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引言

物联网作为互联网发展新的历史阶段的重要标志，其技术思想为“利用融合协同的泛在网络技术实现泛在智慧服务”，也就是利用泛在的信息网络技术满足无所不在的物联网智慧服务需求[1]。物联网的发展要求未来网络承载海量的、个性化、智慧化的服务[2]，而现有的网络仅仅作为信息传输通道，服务需求与网络功能分属不同层面，无法进行协同与感知。随着物联网在各行各业的应用，用户的服务需求也越来越复杂多样，目前，网络难以满足物联网智慧服务的要求,为促进物联网进一步发展，迫切需要突破原有网络设计局限[3]。网络虚拟化技术利用软件定义的思想，通过抽象、分配、隔离等机制，在一个或多个物理网络上实现多个异构的虚拟网络，根据物联网服务对网络资源的个性化需求定义不同的网络拓扑，从而实现网络资源的灵活配置与动态管理。网络虚拟化技术不需要关心底层物理网络，简化了网络管理，可有效提高网络资源利用率，同时，支持网络的异构性，是未来网络发展的重要方向，也是解决物联网大规模应用的一种强有力的技术手段[4]。

1 网络虚拟化架构

现有网络体系存在“静态”和“僵化”等多种弊端，在灵活性方面，现有网络体系的主要缺陷就是缺乏灵活性，极大地限制了网络在接入、传输及应用等方面的扩展性及效率[5]；在一次通信过程中，网络的各层功能都会被无条件执行，这就造成了通信效率的降低和网络资源的浪费，同时，由于网络控制与网络传输模式的不匹配，导致数据访问过度集中，缺少数据感知和调度，大大降低了网络的灵活性。在移动性方面，网络地址被赋予身份和位置双重功能，导致不能很好地适应网络的动态性[5]，在物联网环境下，所有的物体均作为网络终端，具有“可寻址、可通信、可控制、可感知”等特点，这就对终端的可移动性提出了新的要求。在智慧化方面，由于目前网络只对数据进行传输，在一定程度上实现了网络架构的简单高效，却缺少了对用户提供高可用性和高性能服务的能力，更难以满足物联网智慧服务的要求。在网络能耗方面，绿色网络已作为未来网络技术发展的重要研究方向受到普遍关注，由于网络能耗牵涉到体系架构、底层通信协议设计等问题[6-10]，可以利用网络虚拟化技术使路由器根据网络负载情况实现部分模块和接口休眠，从而实现网络节能。

为了应对现有互联网所面临的问题，美国、日本、德国等国家先后启动了未来网络的研究计划。国内外学术界对未来网络的研究有两种思路。一种思路是基于现有互联网体系结构进行改进与扩展，另一种思路是重新设计一种全新的互联网体系架构。主要计划有：美国的NewArch项目[11]、GENI计划[12]、FIND计划[13]；欧洲的FIRE项目[14]、4WARD项目[15]；亚洲AsiaFI论坛[16]；日本的AKARI项目[17]等。我国目前比较有影响的有中国科学院刘韵洁院士的“面向服务的未来互联网体系结构与机制研究”[18]以及北京交通大学张宏科教授主持的“智慧协同网络理论基础研究”[19]。麻省理工学院的NewArch项目提出了基于角色的网络架构(Role-Based Architecture，RBA)。RBA是一种概念性的模型，是一种模块化的架构。RBA把网络中的一个或多个转发或处理数据的功能模块定义为角色，根据每次通信过程的需求，交换机等网络设备定义自身扮演不同的角色以实现相应的通信功能，其提出的“微模块化”和“虚拟化”的思路得到普遍认可。FIND技术提出了SILO架构，在该架构下，定义的“服务”都具有功能、接口等属性，定义的“方法”是指为实现某种服务所使用的算法和机制，由一个叫“控制代理”的模块进行控制和协调这些“服务”和“方法”。4WARD项目提出“面向服务的网络架构“(Service-Oriented Architecture，SOA)，强调从网络节点到网络信息的转变，而“虚拟化”技术是SOA的另一个研究重点。

