（信号与信息处理专业论文）可编程网络研究.pdf

摘要 摘要 本文主要对可编程网络的体系结构和应用进行了研究。首先介绍了可编程 网络的提出背景，可编程网络的概念，可编程网络的优点，国外进行的相关工 作等。接着，本文对可编程网络的网络结构进行了深入分析，包括可编程网络 的一个通用模型，然后对p 1 5 2 0 参考模型中各种分层原则及每层中各种实体 的功能进行了分析，在概念上对可编程网络的体系结构进行了l 龅明之后，它在 i p 网络中的网络接口的实现定义也进行了简要的说明，然后介绍了可编程网络 的一些工程，技术等，并对这些工作进行了分析和比较。最后分析可编程网络 对q o s 的支持。本文对可编程网络的应用也进行了研究，提出了一种基于主动 网络的可靠组播传输协议a r m t p ( a c t i v er e l i a b l em u l t i c a s tt r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) ， 并利用计算机仿真实验证实了它在缩短r e c e i v e r 的丢包恢复迟延，降低成功传 输组播数据包时s e n d e r r e c e i v e r 和网络节点所需占用的带宽以及合理分摊组播 组中的各秭业务流负载方面的良好性能，这些优点最终决定了a r m t p 协议良 好的可扩展性。 关键词：可编程网络主动网络 p 1 5 2 0体系结构 a r m t p组播 a b s t r a c t i nt h i sp a p e rt h ea r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o n so fp r o g r a m m a b l en e t w o r ka r e r e s e a r c h e d f i r s t l y ，t h eb a c k g r o u n do fp r o g r a m m a b l en e t w o r ki si n t r o d u c e d ，t h e nt h e b a s i ci d e aa n dt h ea d v a n t a g e so fp r o g r a m m a b l en e t w o r ka r eg i v e n ，a n dt h er e l e v a n t w o r k so np r o g r a m m a b l en e t w o r ka r er e v i e w e d s e c o n d l y ，at h o r o u 曲l ys t u d yo ft h e p r o g r a m m a b l en e t w o r ka r c h i t e c t u r ei sg i v e n ，t h i si n c l u d e sac o m m o nm o d e la n d p 1 5 2 0r e f e r e n c em o d e l t h el a y e r i n gp r i n c i p l e sa n dt h ef u n c t i o n so fe a c hl a y e ra r e d e s c r i b e dt o o a f t e rac o n c e p te x p l a i no ft h ea r c h i t e c t u r e ，ac o n c i s ed i s c u s so fi t s r e a l i z a t i o no fn e t w o r ki n t e r f a c e si ni pn e t w o r ki sp r o v i d e d m o r e o v e r , t h er e l e v a n t w o r k so np r o g r a m m a b l en e t w o r ka r er e v i e w e d ，a n dt h e nc o m p a r e d f o l l o w e di st h e a n a l y s i s o fi t ss u p p o r tt o q o s f i n a l l y a i la c t i v er e l i a b l em u l t i c a s tt r a n s p o r t p r o t o c o lb a s e do na c t i v en e t w o r ki sp r o p o s e d ，a n dt h r o u g he x p e r i m e n tp r o v e dt h a ti t c a nr e d u c et h ed e l a yo fr e c e i v e r , s a v et h eb a n d w i d t ha n ds h o wg o o dp e r f o r m a n c ei n m u l t i c a s t ，t h e s ea d v a n t a g e sd e t e r m i n e da r m t p h a sa g o o ds c a l a b l i t y k e y w o r d s ：p r o g r a m m a b l en e t w o r k a c t i v en e t w o r k p 1 5 2 0n e t w o r ka r c h i t e c t u r e a r m t pm u i t i e a s t 可编程网络研究 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：静离弃磷l 日期：j 2 1 生立尘王一 。