（计算机应用技术专业论文）主动网络技术在ip组播中的应用研究.pdf

摘要 网上业务日益繁重，通信量的迅猛增长使得目前的网络数据传输方式需要改 进，组播被认为是一种有效的传输方式，但还有几个问题需要加以解决，比如可 靠性和拥塞控制。目前已经有一些可靠组播和组播拥塞控制协议和算法，但在传 统网络的限制下，这些算法存在一些缺陷。而主动网络作为一种中间节点可编程 网络体系结构，为解决可靠性等组播问题提供了一个新途径。本文主要研究主动 网络技术在组播中的应用。 ( 1 ) 分析连续实时流媒体的传输模型和组播数据丢失特性，提出了一种基 于主动节点连续实时流媒体的可靠组播算法，通过n s 2 仿真实验证明，该算法能 够有效降低报文的丢失率，减少服务器的重传次数，完成连续实时流媒体的可靠 传输。 ( 2 ) 分析主动网络的拥塞控制机制，在组播分层编码技术的基础上，给出 了一种基于主动节点的组播拥塞控制算法，利用n s 2 进行了仿真，实验结果表明， 该算法有比较好的t c p 友好性和可扩展性，可以满足多媒体组播在网络异构条件 下的拥塞处理。 最后展望了主动网络在组播应用中的前景和热点。 关键词：主动网络可靠组播t c p 友好拥塞控制n s 2 t h ct r a n s m i s s i o ns t y l eo fn e t w o r kd a t an e e dt ob ei m p r o v e d0 1 1t h ec o n d i t i o nt h a t t h eo p e r a t i o no fn e t w o r ki si n c r e a s i n g l yh e a v ya n dt h ec o m m u n i c a t i o nq u a n t u mg r o w s f a s t m u l t i c a s ti sc o n s i d e r e dt ob ea ne f f i c i e n c yt r a n s m i s s i o ns t y l e ，b u ti th a ss e v e r a l i m p o r t a n tm a t t e rt os o l v e ，i n c l u d i n gt h er e l i a b i l i t ya n dc o n g e s t i o nc o n t r 0 1 a l t h o u g h t h e r ea r ca l r e a d ym a n yp r o t o c o l sa n da r i t h m e t i co fr e l i a b l em u l t i c a s ta n dm u l f i c a s t c o n g e s t i o nc o n t r o l ，t h e s ea r i t h m e t i ch a ss o m eb u 蓼u n d e rt h er e s 仃i c to ft r a d i t i o n a l n e t w o r lt h ca c t i v en e t w o r ka sas o r to fn e wm i d d l en o d ei sas y s t e mc o n f i g u r a t i o no f p r o g r a m m i n gn e t w o r k ， a n do f f e r san e w a p p r o a c ho fs o l v i n gt h em u l t i c a s tp r o b l e m s t h ep a p e ra n a l y s e sa n dr e s e a r c h e st h ea p p l i c a t i o ni nm u l t i c a s tt h r o u g ha c t i v e n e t w o r kt e c h n i q u e t h e p a p e r a n a l y s e s t h e t r a n s m i s s i o n m o d e l o f s e q u e n tr e a l t i m e f l o w o f m e d i a a n d t h el o s i n gc h a r a c t e r i s t i co fd a t a , t h e np u t sf o r w a r dt h ec r e x h b i l i t ym u l t i c a s to nt h eb a s e o fs e q u