（计算机应用技术专业论文）ip虚拟交换机原型系统的设计与实现及相关虚拟服务的研究.pdf

国防科学技术人学研究生院学位论文 a b s t r a c t a st h ev a r i e t i e so fs e r v i c e sb a s e do ni n t e r n e tc o n t i n u et oi n c r e a s ea ta s t r i k i n gs p e e d ，i ti s d e s i r a b l et of i n do u tn e wa p p r o a c h e st h a tc a n f l e x i b l y a n dq u i c k l yc r e a t ed i v e r s es e r v i c e s s h a r e db y l a r g en u m b e r so f u s e r si nt h es a m e p h y s i c a ln e t w o r k i nt h i sp a p e r , w e p r o p o s e an o v e la p p r o a c h 一一i pv i r t u a ls w i t c h e s ( i p v s w ) i p v s w i sa 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 e t h a tc o n s i s t so fd y n a m i cv i r t u a l s w i t c h e s s u p p o r t i n g m u l t i - s e r v i c e si nt h ei pt r a f f i cn e t w o r k f o ri l l u s t r a t i n gt h ea d v a n t a g e s p r o v i d e db yi p v s w w ep r e s e n tap r o t o t y p eo fi p v s w o u ro b j e c t i v ei st o p r o v i d eap c b a s e de x p e r i m e n t a l p l a t f o r m w e l l s u i t e dt ot h er e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n t o fo n t h e n v n e t w o r kt h a tn e e d s o p e n i n t e r f a c ea n dm u l t i s e r v i c e s w ea d d r e s st h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o ni s s u e so ft h e p r o t o t y p e i nd e t a i l a tt h ee n do ft h i s p a p e r , w e i n s t a n c ea ni pp h o n es e r v i c et o d e m o n s t r a t et h ef e a s i b i l i t yo fi p v s w k e yw o r d sn e t w o r k m u i t i s e r v i o e sv ir t u a ls w i t c h p r o t o t y p e i pp h o n e 一1丽页 莓防科学技术大学研究生院学像论文 第一耄绻论 1 。1多报务互联瓣络的蠛状与技术发麓趋势 1 1 1基于互联网上的多服务或用 当前，互联网正以前所未有的广度与深度惊人地扩震着。在大洋彼岸，茨国上阉人 数已经超过7 0 0 0 万，超过全鬻入日静三分之一，其中家庭拨号上网孺户4 年堵黼5 0 0 0 万户，相院之下，牧寄梳达到这个数字翔了3 8 年，嚷视极用了1 4 年。裁榉，寒鑫鬻内 豹各穆统计结果表明：1 9 9 8 冬底中国上网用户的数量为2 1 0 万，比上年增热2 5 0 ；不 到半年时闽，这个数字已经在9 9 年中超过4 0 0 万，上网计算机数量达到t 4 6 万台，越过 国内个人电脑装备量的2 0 ：在干禧钟声敲响之际，翻内网民已经超过1 0 0 0 万。 在崭新的信息应用和信息消费的促进下，通过以i p 报文转发为特征的数据信息传送 手段将使得社会的生产生活方式发生广泛的变革。从i n t e m e t 实时新闻、v o d 视频点播、 e c o m m e r c e 阚上购物，剿远程潮络教学、在家办公、电子商务，一系翔基予新一代互 联溺的崭新生活、学习与工作方式，将犬丈改变我们现有钓金妲形态帮社会关系。 默基予夏联网戆语音鼹务为铡，i p ( v o i c e o v e r i p ) 正逐澎替代以话啻业务为主、 以电路交换为基础的传统瞧信服务。搬国际数据委员会对v o i p 审场的预测，到2002 年美国将有700 万家庭簧遍使用ip 型消费类电话，ip 电话机销售量将达到千万台 的水平。