CN102932957A - 一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，由以下部分组成：终端延伸层，包括直接接入网络层的终端和间接通过终端接入网络层的末梢网络；网络接入层，包括接入网络和核心网；虚拟重构层，实现对异构多网的融合，支持异构网设备间的控制交互和数据互通；应用层，由服务中间件和应用服务器构成，对虚拟重构层提出需求和使用虚拟重构层。本发明的体系架构，不仅提高了资源的利用率和系统的健壮性，也为拓展上层应用提供更多的途径与方式。

Description

一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构

技术领域

本发明属于无线通信网络技术领域，特别是一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构。 

背景技术

一般认为，下一代网络基于IP，支持多种业务，能够实现业务与传送分离，控制功能独立，接口开放，具有服务质量(QoS)保证和支持通用移动性的分组网。 

泛在通信以实现任何时间、任何地点、任何人、任何物都能顺畅通信为目标，是下一代网络的重要诉求。因此，从某种意义上讲，下一代网络也可称为“泛在网络”，即广泛存在的网络，它以无所不在、无所不包、无所不能为基本特征。 

近十年来，移动通信、传感器网络等信息技术的发展，关于泛在网络的研究在持续展开，在取得广泛共识和阶段性成果的同时，在理论模型、体系结构、实现方法等环节尚缺乏统一标准。 

泛在网络体系结构研究方向主要有：全新重构、演进改造和叠加融合等三种技术路线。 

全新重构的思想是基于已有网络体系研究的缺陷进行全新设计和革命，从根本上思考下一代网络的体系和功能，这种方案不易被商用运营商接受，实现周期长，典型的研究项目如美国的FIND（Future Internet Network Design）、GENI（Global Environment for Network Innovations）、欧盟的环境网络（Ambient Networks）等。国内信息工程大学申请的国家973项目“可重构信息通信基础网络体系研究”也是以全新的思想探索一种新型信息通信基础网络体系结构。 

演进改造的方案是基于现有网络实现技术的扩展、升级和改造，要兼容已有标准和技术，受制约因素很多，不易实现性能的统一提升，典型的包括电信运营商主导的现网升级改造和多网融合，例如：中国移动对于运营的GSM网、TD-SCDMA网、TD-LTE网和WiFi网络进行核心网互通和系统间互操作的融合改造，使得四张网的资源可以共享。此外，国际标准化组织3GPP也定义了多网间的互操作标准，如UMTS与LTE在CS域和PS的互操作规范。 

叠加融合的主要思想是采用叠加（Overlay）的体系架构，在现有异构网核心网之上构建一个泛在叠加层，以此支持异构网间的互操作，其主要特点是不改变现有异构网的技术演进路线，叠加层采用统一的标准技术并可以独立演进，极大提高系统的灵活性、扩展性，并且容易部署和推广应用。典型的叠加融合网架构包括IEEE的NGSON项目、Europe NGI项目等。国内河海大学物联网工程研究院针对家庭网络与IMS网络融合提出通用OSGi/SIP通信服务系统框架，通过SIP桥接使得家庭网络内的设备可以与IMS网终端通信，此外还研究建立了分布式家庭网络通信模型。河海大学的研究方案采用了分布式对等网络架构融合两种异构网络，但没有对多个异构网络以及泛在联网环境的融合架构进行分析和扩展。 

中国发明专利申请“一种基于异构融合网络的网络选择方法”（申请号：201110200414.5，公开日：2011.11.09），涉及一种基于异构融合网络的网络选择方法，提出在用户成功接入网络后，通过判断业务类型和通信对端的类别触发网路选择类型。 

中国发明专利申请“一种多模异构网络融合方法”（申请号：201010288605.7，公开日：2011.01.19），公开了一种多模异构网络融合方法，该方法通过检查多模节点的各网络接入模块的工作状态，获得各节点的本地节点信息，然后接入相应的网络，生成邻居信息表，再根据邻居信息表选出同时具有Ｅｔｈｅｒｎｅｔ模块和ＷｉＦｉ模块的多模节点作为网关节点，最后网关节点交换不同局域网内的节点信息，都得到了完整的邻居信息表，让源节点依据完整的邻居信息表将数据传输到目的节点，从而实现多模异构网络的融合。 