中国科学院刘韵洁院士提出一种面向服务的互联网体系结构(Service-Oriented Future Internet Architecture，SOFIA)，有效解决了网络流量激增带来的问题。在SOFIA架构下，网络被看做服务池而不再是数据传输通道，同时，利用服务的迁徙等技术将网络服务本地化，从而实现以服务为中心的未来互联网体系结构层次模型及路由机制。张宏科教授主持的“智慧协同网络理论基础研究”项目提出了“三层两域”的网络体系架构模型，通过实时动态感知服务需求和网络的运行状态，然后根据服务对网络资源的需求匹配合适的网络组件族群，从而实现服务动态需求与网络资源提供的动态适配，提高网络利用率和服务效率。

从这些研究项目可以看出，支持构建多样化的网络和实现网络可扩展性，提高网络资源利用率和简化网络管理，支持异构网络是这些项目的共同特点。网络虚拟化技术可以共享底层网络资源、允许网络多样化、可以构建多样化网络，已经成为构建未来互联网结构的关键与重点，大量的相关研究项目和研究课题也已经启动[20-24]。PlanetLab主要思想是节点资源的虚拟化，可以实现分布式网络的重构，用户可以根据业务需要自定义网络[25]。GENI的设计思路是利用软件定义的思想构建一个融合的、虚拟化的、可编程的新型网络，这种网络中的每个组件都是可编程的，这种设计模式可以支持多种服务和多用户，从而为研究人员提供很大的灵活性。4WARD框架的基本思想是通过网络虚拟化技术实现多个网络架构在一个通用平台的的共存，实现了在网络层和传输层共存多个网络。OpenFlow[26]的目标是在现有网络基础上构建出新型网络协议实验环境，允许多个网络实验在不同的虚拟网络上同时进行。从这些项目可以看出，网络虚拟化技术在支持新型网络架构和智能服务等方面具有很大的优势，能够有效提高资源利用率并降低网络管理成本。

所以，网络虚拟化技术可以有效解决现有网络体系架构“静态”、“僵化”等问题，通过对网络资源的抽象、分配、隔离技术，实现对网络资源的高效利用，大大简化网络管理，支持智能化的网络服务；因此，网络虚拟化技术作为解决物联网大规模应用的一种解决方案值得深入研究。国际电联提出了网络虚拟化模型参考[ITU-T Y.3011]Framework of network virtulization for future[21]，该模型将网络虚拟化环境划分为物理网络(Physical Network)、虚拟资源(Virtual Resource)和虚拟网络(Virtual Network)。如图1所示。

图1 网络虚拟化的体系架构[21]

根据图1所示的网络虚拟化体系架构可知，网络虚拟化模型中的角色包括基础设施提供商(Infrastructure Provider，InP)、服务提供商(Service Provider，SP)、终端用户(End User，EU)。InP主要负责管理底层一个或多个异构物理网络，并通过各种网络接口(API)向不同的虚拟子网提供底层物理网络资源，同时，可以根据不通的服务需求租用不同InPs的资源来建立虚拟子网。SP负责从单个或多个InP那里租用底层网络资源来创建需要的虚拟网络，并部署自己的服务，以提供给终端用户使用。在网络虚拟化模型中, 由于网络服务的范围和种类更加广泛，终端用户除了享用现有网络环境提供的服务，同时，能够通过一定的规则获取更多更好的服务。

2 物联网服务模型

物联网服务是指用户在异构网络环境下获取基于信息感知、信息分析处理和基于软件定义的智慧化服务过程。面向物联网服务的本质是以服务为中心，对具有某一特性的服务模块进行封装和聚集，并根据一定的逻辑关系对这些服务模块进行协同和组合，以取得服务效益最大化。物联网服务模型将服务过程分为服务组合、资源协商和网络选择，系统根据用户需求自动对服务进行查找和组合，并提供服务与服务、服务与内容的互相理解与协同机制，需要解决海量、差异化的服务的组合及多服务的协同问题，并解决服务与网络之间相互感知与协同，使服务与网络对资源有了统一的标识与理解。

综合分析物联网服务的各个层次中服务标识方式，建立异构网络环境下的物联网语义化描述模型，为详细描述物联网相关服务，将物联网服务分成服务注册、服务发现、服务描述和服务执行四个阶段进行服务的语义化描述。该模型以物联网服务全过程(如图2所示)为主线，重点分析服务注册、服务发现、服务描述和服务执行等过程。通过物联网服务的语义化描述模型的构建，能够实现物联网服务的可追溯性与物联网服务对网络资源的需求映射。

