未来互联网的开放式虚拟多业务网络架构外文翻译资料

An open virtual multi-services networking architecture for the future internet

1 Introduction

The concept of virtualization consists in the decoupling of physical resources from the service-level view, by adding an abstract layer (software), in between. The implementation of this concept gives the end-user the illusion of direct interaction with the physical resources, while allowing efficient utilization of resources/infrastructures and enhanced flexibility. Different forms of virtualization have been proposed, such as storage virtualization, server virtualization, application virtualization and more recently network virtualization. Storage virtualization refers to the separation of physical disk space from the logical assignment of that space, using various techniques (e.g. RAID and SAN). Server virtualization consists in the partitioning of the resources of a single physical machine into multiple execution environments (or virtual machines), each running its own operating system and server applications. Application virtualization refers to the isolation of a certain application from the operating system on which it runs, in order to achieve OS-independence and limit the effect of applications incompatibilities.

Network virtualization is an emerging concept that applies virtualization to entire networks. The basic idea behind network virtualization consists in the dynamic creation of several co-existing logical network instances (or virtual networks) over a shared physical network infrastructure.Unlike Virtual Private Networks (VPNs)that are limited to traffic isolation capabilities and do not allow customization nor administrative control, virtual networks (VNets) can potentially be built according to different design criteria and operated as service tailored networks.

In the Internet domain, network virtualization is considered as a promising solution for the “Internet ossification” problem – A condition by which the sheer size and scope of the Internet architecture renders the introduction and deployment of new technologies very difficult due to the high cost of migration and the difficulty of achieving wide consensus among the many involved stakeholders . By enabling a logical segmentation of the physical Internet infrastructure and the co-existence of heterogeneous virtual networking architectures on top of it, network virtualization is often seen as a cornerstone of the future Internet architecture .

Beyond the Internetrsquo;s context, there are several important motivations behind the network virtualization concept. One of these motivations is the cost effective sharing of physical networking resources, by partitioning the resources of an existing infrastructure into slices and the allocation of these slices to different VNets (operated by different service providers). Another motivation is the potential for having customizable and service tailored networking solutions via the addition of new technologies or customized versions of existing technologies, in the virtualization layer. Aiming to contribute to a future service-tailored Internet architecture, the main goal of this work is to propose and validate an open, service-oriented network virtualization platform for the future Internet. Our platform (dubbed the Open Virtual Playground) promotes the idea of “network as a service” by defining different levels of services to which networking resources are mapped, and which can be dynamically discovered, used, and composed. It relies on a novel serviceoriented hierarchical business model that introduces new business roles, and proposes the concept of vertical hierarchy between virtual network providers, as well as the concept of service building block and service reuse and composition. The contributions of our work are of three folds: 1) It proposed a fine-grained, service oriented network virtualization architecture which encompasses the control functions needed for the instantiation, control, and management of virtual networks; 2) It details a concrete QoS-enabled VoIP scenario showcasing the architecturersquo;s operations, which include the REST-based interactions for the virtual networksrsquo; instantiation phase, and the SIP/COPS/MEGACO based interactions for the service invocation and usage phase; and 3) It discusses the implementation and performance evaluation of two prototypes related to the virtual data plane and the virtual control plane operation. The rest of this paper is organized as follows: In section (The network virtualization concept: principles, goals, and motivating scenarios), we start with some background information about network virtualization and present two concrete use cases that could be enabled by this technology. In section (The open virtual playground architecture), we present an overview of our previously proposed business model, discuss the different components of our proposed Open Virtual Playground architecture, and illustrate its operation using a virtualized QoS-enabled VoIP scenario. This is followed by prototype-based performance evaluations, in section (Solution validation). We end the paper with a discussion of related work, before drawing our conclusions.

