傳統寬帶網(wǎng)絡(luò )面臨挑戰 區塊鏈技術(shù)為其轉型升級

　　ICCSZ訊    隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)用戶(hù)的激增以及業(yè)務(wù)類(lèi)別的飛速發(fā)展，寬帶網(wǎng)絡(luò )向多業(yè)務(wù)、大帶寬、安全性的方向發(fā)展成為了新時(shí)代的趨勢。近年來(lái)，國內電信運營(yíng)商不斷加大光纖網(wǎng)絡(luò )的建設力度。隨著(zhù)寬帶網(wǎng)絡(luò )的大規模推廣，網(wǎng)絡(luò )多業(yè)務(wù)適配承載能力、靈活的資源調度及全網(wǎng)安全性的壓力越來(lái)越大。繼寬帶化、智能化之后，寬帶網(wǎng)絡(luò )的安全性將成為新的研究熱點(diǎn)，我們使用區塊鏈技術(shù)提出了基于區塊鏈的智能寬帶網(wǎng)絡(luò )解決方案。

　　區塊鏈成為下一代互聯(lián)網(wǎng)代表者

　　互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展已遠遠超出當初設計者的想象。當前互聯(lián)網(wǎng)的使用范圍日益擴大，應用頻率逐漸廣泛，其社會(huì )地位愈來(lái)愈重要?；ヂ?lián)網(wǎng)已經(jīng)從原先的單一技術(shù)名詞過(guò)渡為社會(huì )類(lèi)現象，實(shí)施“互聯(lián)網(wǎng)+”計劃對于推進(jìn)我國“十三五”開(kāi)篇意義重大。然而，也正是隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)的應用普及，使得諸如安全性、穩定性、可控性等問(wèn)題越來(lái)越尖銳?；ヂ?lián)網(wǎng)的流量迅猛增長(cháng)、業(yè)務(wù)日益復雜，現代的互聯(lián)網(wǎng)架構已經(jīng)無(wú)法滿(mǎn)足未來(lái)網(wǎng)絡(luò )發(fā)展的需求。

　　區塊鏈作為一種互聯(lián)網(wǎng)新型去中心化協(xié)議，能安全地存儲比特幣交易或其它數據，信息不可偽造和篡改，可以自動(dòng)執行智能合約，無(wú)需任何中心化機構的審核。交易既可以是比特幣這樣的數字貨幣，也可以是債權、股權、版權等數字資產(chǎn)，區塊鏈技術(shù)解決了“拜占庭將軍問(wèn)題”，大大降低了現實(shí)經(jīng)濟的信任成本與會(huì )計成本，重新定義了互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的產(chǎn)權制度。區塊鏈的概念由中本聰提出，其產(chǎn)生來(lái)自比特幣的重要概念，是指通過(guò)去中心化和去信任的方式集體維護一個(gè)可靠數據庫的技術(shù)方案。該技術(shù)方案主要讓參與系統中的任意多個(gè)節點(diǎn)，通過(guò)一串使用密碼學(xué)方法相關(guān)聯(lián)產(chǎn)生的數據塊，每個(gè)數據塊中包含了一定時(shí)間內的系統全部信息交流數據，并且生成數據指紋用于驗證其信息的有效性和鏈接下一個(gè)數據庫塊。

　　區塊鏈具有六大特征

　　l 去中心化。整個(gè)網(wǎng)絡(luò )沒(méi)有中心化的硬件或者管理機構，任意節點(diǎn)之間的權利和義務(wù)都是均等的，且任一節點(diǎn)的損壞或者失去都會(huì )不影響整個(gè)系統的運作。因此也可以認為區塊鏈系統具有極好的健壯性。

　　l 去信任。參與整個(gè)系統中的每個(gè)節點(diǎn)之間進(jìn)行數據交換是無(wú)需互相信任的，整個(gè)系統的運作規則是公開(kāi)透明的，所有的數據內容也是公開(kāi)的，因此在系統指定的規則范圍和時(shí)間范圍內，節點(diǎn)之間是不能也無(wú)法欺騙其它節點(diǎn)。

　　l 集體維護。系統中的數據塊由整個(gè)系統中所有具有維護功能的節點(diǎn)來(lái)共同維護，而這些具有維護功能的節點(diǎn)是任何人都可以參與的。

　　l 可靠數據庫。整個(gè)系統將通過(guò)分數據庫的形式，讓每個(gè)參與節點(diǎn)都能獲得一份完整數據庫的拷貝。除非能夠同時(shí)控制整個(gè)系統中超過(guò)51%的節點(diǎn)，否則單個(gè)節點(diǎn)上對數據庫的修改是無(wú)效的，也無(wú)法影響其他節點(diǎn)上的數據內容。因此參與系統中的節點(diǎn)越多和計算能力越強，該系統中的數據安全性越高。

　　l 開(kāi)源。由于整個(gè)系統的運作規則必須是公開(kāi)透明的，所以對于程序而言，整個(gè)系統必定會(huì )是開(kāi)源的。

　　l 匿名性。由于節點(diǎn)和節點(diǎn)之間是無(wú)需互相信任的，因此節點(diǎn)和節點(diǎn)之間無(wú)需公開(kāi)身份，在系統中的每個(gè)參與的節點(diǎn)都是匿名的。

