（通信与信息系统专业论文）主动网管理的研究与实现.pdf

摘要 摘要 当前的i n t e r n e t 是一个发展迅速、规模庞大的网络。然而由于用户需求的目益 增长和新的传输技术的不断产生，现有的网络体系结构已经无法为日益丰富的用 户业务提供灵活有效的支持。为了对用户的各种业务需求提供有力的支持，网络 体系结构必须具备足够的灵活性。主动网( a c t i v en e t w o r k ) 技术正是在这种背景 下提出的。 主动网是一种新的网络体系结构，它采用基于“存储一计算一转发”的网络传输 模式。主动节点不仅具有分组路由的处理能力，而且能够为数据网络提供用户可 控制的计算能力，提高了网络的传输性能，增强了网络的灵活性、可定制性。用 户可以通过编程指定节点对数据的处理过程，还可以使用主动包来传输执行代码， 在指定节点完成用户定制的程序处理。 主动网的提出，也给传统网络配置管理的发展开辟了新的途径。 本文首先分析了主动网及其网络管理的一些特点。由于主动节点可以根据用 户注入的程序对流经它的用户数据进行计算，从而可以定制更具针对性的处理过 程。节点上处理程序的加载或卸载是动态的，可以快速方便的在原有网络不更换 任何设备的情况下，实现新协议的处理流程，而不必等待漫长的协议标准化过程。 然后在用协议增强器( p r o t o c o lb o o s t e r ) 实现的主动网框架上，本文设计实现 了主动网的管理功能对主动网上的主动节点进行拓扑探测的功能；对探测到 的主动节点进行接口i p 配置；对主动节点路由表配置等操作。本软件的设计，正 是基于主动网的思想，使主动网的管理实现了许多传统网络管理不具备或很难实 现的特性。 在其后的软件测试报告部分，本文对所设计实现的主动网管理软件给出了一 个整体的测试，显示出了所实现主动网管理软件的特点。 最后，以主动网管理为基础，本文讨论了作为未来网络发展方向之一的认知 网络( c o g n i t i v en e t w o r k ) ：一种有知识平面( k n o w l e d g ep l a n e ) 和认知系统( c o g n i t i v e s y s t e m ) 的新型网络体系结构。也即研究了主动网网络管理在未来网络中的发展展 望，为主动网管理的下一步的研究工作提供支持。 关键词：主动网协议增强器主动网管理认知网知识平面 a b s t r a c t a b s t r a c t t h ei n t e r n e tb e i n gs og e n e r a l l yu s e di sd e v e l o p i n gr a p i d l y w i t ht h eu s e r s d e m a n d si n c r e a s i n ga n dn e wt r a n s m i s s i o nt e n o l o 百e so c c u r r i n g ，t h ea r c h i t e c t u r eo f e x i s t i n gn e t w o r k sc a n te f f i c i e n t l ya n df l e x i b l ys u p p o r tt h eu s e r s a p p l i c a t i o n st h a ta r e b e c o m i n gm o r ec o m p l i c a t e d t h ea c t i v en e t w o r k s ( a n ) t e c h n o l o g yw a sd e s i g n e dt o s o l v et h e s ep r o b l e m s t h ea c t i v en e t w o r ki s an o v e ln e t w o r ka r c h i t e c t u r ew h i c hi sb a s e do n s t o r e c o m p u t e a n d f o r w a r dt r a n s m i s s i o nm o d e l a c t i v en o d e sn o to n l yc a no p e r a t e p a c k e t sr o u t i n g ，b u ta l s oc a np e r f o r mc u s t o m i z e dc o m p u t a t i o n ，w h i c hi m p r o v e st h e t r a m i s s i o ne f f e c i e c ya n di n c r e a s e st h ef l e x i b i l i t ya n dc u s t o m i z a b i l i t yo ft h en e t w o r k i n a c t i v en e t w o r k i n g ，a p p l i c a t i o n sn o to n l yd e t e r m i n et h ep r o t o c o lf u n c t i o n sa sn e c e s s a r