2 The network virtualization concept: principles,goals, and motivating scenarios

A virtual networking environment can be seen as a dynamicand collaborative environment, in which a large pool of virtualized networking resources can be offered and leased on demand. In such an environment, a number of logical network instances (virtual networks) coexist over a shared physical network infrastructure. A virtual network essentially consists of a set of virtual nodes connected by virtual links, and forming a virtual topology. This topology is a subset of the underlying physical topology, in which each virtual node (guest) is hosted on a certain physical node (host) and each virtual link is established over a physical path. In this environment,each virtual netwo

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未来互联网的开放式虚拟多业务网络架构

1引言

虚拟化的概念，从服务器水平的角度来看，是指通过增加一个抽象层（软件），实现物理资源的去耦。这一概念的实施使终端用户产生与物理资源直接交互作用的错觉，同时使资源得到有效利用，提高文件、基础设施的灵活性。不同形式的虚拟化已经被提出，例如存储虚拟化、服务器虚拟化、应用虚拟化以及最近的网络虚拟化。存储虚拟化是指从逻辑分配的空间，通过使用各种技术（例如磁盘阵列技术RAID和存储区域网SAN）对物理磁盘空间进行分离。服务器虚拟化包括将一个单一的物理机的资源划分成多个执行环境（虚拟机），每个运行其自己的操作系统和服务器的应用程序。应用程序虚拟化是指将在其上运行的操作系统或特定应用进行隔离，以实现操作系统独立并限制应用程序不兼容的效果。

网络虚拟化是一个新兴概念，适用于整个网络虚拟化网络虚拟化背后的基本思想是在共享物理网络基础设施上，动态创建几个共同的逻辑网络实例（或虚拟网络）。不同于虚拟专用网络（VPN），限于交通隔离能力且不允许定制和行政控制、虚拟网络（VNet）可以建立根据不同的设计标准和运行定制的服务网络。

在互联网领域，网络虚拟化被认为是“互联网僵化”问题的一个可行的解决方案——由互联网架构的庞大规模和范围呈现的引进新技术十分困难的部署情况，由于移民成本高和实现许多涉众中广泛共识的难度。通过启用物理互联网基础设施和在它上面的异构虚拟网络架构并存的逻辑分割，网络虚拟化往往被视为未来互联网架构的基石。

在互联网的背景背后，也有网络虚拟化概念的几个重要动机。这些动机之一是物理网络资源成本的有效共享，通过分割一个现有的基础设施成片和这些切片不同VNets的分配的资源（由不同的业务提供商运营）。另一个动机是具有可定制的和服务定制的网络解决方案，通过在虚拟化层加入新的技术或现有技术的定制版本。这样有助于实现未来的业务量身定制的互联网架构，这项工作的主要目标是提出并验证未来互联网的一个开放的，面向服务的网络虚拟化平台。我们的平台（被称为开放虚拟游乐场）促进了通过定义不同层次的网络资源映射，并且可以动态发现、使用和服务组成的“网络即服务”的理念。它依赖于一个新的面向服务的分层业务模型，引入新的业务角色，并提出了虚拟网络提供商之间的垂直层级的概念，以及服务构成模块和服务重用和组合物的概念。我们工作的贡献是三方面：1）提出了一种细粒度的，面向服务的网络虚拟化架构，其中包括所需的实例，控制和虚拟网络的管理控制功能；2）详细说明了具体的QoS启用VoIP 场景，展示了体系结构的业务，其中包括基于REST交互的虚拟网络实例化阶段，和SIP/COPS/MEGACO基于交互服务的调用和使用阶段；3) 论述了虚拟数据平面与虚拟控制平面操作相关的两个原型的实现和性能评价。本文的其余部分安排如下：在章节“网络虚拟化的概念：原则，目标和激励方案”中，我们开始提供一些关于网络虚拟化的背景信息和目前两个具体的用例。在章节“开放式虚拟架构”中，概述了我们先前提出的商业模式，讨论之前提出的开放式虚拟架构操场的各个组成部分，并使用虚拟化的支持QoS的VoIP方案说明其操作。在这之后是基于原型的性能评价，在章节“解决方案验证”中。在得出结论之前，我们对相关内容进行了讨论，最后结束了本篇论文。

