异构网络融合与可编程技术

随着通信技术的迅猛发展和移动多媒体业务的广泛应用，未来信息通信网络正呈现出异构融合、跨域协同的趋势，面临着诸如提高融合网络整体性能、*化网络资源利用率、降低网络能耗、支持无缝切换和漫游、提供智能*接入、提高服务质量与安全保障等挑战。网络虚拟化与可编程技术为异构网络融合提供了新思路，通过承载与控制分离或者网元功能软件化，提升网络的软件化程度和可编程能力，能够从网络全局角度对资源进行优化调度，使得网络更加灵活可控、可重构、可定制、按需分配资源、提供适度服务，适应终端和业务的多样化、个性化发展。本书分析总结了当前异构网络融合及可编程相关技术的发展和研究现状，结合近年来的科研成果，论述了异构网络融合方案及融合的关键技术，介绍了网络可编程技术、基于软件定义网络的异构网络融合设计思路、网络虚拟化与网络功能虚拟化的概念，*后还介绍了异构网络融合和可编程仿真平台及实验平台的搭建。本书可供从事通信网络技术领域研究的专业人士和工程技术人员阅读，也可作为高等院校从事相关课题研究的师生的参考书。 

本书系统而又深入地论述了异构网络融合与可编程的相关知识和关键技术。全书共分10章，内容包括异构网络融合与可编程网络相关技术的发展，异构无线网络融合的方案，异构无线网络融合的关键技术，网络可编程的基本概念与关键技术，软件定义网络基础概念与整体架构，基于SDN的异构网络融合技术，网络虚拟化的发展背景、发展动因及主要应用，网络功能虚拟化的架构、关键问题和应用场景，异构无线网络仿真平台的相关技术与实现，SDN仿真平台的搭建，搭建异构网络管理平台。
本书可供从事下一代通信网络研究的专业技术人员、管理人员，特别是网络融合和可编程及虚拟化领域的专业研究人员和工程技术人员阅读，也可作为高等院校从事相关课题研究的师生的参考书。

魏翼飞（1983—），北京邮电大学理学院副院长，博士生导师。加拿大卡尔顿大学联合培养博士，爱尔兰都柏林城市大学博士后，美国休斯敦大学访问学者。近年来主要从事未来网络及绿色通信技术的研究，包括无线通信新技术及网络融合与虚拟化，通信设备及网络节能技术。作为项目负责人先后主持2项国家自然科学基金项目、1项省部级科研项目、6项企业合作项目；参与完成了多项国家科技重大专项、国家“863计划”项目、国家自然科学基金等*科研项目，在国内较早开展了绿色通信、网络融合与虚拟化的研究，取得了显著成果，相关理论和技术成果得到了应用。在国内外学术期刊上发表SCI检索论文14篇，EI检索论文30余篇，申请专利30余项，出版专著1本。宋梅（1960—），北京邮电大学电子工程学院教授，博士生导师。近年来的研究领域涉及未来移动通信、网络融合技术、未来网络与信息服务。作为项目负责人或参加人完成科研项目二十多项，其中包括国家“十一五”科技支撑计划、国家自然科学基金项目、国家“863计划”项目。曾获得邮电部科技进步二等奖、北京市优秀青年教师等奖励，并获得国家科学技术委员会颁发的重大项目成果证书。在国内外期刊和国际学术会议发表和合作发表了上百篇学术论文，完成了多项信息产业部及中国移动、中国标准化协会的相关技术规范与标准的起草和研究报告。

 

 

目录

 

 

第1章信息通信技术发展趋势

 

1.1无线通信技术发展

 

1.1.1移动通信系统的发展

 

1.1.2无线接入技术的发展

 

1.1.3无基础设施的无线网络

 

1.2有线网络的发展

 

1.2.1互联网

 

1.2.2有线电视网络

 

1.2.3光网络

 

1.3异构网络融合

 

1.3.1异构无线网络融合

 

1.3.2三网融合

 

1.3.3终端融合

 

1.3.4固定移动融合

 

1.4可编程网络

 

1.4.1认知无线电与认知网络

 

1.4.2软件定义网络

 

1.4.3网络功能虚拟化

 

1.5未来网络的特点

 

1.5.1智能可编程

 

1.5.2资源化

 

1.5.3绿色高能效

 

参考文献

 

第2章异构无线网络融合方案

 

2.1异构无线网络融合的体系结构

 

2.1.13GPP系统与WLAN网络融合体系结构

 

2.1.2无线接入网络融合

 

2.2异构无线网络的业务融合

 

2.2.1基于IMS的全业务网络融合

 

2.2.2基于SIP的业务融合

 