e n tr e a lt i m ef l o wo fm e d i ao ft h ei n i t i a t i v en o d e 1 n h ce x p e r i m e n to nn s 2 p r o v e s t h a tt h i sm e t h o dc a ne f f i c i e n t l yr e d u c et h el o s i n gr a t ea n dt h er e s e n d i n gt i m e so fs e r v e r ， a n dc o m p l e t e st h et r a n s m i s s i o no fs e q u e n tr e a lt i m ef l o wo fm e d i a 1 1 砖p a p e ra n a l y s e st h em e c h a n i s mo fc o n g e s t i o nc o n t r o li ni n i l i a t i v en e t w o r k 。 a n do nt h eb a s eo fb e dc o d i n gt e c h n i q u eo fm u l t i c a s t ，t h eb e dm u l t i c a s to fi n i t i a t i v e n o d ei sd e s i g n e da n di m i t a t e du s i n gn s 2 1 1 l cr e s u l to fe x p e r i m e n ti n d i c a t e st h a tt h i s s t r a t e g ys t r e n g t h e n s t h e c o n g e s t i o nd e t e c t i o no fn o d e ，h a sm u c hb e t t e rt c p n e i g h b o r i n ga n de x t e n d i n g ， a n da c c o m p l i s h e st h ec o n g e s t i o nc o n t r o lo f m u l t i c a s tw e l l f i n a l l y ，t h ep a p e rm a k e st h ep r o s p e c ta n dh o t s p o to fi n i t i a t i v en e t w o r ki nt h e a p p l i c a t i o no fm u l t i c a s t k e y w o r d s ：a c t i v en e t w o r k r e l i a b l em u l t i c a s tt c p f r i e n d l y c o n g e s t i o nc o n t r o l n e t w o r k ss i m u l a t i o n 创新性声明 本人声明所呈交的论文是我个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 包含其它人已经发表或撰写过的研究成果；也不包含为获得西安电子科技大学或 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做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。 本人盘名：聃日期殳! 生：兰二， 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技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西安电子科技大学。本人保证毕 业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为西安电子科技大学。 学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文：学校可以公布论文的全 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论文。