中国发明专利申请“基于终端和网络信息融合的无线网络切换方法”（申请号：200910082546.5，公开日：2009.09.16），公开了一种基于终端和网络信息融合的无线网络切换方法，方法包括：根据网络关键参数信息和终端参数信息，确定用于网络切换的决策信息；根据决策信息获取网络质量信息，并根据网络质量信息进行网络切换处理。 

中国发明专利申请“一种异构网络融合性能优化方法”（申请号：201110079175.2，公开日：2011.07.13），提出一种异构网络融合性能优化方法，是一种EVDO（Evolution Data Optimized演进数据优化）蜂窝移动网络和无线局域网共同构成的异构网络的性能优化方法。 

中国发明专利申请“一种实现异构网络融合的智能认知无线网络系统（申请号：201110028811.9，公开日：2011.06.15），提出一种实现异构网络融合的智能认知无线网络系统，是在现有无线网络系统的网元内增设具有多域主动认知、高效异构网络资源管理、网络或终端的重构的新功能实体。 

中国发明专利申请“多网融合的智能家庭网关装置及系统”（申请号：201110389929.4，公开日：2012.04.04），公开了一种多网融合的智能家庭网关装置及系统，它以智能家庭网关设备和智能家庭网关服务器平台为核心，在服务平台的控制下实现远程客户端通过互联网对家庭物联网智能设备和小区终端的安全访问。 

以上专利申请虽然都与异构网融合有关，但都只是针对某几种具体网络融合给出选择策略、资源调度、路由选择等优化方法，缺少对异构融合泛在网络体系的总体组成及实现方法的研究。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，该架构不仅提高了资源的利用率和系统的健壮性，也为拓展上层应用提供更多的途径与方式。 

实现本发明目的的技术解决方案为：一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，其由以下部分组成：终端延伸层，包括直接接入网络层的终端和间接通过终端接入网络层的末梢网络；网络接入层，包括接入网络和核心网；虚拟重构层，实现对异构多网的融合，支持异构网设备间的控制交互和数据互通；应用层，由服务中间件和应用服务器构成，对虚拟重构层提出需求和使用虚拟重构层。 

本发明与现有技术相比，其显著优点：本发明在虚拟重构层采用P2P（Peer-to-Peer，分布式对等网络）技术融合异构网络，对应用层提供统一的泛在网信息处理和通信服务，在泛在融合环境下，异构网中的信息设备与应用程序及服务分布在不同物理地点，采用P2P形式将这些空间上分散的资源有效组织和利用起来，不仅可以提高资源的利用率和系统的健壮性，也为拓展上层应用提供更多的途径与方式； 

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

附图说明

图1为本发明所依据的虚拟重构主动网络理论模型层次结构图。 

图2为本发明虚拟重构的异构融合泛在网网络架构示意图。 

图3为本发明虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构结构框图。 

图4为本发明虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构分层功能模块图。 

图5为图4中虚拟重构层的子层结构图。 

图6为基于本发明虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构的综合语音会议系统呼叫流程示例。 

图7为基于本发明虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构的异构多网协同融合的高速大容量业务传输举例。 

具体实施方式

本发明描述的泛在网络符合主动网络的设计理念。所谓主动网络是一种允许用户对网络中间节点(如路由器、交换机等)进行编程的新型网络结构。主动网络节点对应用敏感，可为不同的应用提供不同的服务，例如根据网络信道状态寻找最佳路径，根据不同的消息激活不同的处理，允许用户按需创建自己的服务并分布到网络中。主动网络设计理念是针对基于TCP/IP协议网络体系结构弊端而提出来的，要实现这一理念，需要从根本上改变现有网络的体系结构，因此，具体实施时遇到不少阻力。 