2.3异构无线网络IP层的融合

 

2.3.1移动IPv4

 

2.3.2移动IPv6

 

2.3.3分层移动IPv6

 

2.4无线网络物理层融合

 

2.4.1多天线技术

 

2.4.2OFDM技术

 

2.4.3分集接收技术

 

2.4.4自适应编码调制技术

 

2.5组网技术的融合

 

2.5.1多跳中继技术

 

2.5.2自组织网络

 

2.5.3协作通信技术

 

2.6移动终端的融合

 

2.6.1多模移动终端

 

2.6.2支持软件无线电的移动终端

 

参考文献

 

第3章异构无线网络融合关键技术

 

3.1异构无线网络移动性管理

 

3.1.1移动性管理简介

 

3.1.2电路域的移动性管理

 

3.1.3分组域的移动性管理

 

3.1.4异构网络的移动性解决方案

 

3.2异构无线网络资源管理

 

3.2.1资源管理模型

 

3.2.2接纳控制

 

3.3异构无线多接入网络选择

 

3.3.1无线多接入网络选择分类

 

3.3.2无线多接入系统的网络构架

 

3.3.3多接入选择过程

 

3.3.4基于效用函数的接入选择算法

 

3.4异构无线网络端到端QoS保障

 

3.4.1IntServ集成服务模型

 

3.4.2DiffServ区分服务模型

 

3.4.3MPLS多协议标签交换模型

 

3.4.4异构网络的QoS映射

 

参考文献

 

第4章网络可编程技术

 

4.1可编程网络

 

4.1.1可编程网络发展

 

4.1.2可编程网络架构

 

4.1.3可编程网络接口技术

 

4.1.4控制与转发分离——软件定义网络

 

4.2软件定义无线网络

 

4.2.1软件定义无线电与认知无线电

 

4.2.2无线网络的软件定义趋势

 

4.2.3无线网络虚拟化

 

4.3软件定义数据中心

 

4.3.1软件定义数据中心简介

 

4.3.2软件定义存储

 

4.3.3软件定义计算

 

4.3.4软件定义网络在数据中心中的应用分析

 

参考文献

 

第5章软件定义网络

 

5.1SDN技术简介

 

5.1.1基本概念

 

5.1.2SDN定义

 

5.1.3SDN的发展背景

 

5.1.4SDN架构

 

5.2SDN数据平面及南向接口技术

 

5.2.1数据平面简介

 

5.2.2OpenFlow协议简介

 

5.2.3OFCONFIG协议简介

 

5.2.4SDN硬件交换机

 

5.2.5SDN软件交换机

 

5.3SDN控制平面及相关接口技术

 

5.3.1控制器架构

 

5.3.2控制器设计特性分析

 

5.3.3控制器接口技术

 

5.3.4开源与商用控制器项目

 

参考文献

 

 

第6章基于SDN的异构网络融合技术

 

6.1异构网络融合引入SDN的优势

 

6.2SDN应用场景简介

 

6.2.1SDN在数据中心网络中的应用

 

6.2.2SDN在家庭网络中的应用

 

6.2.3SDN在城域网中的应用

 

6.2.4SDN在接入网中的应用

 

6.2.5SDN在CRAN中的应用

 

6.2.6SDN在VPN中的应用

 

6.2.7SDN在固定移动融合场景中的应用

 

6.3基于SDN的异构无线网络资源管理方案

 

6.3.1网络资源管理简介

 

6.3.2频谱资源分配

 

6.3.3转发资源分配

 

6.4基于SDN的异构无线网络接入选择策略

 

6.5基于SDN的异构无线网络无缝切换技术

 

6.6基于SDN的异构网络绿色节能方案

 

6.6.1异构网络能耗问题研究

 

6.6.2异构网络节能方法简介

 

6.6.3基于SDN的节能技术简介

 

6.6.4SDN在能源互联网中的应用

 

6.7基于SDN的网络设备部署方案

 

6.7.1Overlay技术产生背景

 

6.7.2Overlay技术简介

 

6.7.3Overlay组网方案

 

参考文献

 

第7章网络虚拟化与网络功能虚拟化

 

7.1网络虚拟化的背景和发展

 

7.1.1虚拟化和网络虚拟化技术

 

7.1.2网络虚拟化的过去

 

7.1.3网络虚拟化的现在

 

7.1.4网络虚拟化的目标

 

7.1.5网络虚拟化的未来

 

7.2虚拟网创建

 

7.2.1网络虚拟化结构模型

 

7.2.2虚拟网创建流程

 

7.3虚拟网安全问题

 

7.4网络虚拟化的应用

 

7.4.1网络虚拟化和云计算的结合

 