2网络虚拟化的概念：原则、目标和激励方案

虚拟的网络环境可以被看作是一个动态的协作的环境，其中大量的虚拟化网络资源可以提供和租用上的需求。在这样的环境中，大量逻辑网络实例（虚拟网络）共存共享物理网络基础设施。虚拟网络基本上由一组由虚拟链路连接的虚拟节点，并形成一个虚拟拓扑。这种拓扑是底层物理拓扑的一个子集，其中每个虚拟节点（位）这种拓扑结构是底层物理拓扑的一个子集，其中每个虚拟节点都是在一个特定的物理节点（主机）上进行的，并且每个虚拟链路建立在物理路径上。在这种环境中，每个虚拟网络是由一个单一的实体操作，和虚拟的网络是逻辑上相互隔离的。虚拟网络的若干原始的形式在过去已经提出，包括虚拟专用网（VPN），覆盖网络，和有源/可编程网络。所有这些形式限制虚拟化到某一层（例如覆盖网络应用层），不提供完全的管理控制和定制能力。

从体系结构的角度来看，网络虚拟化促进了几个设计目标，其中最突出的是：在同一环境中多个虚拟网络共存（不同的运营商）；递归和继承虚拟网络允许在另一个虚拟网络的顶部嵌套/创作之间（从而形成层次结构）；通过允许供应商来实现任意的灵活的网络拓扑，路由和转发的功能，并在虚拟网络定制控制协议；允许供应商有虚拟网络完全的管理控制；共存虚拟网络之间的隔离，以提高容错性，安全性和隐私性；隔离异质性的虚拟网络以及它们所依赖的物理基础设施。

有几个重要的网络虚拟化概念背后的动机，包括：物理网络资源的有效共享；可定制的网络解决方案；转换现有的网络基础设施技术。此外，为了实现这一概念，一些挑战必须加以解决。这些挑战的例子包括：对不同级别的虚拟网络层次之间的标准接口的定义；对相关的实例化和虚拟节点/链接的配置控制功能的定义；确保在虚拟节点/链路的可扩展性水平；使可用的物理/虚拟资源动态发现；高效的全球资源管理战略的定义；为虚拟环境制定合适的商业模式的定义和收费计划。

为了说明网络虚拟化的概念的潜力，我们现在提出了具体的用例，可以在虚拟的网络环境中启用。

为了定义这些用例，我们首先分析了未来通信网络的趋势和提出的方案，如在4WARD项目文件中提出的。然后，我们重点考查当前互联网的限制和界定上的情景，同时通过虚拟化解决这些限制，提供有吸引力的服务。

在当前互联网架构的已知领域的弱点需要创新，我们提到：更强的安全性；更好的流动性；更灵活的路由；增强的可靠性；和更好的服务质量保证。至于服务研究的分类，我们选择了以下几种：1）作为当前互联网提供的应用程序中最重要的范畴之一的VoIP；2）环境敏感的智能应用程序，（即意识到他们的具体语境，能够动态地适应不断变化的情况下的应用程序)，他们被视为未来的“杀手级”应用之一。

2.1 VoIP 服务与二维 QoS 方案

IP电话是通过互联网支持的重要的和流行的应用领域之一。然而，IP电话所面临的主要挑战之一是无法保证向用户提供充分质量的服务，由于目前的互联网架构的固有性质，迁移到新的QoS技术的网络中的成本和互联网一样大。