o 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即： 研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论 本人签名： 导师签名： 北圳i i ：i u7 1 苎。叭i 允生毕设汁、也上 用本授权书。 日期：趔匕! ! 日期 卢妒；i o 第一章绪论 第一章绪论 1 1 可编程网络的发展背景 1 i p 业务成为未来i n t e r n e t 上的主导业务 近些年来，随着i n t e m e t 的普及和商用化以及基于w w w 的各种多媒体业务的 不断出现。因特网业务不断急剧增长，现每月增长1 0 左右，每6 - - 9 个月翻番， 这意味着到2 0 0 4 年美国需要3 5 t b i g s 的网络容量，加拿大需要3 t b i “s ，目前， 些i s p 已经在建o c 一4 8 i p 网，也许用不了多久就需要o c 一1 9 2 或o c 一7 6 8 的i p 网。 例如，美国的u w n e t 公司1 9 9 6 年初首建o c 一3 网，1 9 9 7 年初又建o c 1 2 网，1 9 9 8 年末建o c 4 8 网，1 9 9 9 年末建n x o c 一4 8 网，每年上一个台阶。用户则开始定购 o c 一1 2 的i p 本地环路，例如m c i 已开始连接第一批o c 一1 2 用户，m i c r o s o f t 已定 购3 x o c 一1 2 s o n e t 作因特网接入。而未来的趋势表明m 业务将持续快速增长，因 为：随着诸如i n e t r n e t 2 和c a * n e t 2 ( 加拿大网) 之类第二代网的发展会出现许多 新的应用；i p 电话发展很快；a d s l 如果像现在的调制解调器那样普及，网络容 量就须增加1 0 0 4 1 0 0 0 倍；目前尚处于早期阶段的机对机应用( 如生物信息传送、 i 】) 应用、异地备份、w e b 缓存、组播馈送、新闻馈送、批处理、数据库同步、电 子信箱；将来的应用还包括分布式人类染色体组排序、地一空数据库映射、天体 成像、数据库挖掘等) 将对网络和带宽提出进一步的要求。预计到2 0 0 5 年话音业 务将仅占全部业务的1 。在这种情况下，显而易见，需要更高速、更简单、更灵 活、带宽利用更有效的组网技术来解除骨干网的压力。 2 在i p 层实现各种q 0 8 保障机制仍然必不可少 q o s 已越来越成为当前i n t e m e t 上的“瓶颈”问题，在业界一直存在着是否应 在i n t e m e t 上解决q o s 的争论。一种观点认为由于使用了w d m 技术及各种光技 术的不断发展，网络传输带宽将不再成为问题。在这神情况下，依据b e s t e f f o a 机制构造的传统m 网络技术将自然而然解决q o s 问题。另一种观点认为不论网络 将提供多么宽的带宽，由于网络的普及和各种新业务的出现，已提供的网络带宽 终究不能满足各种业务流的需求，在这种情况下就必须采用一定的机制以确保网 络对各种业务所提供的q o s 。 第二种观点也即是我们的观点，即便可以在小范围内构建一个带宽足够宽的网 络，一旦其真f 投入商用并ji n t e m e * ：互连，由于i n t e m e t 本身的非均匀性其q o s 第一章绪论 也是问题。因此在未来的网络仍然需要利用各种机制提供对q o s 的保障。 近些年来，i e t f 提出了多种业务模型和机制，用以满足各种q o s 的要求。其 中主要包括：i n t e g m t e ds e r v i c e s r s v p 模型，t h e d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ( d s ) 模型， m u l t i p r o t o c o ll a b e ls w i t c h i n g ( m p l s ) t r a f f i ce n g i n e e r i n g 和c o n s t r a i n t b a s e dr o u t i n g 等。这些模型和机制在未来i n t e m e t 中将会得到不同程度的应用。有一点需要注意 的是，上述模型和机制均要求网络节点具备符合各自要求的计算处理能力。 