男据该委员会的统计，l9 99 年全球ip 设备的市场份额仅约7 亿美元，到 200 5 年预计增长到630 亿美元，而其中语音网络设备的份额约为30 歪40 亿美 元。为此，美国传统电信运营商( 如a t & t 、s p r i n t 等) 通过购并与投资，有计划地 觚长途运营商转型为企方位业务据供者，而新兴阏络运营商 赘是遍切缝逵求多样纯懿渡务。 然西，到籍嚣为蹙，墨爨现的各种瑟妁嬲络黢务还没有缪至i 网络瀵费者还是服务提 供瓷完全地认可。这是因为传统互联网络圈骞的缺陷障碍麓毅的网络服务的发展蒡竞簧。 所以，多服务网络技术的研究正是互联网进一步发展所面临的大挑战。下砸，我们将 从若干方顽论述传统互联网络的结构以及其中中存在的缺陷。 互联网最大的特点是其异构性，因而玄强调将各种各样的网络设备之间的有效互联。 1 p 协议正是因为其与底层网络设备无关的特点而使得i p 报文适合在互联网中自由谶转 发传送。传统的互联阐中的结点设备均遵循先到先密( f i f o ，f i r s ti nf i r s to u t ) 的掇交 调度纛掰疆供最大努力( b e ，b e s te f f o r t ) 懿掇文转发缀务，它与报文流豹稃类及冀赝 承载黪鼹务无芙，湟求豹是警点的最大蚤蛙量。节点内采用篱蕈麴驮利缓冲技术来乎潺 突发的报文以降低报文鲍丢失，漶量控剑任务大部分地依赖予会话双方根据超对机制来 确立的传输控制协议( t c p ，t r a a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 1 】。在这种体系结构下， 传统的数攒服务很容易地在互联网中的得到有效的实现。 由于基于i p 的互联网服务定义得简单，因此其内部复杂度也大大减少，这避免了传 统电信网中所面对的闷题。在传统的电信网络中，信令被用于在端到端通路的沿途上建 立了“状态”信息，戬保证网络内部静组件黥够识嗣并适当处淫后续静数据流。孺在采 莓防科学技术大学研究生院学像论文 第一耄绻论 1 。1多报务互联瓣络的蠛状与技术发麓趋势 1 1 1基于互联网上的多服务或用 当前，互联网正以前所未有的广度与深度惊人地扩震着。在大洋彼岸，茨国上阉人 数已经超过7 0 0 0 万，超过全鬻入日静三分之一，其中家庭拨号上网孺户4 年堵黼5 0 0 0 万户，相院之下，牧寄梳达到这个数字翔了3 8 年，嚷视极用了1 4 年。裁榉，寒鑫鬻内 豹各穆统计结果表明：1 9 9 8 冬底中国上网用户的数量为2 1 0 万，比上年增热2 5 0 ；不 到半年时闽，这个数字已经在9 9 年中超过4 0 0 万，上网计算机数量达到t 4 6 万台，越过 国内个人电脑装备量的2 0 ：在干禧钟声敲响之际，翻内网民已经超过1 0 0 0 万。 在崭新的信息应用和信息消费的促进下，通过以i p 报文转发为特征的数据信息传送 手段将使得社会的生产生活方式发生广泛的变革。从i n t e m e t 实时新闻、v o d 视频点播、 e c o m m e r c e 阚上购物，剿远程潮络教学、在家办公、电子商务，一系翔基予新一代互 联溺的崭新生活、学习与工作方式，将犬丈改变我们现有钓金妲形态帮社会关系。 默基予夏联网戆语音鼹务为铡，i p ( v o i c e o v e r i p ) 正逐澎替代以话啻业务为主、 以电路交换为基础的传统瞧信服务。搬国际数据委员会对v o i p 审场的预测，到2002 年美国将有700 万家庭簧遍使用ip 型消费类电话，ip 电话机销售量将达到千万台 的水平。男据该委员会的统计，l9 99 年全球ip 设备的市场份额仅约7 亿美元，到 200 5 年预计增长到630 亿美元，而其中语音网络设备的份额约为30 歪40 亿美 元。为此，美国传统电信运营商( 如a t & t 、s p r i n t 等) 通过购并与投资，有计划地 觚长途运营商转型为企方位业务据供者，而新兴阏络运营商 赘是遍切缝逵求多样纯懿渡务。 然西，到籍嚣为蹙，墨爨现的各种瑟妁嬲络黢务还没有缪至i 网络瀵费者还是服务提 供瓷完全地认可。这是因为传统互联网络圈骞的缺陷障碍麓毅的网络服务的发展蒡竞簧。 所以，多服务网络技术的研究正是互联网进一步发展所面临的大挑战。下砸，我们将 从若干方顽论述传统互联网络的结构以及其中中存在的缺陷。 互联网最大的特点是其异构性，因而玄强调将各种各样的网络设备之间的有效互联。 1 p 协议正是因为其与底层网络设备无关的特点而使得i p 报文适合在互联网中自由谶转 发传送。传统的互联阐中的结点设备均遵循先到先密( f i f o ，f i r s ti nf i r s to u t ) 的掇交 调度纛掰疆供最大努力( b e ，b e s te f f o r t ) 懿掇文转发缀务，它与报文流豹稃类及冀赝 承载黪鼹务无芙，湟求豹是警点的最大蚤蛙量。节点内采用篱蕈麴驮利缓冲技术来乎潺 突发的报文以降低报文鲍丢失，漶量控剑任务大部分地依赖予会话双方根据超对机制来 确立的传输控制协议( t c p ，t r a a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 1 】。在这种体系结构下， 传统的数攒服务很容易地在互联网中的得到有效的实现。 由于基于i p 的互联网服务定义得简单，因此其内部复杂度也大大减少，这避免了传 统电信网中所面对的闷题。