　　目前區塊鏈已經(jīng)在金融領(lǐng)域逐步展開(kāi)應用，其中包括清算結算。經(jīng)濟危機過(guò)后，隨著(zhù)美聯(lián)儲降低銀行杠桿，導致流動(dòng)性緊張，美國銀行開(kāi)始逐步使用區塊鏈技術(shù)。另外，股權交易也嘗試使用該技術(shù)。任何一個(gè)人對股權的認購全部在區塊鏈上，作為一個(gè)透明的系統，這個(gè)透明系統不需要投資銀行來(lái)做這些工作。納斯達克以6家公司進(jìn)行試點(diǎn)，這個(gè)實(shí)驗對審計和投行產(chǎn)生顛覆性的影響。

　　傳統寬帶網(wǎng)絡(luò )面臨巨大挑戰

　　寬帶網(wǎng)絡(luò )是信息傳送的高速公路，尤其是光傳送網(wǎng)完成了大批用戶(hù)流量的匯聚與傳送，大容量、高帶寬和智能管控成為寬帶網(wǎng)絡(luò )的主要特征。為了解決網(wǎng)絡(luò )寬帶化、智能化的發(fā)展瓶頸，電信運營(yíng)商正在推廣以軟件定義網(wǎng)絡(luò )(SDN)為主的智能寬帶網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，通過(guò)軟件定義的控制技術(shù)，有效解決了網(wǎng)絡(luò )容量瓶頸。但寬帶網(wǎng)絡(luò )對于業(yè)務(wù)本身的識別承載、資源適配以及安全性方面卻鮮有涉及，目前討論的方式僅限于開(kāi)放北向接口，做簡(jiǎn)單的應用模型，以上問(wèn)題未能有效解決。隨著(zhù)用戶(hù)對業(yè)務(wù)質(zhì)量與安全性需求的提升，當前寬帶網(wǎng)在業(yè)務(wù)方面面臨的諸多挑戰應該在建設之初就采取有效措施加以解決。具體包含以下內容。

　　多業(yè)務(wù)適配承載能力差，缺乏有效的業(yè)務(wù)區分與質(zhì)量保證。隨著(zhù)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷推進(jìn)，用戶(hù)對業(yè)務(wù)的質(zhì)量要求越來(lái)越高，業(yè)務(wù)的類(lèi)型也不僅局限于傳統的語(yǔ)音、數據、視頻這種分類(lèi)方式，業(yè)務(wù)可以實(shí)現自定義的傳輸需求，新一代寬帶網(wǎng)絡(luò )應當具有不同種業(yè)務(wù)類(lèi)別的區分能力、多業(yè)務(wù)類(lèi)型的傳輸能力，同時(shí)保障服務(wù)質(zhì)量。要求可以自定義的用戶(hù)數量、用戶(hù)種類(lèi)參與完成多種任務(wù)，實(shí)現實(shí)時(shí)、高效、安全的混合和并發(fā)傳送。而現有的寬帶網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)需求較為簡(jiǎn)單，沒(méi)有考慮完整因素的業(yè)務(wù)到網(wǎng)絡(luò )映射機制與適配承載方法，對業(yè)務(wù)服務(wù)質(zhì)量也都局限于網(wǎng)絡(luò )傳輸性能本身，沒(méi)有與業(yè)務(wù)相對應的機制，需要進(jìn)行不同業(yè)務(wù)類(lèi)別的翻譯，造成協(xié)議復雜、效率低下，缺乏服務(wù)質(zhì)量保證。迫切需要將業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò )真正地融合起來(lái)，形成統一的跨層優(yōu)化，實(shí)現多業(yè)務(wù)質(zhì)量保證機制。