3 各种新兴业务和网络性能保障策略对网络的灵活处理能力要求越来越高，传统 i p 网络体系结构已不能适应未来网络的需求。 如上所述，随着i n t e m e t 的不断发展，网上用户的大量增加，各种基于w w w 的多媒体业务量急速增大以及新兴增值业务的出现，传统的i n t e m e t 体系结构已不 能满足新形势下的用户需求，并且随着各种处理器功能的不断增强以及价格的不 断下降，网络已由以往只要求尽力( b e s t 。e f f o r t ) 传送的单一功能而逐步发展为在 网络中实现各种业务的控制管理功能，以此向用户提供更丰富、有效的服务。这 些服务包括q o s 、组播、w e bc a c h i n g 、管理控制( 针对某些特定用户或业务保证 其时延与各种性能特性) 、显式拥塞指示( 增强特定应用的拥塞适应控制功能) 、 数据包过滤( 增强网络与用户的防攻击能力) 以及在线实时查询、股票信息查询、 在线拍卖等新兴商用业务等等。而在传统i n t e m e t 中为提供这些服务所需的管理控 制功能都是在用户终端实现，这一方面增加了这些控制管理的复杂性，另一方面 也增加增大了各种传输处理时延，降低了服务与网络系统的性能。 以q o s 为例，在i e t f 所提出的各种解决q o s 问题的模型和技术中，i n t e g r a t e d s e r v i c e s 主要与资源预留协议r s v p 结合，用于对不同用户的不同数据流进行分类 并由网络分配相应带宽资源。r s v p 是一种信令，用于在网络中建立网络链路并进 行资源的预留分配。在d s 模型中，来自各种用户的数据流在边缘路由器被区分为 几种不同的业务流类型，网络给予不同的流类型以不同的服务。m p l s 是一种数据 包转发机制，在m p l s 域中，数据包从入口点到出口点都按照标记进行转发，并 依据不同的标记接受不同的服务，这与传统的最大前缀匹配转发机制相比，既缩 短了路由查找时间，提高了网络效率，又在一定程度上保证了各种数据流的q o s 要求。t r a f f i ce n g i n e e r i n g 用于解决数据流如何在网络中传输的问题，与传统采用 最短路径路由算法的网络相比，利用t r a f f i ce n g i n e e r i n g 可以平衡网络中的负载， 提高整个网络的效率。c o n s t r a i n t s b a s e dr o u t i n g 用于在某种特定限制条件下( 如带 宽、时延或跳数等) 选择路由。 上述各种机制及模型在未来的i n t e m e t 中的应用仍处于实验阶段，需要不断的 完善和改进，这也要求网络在提伊强大的计算处理的同叫也必须提供灵活的机书 用于适应列各种o o s 需求的保证。 第一章绪论 4 可编程网络概念的提出 根据用户需要，快速的产生、利用和管理新的服务是推动可编程网络研究的一 个关键因素。这个研究领域所取得的结果，对客户、服务提供商、设备提供者甚 至对整个电信部门，如宽带、移动、i p 网络都有很大的影响。现在的i s p s ( i n t e m e t s e r v i c ep r o v i d e r s ) 和将来的i s p s 之间竞争的关键是对市场需求的反应速度。引进新 的服务种类是一项富有挑战性的工作，这需要在产生服务的方法和工具上有很大 的提高和进步：需要大量的具体的服务的计算、数据处理和交换；并且必须提供 新的网络编程环境来使将来的网络基础是开放的、可扩展的、可编程的。 可编程网络( p r o g r a m m a b l en e t w o r k ) 和主动式网络( a c t i v en e t w o r k ) 的概念 ( 也称为o p e n n e t w o r k 或m o b i l ea g e n t ) 就是在上述情况下提出的。由于对未来 网络所需完成的功能角度不同，这两种网络在概念上稍有不同。但是其中心思想 是一致的，它们都为网络添加可编程能力以适应未来网络中可能出现的各种新业 务，并进一步的提高网络的性能。 可编程网络( p r o g r a m m a b l en e t w o r k ) 主要利用在网络节点中提供标准的网络 应用编程接口向用户和网络业务供应者提供一个“开放”的网络控制机制，它与 传统i n t e m e t 的区别在于传统i n t e r n e t 是无状态的( s t a t e l e s s ) ，而可编程网络是有 状态并且可由用户控制和改变的，它主要由i e e ep 1 5 2 0 和o p e n s i g 工作组负责 进行研究并提出相应的标准。网络应用编程接口允许应用利用网络物理资源构建 并管理适合自己所需的业务。其主要目标包括提供开放的信令结构，支持快速构 建新业务，增强网络对q o s 的支持能力。 主动式网络( a c t i v en e t w o r k ) 除了提出如可编程网络概念一样的网络节点的 可编程特性，它还侧重于构造由主动式数据包( a c t i v ep a c k e t s ) 或c a p s u l e s 所携 带的可执行“程序”，通过将这种c a p s u l e s 注入网络节点，结合网络节点所提供的 编程应用接口向用户提供各种服务。 