在传统的电信网络中，信令被用于在端到端通路的沿途上建 立了“状态”信息，戬保证网络内部静组件黥够识嗣并适当处淫后续静数据流。孺在采 国防科学技术大学研究生院学位论文 用b e 服务的i p 网络不需要端到端的信令，终端只需要简单地连接就可以开始发送分组 了。但是，人们还是强烈希望基于i p 的互联网能扩展其最小功能集的功能，不仅仅是提 供简单的转发和连接的功能，而更要为其所支撑的服务提供灵活、可靠、有效的支持。 然而，当我们重新考察传统互联网的体系结构时，却发现其固有的缺陷已经难以满足不 断出现的新应用特点。 系统的封闭性：互联网早期是由北美和欧洲的一些大学和研究机构所在的网络结点 组成，在二十世纪9 0 年代，互联网伴随着商业的因索以惊人的速度发展，到现在，互联 网世界中主要存在这四种角色：设备生产商、服务开发商、服务提供商和互联网用户。 互联网用户向服务提供商付费而希望得到质量保证的个性化的服务，服务提供商向开发 商购买或与开发商合作开发服务软件，并利用基础的网络设施为用户提供特定的信息服 务以获取利润，设备生产商则为服务提供商提供基础的网络设备。在激烈的商业竞争中， 服务提供商之间对用户的争夺最终体现在能否把握用户潜在需求的前提下，快速地为用 户部署高质量的服务。不幸的是，他们所依赖的设备生产商所提供的网络设备，到目前 为止，几乎都是封闭的系统，它们的硬件和软件几乎是由一个网络通信商独家研制开发， 除了可以修改某些配置参数之外，不能增加新的功能为上层服务提供灵活的支持，同时， 这种封闭状态还带来不同厂商网络设备的互连、互通、互操作性的问题。为此，今后的 网络设备必须具有一定的“可编程”性质，允许使用者或第三方开发者对其逻辑功能的 调用和属性的访问，在此基础上快速灵活地构造特定的信息服务，或为信息服务的构造 提供功能强大的网络中间件产品。 单一的网络服务t “网络应该尽可能地简单”是i p 网络互连最基本的原则之一，基 于i p 协议的互联网结点只能提供“最大努力”的非面向连接的报文转发( f o r w a r d i n g ) 服务，网络结点通过路由( r o u t i n g ) 协议( 如r i p 、o s p f 、b g p 等) 相互通信来为输 入的报文寻找有效的输出路径。网络结点中不存在连接的信息，每个i p 报文的转发过程 是互不影响的。因此，承载于互联网上的应用服务的信令控制任务( 如连接的建立、鉴 权、状态的维护等) 完全地由两端的服务器( 或服务网关) 和客户机承担，而得不到网 络结点的有效支持。这使得互联网上新的类电信业务( 如语音、视频等业务) 难以迅速 有效地发展。 服务得不到质量保证。传统的互联网并不包含任何能够保证终端之间平等共享资源 的机制。事实上，端到端原则的严格应用意味着t c p 协议是现有的互联网中“公平性” 的主要来源。t c p 协议的窗口流量控制算法能动态地调整其自身，以保证在其开始出现 分组丢失之前尽可能地利用更多的带宽。每个t c p 连接都将分组丢失解释为在网络的某 个地方存在拥塞，它所做出的响应就是降低其为某个特定应用发送数据的速度。即使所 有的终端都是独立的，人们仍然可以预期，假如所有终端上的t c p 协议机都采用相似的 流量控制算法，那么每个人都会相处得很好，并且可以平等地共享网络的容量。但是， 这种方法有个唯一致命的弱点它使网络的公平性完全依赖于终端点。当采用唯一 的一个管理实体来统一控制整个网络以及运行于各个终端上的软件时，这种方式还是可 以接受的。然而在现实的世界中，任何一个人都可能为了创建更具有侵略性的t c p 协议 机而修改其自己终端上的软件，或者他可能关闭t c p 的流量控制功能。这种做法造成的 效果是某一个人可以享受非常好的网络性能，但这是以牺牲其它用户的t c p 的服务性能 国防科学技术大学研究生院学位论文 为代价的，同时，很快就会有更多的人将采用这种具有侵略性的t c p 协议软件，或者是 在编写应用程序的时候优先采用自身没有流量控制功能的用户数据包协议( u d p ，u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 【2 ，最终使得互联网所提供服务的质量进一步的下降。服务的质量 得不到保证，本质上是由于服务所必须的最少的网络资源得不到保证，某一种服务不能 对属于本身的网络资源进行排他性的使用，而会受到其他服务的状态的影响。因此，从 一个良好的商业的观点出发，将不会允许网络资源的使用受到那些不受约束、随心所欲 的终端的控制。这也就是服务提供商正在寻求基于网络的、与可能使用的终端无关的、 端到端流量控制机制的关键原因之一，对于一些特殊服务( 如语音、视频、设备监控、 网络计算等) 的报文希望可以进行特殊的处理，以保证在最坏的情况之下也可以保证服 务最低的质量要求( 最大时延、最小带宽等) 。 由以上分析可知，未来的互联网必须以开放接口的方式对外提供内部资源与状态的 可编程访问，使得方便、灵活、快捷地在其之上开发和部署新的应用服务。 1 1 2多服务网络技术发展趋势 为了寻求解决之道，互联网技术出现了两大发展趋势，一种是主动网络( a c t i v e n e t w o r k ) 【3 】技术，另一种是公开信令( o p e n s i g ) 4 技术。以上两种技术都共同致力于 为下一代互联网探索出一条通过统一、开放、灵活的控制方式来支持将来各种各样的网 络服务应用的理想途径。 