图2 物联网服务的语义化描述

为实现物联网服务与网络资源的协同，需要对物联网服务进行统一命名，服务标识Sid的定义如下：

上式中，Stype代表服务的类型，Sdata代表服务内容本身，Ф()代表服务标识生成函数。

为对物联网服务行为进行表征，可引入服务行为描述SBD的概念，服务行为描述是在对服务命名的基础上对服务进一步描述，包括拓扑、性能、功能等多种描述，其定义如下形式：

上式中，T对应着拓扑行为，拓扑信息包括服务位置和缓存位置等；P对应着性能行为，性能信息包括质量要求带宽要求延时要求丢包要求和最佳通信方式等；F对应着功能行为，功能信息包括服务类型版本号信誉属性和提供者签名

物联网服务的语义化描述和服务过程描述方法就是描述具体的物联网业务与网络资源所承担的功能之间的对应关系，保证物联网服务需求与网络资源的对应与执行。要反映网络中服务于资源的映射关系，就要设计网络通用的映射模型来映射服务、需求和资源之间的关系，如图3所示。

图3 物联网服务需求与网络资源映射模型

3 网络资源表示模型

如图4所示，网络虚拟化环境下的资源管理模型可根据用户需求对服务进行查询、定位、组合和执行，针对服务需求与底层物理资源状态选择服务方案和网络资源，将服务信息与网络资源进行协同，建立高效的资源管理机制。该架构中，底层物理网络包括3G网、Internet、Wi-Fi等，虚拟服务是透明的。虚拟网络管理负责接收所有虚拟网络请求，并将虚拟子网请求发送给映射管理服务器，同时，根据请求信息将虚拟网络划分为若干虚拟子网，虚拟资源映射管理根据适当的算法策略高效合理地对虚拟子网进行资源分配。

图4 虚拟网络资源管理架构

面向物联网服务的虚拟网络管理模型由虚拟网络管理模块、虚拟物理资源管理模块、虚拟资源映射管理模块组成。虚拟物理资源管理模块负责对各种物理网络资源的调度和管理。虚拟资源映射管理模块负责将用户构建虚拟网络请求(包括拓扑和资源)合理地映射到底层物理网络资源上。虚拟网络管理模块执行物联网服务的接入控制，接受物联网业务的虚拟网络请求，为用户执行资源调度，负责为不同的物联网服务调度组建不同的虚拟网络。资源优化管理算法通过实时对物联网服务的感知和底层物理网络资源的监测来协同资源在各虚拟子网的动态分配。

物理网络资源包括网络的拓扑结构、物理节点计算资源、存储资源、位置、物理链路带宽、端口类型、时延等，定义如下：

虚拟网络构建的需求VNreq可定义如下：

其中：Nv(i)和Nv(j)为虚节点；Cv(i)为虚节点Nv(i)的计算资源需求。bv(i,j)为Nv(i)与Nv(j)间虚链路Ev(i,j)的带宽需求；m为虚节点数；delay为映射到物理网络路径上的时延限制；port为端口类型；QoS所需QoS参数；life为虚拟网络运行的生存周期。

4 网络资源管理模型

虚拟网络环境下资源管理的目标是向虚拟网络用户提供满足要求的资源整合，并允许用户对自己的资源进行配置管理操作，与底层物理网络不断沟通以掌握底层资源信息，从而实现虚拟网络对底层物理网络资源的使用与调度[27-31]。面向物联网服务的网络资源管理模型以物联网服务需求为导向，以网络虚拟化技术为基础，设计高效的网络资源部署机制和动态的资源供给方法，以实现网络的自动化管理和用户体验，从而提高网络效率[32]。网络虚拟化环境下面向物联网服务的资源管理模型如图5所示。