我们的第一个使用案例说明了如何在现有的网络基础设施下，使用网络虚拟化的概念，引入新的服务质量计划。在这种使用情况下，虚拟化的 VoIP 服务与二维的 QoS 机制的实现如下所示：在最低级别，我们发现物理网络基础设施（物理基础设施提供商拥有和管理的）在其顶部的第一虚拟网络的（VN1）被虚拟基础架构提供商实例化和运行。后者将根据自己的资源需求，在VN1一个新的QoS方案中部署不同类别的流量之间的区别（例如会话，流媒体，交互，和背景流量类别）。在VN1能力的基础上，第二虚拟网络（VN2）基于用户的角度被实例化，并由服务提供商提供复杂的VoIP服务和会话优先化方案，对重要性的电平会话之间的区别进行部署。这个方案中，它构成一个第二QoS维度，就可使用户基于其重要性级别选择为每个呼叫调用适当的类（例如银，金，和铂）。我们注意到，在这种情况下增加的价值在于二维QoS方案的支持和精密VoIP服务的支持。这个值通过实例化添加到虚拟化层，而不会影响到物理基础设施，从而为迁移提供平滑的路径。

2.2环境感知增值服务

环境感知是指利用语境（或情境）的信息向用户提供相关的信息和服务的能力。环境信息通常使用无线传感器网络（WSN）收集。

环境感知应用程序是通过根据用户的需求调整自己的行为和形势变化（如个性化医疗的应用和智能购物应用程序）提供个性化服务，是智能应用的新兴类别。这些应用程序视为未来的“杀手级”应用之一。下面的方案说明了这样的应用如何可以在虚拟的网络环境的支持。

在这种情况下，我们发现在最低水平的PIP中，其中有些是管理经常通信基础设施的，而其他管理各类用于收集不同类型的环境信息（例如空间，生理和环境数据）的无线传感器网络。这些无线传感器网络的顶部，我们发现了第二个虚拟网络（VN2）利用虚拟网络1的信息管理能力，以及物理通信网络向终端用户提供环境感知的增值服务。

3 开放式虚拟架构

在这一节中，我们对以前提出的网络虚拟化业务模型进行了概述，然后提出了开放式的虚拟架构。

3.1 商业模式的概述

我们以前提出的商业模式是一个面向服务的层次模型，在不同层次的服务（由不同的用户提供）可以被动态地发现，使用和组成。我们所提出的模式在四个层次中定义了不同服务：1）构成必要服务的基本操作网络（即路由/传输的基本服务）；2）服务提供者组成的需要支持终端用户服务操作的常用功能（例如，会话/订阅管理、计费、安全和服务质量管理）；3）服务构建模块作为基本服务，可以通过组合使用以形成更复杂的服务（如存在和呼叫控制）；4）向用户提供增值服务。

3.2 所提出的架构

在这一节中，我们谈到了之前提出的开放式虚拟多服务网络的体系结构，命名为开放式虚拟游乐场，不同的实体/角色/对象开放变化（即动态和灵活的），在其运作上除了依靠虚拟化技术作为一个核心概念，还提供了一个操场区域的多用户互动，合作，并提供不同的服务。

我们首先提出的整体架构及其相关的功能实体和接口，然后提出一个说明性的会话管理方案，详细说明其操作的体系结构，设计了一种基于定义的业务角色和拟议的功能分开的体系结构。

我们所提出的开放式虚拟游乐场是一个分层的体系结构，介绍了数据和控制平面的三个层次的层次结构。数据平面提供必不可少的数据传输功能，控制平面包括不同级别的服务的资源调配所需的所有控制和管理功能。

为了实现我们的业务模式中定义的三个主要角色（例如PIP、VIP、SP），实现该功能的分离，在我们的架构中定义三个层级，即：1）物理网络层（由PIP管理）；2）第一个虚拟网络层（通过VIP管理）；3）第二个虚拟网络层（由SP管理）。消费者角色由SP通过与最低层次的相互作用访问服务（即的恶习物理网络），而SRR（即经纪人的作用）是与所有三个层次相互作用。