1 2 本文主要内容安排 本文的主要对可编程网络的基本概念， 深入的分析研究，全文的内容安排如下： 第二章可编程网络概述 这一章主要描述了可编程网络的概念， 工作等。 可编程网络的体系结构和应用进行了 可编程网络的优点，国外进行的相关 第三章可编程网络的体系结构 本章对可编程网络的网络结构进行了深入分析，包括可编程网络的一个通用 模型然后刘一5 2 0 参考模誓。p 善和分层强则及每一星中各秘共体的功能进行了 第一章绪论 分析，在概念上对可编程网络的体系结构进行了说明之后，它在i p 网络中的网络 接口的实现定义也进行了简要的说明，然后介绍了可编程网络的一些相关工程， 技术等，并对这些工作作了分析和比较。最后分析了可编程网络对q o s 的支持。 第四章可编程网络应用研究 这一章主要对可编程网络的应用进行了研究，提出了一种基于主动式网络的 可靠组播传输协议，主动可靠组播传输协议( a c t i v er e l i a b l em u l t i c a s tt r a n s p o r t p r o t o c o l ，a r m t p p ) ，通过将可靠组播传输协议中的丢包恢复，n a c k 抑制汇聚， 限定范围的重传以及重传负载分发等各种策略直接引入到网络节点之中，a r m t p 协议大大缩短了组播目的端点( r e c e i v e r ) 的丢包恢复迟延，明显的降低了成功传 输组播数据包时各组播源目的端点( s e n d e r r e c e i v e r ) 和网络节点( n e t w o r k n o d e ) 所需占用的带宽。同时a r m t p 协议不要求每一组成员了解其它成员和组播树的 分布情况，能够合理的将组播组中的各种业务流负载分摊到各个组播成员之上。 对a r m t p 协议进行了仿真研究，结果证实了a r m t p 协议所具备的优点，表明 a r m t p 协议具有良好的可扩展性。 4 第二章可编程网络概述 第二章可编程网络概述 本文首先介绍可编程网络的基本概念，然后介绍了可编程网络的优点，国际 上正在进行的可编程网络项目的研究情况。 2 1 可编程网络思想的提出 可编程网络和主动式网络( 也称为o p e n n e t w o r k 或m o b i l ea g e n t ) ，在概念上 稍有不同。但是其中心思想是一致的，它们都为网络添加可编程能力以适应未来 网络中可能出现的各种新业务，并进一步的提高网络的性能。 可编程网络主要利用在网络节点中提供标准的网络应用编程接口向用户和网 络业务供应者提供一个“开放”的网络控制机制，它与传统i n t e m e t 的区别在于传 统i n t e m e t 是无状态的( s t a t e l e s s ) ，而可编程网络是有状态并且可由用户控制和改 变的，它主要由i e e ep 1 5 2 0 和o p e n s i g 工作组负责进行研究并提出相应的标准。 网络应用编程接口允许应用利用网络物理资源构建并管理适合自己所需的业务。 其主要目标包括提供开放的信令结构，支持快速构建新业务，增强网络对q o s 的 支持能力。 主动式网络除了提出如可编程网络概念一样的网络节点的可编程特性，它还侧 重于构造由主动式数据包( a c t i v ep a c k e t s ) 或c a p s u l e s 所携带的可执行“程序”，通 过将这种c a p s u l e s 注入网络节点，结合网络节点所提供的编程应用接口向用户提 供各种服务。 由于主动式网络主要是由美国d a r p a 所资助的，并且在美国多所大学进行研 究，所以主动式网络的工作进展比较快，也比较系统。而可编程网络是由i e e e 负 责的，它是一个自由组织，项目进展比较慢。虽然主动式网络和可编程网络的本 质思想是一致的，但是它们由不同的机构独立研究并各自提出了一套体系结构， 但是在这里只介绍可编程网络。 2 2 可编程网络的优点 可编程网络的提出是网络体系结构领域的一大变革，科技人员要面临一个巨大 的挑战。在面临新的挑战之前我们需要更好的了解现在的网络的局限性和使网 络可编程的基础。现在越来越多的人认为可编程网络的基础与部署新的刚络编程 第二章可编程网络概述 环境有很密切的联系。这些新的编程环境可能是基于广域网操作系统的支持，能 够在网络的基础设施上明确的认出服务的产生，利用和管理。例如将来的可编程 网络操作系统可以是以运行在节点的o s 上的动态的网络执行环境为基础( 如主动 式网络) ，也可以是建立在支持多种控制结构共存的开放信令网络内核( o p e n s i g n a l i n g n e t w o r k k e r n e l s o s n k ) 上。但是这些方法不可避免的遇到相同的问题： 如何开发网络、如何在受控和安全的方式下加速网络的可编程性，如何开发新的 体系结构、服务和协议。 把通信的硬件( 如交换机，路由器等) 从控制软件中分离出来是使网络具有更 好的可编程性的基础。