图5 虚拟网络资源管理功能关系图

网络资源管理包括虚拟物理资源管理、虚拟网络管理和虚拟资源映射管理[33]。虚拟物理资源管理模块从底层物理网络租用网络资源，从而形成虚拟资源池(包括虚拟节点和链路)，提供给虚拟网络管理模块，包括对网络中分布式资源的感知与发现，并进行统一描述，实现对虚拟资源的统一管理；虚拟资源映射管理根据服务的需求信息映射为网络需求，并协调底层物理网络资源，为虚拟网络进行资源动态分配，优化资源配置；虚拟网络管理模块根据物联网服务对网络的需求，建立和管理虚拟子网，包括对虚拟网络请求的接入控制，根据对服务的感知掌握虚拟网络对物理资源的需求，为资源动态优化管理提供依据[34-44]。

在面向物联网服务的虚拟网络资源管理模型中，虚拟网络资源映射管理是网络虚拟化技术的核心，通过对虚拟网络环境下资源的映射管理，使网络在灵活性和智慧化等方面满足物联网服务的需求。如图6所示，虚拟资源映射管理根据资源池中信息与虚拟网络需求进行映射规划，如果能够满足虚拟网络需求则映射成功；然后，根据物联网服务的特点构建虚拟网络，映射管理模块按照映射方案选定的资源进行资源绑定完成虚拟网路的实例化[45-47]。

图6 虚拟网络资源映射管理

根据资源的供需情况及多个虚拟网络共享资源的特点来对资源进行合理的再分配，以保持虚拟网络实时运行需求和虚拟物理资源的动态分配之间的供需平衡，同时优化网络资源在各虚拟网络间的配置。虚拟物理资源管理包括对网络中分布式资源的感知与发展，并进行统一描述，实现对虚拟资源的统一管理[48]。

5 面向物联网服务的虚拟网络体系架构

在物联网的体系架构方面，南京邮电大学提出了物联网的3S体系结构，其核心思想是建立一个称之为“智慧服务系统”(3S：Smart Service System)的共享融合平台，对所有用户需求的各类业务进行公共经营，提供智慧化服务。如图7所示，结构主要包括五个部分。

1) 异构终端平台，对各种异构终端进行发现、注册和认证。

2) 网络传输层。将异构终端虚拟平台所采集的底层信息资源组织起来，为上层结构提供综合的、虚拟的、组织良好的信息基础结构。

3) 控制层。以用户为中心、业务为驱动，通过虚拟终端的成员设备的替换或异构网络的成员网络的切换、业务数据或业务组件的调整构成了软件定义可重构网络。

4) 数据处理层。获取和组织各种开放的信息，采取分类和适配，按照实际需求对信息进行整合，为各种应用服务提供信息基础。

5) 业务应用层。直接面向物联网用户，利用综合信息虚拟平台整合的信息，为用户提供各种信息和服务。

面向物联网服务的虚拟网络体系架构本质是网络资源共享，根据物联网服务的需求，采用分层管理策略，对物理网络中异构分布动态资源进行有效的管理。这种分层的资源管理与控制机制设计有利于保证虚拟网请求的实时性处理，实现了虚拟网络资源的高效管理。该网络模型还包含管理支撑系统和安全保障体系等，构建了融合和开放的服务环境，为服务的使用者提供安全、便捷、无所不在的智慧化服务，满足不同客户个性化、差异化的要求。3S体系结构中的任意终端用户都能以统一的身份认证通过统一的门户进入智慧服务系统，去利用网络中所有的资源，享受智慧化的服务，该体系架构实现统一服务平台、统一接入门户、统一终端身份，从而实现资源的融合和服务的共享。

图7 面向物联网服务的3S虚拟网络体系架构

6 结束语

综上所述，学术界和产业界已经开展虚拟网络资源管理架构、虚拟网络映射、资源分配等方面的研究，但是由于物联网产业化应用进程中与用户相关服务需求的随机动态、复杂多变、主观行为、社会化与个性化的特点，对用户侧网络的体系结构、组网方式和资源分配提出更高要求，本论文针对物联网服务的特点与对网络资源的需求，首先研究物联网服务的语义化描述方法，进而探讨网络虚拟化环境下的资源表示模型和资源管理模型，重点研究与用户服务行为相适配的网络资源优化设计算法、以及物联网用户服务环境中基于资源优化的虚拟网络映射算法，最后建立一种面向物联网服务的3S虚拟网络模型，以实现物联网环境下用户侧网络的资源分配最优化，为解决物联网大规模应用提供一种解决方案。

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