　　寬帶網(wǎng)絡(luò )缺乏靈活的資源調度機制。當前的寬帶網(wǎng)絡(luò )采用SDN的控制方式，理論上可以實(shí)現網(wǎng)絡(luò )中設備的動(dòng)態(tài)控制與靈活調配，但在實(shí)際場(chǎng)景中由于多設備商和多運營(yíng)商的介入與博弈，SDN的標準化進(jìn)程較為緩慢。另一方面，SDN的研究和標準化工作重點(diǎn)著(zhù)眼于南向接口，北向接口的設計較為簡(jiǎn)單，使得新型業(yè)務(wù)的適配性、私密性和擴展性不高，缺乏靈活的業(yè)務(wù)適配網(wǎng)絡(luò )資源調度機制，不利于寬帶網(wǎng)絡(luò )的管理維護與技術(shù)升級。

　　寬帶網(wǎng)絡(luò )安全性有待提升。近年來(lái)，隨著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)金融的蓬勃發(fā)展，信息安全被越來(lái)越多的人關(guān)注。人們大量關(guān)注于信息或業(yè)務(wù)本身的安全性，而忽視了作為承載設施的網(wǎng)絡(luò )安全性問(wèn)題。作為基礎設施的寬帶網(wǎng)絡(luò )，如果在此層面上實(shí)現網(wǎng)絡(luò )安全，可以有效提升用戶(hù)業(yè)務(wù)的可靠性。在網(wǎng)絡(luò )研究大多著(zhù)眼于傳輸帶寬、使用效率和實(shí)時(shí)性的今天，網(wǎng)絡(luò )安全也成為了不可或缺的性能指標。

　　基于區塊鏈構建智能寬帶網(wǎng)絡(luò )

　　針對當前寬帶網(wǎng)絡(luò )所面臨的挑戰，為了滿(mǎn)足未來(lái)寬帶網(wǎng)絡(luò )多業(yè)務(wù)、大帶寬、安全性的發(fā)展需求，實(shí)現基礎設施與上層業(yè)務(wù)的融合互通，完成寬帶網(wǎng)絡(luò )和業(yè)務(wù)應用的跨層優(yōu)化，滿(mǎn)足寬帶網(wǎng)絡(luò )日益迫切的智能化安全化需求，我們提出了基于區塊鏈的智能寬帶網(wǎng)絡(luò )解決方案，將寬帶網(wǎng)絡(luò )的扁平化架構向業(yè)務(wù)側延伸，從基礎設施與上層業(yè)務(wù)相互孤立轉變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò )與業(yè)務(wù)交互融合，通過(guò)引入虛擬層與區塊層，實(shí)現網(wǎng)絡(luò )架構的跨層優(yōu)化，解決未來(lái)寬帶網(wǎng)絡(luò )的業(yè)務(wù)適配、資源調度與安全性問(wèn)題。

　　所提出基于區塊鏈的帶寬網(wǎng)絡(luò )體系架構如圖1所示，其包含傳輸層、虛擬層、控制層和區塊層等4個(gè)層面。在這種開(kāi)放式控制體系架構中，可編程的控制器作為開(kāi)放式控制層的主體，是實(shí)現網(wǎng)絡(luò )安全性能的核心，該控制器為上層區塊鏈提供統一的開(kāi)放接口并針對不同任務(wù)提供不同虛擬控制器，同時(shí)通過(guò)開(kāi)放式的南向硬件控制接口與底層基礎設施交互，根據業(yè)務(wù)需求映射虛擬化網(wǎng)絡(luò )，以完成業(yè)務(wù)控制與管理。

　　傳輸層由寬帶網(wǎng)絡(luò )設備與光纖鏈路構成，該層可以完成用戶(hù)信息的高帶寬、低時(shí)延傳輸，為不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò )基礎設施。在傳輸層中的典型技術(shù)包括密集波分復用系統(DWDM)和靈活柵格光網(wǎng)絡(luò )(Flexi-Grid)等。其中靈活柵格光網(wǎng)絡(luò )打破傳統波長(cháng)路由在帶寬分配與性能管理上采用“一刀切”(one-size-fits-all)模式，將網(wǎng)絡(luò )頻譜資源進(jìn)一步細化分割，把WDM網(wǎng)絡(luò )架構中符合ITU-T標準固定波長(cháng)柵格被進(jìn)一步細分為更窄小的頻譜單元，從而實(shí)現根據用戶(hù)需求和實(shí)際業(yè)務(wù)量大小，動(dòng)態(tài)有效地分配適合的頻譜資源和配置相應的調制方式，提升頻譜資源利用效率。