本发明则主张用虚拟网来实现主动网络的设计理念，具体是通过虚拟重构的方式在现有或未来多种异构网络基础上协同融合而成的虚拟叠加网络，它的理论模型称之为“虚拟重构主动网络”，如图1所示。相比一般的主动网络理论模型，本发明依据的模型强调信道部分是异构的，而且这些信道是指网络层以上的异构网络信道，相应的实现方法是有更具体约束的。 

虚拟重构主动网络节点（如协同融合接入网关、虚拟重构控制服务器等）可以根据用户业务需求进行动态编程，以获取异构网络资源的最佳利用和业务的最佳适配。 

虚拟重构主动网络体系结构主要分三层： 

上层是主动应用，

中间是执行环境，

下层是节点操作系统。 

网络用户通过和执行环境（EE，如IPV4或IPV6）交互获得服务。执行环境负责用户和网络之间接口的各个方面，如用户发出分组的语法和语义检查，支持不同的编程模式、寻址和命名方式等。每个执行环境都向用户提供若干API接口函数，例如扩展的JAVA虚拟机、增强的套接字接口或扩展模块加载接口。 

节点操作系统则负责系统资源管理和安全增强引擎，并支持面向所有执行环境的通用抽象数据结构。节点操作系统定义了执行环境可以使用的基本功能模块（API），每个执行环境都使用这些功能模块实现一组抽象的功能并提供给用户端使用，用户端则需要通过执行环境提供的API访问这些抽象功能，而执行环境必须通过节点操作系统访问系统资源。 

主动节点的操作模式是：分组首先到达某个物理链路，节点操作系统根据分组头部信息对分组进行分类，并把它们放到相应的逻辑信道中。每个信道都有相应的协议处理过程，而且可能包括相应的安全检查，信道把分组交给执行环境做进一步处理，或者发给输出端口。 

本发明提出的泛在网体系结构走叠加融合的技术路线，即采取虚拟重构的设计思想。与已有研究项目不同的是，叠加层采用了分布式对等网（P2P）的组网方案，连接多种异构网络，并将它设计为两个逻辑子层：一个逻辑子层“对下”连接异构网的核心网，将各异构网网关的控制协议和媒体格式桥接适配为统一标准；另一个逻辑子层“对上”连接应用层，提供功能服务接口和数据传输通道。采用P2P叠加网融合方案，可利用分布式对等网的协同性、通用性和资源共享能力等，适合异构异质网络的融合。P2P分布式对等联网架构是一种非集中式拓扑结构，适合作为连接动态分散的异质异构网络的组织结构，此外，P2P架构中节点的命名、组织、加入离开、出错恢复等机制也能够满足异构网络的动态变化需求和灵活扩展需求。 

具体地说，如图3所示，本发明一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，其包括： 

11）终端延伸层，包括直接接入网络层的终端和间接通过终端接入网络层的末梢网络； 

12）网络接入层，包括接入网络和核心网；

13）虚拟重构层，实现对异构多网的融合，支持异构网设备间的控制交互和数据互通；

所述虚拟重构层包括：

21）桥接适配子层，由直接连接异构网核心网网关设备的桥接适配器组成，实现异构网终端节点在虚拟重构层中的注册服务器和代理服务器的逻辑功能；桥接适配器对于虚拟重构层而言首先是一个普通对等节点（Peer），也是一个虚拟的通信节点（例如实现为计算机中的一个线程或软件模块），负责与异构网网关设备相连，实现与异构网终端节点的端到端通信，进行标识转换、媒体转换和协议转换，从而通过统一的虚拟重构层寻址机制和控制协议进行跨异构网的泛在信息交互；