( 保密的论文 在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密在_ 年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 绪论 第一章绪论 1 1 1 i p 组播必要性及存在问题 1 1 研究背景 组播1 1 是一种允许一个或多个发送者发送同一数据包到多个接收者( 一次的， 同时的) 的网络技术，这组接收者就称为组播组( m u l t i c a s tg r o u p ) ，组播源把数据 包发送到特定组播组，而只有属于该组播组的地址才能接收到数据包。无论有多 少个组播报文接收者，网络中任何一条链路只传送单一的报文，因此在有多个接 收者的应用中，组播技术提高了数据传送效率，有效地利用了带宽，减少了主干 网出现拥塞的可能性。同时它也避免了单播和广播中可能出现的广播风暴问题。 由于它的优越性，i e t f 在制订、，6 协议时保留了组播，而取消了广播。而 且在i p v 6 的标准中，要求所有的设备都必须支持组播。 单播传输方式 魃sender p o u t e r 芭! ! l e 三三三；j 重量虽e 燧蒸曩笺誊蓑i i 装 磁鞭e 麓。 ， 组播传输方式 坠lender墨囝router e 呈j ! 一一i i i l 缫旁+ 艺一一j ；溺p 飞戳i ：篪淄r h o s t c 图1 1 单播通信与组播通信的区别 从图1 1 中可以明显地看出组播通信技术的优越性单播通信方式需要发送 者为每个单播接收者分别建立不同的数据流；路由器也必须为同一信息内容在同 一链路上重复传送多个流；同时，接收到的数据流的时间也有先有后。采用组播 主动网络技术在口组播中的应用研究 技术后，发送者只需发送一个数据流，路由器在必要的时候在不同的端口复制不 同的流；同时，每个接收者有希望在同时接收到的相同的数据流。因此，大大减 轻了发送者和骨干通信的开销，为不同的接收者提供公平性1 3 l 。 组播在最大程度地降低多媒体应用程序的带宽需求基础上，允许在网络上部署 这些应用程序。图1 2 比较了单播8 - k b p sp c m 音频流和组播同样的音频流时每 个客户端的网络负载，说明了组播是如何节约带宽的： 图1 2 组播和单播的带宽比较 在组播网络中，即使用户数量成倍增长，主干带宽也不需要随之增加。口组 播技术有效地解决了单点发送多点接收、多点发送多点接收的问题，实现了口网 络中点到多点的高效数据传送。能够有效地节约网络带宽、降低网络负载。口组 播技术在实时数据传送、网络电视、多媒体会议、数据拷贝、游戏和仿真等诸多 方面都得到了广泛的应用。 然而i p 组播数据包典型使用用户数据报协议( u d p ) ，而u d p 是一种“尽力 而为”( b e s t e f f o a ) 协议。因此，坤组播应用必定会存在以下的一些问题； ( 1 ) 不可靠的信息包传送 和口单播一样，口组播是天生不可靠的。只有通过第4 层的t c p 后，腰单 播数据流才被认为是可靠的。由于i p 组播假定一对多的通信方式，它不使用t c p 所固有的端到端的机制。m 组播信息包典型地使用u d p 协议，因此一个使用球 组播的应用一定会遇到偶然的信息包丢失，要么接受丢失，要么在应用层或通过 一种在u d p 之上可靠的组播协议进行某种程度处理。 ( 2 ) 信息包复制 就像在u d p 单播世界居一样，复制信息包已是生活中的现实。然而，单播和 组播之间的关键区别是路由器主动发送组播信息包的拷贝到多个接口这增加了 多个拷贝的组播信息到达某一种接收点的可能性。例如，在某些冗余网络拓扑中 绪论 3 存在有可以到达接收点的路径，一直可以复制信息包直到组播路由协议聚合并消 除冗余的路径 ( 3 ) 网络阻塞 就t c p 单播来说，标准t c p 补偿和慢开启窗口机制自动地调整数据传送的速 度，因此在一定程度上避免了网络拥塞。因为口组播不使用t c i ，所以没有内建 的阻塞避免机制防止组播流耗尽链路带宽或者其他关键的路由器资源，组播应用 越广泛，这个问题就愈加突出 2 1 。 1 1 2 主动网络的提出 i n t e m e t 的规模不断扩大，但其基于t c p i p 协议的体系结构自确定后一直沿用 至今。基于t c p i p 协议的i n t e r a c t 遵循“端到端的原则”，也就是说，i n t e m e t 的 网络层只提供不可靠的传输服务，而应用要求的可靠性和安全性等由端系统自己 来实现。这样可以大大简化i n t e r a c t 本身的复杂度。实践证明这种结构是非常成功 的，但随着网络规模日益扩大，一些局限性也开始显现出来。由于目前网络中间 节点是一个完全封闭的系统，用户不能象对终端系统一样对它进行编程而引入新 的技术和服务如组播、移动通信等研究就是受到现存网络设备限制而进展缓慢。 另外，随着网络规模日益庞大而且复杂，使得网络管理、资源配置、故障定位变 得越来越困难。 