泛在、移动互联网的体系结构
苏伟 张宏科 2010-06-09 11:46:13
摘要:文章针对现有互联网由于原始设计模式方面的不足，难以满足泛在、移动用户的多元化网络服务需求的问题，创造性地提出全新的泛在、移动互联网体系理论与总体框架；创建一种“基础设施层”模型与理论，解决用户在任何地点、任何时间、以任何方式接入到互联网的问题；建立一种“普适服务层”模型与理论，实现对普适服务的支持；并提出新网络体系下的移动性管理机制。新的网络体系结构可克服现有互联网存在的弊端，有效满足泛在、移动方面的多元化网络服务需求。
关键字:泛在、移动互联网；基础设施层；普适服务层；移动性管理
英文摘要:Due to serious shortcomings in the original design model of the existing Internet, the Internet cannot adapt well to increasingly ubiquitous mobile demands. In this paper, we give a new framework of Ubiquitous Mobile Internet. Then we propose the basic model and theory of Infrastructure layer, which allows users to access the Internet anywhere, any time, and by any means. We also outline the theory and mechanism of Pervasive Services, which can support all kinds of services. Finally, we discuss the mechanism of mobility management for the new network. Results show that our new network architecture overcomes shortcomings of the existing Internet, and the new network system perfectly supports ubiquitous mobile demands.
英文关键字:ubiquitous mobile Internet; infrastructure layer; pervasive services layer; mobility management
基金项目：国家重点基础研究发展规划 (“973”计划) 课题(2007CB307101)；国家自然科学基金资助(60833002、60903150)课题
随着科技的发展，人类社会的信息化水平日益提高。在这种背景下，互联网已成为推动社会进步的巨大动力。经济与社会发展要求互联网能在任何地点、任何时间、以任何方式提供普适服务。然而现有互联网由于在原始设计模式方面的不足，距此目标甚远。现有互联网是以“固定、有线”为主的连通方式，不能满足无线和移动环境下用户的需求[1]，也就谈不上在任何地点、任何时间、以任何方式为用户提供网络服务；而互联网在原始设计模式上，最初是为数据业务设计的，不适应语音和图像的传输，无法满足网络及服务的多样性需求，难以支持普适服务。此外，在安全方面，互联网的拓扑结构是具有幂律结构的无标度网络[2]，导致其对恶意攻击和欺骗的抵御能力十分脆弱。不难看出，现有互联网已经不能很好地满足当今应用特别是泛在、移动方面的需求，严重阻碍着信息网络的进一步发展，亟需突破性、跨越式地构思和设计一种新的网络体系结构，以解决现有互联网存在的种种严重弊端。
北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室依托国家“973”项目“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”，在新网络体系方面进行了积极探索，提出了一系列的研究成果[3-5]。
1 总体系结构
文献[8]初步提出了一体化网络的总体系结构，本文在此基础上，针对泛在、移动互联网的需求和特点，进一步提出了泛在、移动互联网的体系结构，如图1所示。
在图1中，整个泛在、移动互联网的总体系结构可以划分为两个层面：“基础设施层”和“普适服务层”。
“基础设施层”的作用是为泛在的无线/移动终端提供统一的网络接入，实现对泛在、移动互联网的移动性管理，并完成数据的交换路由。在图1中，“基础设施层”创造性地引入虚拟接入模块和虚拟骨干模块及接入标志解析映射。虚拟接入模块通过引入表示泛在、移动终端身份的接入标志，实现对泛在、移动终端的接入支持。虚拟骨干模块为各种接入提供用于表示泛在、移动终端位置的交换路由标志，用于核心网络上的广义交换路由。接入标志解析映射则是将接入标志映射到交换路由标志，实现用户身份与位置的分离聚合。
“普适服务层”创建了虚拟服务模块与虚拟连接模块和服务标志解析映射与连接标志解析映射，以实现对各种业务的统一控制和管理等。虚拟服务模块引入服务标志来描述和表示多种业务的服务；虚拟连接模块为每个业务提供多种连接。服务标志解析映射将服务对象映射到多个服务连接，以支持多种业务；连接标志解析映射将服务连接映射到“基础设施层”的多个连接，体现了一次服务可对应多个连接、多种路径选择的思想，从而使服务的实现更加可靠。
下面就具体介绍“基础设施层”和“普适服务层”这两个层面的体系结构与理论。
2 基础设施层的体系结构与理论
在泛在、移动互联网中，需要为多种类型的移动终端提供统一的网络接入，如图2所示。在图2中，泛在、移动终端可以是某一类型的终端，如无线局域网(WLAN)终端，通过相应的接入网络接入到核心网；也可以是可重构终端，能够基于软件定义无线电(SDR)技术动态、智能地选择接入网络，再接入到核心网中。
为了实现泛在、移动终端的统一接入，“基础设施层”中的虚拟接入模块引入接入标志的概念和机制，实现各种移动网络等的统一接入，使用户能够在任何时间、任何地点实现最佳的接入与通信，获得最广范围的普适服务；同时保证了异构网络之间的互联互通和密切合作，通过核心网络实现业务和资源的协调配置，如网络间分担用户流量，协调共享频谱资源等等。
此外，为了实现核心网的选路，虚拟骨干模块引入交换路由标志，用于核心网络上的广义交换路由。
如图1所示，“基础设施层”中的一个核心理论就是接入标志解析映射，该映射的具体定义见文献[8]。接入标志解析映射完成接入标志到交换路由标志的映射，实现用户身份与位置的分离，主要功能如下：
(1)保证了各种接入网络及用户的移动性。各种接入网络在移动到其他位置之后，仅其交换路由标志需要发生变化，代表用户身份的接入标志不需要发生变化，只需要改变交换路由标志和接入标志的映射关系。这样，用户的连接不需要中断就可以保证用户继续接受各种服务。
(2)使得“基础设施层”实现了泛在、移动网络与终端(如无线局域网、码分多址、WiMAX、传感网络等)的统一接入，拓展了网络服务的范围。