1 1 2 1 主动网络 主动网络的概念是d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 研究协会 于1 9 9 5 年，针对当时网络发展过程中遇到的几个问题( 即，把新的技术和标准引入现有 网络中的困难；由于几个网络协议层的冗余操作而使网络性能下降：在已存在的结构模 块中加入新服务的困难) 提出的。为克服这些困难，科学家们考虑了几个策略，这些策 略最终综合为主动网络方案。 主动网络技术强调在网络内部结点中增加计算与存储能力，按照存储一计算一转发 的模式对报文进行处理，通过主动报文下载可执行的代码程序和数据达到对结点内核执 行环境状态的修改。基于这种动态的、细粒度的控制方式，可以灵活地实现用户可定制 的多种服务功能。一个主动网络有一组主动节点，每一个主动节点通过各种网络技术互 连而成。每一个主动节点运行一个节点操作系统( n o d e o s ，n o d eo p e r a t i o ns y s t e m ) 和 一个或多个执行环境( e e ，e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t s ) 。n o d e o s 负责分配和调度节点资源 ( 链路带宽、c p u 周期、存储器) 。每一个执行环境实现一个虚拟机，他对传递给它的 主动报文进行解析和处理。因此，主动网络节点是可编程的开放节点，同时具有在结点 引擎中运行程序的能力。 直到目前，主动网络的研究已经得到了许多的关注，各种研究团体正研究一些与此 相关的重要的安全问题。其他的关键性研究问题还包括路由、资源分配、网络管理服务 及非常重要的移动性。很多研究成果已经被运用到主动网络的演示中，这些成果将影响 到几种不同的网络可编程模型的建立。主动网络技术的可行性已经开始改变我们对计算 机网络的概念，它将对未来技术的形成起到重要的推动作用。 国防科学技术大学研究生院学位论文 为代价的，同时，很快就会有更多的人将采用这种具有侵略性的t c p 协议软件，或者是 在编写应用程序的时候优先采用自身没有流量控制功能的用户数据包协议( u d p ，u s e r d a t a g r a mp r o t o c 0 1 ) 【2 ，最终使得互联网所提供服务的质量进一步的下降。服务的质量 得不到保证，本质上是由于服务所必须的最少的网络资源得不到保证，某一种服务不能 对属于本身的网络资源进行排他性的使用，而会受到其他服务的状态的影响。因此，从 一个良好的商业的观点出发，将不会允许网络资源的使用受到那些不受约束、随心所欲 的终端的控制。这也就是服务提供商正在寻求基于网络的、与可能使用的终端无关的、 端到端流量控制机制的关键原因之一，对于一些特殊服务( 如语音、视频、设备监控、 网络计算等) 的报文希望可以进行特殊的处理，以保证在最坏的情况之下也可以保证服 务最低的质量要求( 最大时延、最小带宽等) 。 由以上分析可知，未来的互联网必须以开放接口的方式对外提供内部资源与状态的 可编程访问，使得方便、灵活、快捷地在其之上开发和部署新的应用服务。 1 1 2多服务网络技术发展趋势 为了寻求解决之道，互联网技术出现了两大发展趋势，一种是主动网络( a c t i v e n e t w o r k ) 【3 】技术，另一种是公开信令( o p e n s i g ) 4 技术。以上两种技术都共同致力于 为下一代互联网探索出一条通过统一、开放、灵活的控制方式来支持将来各种各样的网 络服务应用的理想途径。 1 1 2 1 主动网络 主动网络的概念是d a r p a ( d e f e n s e a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y ) 研究协会 于1 9 9 5 年，针对当时网络发展过程中遇到的几个问题( 即，把新的技术和标准引入现有 网络中的困难；由于几个网络协议层的冗余操作而使网络性能下降：在已存在的结构模 块中加入新服务的困难) 提出的。为克服这些困难，科学家们考虑了几个策略，这些策 略最终综合为主动网络方案。 主动网络技术强调在网络内部结点中增加计算与存储能力，按照存储一计算一转发 的模式对报文进行处理，通过主动报文下载可执行的代码程序和数据达到对结点内核执 行环境状态的修改。基于这种动态的、细粒度的控制方式，可以灵活地实现用户可定制 的多种服务功能。一个主动网络有一组主动节点，每一个主动节点通过各种网络技术互 连而成。每一个主动节点运行一个节点操作系统( n o d e o s ，n o d eo p e r a t i o ns y s t e m ) 和 一个或多个执行环境( e e ，e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t s ) 。n o d e o s 负责分配和调度节点资源 ( 链路带宽、c p u 周期、存储器) 。每一个执行环境实现一个虚拟机，他对传递给它的 主动报文进行解析和处理。因此，主动网络节点是可编程的开放节点，同时具有在结点 引擎中运行程序的能力。 直到目前，主动网络的研究已经得到了许多的关注，各种研究团体正研究一些与此 相关的重要的安全问题。其他的关键性研究问题还包括路由、资源分配、网络管理服务 及非常重要的移动性。