y a tt h ee n d p o i n t so fac o m m u n i c a t i o np a t h ，b u ta l s oi n j e c tn e wp r o t o c o l si n t ot h en e t w o r k f o rt h en e t w o r kn o d e st oe x e c u t eo nt h e i rb e h a l f b a s i n go nt h ep e r s p e c t i v e so fa c t i v en e t w o r k s ，a c t i v en e t w o r km a n a g e m e n th a s m a n yf e a t u r e st h a ti sh a r dt or e a l i z e do rc a n n o tr e a l i z e da ta l lb yt r a n d i t i o n a ln e t w o r k s i nt h i sp a p e r , t h ec h a r a c t e r so fa c t i v en e t w o r k sa n da c t i v en e t w o r km a n a g e m e n t a r ef r s t l ya n a l y z e d a c t i v en e t w o r k i n ga f f o r d sa no p p o r t u n i t yt ot a k ean e wl o o ka tt h e n e t w o r km a n a g e m e n tp r o b l e ma n dc o m m u n i c a r l o n si ng e n e r a lf r o mad i f f e r e n t p e r s p e c t i v e f o rt h ea c t i v en e t w o r km o d e lp r o v i d e sau s e r - d r i v e nc u s t o m i z a t i o no ft h e i n f r a s t r u c t u r e ，a l l o w i n gn e ws e r v i c e s t ob ed e p l o y e da taf a s t e rp a c et h a nc a nb e s u s t a i n e dt h r o u g hs t a n d a r d i z a t i o n t h e nt h ef u n c t i o n so fa c t i v en e t w o r km a n a g e m e n ta r ed e s i g n e db a s do na c t i v e n e t w o r kf r a m e w o r kw h i c hi sr e a l i z e db yp r o t o c o lb o o s t e r t h ef u n c t i o n si n c l u d e a c t i v en o d et o p o l o g yd e c t e c t i n gi na c t i v en e t w o r k ，i n t e r f a c ei pc o n f i g u r a t i n g ，a n dr o u t e t a b l eo p e r a t i n g , a n de t c a tt h ee n do ft h ep a p e r , c o g n i t i v en e t w o r ki sd i s c u s s e db yc o m p a r i n gw i t ha c t i v e n e t w o r km a n a g e m e n t ，p r e p a r i n gf o rf u r t h e rr e s e a r c hi na c t i v en e t w o r km a n a g e m e n t k e yw o r d s ：a c t i v en e t w o r k s ，p r o t o c o lb o o s t e r , a c t i v en e t w o r k sm a n a g m e n t ， c o g n i t i v en e t w o r k s ，k n o w l e d g ep l a n e i i 简略字表 简略字表 a a a c t i v e a p p l i c a t i o n a na d v a n c e di n t e l l i g e n tn e t w o r k a n m a c t i v en o d em a n a g e r a n t sa c t i v en o d et r a n s f e rs y s t e m a n e p a c t i v en e t w o