但是这一点，现在很难实现。因为交换机和路由器实际上 是结合在一起的，类似于7 0 年代的框架。通常情况下，服务提供商不能访问交换 机路由器的控制环境( 如c i s c o 的i o s 操作系统) 、算法( 如路由协议) 、状态( 如 路由表，流量状态等) 。这样就由于网络节点的封闭的特性，而使得开发利用新的 网络服务很难实现，但这些新的服务可能是比控制系统的服务灵活得多的大量的 命令。 可编程网络概念的提出是网络体系结构领域的一大飞跃，它在网络节点中提 供可编程接口，为上述各种控制管理功能提供下层网络的各种物理资源的控制机 制与管理策略，并且它还提供了在网络中构建各种新兴业务所需的各种机制，这 样就为将来可能出现的各种新兴业务提供了良好的支持，而不必象在传统i n t e m e t 中为了增加某些业务控制功能而需在全部或局部的网络中做大量的修改( 而这实 际上也是不现实的) 。可编程网络支持网络各种控制管理特性的动态调整或增加新 的功能，这对于不同类型的用户有着不同程度的好处。 从网络业务提供者的角度来看，可编程网络可以大大缩短各种新兴业务的开发 和应用周期。与传统的网络相比，通过其支持网络特性的动态调整功能，可编 程网络允许新业务可以在线的在网络中应用实现，而不必经过漫长的标准化过 程。 对于最终用户和第三方来说，可编程网络允许他们各自定义适合自己特定应用 需求或当前网络条件的特定业务类型。虽然最终用户可以定义他们自己的特定 业务，但是通常采用的形式是由最终用户选择第三方所提供的各种特定业务类 型并给出适合自己需求的特征参数来构建适合自己特定应用的业务。 可编程网络可以向他们提供一个灵活而实际的网络试验平台，在这个平台之 上，网络研究者可以进行实际网络中各种网络业务的试验而不会干扰正常的网 络业务。这样对于网络研究者来说，就不再需要重新购置大量而非常昂贵的网 络设备。 为网络提供玎放的应用编程接口的伫专在j j ： 可以利慝分 式面丐对象技术和模i 。：州r 种先进技术思蔓，如面对列象技术 第二章可编程网络概述 中具有高度的模块化，灵活的可重用性，可扩充性以及高度的可靠性的软件 工程技术。 能够利用分布式计算技术( 1 0 c a t i o n - t r a n s p a r e n tr e m o t ea c c e s s ，d y n a m i cb i n d i n g e t c ) 帮助第三方网络业务开发者实现第三方网络呼叫建立管理等应用。 为网络控制管理应用提供一体化的网络编程接口，从本质上将网络中的硬件设 施与软件进行分离，这也有利于用户从更加富有竞争性的市场中获得更多更 好的服务。 将信令与传输业务中分离开来，这样就有利于更加细致和灵活的划分各种市 场。 通过提供适当的网关可以确保支持将来的网络系统与当前传统的网络进行互 通。 2 3 国外正在进行的相关工作 美国的d a r p a 是可编程网络和主动式网络研究的中心。实际上，当前d a r p a 的研究重点就放在下一代i n t e m e t 和可编程网络上，设立了众多的研究项目对这两 个方向进行深入的研究。下面是国际上在可编程网络的方向上的主要几个研究项 目及其研究内容。 1 a c t i v en e t w o r km a n a g e m e n ta n dn o v e ln e t w o r k i n g 此项目由g e n e r a le l e c t r i c 公司的r e s e a r c h & d e v e l o p m e n t 部门负责进行研究， 它利用可编程网络使网络节点可以主动的，及时的预测其本身所采用的各种行为， 并允许网络设备提供者提供完成其特定任务，这样就使网络配置和管理的可预测 成为可能。 这一项目重点集中于分布计算技术的研究，包括各种利用a v n m p ( a c t i v e v i i t u a ln e t w o r km a n a g e m e n tp r e d i c t i o n ) 的分析和算法的逻辑进程。这些逻辑进程 中的d r i v i n g 子集可以预测到网络即将发生的事件并在可编程网络中注入各种虚消 息。d r i v i n g 利用驻留在网络节点中的简单的进程处理本地的各种信息，利用 a v n m p 可实现网络管理的自预测功能。 2 s e r v e ra n da g e n tb a s e da c t i v en e t w o r km a n a g e m e n t 这一项目由美国海军研究生学院负责进行研究，其目的是为n g i 研究开发出 一套s a a m ( s e r v e rm a da g e n tb a s e da c t i v em a n a g e m e n t ) 系统。s a a m 将提供 q o s 链路的可靠管理，自动差错检测与恢复，精确的端到端的q o s 监测，支持新 业务的快速灵活构建。通过s a a m 增强n g 存各利，条件下提供综合业务的能力。 