很多研究成果已经被运用到主动网络的演示中，这些成果将影响 到几种不同的网络可编程模型的建立。主动网络技术的可行性已经开始改变我们对计算 机网络的概念，它将对未来技术的形成起到重要的推动作用。 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 2 2 公开信令 公开信令( o p e n s i g ) 是哥伦比亚大学a u r e la l a z a r 教授于1 9 9 5 年1 0 月倡导成立 的一个工作组，其目的是在公开网络控制的情况下，研究a t m 、i n t e r n e t 和移动多媒体 网络中信令、中间件和服务的创建问题，为第三方软件开发商提供一个准静态、多结构 的网络结点控制方式。o p e n s i g 借鉴智能网的方法，强调公开交换机控制平面的访问控 制，使得服务开发方可以使用一组公开的、统一的可编程网络接口，方便地访问交换结 点内部的状态与资源，在网络中构造不同的和新的控制结构以支持网络中的多服务应用。 o p e n s i g 的可编程基础是其传输、控制和管理之间的清晰分界，它允许服务提供者使用 通信中间件工具操作网络状态以便构件个管理新的网络服务。 1 2相关的研究工作 从2 0 世纪9 0 年代开始，多服务网络的研究工作在十多年间以惊人的速度进展，其 研究成果全方位地推动着互联网技术的研究与应用。正因为多服务网络相关的研究工作 涉及的技术层面如此广泛，在课题前期对前人研究成果的归纳与分析的时候，一方面， 要为多服务网络建立研究模型，并对其中的关键问题深入探讨；另一方面，主要从一些 著名的实例进行分析，着重考察每一个实例的研究目的、体系结构及实现的技术途径， 以达到举一反三的效果。 1 2 1i n t s e r v r s v p 为了满足i n t e r n e t 多媒体等应用实时传输和基于会话流带宽共享控制的需求，因特 网工程专门工作组( i e t f ，i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 定义了i n t s e r v 模型【5 。在 服务层次上，i n t s e r v 提供端到端的质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 或可控负载型 服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e ) ，典型的应用如远程教学、视频点播等交互式音频和视频 应用；在实现层次上，i n t s e r v 方案需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消息 并维护每个流的路径状态和资源预约状态，在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲区 管理。具体而言，i n t s e r v 依靠资源预留协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 【6 】6 逐跳地( h o p b y h o p ) 建立( s e t u p ) 或拆除( t e a r d o w n ) 每个流的资源预留软状态( s o f t s t a t e ) ；依靠接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 决定链路或网络节点是否有足够的资源满足 q o s 请求；依靠传输控制( t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 将i p 分组分类成传输流，并根据每个流的状 态对分组的传输实施q o s 路由( r o u t i n g ) 、传输调度( s c h e d u l i n g ) 等控制。 在过去的几年中，i p 网络q o s 问题的研究促进了i n t s e r v 体系结构和r s v p 信令协 议的发展。实际上，r s v p 方案依赖于动态虚电路连接机制而改变了整个网络的体系结 构。i n t s e r v 是基于流的( p e r f l o w ) 、状态相关的( s t a t e f u l ) 体系结构。与状态无关( s t a t e l e s s ) 的体系结构相比，i n t s e r v 提供的服务具有更高的灵活性( f l e x i b i l i t y ) 和更好的服务级别 保证。 然而，要实现i n t s e r v 的q o s 保证也是比较困难的，它需要基于流的、复杂的资源 预留、接纳控制、q o s 路由和调度机制。在复杂、大规模的网络链路的状态是不确定的， 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 2 2 公开信令 公开信令( o p e n s i g ) 是哥伦比亚大学a u r e la l a z a r 教授于1 9 9 5 年1 0 月倡导成立 的一个工作组，其目的是在公开网络控制的情况下，研究a t m 、i n t e r n e t 和移动多媒体 网络中信令、中间件和服务的创建问题，为第三方软件开发商提供一个准静态、多结构 的网络结点控制方式。