r ke n c a p s u l a t i o np r o t o c o l a na c f i v en e t w o r k a p a c t i v e p a c k e t a p i a p p l i c a t i o np r o g r a m m a b l ei n t e r f a c e e ee x e c u t i o ne n v i r o n m e n t k p k n o w l e d g ep l a n e n o d e 0 sn o d eo p e r a t i n gs y s t e m p b p r o t o c o lb o o s t e r p b m p o l i c yb a s e dm a n a g e m e n t p d p p o l i c yd e c i s i o np o i n t p e p p o l i c ye n f o r c e m e n tp o i n t s n m p s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l s c p s e r v i c ec o n g r o 】p o i n t i v 主动应用 高级智能网 主动节点管理 主动节点传输系统 主动网封装协议 主动网 主动数据包 应用编程接口 执行环境 知识平面 节点操作系统 协议增强器 基于策略的管理 策略确定点 策略执行点 简单网络管理协议 业务控制点 独创性声明 本人声明所呈交的学位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。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它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 说明并表示谢意。 签名：? 岛! 甘日期：1 。年6 月7 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，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， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：乏区直导师签名：奎鱼：整 日期：- - 0 0 6 年月 第一章引言 第一章引言 i n t e r n e t 的普及和网络技术的迅速发展，使网络用户的数量、种类和需求日益 增多，传统的网络体系结构越来越满足不了人们对网络应用的新要求。不断出现 的各种新型业务和应用由于受到标准化和兼容性的制约，得不到网络及时和有效 的支持。主动网( a c t i v e n e t w o r k ) 技术的出现为解决这些问题开辟了新思路。 主动网是一种新的网络体系结构，它采用基于“存储一计算一转发”的网络传输 模式。主动网络节点不仅具有分组路由的处理能力，而且能够为数据网络提供用 户可控制的计算能力，提高了网络的传输性能、增强了网络的灵活性、可定制性， 并促使传统网络从被动的传送字节流模式向更一般的网络计算模式转变 1 。 1 1 主动网技术简介 i n t e r n e t 的t c p i p 协议标准，最初是由美国国防部高级研究计划署( d a r p a ) 在六十年代提出的。这一协议族开创了分层式的网络体系结构，终端系统和网络 中间节点各自实现不同的协议层功能，并为网络用户实现端到端( e n d t o e n d ) 的 网络传输服务。即与应用相关的计算和控制工作在发送和接收的端点进行，网络 只完成具有共性的基本处理工作 2 。这一类网络通常被看作是被动式( p a s s i v e ) 的 网络。这种简化的设计避免了网络中大量而复杂的计算处理，提高了网络的传输 效率，成为最初推动i n t e r a c t 迅速发展的内在动力之一。 1 9 9 4 1 9 9 5 年，d a r p a 提出了主动网的概念。主动网采用基于“存储计算 一转发”的网络传输模式，网络节点不仅具有分组路由的处理能力，而且能够对分 组的内容进行计算处理，使分组在传送过程中可以被修改、存储或重定向，为分 组的转发或分组的进步处理提出建议。主动网为数据网络提供了用户可控制的 计算能力，提高了网络的传输性能、增强了网络的灵活性、可定制性；并促使传 统网络从被动的传送字节流向更一般的网络计算模式转变。 纯主动网( 没有非主动节点网络) 虽然有很多优点，但是这样的网络环境目 前仅在实验室中才存在，并没有实际的应用价值。考虑到与现有网络( i n t e r n e t 或 其一部分) 兼容的问题，有应用价值的主动网应当是能够容纳当前网络的。即应 当是主动节点和非主动节点并存的。在这样的环境下，非主动节点的性能将成为 电子科技大学硕士学位论文 整个网络性能的瓶颈所在。因而必须提升这些非主动节点的性能，让这些非主动 节点也具有运行时可扩展的能力口】。协议增强器p r o t o c o lb o o s t e r 就提供了这样的 能力。 