第二章可编程网络概述 在s a a m 中利用一套管理s e r v e r s 进行定时网管，这些s a a ms e r v e r s 和相关 的m o b i l ea g e n t s ( 移动代理) 将周期的在p i b ( p a t hi n f o r m a t i o nb a s e ) 中搜集有 关的网络和管理信息。在其可扩展性方面，s a a m 采用层次化结构。在低层中， 每一s e r v e r 将管理一个小的网络域的链路p i b ，上层的s e r v e r s 将处理跨越多个域 的链路信息。由s a a m 建立的p i b 比基于最短路径算法的策略能表达更加丰富的 意义。 s a a ms e r v e r s 以及路由器利用实时的传输协议进行数据和a g e n t s 的传输。此 外，许多管理和控制任务将自动执行，只有很少一部分需要人工手动干预。 3 a n t s ( a c t i v en e t w o r kt r a n s p o r ts y s t e m ) a n t s 是由d a r p a 资助m i t 的c s 实验室进行的可编程网络研究项目。它主 要致力于为今后的可编程网络研究提供整个试验环境和相关工具包，在a n t s 所 提供的环境中，利用其提供的工具包，可以较容易的进行有关可编程网络的各种 应用业务及其性能的研究。值得注意的是，在a n t s 环境中，由于其整个体系结 构已经相对固定，因此在其基础上进行的研究重点集中于各种应用业务及其性能 的分析研究。 a n t s 研究核心为它所定义和使用的数据包，在这个数据包中除了包含用户数 据有效载荷外，还包含了一段j a v a 的字节码( b y t e c o d e d ) 程序，在a n t s 中将其 称为c a p s u l e 。在a n t s 的编程应用接口中包括具备已经增强支持a n t s 类的j a v a 虚拟机，利用这种增强的j a v a 虚拟机就可以支持对c a p s u l e 中的j a v a 程序的解码 和解释执行。a n t s 支持对各种状态的操作，c a p s u l e 可以在网络节点内部设置各 种状态信息并可调用由其它c a p s u l e 所设置的各种状态信息。a n t s 中控制的颗粒 度是基于流数据包级别的。 由于标准的j a v a 虚拟机不支持在很低的层次上对传输资源的访问。因此在标 准平台上的a n t s 将受到j a v a 所能提供的基本网络功能的限制。不过，在美国 a r i z o n a 大学的c s 实验室利用了一种称为j o u s t 的j a v a 虚拟机，提供对实时发送 策略提供低层次上的支持，解决了这一问题。 4 s w i t c l a w a r e 在p e n n s y l v a n i a 大学的s w i t c h w a r e 研究项目中采用了一种称为p l a n ( p r o g r a m m i n g l a n g u a g e f o r a c t i v e n e t w o r k ) 的语言作为网络应用编程接口。p l a n 是一种描述性语言，支持各种基本源语、连续合成和各种s w i t e h l e t 的调用。s w i t c h l e t 是指通过分离的网络应用编程接口在网络节点内部安装的程序。p l a n 不允许进入 网络节点的数据包在节点内部安装状态信息。p l a n 中控制的颗粒度是基于数据包 级别的。 5 s m a l 一+ p a c k c t t 3 b ? , 公司盔其s m a ) lp a c k - 1 项卜 1 利用可编理再：；投，啦解次：_ = _ | 益增长口1 曩管 第二章可编群网络概述 问题。在这一项目中使用了两套编程语言s p r o c k e t 和s p a n n e r 。其中s p r o c k e t 是用 于在高层支持网管的高级语言，而s p a n n e r 则是s p r o c k e t 最终需汇编而成的c i s c 汇编语言。因此，网络应用编程接口是由运行在网络节点的s p a n n e r 虚拟机实现的。 这一项目的主要目的是在构造丰富的网管程序，并确保其大小不超过1 k b y t e ，这 样通过s p a n n e r 就可在单数据包中提供所需的各种网管控制程序了。 6 m o n e t 在美国已构建的m o n e t 中，可编程网络的概念也得到了体现。 1 9 9 5 年初，a t & t ，b e l l e o r e ，b e l l ，a t l a n t i c 等组成多波长光纤联网m o n e t 集团，该集团接受美国发展研究规划局的部分援助，计划5 年投资5 0 0 万美元， 其余经费由集团成员分担。 m o n e t 计划的目的是要建立一个多波长全光通信试验网，验证并演示由综合 的网络结构组构的全光通信网。该网的设计无论技术、性能、经济性、可靠性和 应用上，都应是多波长全光通信网的最佳组网方案。 m o n e t 利用光纤构成跨越本地交换网、长途网和专用网的宽带、多版本、多 比特速率、多协议的全光通信网。