7.4.2网络虚拟化和SDN的结合

 

7.5网络功能虚拟化背景现状及影响

 

7.5.1网络功能虚拟化背景

 

7.5.2网络功能虚拟化标准化

 

7.5.3网络功能虚拟化的意义

 

7.6网络功能虚拟化架构

 

7.7网络功能虚拟化关键问题

 

7.8网络功能虚拟化的应用场景

 

7.9电信网络与NFV

 

7.9.1数据中心建设

 

7.9.2电信网络对NFV的需求

 

7.9.3传统电信网络向NFV的演进策略

 

参考文献

 

第8章异构无线网络仿真平台

 

8.1NS2网络模拟器

 

8.1.1NS2简介

 

8.1.2NS2仿真原理

 

8.1.3NS2的扩展： 添加新协议

 

8.2仿真分析需要的相关工具

 

8.2.1数据处理工具grep和gawk

 

8.2.2图形绘制工具

 

8.2.3程序调试工具

 

8.3支持UMTS/WLAN双模的网络仿真平台

 

8.3.1UMTS模块简介

 

8.3.2UMTS基本通信过程及代码分析

 

8.3.3NS2的无线模块简介

 

8.3.4UMTS/WLAN双模网络仿真平台的搭建

 

8.4仿真实例

 

8.4.1基于移动IP的垂直切换仿真

 

8.4.2多接入选择模块

 

8.4.3协同无线资源管理模块

 

8.4.4统一的QoS保障和管理仿真

 

第9章SDN仿真平台

 

9.1Mininet模拟网络环境

 

9.1.1Mininet简介

 

9.1.2Mininet安装

 

9.1.3Mininet使用说明

 

9.1.4Mininet应用实例

 

9.2控制器OpenDaylight

 

9.2.1OpenDaylight简介

 

9.2.2OpenDaylight安装配置

 

9.2.3OpenDaylight应用实例

 

9.3网络虚拟层FlowVisor

 

9.3.1FlowVisor简介

 

9.3.2FlowVisor安装使用

 

9.3.3FlowVisor应用实例

 

9.3.4基于FlowVisor的虚网划分

 

参考文献

 

第10章可编程异构网络管理平台

 

10.1网络配置管理技术简介

 

10.1.1基于NETCONF的网络配置管理

 

10.1.2大规模网络自动化部署技术

 

10.1.3基于Web的网络管理技术

 

10.2OpenWrt编译安装与开发

 

10.2.1OpenWrt简介

 

10.2.2OpenWrt编译与安装

 

10.2.3LuCI API的使用

 

10.2.4OpenFlow添加与应用

 

10.3实验平台搭建

 

10.3.1平台设计

 

10.3.2能源供给模块

 

10.3.3组网模块

 

10.3.4集中式管理模块

 