p r o t o c o lb o o s t e r 代表的实际是一种增量协议增强方法，即定义了一种基本的 原理，而具体的扩展则任由扩展者根据需求而定。 1 2 主动网网络管理简介 主动网概念的提出，给传统网络管理的发展开辟了新的途径。传统网络中的 网络管理主要通过简单网络管理协议s n m p 来完成，其主要是基于集中式的管理 和控制。主动网技术使网络管理系统可以实现分布式的管理模式。由于主动网的 交换设备，可以根据用户注入的程序对流经它的用户数据进行计算，从而可以定 制更具针对性的处理过程。这种节点上处理程序的加载或卸载是动态的，可以快 速方便的在原有网络不更换任何设备的情况下，实现新协议的处理流程。而且， 新协议的加载和旧协议的卸载可以避免引入协议兼容性问题。 1 3 本文的研究思路和内容组织 本文正是从论述主动网及其网络管理的一些特点入手，然后在用协议增强器 p r o t o c o lb o o s t e r 实现的主动网网络构架上，分析并设计了一种主动网的网络管理， 实现了主动网网络管理的：对主动网上的主动节点进行拓扑探测的功能；对探测 到的主动节点进行接口i p 配置；对主动节点路由表进行配置等操作。 最后，以主动网网络管理为基础，本文还讨论了作为未来网络发展方向之一 的认知网络( c o g n i t i v en e t w o r k l ：一种有知识平面( k n o w l e d g ep l a n e ) 并d 认知系统 ( c o g n i t i v es y s t e m ) 的新型网络体系结构。通过认知网知识平面与为主动网管理的对 比，研究讨论了主动网网络管理在未来网络中的发展展望，为下一步的研究工作 打下基础。 本文的第二章对主动网的体系结构、实现方法进行了阐述；对主动网网络管 理的思想和特点进行了讨论。 第三章描述了基于主动网协议增强器的网络管理设计实现，是本文的重点。 第四章给出了所设计实现的主动网管理软件的测试报告。该测试报告是对主 动网管理软件在协议增强器上的一个整体测试，显示出了所实现主动网管理软件 的特点。 第一章引言 本文的第五章，以主动网及其网管理的研究为基础，着重讨论了从主动网网 络管理发展认知网的可行性。在此，本文研究了作为未来网络发展方向之一的认 知网络，继而探讨了以主动网网络管理为基础发展认知网络的展望。 第六章对全文进行总结。 电子科技大学硕士学位论文 第二章主动网及其管理技术 2 1 主动网技术概述 传统t c p i p 网络的局限性 目前广泛用于分组交换网络的t c p i p 协议族是一种分层式的网络体系结构， 这种网络中的端系统和中间节点有不同的功能实现：主机或端系统实现从物理层 到应用层的功能；而中间节点只实现网络层以下的通信转发功能，即著名的端到 端原贝1 j ( e n d t o e n da r g u m e n t ) h 】。t c p i p 通过统一的i p 包格式和统一的i p 地址隐藏 不同物理网络的细节，并向上提供统一的服务平台，实现了其简单性、高效性和 一致性的特点，正是由于这些特点，使得以互联网为代表的i p 分组交换网成为通 信网的主流，取得了巨大的成功。 分组交换网多年的发展实践证明其发展的动力主要来自于两个方向： ( 1 ) 新的传输技术的产生 新型网络传输技术的发展如无线和卫星链路，一方面为互联网提供了新型的 传输链路，另一方面由于这些链路具备不同于传统底层网络的特性也要求互联网 提供更强的适应性。 ( 2 ) 用户需求的日益增长 随着互联网的普及和发展，网络应用的类型和需求也在逐渐发生变化，这些 需求包括各种新的基于网络的分布式应用，如视频会议、多媒体数据库、组播、 以及针对某些特定业务的管理控制、拥塞控制、数据包过滤等，这些新的需求为 网络技术的发展提出了新的课题。 但在现有网络中引入新的业务和技术涉及到漫长的标准化过程和兼容性等问 题，随着大量新型应用和新技术的产生，传统网络逐渐显示出其局限性，现有的 网络体系结构无法为日益丰富的用户业务提供灵活有效的支持。 主动网的概念和其优越性 1 9 9 4 1 9 9 5 年，在d a r p a 讨论关于未来网络系统的发展方向的一份提案中 指出：未来网络系统应该是“运行时刻可扩展的”，网络体系结构应该动态地支持 对网络服务的不同程度的控制，网络报文本身是被一种语言描述的，可以成为网 络服务的“剪裁”资源，为了传送数据和网络管理的需要，网络体系结构必须具 第二章主动网及其管理技术 备足够灵活的能力。这就是主动网最初的概念口j 。 在d a r p a 的资助下，国外科研机构自1 9 9 7 年起对主动网技术开始了大规模 的研究。美国麻省理工学院的a n t s 是其中比较成功的一个例子。从1 9 9 8 年起国 外研究机构纷纷开始了对主动网应用服务以及采用主动网技术提高网络服务质量 的研究。 相对于主动网，传统网络也被称为被动网( p a s s i v en e t w o r k ) ，由各种终端和 网络中间节点( 路由器或交换机) 构成。在网络边缘的终端能够提供直到应用层 的各种计算处理能力，而网络中间节点只用于连接各种终端并只提供直到网络层 的计算处理功能。 主动网是指在网络中间节点( 路由器或交换机) 提供直到应用层的计算处理 能力的网络编程接口。