它是一个透明的、可重构的光网络层。这种全 光网能支持未来的全部电信标准，可以提供各种数据格式、不同传输速率以及协 议独立的多种业务，使m o n e t 具有商用网，特别是美国国防网所需的高度灵活 性和经济性。 m o n e t 试验网演示的技术是新一代i n t e m e t 的基础。未来i n t e m e t 网对服务质 量的要求、带宽的要求、网络可重构性及可扩展性的要求都远远超过今天的网络 结构能力。所以，研究试验像m o n e t 这样的全光网具有重要意义。 m o n e t 采用t m n 结构管理信息模型，并基于c o r b a 分布对象计算平台。 管理功能对象和信息对象用c o r b a 对象实现，网络元素代理接口使用c o r b a 的 ) l 。 m o n e t 利用c o r b a 这样的分布对象平台实现了o p e nn e t w o r k 的概念。 o p e nn e t w o r k 提供了对网络物理资源和通用网络服务的抽象概括。利用分布对象 平台及其可重用对象服务库，可以使客户应用业务的开发和使用变得十分简单。 7 o p e ns i g n a l i n g c o l u m b i a 大学的o p e ns i g n a l i n g 项目主要研究重点放在a t m 网络中的连接管 理和对q o s 的支持方面。 8 x b i n d x b i n d 是利用c 语言和由a t m 交换机制造厂商提供的硬件控制源语来实现网 络节点的网络应用编程接口。x b i n d 提供一套基于c o r b a 的面向对象的网络应用 编程接口用户可以利用其动态+ 参改交换机的状态。 第三章可编程网络体系结构 第三章可编程网络体系结构 随着网络的发展，现在越来越需要新的网络服务或者用户定制的网络服务来 满足新的应用需求。近来i p 网络需要引入完整的和不同的服务来提高i p 网络的服 务质量，这是一个明显的例子。而在现存的网络上加入新的服务通常是一个手动 的、费时的和费用高昂的过程。可编程网络的目标是简化开发和利用新的服务的 过程，使网络自身支持服务产生和服务使用的过程。现在已经达成一个共识：通 过使用开放的可编程接口( 如网络a p i s ) 、服务合成的方法及工具包，可以使可编 程网络体系结构用户化。 如何使网络可编程，出现两个学派。一个是o p e n s i g 为代表的，另一个是 a c t i v e n e t w o r k 为代表的。o p e n s i g 认为：利用开放的可编程网络接口使通信硬件 模块化，能够提供公开访问交换机和路由器的途径，因此就能够使第三方软件提 供商进入电信软件的市场。o p e n s i g 还认为，通过这种方式开发交换机，可以实现 开发新的、完全不同的体系结构和服务( 如虚拟网络) 。o p e ns i g n a l i n g 采用远程通 讯的方法来解决使网络可编程的问题。在这里，支撑可编程网络的传输、控制和 管理之间有明显的区别，并且重点强调服务的质量。近来i e e ep r o j e c t1 5 2 0 正在 继续o p e n s i g 方法来使a t m 交换机、口路由器、移动电信网络的可编程接口标准 化。物理的网络设备被抽象为具有定义好了的开放可编程网络接口的分布计算模 块。这些接口允许服务提供者通过使用中间件的工具包来控制网络的状态，从而 创建和管理新的网络服务。 a n 认为：在现有i p 网络限制内动态的引入和利用新的服务。这种在动态的 运行时间内支持新的服务的方法，要远超过o p e n s i g 提出的方法，尤其是考虑到基 于a c t i v ep a c k e t 概念的数据的发送、执行、存储转发。在a n 里，数据包( c a p s u l e s ) 由可执行程序包括代码和数据组成。代码的移动性是实现程序传输、控制和创建 服务的工具。通过安装完全新的交换机，使控制粒度( g r a n u l a r i t yo fc o n t r 0 1 ) 可 以从数据到流控整个范围。控制粒度指的是接收到的数据能够修改交换机路由器 状态的作用域的大小。特殊情况下，一个数据包能够启动一个完整的软件环境， 来使到达此节点的所有数据都能看见。另一种情况下，个数据包只能修改它所 看见的状态。a n 通过数据传输控制使网络服务用户化，而不是通过可编程控制平 台束实现。a n 是以增加编程模型的复杂性为代价，来为产生新的服务提供最大的 灵活性。总之，a n 的方法是使用大量的动态的命令，它要比o p e n s i g 的准静态的 网络鳊程接口灵活的多。 第三章可编程网络体系结构 双方共同的目标是：超越现有的方法和技术来建设、开展和管理电信网中的 新型服务。双方都在不同的结构途径上，进行了许多工作。例如，几乎没有a n 研究者认为每个数据包必须是动态的数据，同样地没有o p e n s i g 工程认为可编程网 络接口是静态的。o p e n s i g 方法把网络控制从信息传输中分离出来，并且主要目标 集中于可编程交换上，它提供某一等级的服务质量。