、服务质量难以保证、安全可信性差、可管可控可扩能力不足、移动泛在支持乏力等瓶颈性问题，在可重构网络核心思想指导下，将网络层和传输层的功能进行有机融合，提出“可重构多态网络层”的概念和功能模型, 直接增强基础网络互联传输能力；提出新型多态寻址路由机制，通过定义网络寻址路由机制的基本“微内核”构建基态模型，基于基态模型进行扩展的寻址路由机制构建多态模型，从而使得网络基础互联传输能力得以动态增强，并且支持网络的多模多态共存。（3）业务普适的网络可重构机理问题。为了解决IP网络结构和功能较为刚性、难以支持普适业务的问题，基于元能力理论，对网络节点能力进行组合、对网络资源进行调配，通过资源和节点能力的灵活组合实现网络能力对业务的普适。研究网络重构过程中的资源虚拟管理机制、节点能力组合机制、逻辑承载和控制管理之间的配合机制，构建完整的基础网络重构机理和结构，实现网络层面的结构可重构、资源自配置、能力自调整。（4）可重构网络的安全可管可控问题。为了实现网络安全管控能力的内嵌，研究“可重构网络”的安全可信模型，建立针对共性安全与管控特征要求而构造的基本安全要素和功能的总和，即安全基片。提出具有多级强度的安全基片结构及安全管控机制，探索逻辑承载网间和逻辑承载网内的业务隔离机制，提出多类安全需求共同依赖的基础安全机制和具体结构，建立基于证据推导的安全强度度量，提出针对逻辑承载网内用户和终端的辨识和管控机制，通过智能的多维态势分析解决安全行为的追踪溯源问题。上述四个科学问题的研究可以有效地解决现有信息网络存在的主要弊端，将为构建一个支持目前业务和未来新业务的不同服务质量需求，功能灵活扩展，满足泛在互联、融合异构、可信可管可扩需求，支持现有网兼容演进和适于规模应用的新型网络通信信息基础设施提供一种解决途径。2.2 主要研究内容2.2.1 可重构信息通信基础网络理论体系为了从根本上突破传统IP承载的能力瓶颈，解决服务适配扩展性差、信息网络基础互联传输能力弱、业务普适能力低、安全可管可控性差等问题，本项目创立可重构信息通信基础网络理论体系，其中包括网络元能力理论、多态寻址路由机制和网络重构机理。网络元能力构成可重构基础网络体系模型中核心能力增强要素的支撑理论，多态寻址路由是网络动态寻址路由能力的模型，网络重构界定网络功能和结构自调节的本质特征和作用机理。从总体上讲，该理论体系是可重构新型网络体系功能参考模型的理论基础，它由图2.1描述。图 2.1 可重构信息通信基础网络理论体系（1）网络元能力理论通常，业务的特征和需求是多样和多变的，相对而言，网络的服务能力却是有限和确定的，有效弥合这种差异性的一个可行途径是将业务特征需求与网络承载服务二者抽象成一种特定的“业务元服务元能力”模型，即将直接承载一种业务的网络服务分解成一组细粒度的基本网络服务元素SMi，称每一个基本网络服务元素为“元服务”，每一种业务由一个元服务集合S=SMi，i=1，2，N，N为元服务个数提供服务，该集合是封闭的，其中的元素是有限的。全部业务对应的网络服务元素总和就构成网络的“元服务层”。进一步，每一个元服务需要一组基本网络功能元素CMj予以支撑，称每一基本网络功能元素为一个“元能力”，支撑一个元服务的所有元能力集合为C=CMj，j=1，2，L，L为元能力个数，该集合也是封闭的，其中的元素也是有限的。于是，全体元服务所对应的基本网络功能元素总和就构成网络的“元能力层”。上述“业务元服务元能力”模型可用图2.2予以表达。图 2.2 “业务元服务元能力”功能模型该“业务元服务元能力”模型构成网络元能力理论的核心。业务层通过相应的认知机制对网络业务的特性和要求进行聚类和抽象，提炼出各类业务需要的基本网络服务元素。元服务层利用网络元能力功能层提供的全网范围内的基本承载能力，对基本承载功能组件进行认知适配，针对多样业务的公共承载特性和要求进行聚类从而形成元服务。元能力层表征网络的元能力，它通过动态感知业务、节点资源和网络资源的动态行为特征，对网络提供的基础传输能力进行聚类和组配，在全局网络范围内对能力和资源进行认知协调和动态调节，从而为元服务层提供全网范围内的多种基础承载能力。网络元能力的两种基本传递模式是分组传递和宏电路，它们之间的内在逻辑结构如图2.3所示。分组传递模式是支持基础数据传递和网际互联的原子功能要素。