用户可以通过向网络中注入可执行代码来动态的对网络编 程。这些可执行代码由网络中的数据包携带，通过在网络中间节点运行来改变网 络节点的状态和行为。这种数据包被称为主动包( a c t i v ep a c k e t ) ，以区别于传统的 数据包。 主动网概念的提出是网络体系结构领域的一大飞跃，它将网络看作是能够执 行任何运算处理的主动节点( a c t i v en o d e ) 和能够携带可执行代码的主动包的集 合。归纳起来，主动网具有以下特点： ( 1 ) 可编程性：主动网的最大特色是可编程性，其功能远比传统网络存储转发 的功能丰富，它在传统网络功能( 存储一转发) 的基础上增加了计算功能( 存储一 计算一转发) 。 ( 2 ) 移动性：主动网能够传送携带可执行代码的主动包，主动包能在不同的平 台上流动，流经的节点可以执行主动包中的代码，这种主动包的实质就是具有移 动特性的智能代理。 ( 3 ) 可扩展性：主动网具有灵活扩展功能的能力，从而加速网络更新的步伐， 从传统的面向供应商驱动的网络服务向面向用户驱动的网络服务转变。 主动网的结构是面向应用、面向服务的，而目前的o s i 模型或t c p i p 模型都 是面向数据传输和协议包转换的结构。这种转变对于不同类型的用户有着不同程 度的意义。对网络业务提供者来说，主动网可以大大缩短各种新兴业务的开发和 应用周期，因为主动网允许新业务在网络中动态的进行构建修改，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，主动网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。此外，主动网还可以提供一个 灵活而实际的网络实验平台，在这个平台之上，网络研究者可以进行实际网络中 电子科技大学硕士学位论文 各种网络业务的实验而不会干扰正常的网络业务，也不需要重新购置大量而昂贵 的网络设备。 主动网相关研究 ( 1 ) 可编程网络( p r o g r a m m a b e ln e t w o r k ) 1 9 9 9 年初，由些公司和大学实验室发起并正式成立了专门研究可编程网络 的工作组i e e ep 1 5 2 0 ”，目的在于研究各种基于网络的开放信令、控制、管理应 用。可编程网络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。 通过这种方式开发交换机，可以构建各种新型的、特定的体系结构和服务。这种 可编程网络与主动网不同之处在于，它提供的灵活处理能力和开放的网络接口仅 仅局限于针对控制面功能制定的，对分组数据在传输过程中所需的额外处理需求 没有做更多的考虑。 ( 2 ) 智能网和高级智能网 智能网( i n t e l l i g e n t n e t w o r k ) 是在八十年代中期出现的 ”，它标志着首次真正 将业务逻辑和交换系统分离开来。智能网的思想与主动网的思想类似，它的目标 是提供一个能够为电话网络体系结构快速引入新业务的开放的接口。在智能网中， 对呼叫所进行的处理在业务控制点( s e r v i c ec o n t r o lp o i n t ，s c p ) 完成，s c p 能够 为呼叫提供附加功能，但每一s c p 仅能提供一种特定的处理。 高级智能网( a d v a n c e di n t e l l i g e n tn e t w o r k ) 是在智能网的基础上发展而来的 哺j ，它通过独立于业务的s c p 为呼叫提供有选择的业务处理。高级智能网借助于 将需要特定服务的呼叫重定向到特定s c p 而为电话网提供了更灵活的控制处理机 制。但是它的业务粒度也是很粗的，并不能针对每一呼叫动态地构建新业务，新 业务通常首先由业务提供商集中提供，然后由用户选择使用。 智能网与高级智能网这种提供增值业务的思路与主动网的设计思想是一致 的，但是它们同样局限于只能在控制层面上提供增值业务处理能力，仍然无法在 数据层面上提供更丰富和灵活的处理能力。 ( 3 ) 主动网技术的相关问题 在对主动网进行的研究过程中，一些研究者对这种新兴的网络技术提出了种 种疑问。 他们认为主动网增加了网络节点计算资源的开销，加重了网络节点处理的时 间，降低了网络节点的分组转发效率，无法保证分组在交换过程中的时间特性， 第二章主动网及其管理技术 包括延迟时间、转发时间等。 同时主动网不再区分端系统和中间节点，所有中间节点需要处理有关用户安 全资格的信息，进行业务构建等工作，这将使得网络更加难以控制和维护。而且 主动节点能够完成从网络层到应用层的功能，这就使得传统的网络透明性原则不 再受到支持，网络的可扩展性将难以保证。 另外，主动网在对资源、安全等方面进行管理时，只是增加了一个用户标识 ( 称为委托方) ，并没有定义相应的管理体系结构，仍然无法解决传统网络中存在 的资源分配、安全管理和服务质量保证等一系列问题。 总的说来，问题的关键在于主动网是否能够真正提高在网络上运行的各种应 用业务的性能。实际上，上述问题也是主动网发展的主要障碍。 要提高主动节点的计算处理能力，这依赖于两个方面，一是主动节点本身的 资源调度、协议算法性能等等，二是硬件设备的性能。由网络技术的发展进程看 来，这两方面问题的解决是指日可待的。 