桥接适配器的逻辑功能包括：

31）异构网终端节点的注册服务器，用于在中间层进行注册并赋予一个全局唯一标识，保证跨异构网的信息交互；异构网终端节点的标识方案各不相同，若需要跨异构网的信息交互，首先需要在中间层进行注册并赋予一个全局唯一标识，即建立<本地标识, 泛在网标识>的注册记录，本地标识是终端节点所在网的标识，泛在网标识是统一格式的唯一标识，可基于特殊的全局可路由用户代理URI（Globally Routable UA URI, GRUU）的标识方案或SIP URL标识方案；

32）异构网终端节点的代理服务器，用于代为实现终端节点之间的通信，包括协议转换和数据传输；汇聚交换子层采用统一的SIP协议作为跨异构网的会话控制机制，异构网终端节点作为桥接适配器的用户代理（UA）不一定具备SIP通信能力，例如短信终端，故终端节点之间的通信须由各自连接它们的桥接适配器代理实现，包括协议转换和数据传输。协议转换是指将终端节点的控制协议转换为统一的SIP协议，数据传输之前需要协商两个异构网终端节点本次通信的媒体格式，根据各自支持的媒体类型能力达成一致，若双方媒体类型没有交集则无法进行信息交互，例如短信终端无法与视频监视终端通信；

33）异构网终端节点信息的本地存储，用于维护一张在其注册的异构网终端节点的信息表，支持节点移动性管理，根据节点注册、注销、漫游等事件状态，新建、更新或删除节点注册信息；异构网终端节点本地信息存储可利用数据库技术，提高存储及检索性能。

22）汇聚交换子层，由连接关系相对固定的汇聚交换节点以对等互联方式组成，为应用层提供服务。汇聚交换节点对于虚拟重构层而言是一个集合对等节点，用于连接多个普通对等节点（桥接适配器），汇聚节点之间通常具有固定连接关系，是虚拟重构层的骨干交换平台。汇聚交换层对下连接桥接适配层，后者将底层异构网的协议和数据进行转换，提供给前者统一的协议和数据；汇聚交换层对上连接应用层，提供标准的控制协议和数据通信服务，因此，汇聚交换层应采用统一的、标准的技术方案实现，以支持上层应用和跨异构网交互，主要技术方案包括：全局通用的对等节点命名机制、异构网资源索引搜索机制、基于SIP的会话控制协议等； 

汇聚交换节点的逻辑功能包括：

41）汇聚桥接适配器，用于维护桥接适配器的连接关系，接受桥接适配器的请求，搜索本地存储的网络资源通告信息，委托其他汇聚交换节点查询资源通告；

42）路由交换，用于自动配置和存储汇聚交换节点的地址信息，实现数据的存储转发；

43）应用服务接口，用于提供应用层服务接口和功能调用接口，允许上层应用通过虚拟重构层访问异构网络中的终端节点；例如对于交互类应用采用SIP软交换协议提供功能调用接口，对于信息采集应用采用标准的网络服务（Web Service）技术提供服务接口；

44）虚拟重构层访问控制，用于经过统一的安全认证控制访问权。应用层服务和功能调用须经过统一的安全认证才能访问和获取虚拟重构层提供的服务。对于虚拟重构层泛在融合的不同异构网，其自身的访问控制权限各不相同，应用层服务功能调用也须通过异构网本地的认证获取相应的访问控制权限。跨异构网的信息交换需要对异构网终端节点进行访问控制和安全认证，不同网络域的认证方式和安全机制不同，须采用标准的、通用的认证机制支持异构网设备间的访问控制。

14）应用层，由服务中间件和应用服务器构成，对虚拟重构层提出需求和使用虚拟重构层。 

       为了便于理解和实施本发明虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，以下述实施例加以说明。 

实施例之一: 

以基于电信网的语音电话业务与基于互联网的语音会议系统融合为例，说明本专利的工作原理。图6旨在演示普通手机加入互联网视频会议系统，实现手机与会议终端双向语音通信的功能。电信网普通手机发起的会话建立控制流程如下1-8步骤所示。