在这种背景下，人们认为需要在传统i n t e r n e t 体系结构的基础上，研究新的网 络体系结构，使网络具有自适应、动态和智能化特性。主动网络就是在这种环境 下产生的【4 1 5 1 ，并首先得到美国国防部高级计划研究局( n 气此a ，d e f e n s e a d v a n c e d r e s e a r c hp r o j e c t s a g e n c y ) 的支持。主动网络通过在传统的网络中引入计算模型改 变了传统网络协议的运行方式，从而促进了网络的革新，同时加速了网络新业务 的出现。 由于主动网络的中间节点是可编程的，因此利用主动网络技术可以解决许多 传统网络中难以解决的问题，例如拥塞控制。如何有效地将主动网络技术引入i p 组播中，解决i p 组播中存在的一些难题和缺陷就是本文的目的。 1 1 3 主动网络的优点 传统的网络体系结构是封闭式系统，网络编程环境仅限于端系统内的高层网 络应用软件，网络的中间节点是不可编程的，因而造成网络技术更新速度慢等问 题。主动网络的思想是对传统“端一端命题”的突破，其主要优点包括： ( 1 ) 加速网络结构的更新：主动网络的中间节点具有很大的灵活性，它不再 是对数据包执行相同的计算，而代替以支持相同的可计算模块。用户可以把自己 4 主动网络技术在口组播中的应用研究 的程序发送到节点上并要求执行，这些程序可视为对市点功能的扩充。网络不再 需要为每一种新的功能制定新的标准，只需要制定主动网络语言的标准。任何新 功能、新协议的开发都是编制新的主动网络应用程序的过程。这些新协议和功能 的应用也简化到只是把程序代码发送到需要扩展这些功能的节点上的过程。在这 种用户推动的主动网络中，技术更新要快得多。 ( 2 ) 用户参与网络建设：主动网络的体系结构是硬件和软件的分离，它允许 最终用户定义适合自己的特定应用需求或满足当前网络条件的特定业务类型。例 如在网络保护方面，传统的网络中象防火墙这样的服务是作为一种特定的附加功 能加入网络中的，虽然生产商在软件上留有一定的配置余地，但它的基本功能是 不变的，它只对信息来源进行检查并屏蔽用户不希望的数据。而在主动网络中， 用户能获得最大的主动性，用户可以定制符合自己要求的安全策略。 1 1 4 主动网络技术应用于口组播的优势 在传统网络上，端到端的观点认为可靠传输及恢复应由端点来完成，而不应 该由中间节点来完成，这就造成了可靠组播的丢包以及错包的恢复特别困难。如 果采用传统的端到端恢复功能，则接收端应答的a c k 和n a c k ( n a c k ：n e g a t i v e a c k n o w l e d g e ) 包将引起应答风暴。尽管在传统网络上实现组播的方法已经有很多， 但由于得不到网络中间节点的信息，丢包的恢复过程显得很复杂，在工程实现上 也非常困难。而主动网络技术由在口组播应用方面有着独特的优势： ( 1 ) 组播包的存储：一般情况下，报文出错或丢失的情况多发生在终端节点， 如果边缘路由器或交换机是主动节点，可以在这些设备上临时存储口组播包，当 该路由器或交换机收到某个数据报文的n a c k 时，在其临时存储的c a c h e 中查找 需要重发的包，并将该重发包发送到n a c k 源节点。这样一方面可以减小响应时 间，另一方面可以减少网络的负载。 ( 2 ) n a c k 溶解，压缩：路由器或交换机对请求重发相同包的诸多n a c k 进 行压缩，只将一个n a c k 包转发到源节点。为了做到这一点，路由器和交换机也 必须具备存储向上转发n a c k 包的功能，主动节点就可以做到这一点，减少虻k 数目。 1 2n s 仿真 随着网络结构和规模越来越复杂化以及网络的应用越来越多种多样化，单纯地 依靠经验进行网络的规划和设计、网络设备的研发以及网络协议的开发，已经不 能适应网络的发展。因而急需一种科学的手段来反映和预测网络的性能，网络仿 真技术因此而产生。n s 是一种支持多协议的模拟器，很多研究就是建立在此模拟 绪论 器基础之上的。 1 2 1n s 结构 5 n s 是一个面向对象的仿真器，由编译和解释两个层次组成，编译层次包括c + + 类库，而解释层包括对应的o t c l 类，用户以o t c l 解释器作为前台使用n s 。 n s 内部大部分是t c l o b j e c t 的子类，用户在解释器环境创建新仿真对象，然后镜 像到对应的编译层次。 1 2 2 n s 模拟方法 n s 支持单播和组播的传输模式，支持t c p 、s r m 、r t p 、u d p 等传输协议， 支持d r o p t a i l ，r e d ，r 1 0 ，f q ，p i 等队列管理模式，用户可以在任意层扩展自 己的功能和编制新的协议。