类似于所有的商业模式，一个实体在同一时间可以发挥几个业务角色。例如 VIP 也可以发挥SP的作用(即提供这两种虚拟拓扑和价值增值服务到终端用户)。

这种情况会导致在两层体系结构中，包括两个层次级别 (即物理网络级别和一个虚拟网络级别)。虽然这种模型涉及较少的交互，它缺乏灵活性、 公开性和角色的三层体系结构模型来实现专业化。此外，在涉及多个SP和PIP时，使用VIP作为中介作用简化了谈判和虚拟资源分配的过程。当SP与PIP直接相互作用时，这个过程就变得复杂的多，对于本文的其余部分，我们假设每个角色扮演一个单独的实体，并集中在下面的三层分层模型中进行描述。

在物理网络层面，我们发现含有虚拟连接的物理网络基础设施的物理路由器具有在数据平面、控制平面以及物理反应的下列功能：资源发布、 资源谈判、 资源分配和资源调配和资源管理。这些功能使用以下实体来实现：服务和资源注册中心(SRR)用于发布/发现可用的信息资源；上下文信息基础(CIB)用于管理与物理网络相关的上下文信息(例如资源状况和安全级别)；订阅注册中心包含所有客户的订阅/授权/身份验证信息；利用该信息进行身份验证，授权AAA功能，负责贵宾的虚拟网络资源利用率；虚拟资源配置功能负责资源的谈判与虚拟资源的分配和实例化虚拟拓扑，虚拟资源管理功能负责考虑资源状况和联接的需要动态分配VNET。

在第一个虚拟网络层，我们找到一个虚拟的数据平面，包括一组虚拟链路连接的虚拟节点（基本上是一个子集的基础物理拓扑结构），以及一个虚拟控制平面。后者包括以下功能：一套服务提供者和服务构建块、 服务发布、 资源谈判、 资源发现选型和服务部署管理。这些功能由一下实体运行：SRR、CIB和SUB（相对于第一虚拟网络在其对等实体较低层中扮演类似角色）；大量的实体提供共同支持职能 （例如会话控制、 媒体处理和互通）；大量的服务构建基块 （例如存在和会议）；模块提供了自定义项的现有协议（例如基于内容的路由适配器和一个多宿主适配器）；用于发现和谈判资源 （与 PIPs) ，组成实例虚拟网络拓扑；虚拟资源谈判功能、虚拟资源控制函数负责协议的部署和操作的虚拟网络；用于虚拟资源与其他贵宾或 SPs 的虚拟资源调配功能，希望在层次结构中添加另一个层面上的谈判。

类似的，第二个虚拟网络由虚拟数据平面和一个虚拟的控制平面组成。后者负责下列事项：一套最终用户服务，最终用户服务发布、 资源谈判、 资源的发现选择、 服务部署与管理和服务组合。我们提到，SRR和CIB资料库分布在层次结构的所有级别和它们之间的跨层通信中形成物理/虚拟全局视图以维护网络环境和资源服务。

4 相关工作

几个管理和控制体系结构已为虚拟化网络提出。然而，据我们所知，这些建议尚未充分调查面向服务的分层体系结构，在不同类型的功能可以动态地发现、 使用和组成所能提供的网络资源（例如，低层次路由/运输功能，高层次的应用程序逻辑）。在参考文献21中，作者提出了基于四平面的分层的网络体系结构：数据、 管理、 控制和知识。这些平面是使用不同隔的离的虚拟网络，共享相同的物理基础设施来实现的。此体系结构使当前互联网的数据平面的重用和部署并发下一代互联网，提供了新的网络功能。

已经提出了的一些架构的虚拟化网络，支持资源发布，发现和访问。其中一个例子是面向服务的框架，构成网络和云服务。该框架是基于SOA架构和虚拟化在云计算以及在参考文献1中描述的网络虚拟化业务模型。

该方案的主要缺点是非常粗粒度的提出了面向服务的体系结构，在服务发布方面没有详细的成分和发现。面向服务的 MGON （多粒光网络）是细粒度的面向服务的网络体系结构，提出了云计算环境。此解决方案提供了一个应用程序的映射策略，表示在服务质量参数（例如，延迟，带宽）技

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