 普通手机拨打视频会议系统在电信网注册申请的ISDN号码，如：4001234567或95512； 

 电信网交换机识别该号码，并将呼叫交换至虚拟网桥接适配器，电信网交换中心MSC与后者间的接口采用电信网呼叫控制协议，如No.7七号信令；

 桥接适配器将电信网协议转换为统一的SIP协议，并进行语义转换，交由汇聚交换节点进行全局路由寻址，同时将ISDN号码转换为SIP URL；

 汇聚交换节点根据语音会议系统目标SIP URL在汇聚交换层路由寻址，并路由至目的汇聚交换点；

 目的汇聚交换点将语音会议呼叫请求发至连接它的目的桥接适配器；

 目的桥接适配器将呼叫控制分组发至互联网核心路由器；

 核心路由器通过WiFi无线接入网将呼叫控制分组路由至协同融合接入网关；

 协同融合接入网关将呼叫控制分组发至语音会议系统MCU，由后者处理来自电信网普通手机的语音会议呼叫请求；

语音会议系统终端发起的会话建立控制流程是上述

-

步骤的逆向，工作原理类似。

实施例之二: 

虚拟重构网还可将异构网络数据流进行合并传输，支持超过单网吞吐率的高速大容量业务传输。图7给出了基于三种异构网融合实现高清视频监视应用，其中协同融合接入网关与电信CDMA网分组域，业务传输流程步骤如下：

~ 高清视频编码器输出的视频编码流发送至协同融合接入网关，后者同时建立三种网络的多条（至少3个）数据传输通道，将视频编码流分段后在这些传输通道上分散传输；

~

 三种网络的核心路由器路由视频分组流至虚拟重构网的桥接适配器，后者向上提交给汇聚交换节点； 

~

 汇聚交换节点通过应用程序接口将视频分组流汇总至高清视频监视应用软件；

 高清视频监视应用软件合并视频流并显示输出。 

Claims (4)

1.一种虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，特征在于，其包括：

11）终端延伸层，包括直接接入网络层的终端和间接通过终端接入网络层的末梢网络； 

12）网络接入层，包括接入网络和核心网；

13）虚拟重构层，实现对异构多网的融合，支持异构网设备间的控制交互和数据互通；

14）应用层，由服务中间件和应用服务器构成，对虚拟重构层提出需求和使用虚拟重构层。

2.根据权利要求1所述的虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，其特征在于，所述虚拟重构层包括：

21）桥接适配子层，由直接连接异构网核心网网关设备的桥接适配器组成，实现异构网终端节点在虚拟重构层中的注册服务器和代理服务器的逻辑功能；

22）汇聚交换子层，由连接关系相对固定的汇聚交换节点以对等互联方式组成，为应用层提供服务。

3.根据权利要求2所述的虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，其特征在于，所述桥接适配器的逻辑功能包括：

31）异构网终端节点的注册服务器，用于在中间层进行注册并赋予一个全局唯一标识，保证跨异构网的信息交互；

32）异构网终端节点的代理服务器，用于代为实现终端节点之间的通信，包括协议转换和数据传输；

33）异构网终端节点信息的本地存储，用于维护一张在其注册的异构网终端节点的信息表，支持节点移动性管理，根据节点注册、注销、漫游等事件状态，新建、更新或删除节点注册信息。

4.根据权利要求2所述的虚拟重构的异构融合泛在网络体系架构，其特征在于，所述汇聚交换节点的逻辑功能包括：

41）汇聚桥接适配器，用于维护桥接适配器的连接关系，接受桥接适配器的请求，搜索本地存储的网络资源通告信息，委托其他汇聚交换节点查询资源通告；

42）路由交换，用于自动配置和存储汇聚交换节点的地址信息，实现数据的存储转发；

43）应用服务接口，用于提供应用层服务接口和功能调用接口，允许上层应用通过虚拟重构层访问异构网络中的终端节点；

44）虚拟重构层访问控制，用于经过统一的安全认证控制访问权。

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