参考文献

前言

在技术进步、市场竞争和用户需求的共同推动下，信息通信技术特别是无线通信技术的发展突飞猛进，无处不在的网络服务将成为现实。在蜂窝移动通信技术向宽带化方向快速演进、力争提供无线宽带服务的同时，各种无线接入技术不断成熟并普及，促使宽带业务向无线化发展，开始提供部分移动通信功能，试图通过宽带移动化进入移动通信市场。这两大分支在相互竞争独立发展的同时相互借鉴、取长补短，满足了终端和业务的多样化、个性化发展需求。不同网络架构、不同组网技术、不同协议软件、不同服务质量、不同管理模式的多种网络共存，共同为用户提供泛在网络服务的局面将长期存在。各种信息通信网络在高速发展的同时，也日益显现出受网络封闭与僵化特性的制约，导致异构网络之间难以融合互通、难以优化网络整体性能、难以提供定制化的服务，并且多种网络形态共存已经导致了过度服务、资源和能耗消耗过大的问题。如何将这些异构网络融合在一起，互联互通，并且多网协同工作，提供覆盖广、带宽高、移动性强且费用低廉的接入服务，节约资源、适度服务将是未来通信系统的发展方向。在异构网络场景下引入可编程思想，对传统网络架构进行改进，通过承载与控制分离或者网元功能软件化，提升网络的软件化程度和可编程能力，实现网络的灵活可控制、融合可演进、开放可编程以及弹性可定制的特性，为未来信息通信网络发展提供了更大的发展空间。基于软件定义与可编程技术的异构网络融合方案能够提高融合网络整体性能、化网络资源利用率、降低网络能耗、支持无缝切换和漫游、提供智能接入及服务质量和安全保障，适应终端和业务的多样化、个性化发展。对运营商而言，传统网络昂贵的专业设备被通用的可编程交换设备和控制器所取代，能够有效降低其组网成本、提供按需分配的适度服务； 对于互联网企业而言，软件定义网络架构屏蔽了低层交换设备的差异性，网络管理者不需要通过各种协议来实现复杂的网络功能，仅仅调用软件接口就可以完成对网络的可重构管理和控制，提高了网络管理效益； 对普通用户而言，由于可编程网络能够根据业务需求对网络进行实时动态调整，因此可以提供给用户更好的服务体验。通过集中管理和协同控制，实现网络资源的高效利用； 通过网络虚拟化，实现客户定制化网络； 通过开放的控制与数据平面接口，实现新技术的快速应用。异构网络融合与可编程技术将打破传统网络路径选择与资源优化瓶颈，增强网络连通性，降低异构网络融合复杂度，推动信息通信网络向智能可编程、资源化、绿色高能效的方向发展演进。本书着眼于全面、系统、深入地介绍异构网络融合与可编程的相关知识和关键技术，分析总结了当前异构网络融合及可编程相关技术的发展和研究现状，结合课题组近年来的科研成果，介绍了基于软件定义的异构网络融合技术以及异构网络融合和可编程仿真平台及实验平台的搭建。全书分为10章。第1章是全书的概要，首先介绍无线通信技术与有线通信技术的发展历程，然后介绍了异构网络融合与可编程网络相关技术，后探讨了未来网络的特点。第2章介绍异构无线网络融合的方案，分别对异构无线网络业务层融合、IP层融合、物理层融合、组网技术的融合等方案进行了详细阐述。第3章分析了异构无线网络融合的关键技术，对异构网络融合过程中需要考虑的4类关键问题进行深入分析。第4章阐述了网络可编程的基本概念、关键技术与发展现状，并重点对可编程网络中软件定义特性在无线网络与数据中心中的应用进行详细的介绍和分析。第5章首先介绍软件定义网络基础概念与整体架构，随之分别对其数据平面与控制平面以及相关接口进行了详细阐述。第6章概述基于SDN的异构网络融合技术，介绍了SDN在不同网络场景中的应用，以及如何进行异构网络间的选择与切换，讨论基于SDN进行网络资源管理的方法，并针对网络能耗问题提出基于SDN的节能方案，给出了当前SDN在网络中的部署方案。第7章分为两部分，首先介绍网络虚拟化的发展背景、发展动因、主要应用，其次对网络功能虚拟化的架构、关键问题和应用场景等进行了详细阐述。第8章总结了异构无线网络仿真平台的相关技术与实现，简要介绍NS2网络模拟器及仿真分析所需要的相关工具，对支持UMTS/WLAN双模的网络仿真平台及相关仿真实例的实现进行详细阐述。第9章介绍SDN仿真平台的搭建，通过Mininet工具来定义网络，使用了开源的Opendaylight，在Mininet和Opendaylight之间搭建了FlowVisor，通过对网络流量关键字段的划分，使得同一物理网络中可以部署多个控制器来完成不同的策略。第10章围绕如何搭建异构网络管理平台展开，首先介绍现有网络配置管理技术的应用与实现原理，接下来就如何搭建异构网络管理平台以及搭建平台所涉及的关键技术进行详细阐述。本书的编写考虑到了不同层次读者的需要，全面地介绍了异构网络融合及可编程相关技术的概念、设计思路和关键技术，包括各种通信技术的发展趋势、网络融合方案及融合的关键技术、网络可编程技术、软件定义网络、基于SDN的异构网络融合技术、网络虚拟化与网络功能虚拟化、异构网络融合和可编程仿真平台及实验平台的搭建，便于读者对未来可编程异构融合网络形成系统全面的知识体系。读者也可以根据自身需要，有选择性地阅读相关的章节。本书的编撰工作凝结了北京邮电大学ICN&CAD中心张勇、满毅、王莉、滕颖蕾、刘洋、郭达、王小娟等教师、博士生及硕士生的研究成果，李俏、李莉、屈银翔、顾博、侯永福、王昊、赵梦雨、吴凯丽、贾子寒、彭翀霄等参与了本书中重要部分的编写工作，在这里特别表示感谢。加拿大卡尔顿大学Fei Richard YU教授、爱尔兰都柏林城市大学Xiaojun WANG教授、美国休斯敦大学Zhu HAN教授对本书提出了很好的建议，在此向他们表示衷心的感谢。此外，还要感谢国家自然科学基金项目(61571059)对相关研究的资助。由于编者水平和视野所限，以及编写时间仓促，加之信息通信技术发展日新月异，书中难免有疏漏甚至错误之处，恳请读者批评指正。编著者2017年4月

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