o p e n s i g 借鉴智能网的方法，强调公开交换机控制平面的访问控 制，使得服务开发方可以使用一组公开的、统一的可编程网络接口，方便地访问交换结 点内部的状态与资源，在网络中构造不同的和新的控制结构以支持网络中的多服务应用。 o p e n s i g 的可编程基础是其传输、控制和管理之间的清晰分界，它允许服务提供者使用 通信中间件工具操作网络状态以便构件个管理新的网络服务。 1 2相关的研究工作 从2 0 世纪9 0 年代开始，多服务网络的研究工作在十多年间以惊人的速度进展，其 研究成果全方位地推动着互联网技术的研究与应用。正因为多服务网络相关的研究工作 涉及的技术层面如此广泛，在课题前期对前人研究成果的归纳与分析的时候，一方面， 要为多服务网络建立研究模型，并对其中的关键问题深入探讨；另一方面，主要从一些 著名的实例进行分析，着重考察每一个实例的研究目的、体系结构及实现的技术途径， 以达到举一反三的效果。 1 2 1i n t s e r v r s v p 为了满足i n t e r n e t 多媒体等应用实时传输和基于会话流带宽共享控制的需求，因特 网工程专门工作组( i e t f ，i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 定义了i n t s e r v 模型【5 。在 服务层次上，i n t s e r v 提供端到端的质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 或可控负载型 服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e ) ，典型的应用如远程教学、视频点播等交互式音频和视频 应用；在实现层次上，i n t s e r v 方案需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消息 并维护每个流的路径状态和资源预约状态，在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲区 管理。具体而言，i n t s e r v 依靠资源预留协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 【6 】6 逐跳地( h o p b y h o p ) 建立( s e t u p ) 或拆除( t e a r d o w n ) 每个流的资源预留软状态( s o f t s t a t e ) ；依靠接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 决定链路或网络节点是否有足够的资源满足 q o s 请求；依靠传输控制( t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 将i p 分组分类成传输流，并根据每个流的状 态对分组的传输实施q o s 路由( r o u t i n g ) 、传输调度( s c h e d u l i n g ) 等控制。 在过去的几年中，i p 网络q o s 问题的研究促进了i n t s e r v 体系结构和r s v p 信令协 议的发展。实际上，r s v p 方案依赖于动态虚电路连接机制而改变了整个网络的体系结 构。i n t s e r v 是基于流的( p e r f l o w ) 、状态相关的( s t a t e f u l ) 体系结构。与状态无关( s t a t e l e s s ) 的体系结构相比，i n t s e r v 提供的服务具有更高的灵活性( f l e x i b i l i t y ) 和更好的服务级别 保证。 然而，要实现i n t s e r v 的q o s 保证也是比较困难的，它需要基于流的、复杂的资源 预留、接纳控制、q o s 路由和调度机制。在复杂、大规模的网络链路的状态是不确定的， 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 1 2 2 公开信令 公开信令( o p e n s i g ) 是哥伦比亚大学a u r e la l a z a r 教授于1 9 9 5 年1 0 月倡导成立 的一个工作组，其目的是在公开网络控制的情况下，研究a t m 、i n t e r n e t 和移动多媒体 网络中信令、中间件和服务的创建问题，为第三方软件开发商提供一个准静态、多结构 的网络结点控制方式。o p e n s i g 借鉴智能网的方法，强调公开交换机控制平面的访问控 制，使得服务开发方可以使用一组公开的、统一的可编程网络接口，方便地访问交换结 点内部的状态与资源，在网络中构造不同的和新的控制结构以支持网络中的多服务应用。 o p e n s i g 的可编程基础是其传输、控制和管理之间的清晰分界，它允许服务提供者使用 通信中间件工具操作网络状态以便构件个管理新的网络服务。 1 2相关的研究工作 从2 0 世纪9 0 年代开始，多服务网络的研究工作在十多年间以惊人的速度进展，其 研究成果全方位地推动着互联网技术的研究与应用。正因为多服务网络相关的研究工作 涉及的技术层面如此广泛，在课题前期对前人研究成果的归纳与分析的时候，一方面， 要为多服务网络建立研究模型，并对其中的关键问题深入探讨；另一方面，主要从一些 著名的实例进行分析，着重考察每一个实例的研究目的、体系结构及实现的技术途径， 以达到举一反三的效果。 