其次，传统的端到端的应用将网络看作是一个为所有用户提供单一类型，相 同质量服务的透明实体。主动网络为用户提供更加灵活的网络平台，而不是向所 有用户提供高层的通用服务。通过提供具备丰富功能，灵活的网络应用编程接口， 主动网络能够为终端应用提供更有效的网络服务，可以实现各种需要网络内部运 算功能支持的业务，因此可以向各种应用业务提供更好的端到端的性能。 对于各种应用业务来说，并不是所有的中间节点都需要对数据进行计算处理。 即在利用主动网为应用提供网络服务支持的同时也必须考虑到因此付出的代价， 只有那些真正需要网络服务支持的应用功能才应被放入到网络中执行。 最后，主动网对资源、安全性等的管理仍然是其大规模发展应用的主要问题， 关于主动网的许多研究项目也因此而起，这也是对主动网本身体系结构的一种内 在革新的压力，能否突破传统网络思维的限制，妥善解决这些问题，决定了主动 网的发展前景。 2 2 主动网体系结构 主动节点与主动数据包是构成主动网的两个主要功能实体，主动节点体系结 构以及主动数据包的构成和定义是主动网体系结构的基础。 主动网节点的体系结构 主动网由一组称为主动节点的网络节点构成。每个主动节点可以是路由器或 电子科技大学硕士学位论文 交换机，这些主动节点构成了主动网的执行环境。主动网体系结构的关键在于主 动节点( a c t i v e n o d e ) 的体系结构，这是由于主动网与传统网络最基本的区别在于： 主动网中存在主动节点，它们具有执行主动代码，对数据包进行计算处理的能力。 至于节点之间仍然是路由和数据包传输的问题，而路由实质上也是在节点内部确 定的。 每个主动节点具有基本的“指令原语”和一些由执行环境提供的可调用的外 部方法。主动网络中的报文内嵌“小程序”，当流经主动节点时，报文中的程序被 激活执行，可以使用“指令原语”完成对主动报文的操作，如转发、丢弃等。也 可以调用外部方法访问或改变主动节点的“软状态”等。主动节点是主动报文的 执行环境，一个主动节点由以下三个部分组成，即主动应用a a ( a c t i v e a p p l i c a t i o n ) ， 执行环境e e ( e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t ) 齐d 节点操作系统n o d e o s ( n o d eo p e r a t i n g s y s t e m ) t 9 1 0 【1 1 】 1 2 1 。如图2 - 1 所示，三个部分相互关联，但彼此又具有一定的独立 性。 一用回固囡回固 执行环境 节点操作 系统 酱一名苫蒿 主动应用 编程接口 浩彭魏熬耆 图2 - 1 主动节点的体系结构 ( 1 ) 主动应用 一个主动应用( a a ) 由一段程序代码( 主动代码) 及相关的数据、状态参数等组 成。通过e e 对a a 的调用和执行可以实现用户定制的网络服务。它在主动网络中 具有流动性。 ( 2 ) 执行环境 执行环境( e e ) 定义了一个虚拟机和主动网络用户可调用的编程接1 2 1 ，用户通过 以数据包的形式向节点e e 发送编码指令，用以控制虚拟机。e e 主要完成对主动 报文的解释执行，是一个为用户提供端到端网络服务的接口。所有用户对节点资 第二章主动网及其管理技术 源的访问都是由e e 提供的。一个主动节点可有多个e e ，每个e e 卜可定义不同的 虚拟机或接口，各个e e 之间是相互独立的。执行环境通过策略控制，允许主动代 码访问节点资源。 ( 3 ) 节点操作系统 节点操作系统( n o d e o s ) 提供了执行环境所赖以生存的基本功能，它管理主动 节点的资源，并且在资源( 如传输、计算、存储等) 之间进行协调 1 3 】f “l 。因此，节点 n o d e o s 把e e 从资源管理的细节以及其它e e 的行为影响中分离出来，e e 则把与 末端用户的交互作用细节从节点n o d e o s 独立出来。n o d e o s 并发地支持多个e e 的需要，给每个主动节点提供相同的通用低层功能。通用低层功能包括：e e 接收 和发送数据包所需的支撑通道，在多个e e 之间调解对节点资源( 如传输) 和传输 带宽的访问，支持通用的服务( 如路由) 。为了提供q o s 保证，n o d e o s 还应该具 有相应的策略和安全信息库。 主动数据包的构成和定义 主要有两种方式实现主动数据包的封装【15 l ，一种是基于编程语言的主动网络 封装协议a n e p ( a c t i v en e t w o r ke n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 ) ，另一种是扩展传统i p 协 议类选项的主动i p 选项( a c t i v ei p ) 。 ( 1 ) 主动网络封装协议 主动网络封装协议a n e p ，用于封装不同格式的主动数据包并在不同的媒体中 传输。a n e p 是i e t f 的主动网络组定义的主动报文格式的语法与语意草案。该报 文格式是一种通用的、可扩展的，适合于各种主动网络的执行环境的可互操作的 主动报文格式。其格式允许在使用现有的网络结构如i p 和i p v 6 以及在链路层中传 输。