宏电路是一种全新的基础数据传递模式，它是网络为一组具有共同传输路径的同类业务流而动态建立的自适应型虚电路。宏电路直接表达基础数据传递模式的增强，这种增强可以具体表现为基础网络在性能、安全、组播、移动性、可扩展等方面的功能扩展，使得我们可以将“从基础上增强和扩展信息基础传输能力”作为研究切入点，最终达到满足信息通信网络对多样化业务的承载和服务、多态寻址路由、可信可管可扩展等多重应用需求的目标。图 2.3 网络元能力理论下的传递模式（2）多态寻址路由机制多态寻址路由是可重构网络动态寻址路由能力的模型。该模型给出宏电路自适应建立机理，描述分组和宏电路共存环境下网络内在形态和行为的新特征，描述对应的寻址和路由交换机理，进而完成业务要求和网络状态共同驱动的自动调节和协同路由，发现分组和宏电路共存对寻址和路由交换的影响，通过网络重构，形成相应的应对机制和方法，实现多态之间的切换。（3）网络重构机理网络重构界定网络功能和结构自调节的本质特征和作用机理。它区分并定义网络重构和资源重构两个功能维度，给出多维认知协同机理，基于从网络局部到整体的自学习、自适应、自管理和自进化等固有能力，表达网络与业务之间、网络内部多种单元功能之间的动态感知与智能协同原理，为网络按照业务需求动态进行结构重组、功能重构的机制与方法提供理论依据，实现网络结构的自组织、功能的自调节和业务的自适配。2.2.2 网络重构的关键机制及结构形态在“可重构网络”的核心思想指引下，本课题将探索业务普适的网络可重构机理这一关键科学问题。主要研究：（1）基于元能力表述的网络重构结构形态，从网络元能力理论和网络可重构技术伊始，深入分析可重构网络中元能力的内在功能和结构要素，提出一种支持全网重构的细粒度的节点资源描述方法；（2）层次化的网络重构机理，从实践出发，通过聚类与抽象业务公共特性和要求，揭示网络业务到重构功能的一般性规律，发现并形成支撑业务普适的网络重构机理，进而为业务、元服务、元能力的重构奠定坚实的理论基础；（3）网络重构中的规范化，通过自顶向下对可重构基础网络体系中的各功能层面进行建模，构建一个重构知识库，帮助管理面实现全网重构，通过定义标准化的管控接口，使得管理面能对网络资源进行统一的控制管理。2.2.3业务自适应认知承载机理研究可重构信息通信基础网络是基于业务特性，在网络元能力理论及重构机制规范基础上，通过构建逻辑承载网的方式为业务提供自适应的承载服务。为此本课题的研究内容为：（1）对业务特性进行研究，通过研究不同业务流量的建模及特征抽取方法，准确把握业务的本质特征及动态行为特性，通过对多样化业务特性的聚类生成元服务，基于元服务与元能力间的适配实现对多种业务的普适；（2）构建逻辑承载网需要对物理网络当前的运行状态及具备的能力进行感知，并可结合相关认知理论及人工智能方法，优化网络重构策略，因此，需要研究多维信息感知与认知重构机理；（3）以业务适配为目标，兼顾资源的高效利用，基于上述认知重构机理及数学规划理论，研究逻辑承载网构建问题的建模理论与方法，分析逻辑承载网生成机理，给出逻辑承载网的构建方法。2.2.4 元服务驱动的多态寻址及路由交换为解决现有网络层与传输层提供差异化服务能力不足的问题，研究可重构网络的寻址与路由模型与方法。主要包括：（1）基态寻址与路由机制，探索支持包括基于地址和基于内容等多种形态的共性寻址与路由方式；（2）多态寻址与路由机制，研究基于基态进行多态协议派生与重载的方法；（3）支持元服务的网络交换机制，研究基于代数交换理论的支持宏电路的网络交换基础架构；（4）路由交换虚拟化技术，研究多态协议间、元服务间的资源隔离方法；（5）多态寻址路由机制下的点到多点数据分发，探索利用网络编码等方法建立高效宏电路树的组播机理；（6）可重构网络的移动性支持技术。2.2.5 可重构网络体系下的安全可管可控机理为了实现安全可管可控的网络传输，本课题主要研究：（1）基于网络重构的安全可管可控体系，设计具有多级强度的安全基片结构；（2）研究安全可信度量的安全基片构建机理，从密码理论和信任机制角度研究安全强度度量的多样化方法；（3）提出基于用户和终端辨识的安全管控机制，设计符合可重构信息通信基础网络特征的安全协议，以安全基片的安全属性为核心，设计基于多