1 2 1i n t s e r v r s v p 为了满足i n t e r n e t 多媒体等应用实时传输和基于会话流带宽共享控制的需求，因特 网工程专门工作组( i e t f ，i n t e r n e te n g i n e e r i n gt a s kf o r c e ) 定义了i n t s e r v 模型【5 。在 服务层次上，i n t s e r v 提供端到端的质量保证型服务( g u a r a n t e e ds e r v i c e ) 或可控负载型 服务( c o n t r o l l e d 1 0 a ds e r v i c e ) ，典型的应用如远程教学、视频点播等交互式音频和视频 应用；在实现层次上，i n t s e r v 方案需要所有路由器在控制路径上处理每个流的信令消息 并维护每个流的路径状态和资源预约状态，在数据路径上执行流的分类、调度和缓冲区 管理。具体而言，i n t s e r v 依靠资源预留协议( r s v p ，r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c 0 1 ) 【6 】6 逐跳地( h o p b y h o p ) 建立( s e t u p ) 或拆除( t e a r d o w n ) 每个流的资源预留软状态( s o f t s t a t e ) ；依靠接纳控制( a d m i s s i o nc o n t r 0 1 ) 决定链路或网络节点是否有足够的资源满足 q o s 请求；依靠传输控制( t r a f f i cc o n t r 0 1 ) 将i p 分组分类成传输流，并根据每个流的状 态对分组的传输实施q o s 路由( r o u t i n g ) 、传输调度( s c h e d u l i n g ) 等控制。 在过去的几年中，i p 网络q o s 问题的研究促进了i n t s e r v 体系结构和r s v p 信令协 议的发展。实际上，r s v p 方案依赖于动态虚电路连接机制而改变了整个网络的体系结 构。i n t s e r v 是基于流的( p e r f l o w ) 、状态相关的( s t a t e f u l ) 体系结构。与状态无关( s t a t e l e s s ) 的体系结构相比，i n t s e r v 提供的服务具有更高的灵活性( f l e x i b i l i t y ) 和更好的服务级别 保证。 然而，要实现i n t s e r v 的q o s 保证也是比较困难的，它需要基于流的、复杂的资源 预留、接纳控制、q o s 路由和调度机制。在复杂、大规模的网络链路的状态是不确定的， 国防科学技术大学研究生院学位论文 有效地预留带宽等资源是一件困难的工作。而且，提供q o s 保证的i n t s e r v 具有某种面 向连接的特性，而i p 网络的发展仍不具有面向连接的特性。更本质的问题是，i n t s e r v 面临着可扩展( s c a l a b i l i t y ) 问题和健壮性( r o b u s t n e s s ) 问题，前者是因为基于流的操作 的复杂性通常随着传输流数量的增加而增长；后者是因为在分布式网络环境中很难维持 动态的、可复制的传输流状态一致性。 1 2 2d i f f s e r v 与i n t s e r v 相比，区分服务( d i f f s e r v ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 【2 5 】的目标在于简单有 效，以满足实际应用对可扩展性的要求，实现途径是： 简化网络内部节点的服务机制。在内部节点只进行简单的调度转发，而流状态信 息的保存与流监控机制的实现只在边界节点进行，内部节点是状态无关的。 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集( s t r e a m a g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 具体而言，边界节点根据用户的流规定( p r o f i l e ) 和资源预留信息将进入网络的 单流分类、整形、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个i p 包头的d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 标记域( f i e l d ) 中，称为d s 标记( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s c o d e p o i n t ，d s c p ) ：内部节点在调度转发i p 包时根据包头的d s c p 选择提供特 定质量的调度转发服务，其外部特性称为逐点行为( p e r - h o p b e h a v i o r ，p h b ) 。 网络边界对单流做分类聚合与网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务， 这两个过程是通过i p 包头内的d s c p 协同起来的。 