移动代码封装在主动数据包的数据区，主动节点利用对a n e p 对数据包头的 处理将不同类型的主动数据包分发到不同的e e 和a a 中进行特点的处理。a n e p 的封装格式如图2 2 。 01 6 3 1 v e r s i o n f l a g st y p e i d a n e ph e a d e rl e n g t ha n e pp a c k e tl e n g t h o p t i o n s p a y l o a d 图2 - 2 a 1 n e p 报文格式 a n e p 头中包含一个类型标志( t y p ei d e n t i f i e r ，t y p ei d ) 域，一些通用的类 电子科技大学硕士学位论文 型标识i d 预先分配给某些特点的e e ，这一分配工作由主动网络标识分配机构完 成。如果节点存在有某种特点的e e ，在a n e p 头中包含此e e 类型标识的数据包 就会被路由到与这一e e 相连的通道中。根据配置的不同，a n e p 头在数据包头中 可以封装在不同的位置。 不包含a n e p 头的数据包也会被e e 处理。e e 可以通过建立合适的通道来处 理传统的网络业务。如专门提供i p v 4 路由和转发功能的虚e e ，或是在传统网络和 主动网络边界出提供增强功能的t c p 服务。a n e p 协议也能够为与n o d e o s 通信 提供信息载体。 ( 2 ) 主动i p 选项 主动i p 选项是一种实现将现有i p 网络升级成主动网络的方法。使用i p 选项 的原因是它已经封装了很多网络核心功能之外的功能。i p 选项的存在提醒路由器 对数据包进行更仔细的处理，如果是主动数据包，路由器根据需要对它进行处理。 如图2 3 所示。 a c t i v eo p t i o n 、 图2 - 3 a c t i v e i p 报文格式 a c t i v ei p 方法与a n e p 相比，在编程上不够灵活。 数据包在主动网中的处理过程 主动网系统对数据包( 包括主动包和非主动包) 的处理过程，可以分为网络 传输和节点处理两个阶段。 ( 1 ) 网络传输 主动节点接收到数据包之后执行相应的代码或执行封装包中代码程序，对该 数据包进行主动式处理，如：路由选择、数据合并、数据解包等，然后将数据包 转发给其它网络节点。传统节点可和主动节点共存，在网络仍然完成基本的存储 转发工作。主动网络在主动节点中提供可编程接口，主动节点可以通过这个接口 将其相关资源、机制和策略等统一起来以支持网络的主动性，构建或细化新的服 、弱弱豳、鋈一篓夔錾霪，阖 攀一鬻罴 电子科技大学硕士学位论文 图2 5 中a n e p 为主动网络封装协议( a c t i v en e t w o r ke n c a p s u l a t i o np r o t o c 0 1 ) 。 e e 也可能产生源数据包并将其放入输出通道中进行处理。在传统网络中，数据包 在整个传输过程中是保持不变的，而在主动网络中，由于主动节点的处理操作， 数据包在输入和输出链路中可能是不同的，这在提供了网络的灵活性的同时，也 使网络变得更不稳定，e e 必须提供相应的机制保证网络的稳定性和安全性，而 n o d e o s 则保证e e 之间不会互相影响。 2 3 面向主动网的协议增强器 主动网的优势在于其提供的灵活的网络应用编程接口，能够为终端应用提供 更为有效的网络服务。主动网可以应用在很多领域，用于提高现有网络的性能以 及加快新的网络技术的应用，使得新业务的配置比传统模式大大加快。主动网技 术也为新型应用的产生创造了条件。 纯主动网( 没有非主动节点网络) 虽然有很多优点，但是这样的网络环境在 目前仅在实验室中才存在，并没有实际的应用价值。考虑到与现有网络兼容的问 题，有应用价值的主动网应当是能够容纳当前网络的。即应当是主动节点和非主 动节点并存的。在这样的环境下，非主动节点的性能将成为整个网络性能的瓶颈 所在。因而必须提升这些非主动节点的性能，即让这些非主动节点也具有运行时 可扩展的能力( p r o g r a m m a b l e ) 3 16 1 。协议增强器p r o t o c o l b o o s t e r ( p b ) 增量设计方 式就提供了这样的能力。 p r o t o c o lb o o s t e r 原理概述 p b 是一个可透明地提升、增强协议功能的软件或硬件模块，它可以驻留在任 意网络节点或端系统中。它可以对一个己存在( 或己加载) 的协议的消息进行添 加、删除、延后等各种处理 1 7 】【1 8 。 甲粤 崮崮 图a图b 图6 图2 - 6 网络协议层之间插入b o o s t e r 第二章主动网及其管理技术 如图2 - 6 所示，图a 表示没有加入b o o s t e r 的协议层次关系。第n + 1 层协议直 接与第n 层协议交互，它们之间的交互性能无法通过外界控制，这种协议层次也 没有b o o s t e r 的插入点。图b 是在协议层之间加入了b o o s t e r 的插入点，使得可以 加入b o o s t e r 对两层协议的交互进行干涉。