　　虛擬層則通過(guò)使用寬帶網(wǎng)絡(luò )虛擬化技術(shù)，將物理網(wǎng)絡(luò )資源抽象并分割為原子化虛擬資源，然后根據用戶(hù)需求重新組成相互獨立的虛擬寬帶網(wǎng)絡(luò )，在共享的物理基礎架構上獨立運行。不同虛擬寬帶網(wǎng)絡(luò )的并存和獨立成為了虛擬層的重要特征。與其他網(wǎng)絡(luò )技術(shù)相比，寬帶網(wǎng)絡(luò )特別是光網(wǎng)絡(luò )有獨特的虛擬功能，包括光層限制，如波長(cháng)或光譜的連續性、一致性以及物理?yè)p傷等。這些光層特性將影響到虛擬寬帶網(wǎng)絡(luò )的構成數量，而且會(huì )影響并存的虛擬網(wǎng)絡(luò )之間獨立性。

　　控制層的核心是可編程的控制器，其在整個(gè)架構中起著(zhù)“承上啟下”的作用。對底層網(wǎng)絡(luò )而言，控制器扮演硬件資源虛擬化的角色，將物理傳輸層中的網(wǎng)絡(luò )設備虛擬化從而形成虛擬層，并在控制器中根據資源調度策略以及業(yè)務(wù)優(yōu)先級安排資源分配方式，網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)者可以輕松地在這種架構中實(shí)現可編程的控制。而對于區塊層，控制器將根據不同業(yè)務(wù)需求，虛擬出相互獨立的虛擬控制器以完成對應業(yè)務(wù)的控制與資源調度，由此可以去中心化的方式降低對控制器的計算與存儲壓力。

　　區塊層完成區塊鏈的構建并維護不同區塊的相互依存。根據不同業(yè)務(wù)需求，用戶(hù)向控制層發(fā)送請求，控制層按照業(yè)務(wù)的優(yōu)先級和安全范圍確定虛擬寬帶網(wǎng)絡(luò )的范圍與所需資源，并生成虛擬控制器實(shí)現去中心化控制。虛擬網(wǎng)絡(luò )確立后，相應任務(wù)完成的數據記錄在對應的區塊中，隨著(zhù)時(shí)間的推進(jìn)，具有依存關(guān)系的區塊形成區塊鏈，從而提升寬帶網(wǎng)絡(luò )的安全性。

圖1 基于區塊鏈的智能寬帶網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)絡(luò )架構圖

　　區塊鏈引領(lǐng)帶寬網(wǎng)絡(luò )的發(fā)展

　　如今的互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)飛速發(fā)展，尤其是“互聯(lián)網(wǎng)+”的提出標志著(zhù)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)從單一的網(wǎng)絡(luò )技術(shù)過(guò)渡到一科社會(huì )性體系。而區塊鏈的提出，在傳統的金融和互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域形成顛覆性的影響。區塊鏈技術(shù)使用去中心化共識機制來(lái)維護一個(gè)完整的、分布式的、不可篡改的數據庫，能夠讓區塊鏈中的參與者在無(wú)需建立信任關(guān)系的前提下實(shí)現統一的數據記錄系統。其本質(zhì)上是從業(yè)務(wù)角度實(shí)現一個(gè)分布式的安全機制。

　　寬帶網(wǎng)絡(luò )的創(chuàng )新也是如此，在SDN的初始階段，網(wǎng)絡(luò )是以統一的集中式控制為基本架構，當網(wǎng)絡(luò )規模增加、設備復雜后，網(wǎng)絡(luò )中安全性問(wèn)題逐漸突出?；?A href="http://joq5k4q.cn/site/CN/Search.aspx?page=1&keywords=%e5%8c%ba%e5%9d%97%e9%93%be&column_id=ALL&station=%E5%85%A8%E9%83%A8" target="_blank">區塊鏈的智能寬帶網(wǎng)絡(luò )正致力于從集中式轉變?yōu)榉植际?，將共享的沒(méi)有信任關(guān)系的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)實(shí)現安全的信息傳輸。在網(wǎng)絡(luò )安全提升至國家戰略層面的今天，在“尋求轉型、與業(yè)務(wù)接軌”的運營(yíng)商的推動(dòng)下，區塊鏈技術(shù)將引領(lǐng)下一代互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)革新。

　　網(wǎng)絡(luò )世界中挑戰與機遇并存。在互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域，從云計算到大數據，中國一直是一個(gè)跟隨者。區塊鏈技術(shù)的提出在全球范圍內仍處于早期階段，各種技術(shù)方案和應用場(chǎng)景還需要進(jìn)一步地探索和完善，其涉及互聯(lián)網(wǎng)體系的深刻變革，研究并實(shí)踐區塊鏈技術(shù)將為中國互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展實(shí)現“彎道超車(chē)”，提供了難得的機遇。

　　作者：北京郵電大學(xué)信息光子學(xué)與光通信國家重點(diǎn)實(shí)驗室 楊輝 張杰