除实现简单外，区分服务体系还有以下特点： 层次化结构。分为d s 区域( d sd o m a i n ) 与d s 区( d sr e g i o n ) 两级。在d s 区 域内，服务提供策略与p h b 的语义和实现要一致；但d s 区内的各d s 区域可以 支持不同的p h b 、有不同的服务提供策略，它们之间通过服务层协议( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 与传输调节协议( t r a m cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t ，t c a ) 协调提供跨区域服务。这种结构适应了i n t e m e t 中由各i s p 提供接入服务的商业 模式。 总体集中控制策略( 与i n t s e r v 分布式控制相对照) 。网络资源的分配由总体服务 提供策略( s e r v i c e p r o v i s i o n i n g p o l i c i e s ) 决定，包括在边界如何分类聚合流，在 内部如何调度转发流聚集。 利用面向对象的模块化思想与封装思想，增强了灵活性与通用性。各逻辑模块相 对独立，并有多种组合。少量模块可组合实现多种服务，并在发展过程中保持模 块的可重用性。例如，服务类型同边界调节器( c o n d i t i o n e r ) 和内部p h b 相对独 立，使得较少种类的边界调节器和内部p h b 可进行各种不同的组合而实现多种 服务类型；而且随着进一步研究发展可能有更多服务类型出现却仍可以重用已有 模块构造。再如，p h b 与p h b 的具体实现机制相分离，使p h b 可以在发展中 保持相对的稳定，这给商家留下了施展的天地。 不影响路由。与一些以虚电路方式实现q o s 的方案( a t m ， m p l s ) 以及服务 类型标记方案不同，区分服务节点处提供服务的手段仅限于队列调度与缓冲管 1 甄f 一 国防科学技术大学研究生院学位论文 有效地预留带宽等资源是一件困难的工作。而且，提供q o s 保证的i n t s e r v 具有某种面 向连接的特性，而i p 网络的发展仍不具有面向连接的特性。更本质的问题是，i n t s e r v 面临着可扩展( s c a l a b i l i t y ) 问题和健壮性( r o b u s t n e s s ) 问题，前者是因为基于流的操作 的复杂性通常随着传输流数量的增加而增长；后者是因为在分布式网络环境中很难维持 动态的、可复制的传输流状态一致性。 1 2 2 d i f f s e r v 与i n t s e r v 相比，区分服务( d i f f s e r v ，d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e ) 【2 5 】的目标在于简单有 效，以满足实际应用对可扩展性的要求，实现途径是： 简化网络内部节点的服务机制。在内部节点只进行简单的调度转发，而流状态信 息的保存与流监控机制的实现只在边界节点进行，内部节点是状态无关的。 简化网络内部节点的服务对象。采用聚集传输控制，服务对象是流聚集( s t r e a m a g g r e g a t e ) 而非单流，单流信息只在网络边界保存和处理。 具体而言，边界节点根据用户的流规定( p r o f i l e ) 和资源预留信息将进入网络的 单流分类、整形、聚合为不同的流聚集，这种聚集信息存储在每个i p 包头的d s ( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s ) 标记域( f i e l d ) 中，称为d s 标记( d i f f e r e n t i a t e ds e r v i c e s c o d e p o i n t ，d s c p ) ：内部节点在调度转发i p 包时根据包头的d s c p 选择提供特 定质量的调度转发服务，其外部特性称为逐点行为( p e r - h o p b e h a v i o r ，p h b ) 。 网络边界对单流做分类聚合与网络内部对聚集流提供特定质量的调度转发服务， 这两个过程是通过i p 包头内的d s c p 协同起来的。 除实现简单外，区分服务体系还有以下特点： 层次化结构。分为d s 区域( d sd o m a i n ) 与d s 区( d sr e g i o n ) 两级。在d s 区 域内，服务提供策略与p h b 的语义和实现要一致；但d s 区内的各d s 区域可以 支持不同的p h b 、有不同的服务提供策略，它们之间通过服务层协议( s e r v i c e l e v e la g r e e m e n t ，s l a ) 与传输调节协议( t r a m cc o n d i t i o n i n ga g r e e m e n t ，t c a ) 协调提供跨区域服务。这种结构适应了i n t e m e t 中由各i s p 提供接入服务的商业 模式。 总体集中控制策略( 与i n t s e r v 分布式控制相对照) 。网络资源的分配由总体服务 提供策略( s e r