图c 这是已经插入了b o o s t e r 的协议层 次，上下两层协议在b o o s t e r 插入点的干预下进行交互。 p b 代表的实际是一种增量协议增强方法。从原理上说，p b 扩展的协议和x m l 扩展( 超越) h t m l 极为相似，均是只定义了一种基本的原理，而具体的扩展则 任由扩展者根据需求而定。p b 易于扩展并且完全与现有网络兼容，有利于进一步 研究传统网络向主动网络发展中的过渡问题。 p r o t o c o lb o o s t e r 实例 图2 - 7 在f r e e b s di p 协议栈中集成和选择p b 图2 7 则表明了在一个操作系统实例( 1 i n u x ) 中p b 与内核及协议栈的关系。其 中p bm u x 是一个b o o s t e r 选择器，协议栈与p bm u x 交互选择需要集成的 b o o s t e r 。一个p b 由一个或多个b o o s t e re l e m e n t s 构成。b o o s t e re l e m e n t 对已加 载的协议消息进行交换转发，它对被b o o s t 的协议而言是透明的。通过p b 的顺序 执行或嵌套，可以实现对一个协议进行多重b o o s t ；由于b o o s t e r 对协议是透明的， 因而多个b o o s t e r 加到同一个协议上时，其b o o s t 的顺序可以自由组合。 p b 作为一个需时加载层，它可以被透明的插入协议层和被删除。b o o s t e r 通 过一套策略来选择性的触发协议函数。当条件满足时，对应协议函数被触发，从 而实现了协议功能的动态增强。而这种增强不必经过“标准化”的过程，因而可 以快速的应用到某种具体网络中，从协议层实现对新需求的快速支持。而且由于 p b 对协议及使用协议的应用都是透明的，因此在需求发生变化时可以通过b o o s t 的串接或嵌套，快速实现新功能以支持新的需求，从而实现网络的运行时扩展。 电子科技大学硕士学位论文 p r o t o c o lb o o s t e r 意义 主动网在网络体系结构的发展上是一次飞跃，它使网络成为运行时可扩展的 网络。作为一种新兴的网络体系结构，其应用前景十分诱人。a n 中的主动应用( a a ) 提供了运行时扩展网络的一种方案，但它作用的范围只是网络中的主动节点上的 应用，而不包括当前网络的非主动节点。而p b 则提供了在a n 中对基本的网络协 议的面向用户( 网络管理者) 的增量扩展的方法，它可以在一个网络自治系统( a s ) 中，随用随扩展网络协议，而无需等到标准化组织发布新的协议。并且由于p b 对 协议的使用者是透明的，因而可以在需要的时候随时再次增强、改变协议所能实 现的功能而不影响协议使用者。最重要的是它可以在主动环境中的非主动节点上 起作用，从而提升主动网络的整体性能。 2 4 基于主动网的网络管理 传统网络管理的局限性 在传统网络中，网络管理的协议主要有两个 19 】：一个是i n t e m e t 体系结构委员 会i a b 提出的用于i n t e r n e t 的简单网络管理协议( 简称s n m p ) ；另一个是国际标 准化组织i s o 提出的公共管理信息协议( 简称c m i p ) 。s n m p 是基于t c p i p 的， 而c m i p 主要是基于i s o o s i 七层模型提出的。虽然它也有基于t c p i p 的c m i p ( 简称为c m o t ) ，但由于它要比s n m p 复杂，出于效率上的考虑，当前实现网络 管理协议的厂商都支持s n m p 。因此，几乎所有路由器和集线器厂商都提供基于 s n m p 的网络管理功能，但几乎没有支持c m i p 的产品出现。 随着s n m p 的广泛应用，它在安全性和功能性方面的不足，使i a b 在1 9 9 6 年发布了其改进版，s n m pv 2 。 当前网络管理模型中的管理中心用于收集信息、下达查询等数据的格式，必 须是m i b 预先规定的，在整个网络都是统一的。因此，应用层和m i b 有标准的接 口，m i b 格式很难灵活更改，应用的新要求也很难满足。 正如s n m p 其v 2 版本的更新。为了在网络中支持s n m p v 2 的网络管理功能， 生产路由器和集线器的厂商也都必须在其产品上升级软件，以支持s n m pv 2 。可 以看出，网络管理协议的升级涉及整个i n t e r n e t 的核心设备。其协议的制定周期， 产品的应用周期等，都是一个很长的过程。而随着网络规模的迅速扩大，新应用、 新要求的大量涌出，传统网络的网络管理功能很难适应这样的快速变化。而且， 传统网络的网络管理协议的标准化过程漫长，且每次变化对整个i n t e r n e t 的影响都 第二章主动网及其管理技术 是巨大的。首先，传统网络管理要应用新的协议时，几乎整个网络的核心设备都 要更新，其代价会随着网络规模的膨胀而加速增加：其次，要考虑解决新旧协议 并存所带来的兼容性问题，有相当长的过渡期。 同时，传统网络中的网络管理，主要基于集中式的管理和控制。这种集中式 的管理控制，需要管理控制人员的密切介入，无法适应网络规模和复杂度迅速增 加的要求， 主动网管的思想 主动网概念的提出，给传统网络管理的发展开辟了