相比之下，a n 工程主要集中 于i p 网络上，并且控制和数据路径是结合在一起的。 下面就对可编程网络的体系结构作一个分析研究。 3 1 可编程网络通用模型及p 1 5 2 0 参考模型 3 1 1 可编程网络通用模型 1 通信和计算( c o m m u n i c a t i o na n dc o m p u t a t i o n ) 可编程网络与其它网络环境最明显的区别是：可编程网络提供一个很小的 a p i s 集合，通过这个a p i s 集合人们可以理想的构造出无限的特殊的离层服务。下 面给出了一个可编程网络模型，如图3 1 所示的三维模型。 这个模型实际上是在i n t e m e t 参考模型( 也就是应用层、传输层、网络层和链 路层) 的基础上扩充了传输、控制和管理平台。传输、控制、管理的分离使得此 模型能够广泛地适用于电信和i n t e m e t 技术。传输、控制、管理之间的分离的概念 在体系结构中是明显的。例如，就i n t e m e t 而言有单一的数据通路，但是可以想象 传输、控制、管理机制。对电信网络而言，在体系结构中也有对传输、控制、管 理功能自勺支持。二者的区别是：这些网络功能是通过不同的方法实现的。但是无 论是对i n t e m e t 还是电信网络，通用模型里的平台都对不同的网络技术留有设计空 间。 蚓：1 训葬和追信模i ! ! 第三章可编程网络体系结构 网络服务的可编程性是通过在现有的路由器和交换机所提供的计算的能力基 础上，引入新的计算实现的。为了区分可编程网络体系结构与普通网络体系结构， 我们扩充了通信模块，给它增加了一个计算模块，来确保网络具有可编程能力。 我们 可以把如图3 1 所示的可编程网络通用模型看成是由常规的通信模块( 包括传 输、控制和管理平台) 和计算模块组成。换句话说，计算和通信模块组成了可编 程网络。贯穿传输、控制、管理平台的计算模块提供可编程支持，使体系结构在 各自层次( 也就是应用、传输、网络、链路层) 进行编程。另外一种观点是：可 编程的支持是通过计算模块传送给传输、控制、管理平台。 图3 2 给出了另一种模型。在这里，计算模块的关键因素是分散的网络编程环 境和节点内核的集合。节点内核就是实现资源管理的节点操作系统。节点内核只 管理单一节点资源，所以它只有对本地节点有意义，但是有可能被多种可编程网 络体系共享。网络编程环境为分散的网络编程服务提供中间件。图3 2 也描绘了交 换硬件与编程和通信软件的分离。此模型中提供两个接口集合，网络编程接口集 合表示的是在网络编程环境与可编程网络结构之间的网络编程接口。节点接口集 合表示的是在节点内核与网络编程环境之间的接口。将来会使这些接口标准化， 使之适用于不同的网络平台。 关于可编程网络的研究集中在这个模型的各个方面。研究者试用过不同的编程 方法，不同层次的可编程性，不同的通信技术。一些工程，尤其是来自o p s e n s i g 的工程把重点放在a p i s 的定义上。另外一些工作集中于代码的移动性上，或者是 应用领域。此外也研究过动态的创建或扩充协议和应用。 2 节点内核 许多节点厂商把操作系统融合在他们的交换机和路由器上，来提供网络节点 的通信功能，例如c i s c o 路由器使用i o s 环境，a t m l 的a t m 交换机使用a t m o s 微内核。通常这些节点操作系统支持各种各样的通信功能，如发信号、控制和管 理进程、中间通信处理、存储转发功能等。目前，这些节点操作系统对第三方提 供商是封闭的。但是，对节点引入计算能力这个想法不是新的，现在越来越需要 计算元素来抽象节点功能，并且使它成为开放的和可编程的。计算模块能使通信 模块具有可编程能力，但它需要对通信抽象( 如数据包、流量、通道、虚路径) 的低级别的可编程支持，也需要有动态分配资源和安全因素的支持。我们把这种 运行在交换机路由器上的低级别可编程环境称之为节点内核。节点内核表示最低 层的瓦编理能力并提供一个小的节点接置集合。这些接口霹e j 控制节点状态t 。如 访问。f 量- _ 0 西言资源几i 周用j 匿t 泪日务如j 瞳信油象和；j 主、。t j 点内 雳负暑j 计_ _ ：薯 第三章可编程网络体系结构 和通信资源的共享，并提供核心安全服务。节点内核可以工作在任何类型的网络 节点、终端系统或设备上，如i p 路由器，a t m 交换机，基站等。 通信模块 计算模块 二二= 圆 接口 二二二 一节点接口 圆 阿丽习 l _ - _ _ - _ _ _ _ _ - - 一 图32 可编程网络的通用模型 3 网络编程环境 网络编程环境可以支持新网络的创建、动态地开发和利用网络的服务和协议； 网络编程环境支持不同级别的可编程性、编程方法、网络技术与应用领域。网络 编程环境是建立在节点内核接口的集合上的，这些接口为实现可编程网络体系提 供分散的工具包和服务控件。从这个意义上说，网络编程环境可以被认为是如图 3 2 所示的网络体系结构与节点内核之间的中间结合剂( m i d d l e w a r eg l u e ) 。网络编 程环境为那些网络设计者提供必须的环境和工具，使他们设计出不同的、运行在 多节点内核上的、分散模式的网络结构。这一点网络编程环境