而且可以编写各种t e l ( t o o l k i tc o m m a n dl a n g u a g e ) 脚本来对各种协议和算法进行仿真和模拟，可以对协议进行仿真和模拟，可以对 协议的一些变量进行跟踪，对队列和流进行跟踪和监视。而且由于n a m 是一个基 于动画工具的t c l 工具包，用它来完成n s 仿真过程和实际网络数据包跟踪数据的 可视化。使用n a m 的第一步是产生一个n a m 跟踪文件。动态跟踪文件应该包括 拓扑信息如结点、链路、队列、连接结点等也包括数据包跟踪信息。 运行仿真之前，首先要分析设计仿真的层次。一个基于o t c l 编程的配置、构 造层次，利用n s 已有的网络仿真元素实现仿真，无需对n s 本身进行修改，只要 编写o t c l 仿真脚本。对于使用网络仿真软件来做网络效能分析的人而言，步骤通 常是先设计出符合自己需要的网络仿真环境，设定其不同的参数，执行仿真，收 集结果数据，最后把数据使用图片或表格把结果呈现出来以方便分析实验。 n s 是一个离散事件模拟器，是一种常用的系统模拟模型。就是说，时间决定 了系统状态的改变，状态的修改是在事件发生的时候进行的，典型的事件包括分 组到达、时钟超时等。n s 本身已有大量的构件库，这些构件库是由两种面向对象 的语言编写的：c + + 和o t c l 。o t c l 就是o b j e c t t c l ，即面向对象的t e l 。o t c l 就是在 1 c l 中加入了类的概念。 n s 的模拟步骤一般如下： ( 1 ) 编写1 c l 脚本。配置网络的拓扑结构。 ( 2 ) 建立协议代理，包括端设备的协议绑定和通信业务量模型的建立。 ( 3 ) 配置业务量模型参数。 ( 4 ) 设置t r a c e 对象。t r a c e 就是把模拟过程中发生的特定事件记录在t r a c e 文 件中，我们就是通过t r a c e 文件来分析研究。 ( 5 ) 配置其他过程 6 主动网络技术在口组播中的应用研究 ( 6 ) 用n s 解释执行t c l 脚本。 ( 7 ) 分析t r a c e 文件。 ( 8 ) 调整配置业务量模型重新进行模拟。 1 2 3n s 特点 n s 是一种强大的网络仿真工具，具有如下特点： ( 1 ) 灵活性：只对要进行研究的部分进行仿真，忽略实现的细节，缩短掌握 n s 仿真器) 的周期，减少了细节设计的时阋。 ( 2 ) 仿真性：能够对网络协议等进行模拟，还可以与现实网络进行连接，在 二者之间进行数据的传输和处理。 ( 3 ) 可视性：n s 可以通过n a m 组件，对拓扑结构和传输速率的变化以及 数据丢失等情况以动画的形式表现出来，此外还可以通过x g r a p h 或c m u p l o t 组件把 模拟结果以曲线图的方式更直观地显现。 ( 4 ) 可扩展性：n s 基于事件驱动模型，采用开放的体系结构，用户可以根 据自己的需要开发模拟新的协议。 ( 5 ) 可重现性：同样的参数设置有相同的模拟结果。 1 3 1 主要内容 1 3 课题研究内容及章节安排 本课题着重探讨了主动网络技术在i p 组播中的应用。主要内容包括： 1 ) 主动网络技术的介绍 介绍了主动网络的基本概念、体系结构以及主动网络协议和研究现状。 2 ) 主动网络技术在i p 组播中的应用研究 分析研究可靠组播需要解决的问题，以及目前的可靠组播存在的一些问题， 针对连续实时流媒体，提出了一种基于主动节点连续实时流媒体的可靠组播算法， 分析该算法性能并进行仿真试验和普通的可靠组播进行了比较。 分析主动网络技术应用于网络拥塞控制的优越性，介绍了三种典型的组播拥 塞控制算法，针对视频组播广泛应用的分层技术，提出了一种基于主动节点的分 层组播拥塞控制算法。 最后展望了主动网络在组播应用中的前景和热点。 1 3 2 论文章节安排： 第一章绪论部分。 绪论 第二章主动网络技术研究。 第三章基于主动节点技术的可靠组播。 第四章基于主动节点的组播拥塞控制 第五章回顾与结论。 7 主动网络技术研究 第二章主动网络技术研究 2 1 主动网络的概念及其特点 9 主动网络c a n ：a t 2 t i v en e t w o r k ) 是相对于当前的传统被动网络( p n ：p a s s i v e n e t w o r k ) 一一只是被动地传输数据，网络中间节点对数据本身的语意不作分析、 理解，计算功能十分有限而言的。主动网络是由一组称为主动节点的网络单元组 成的可编程网络。在主动网络中传输的数据包被称为主动包，它不仅承载用户的 数据信息，还携带一段可执行代码。主动网络中的节点( 路由器和交换机等) 通 过执行主动包中的可执行代码被动态配置，实现网络基本结构的动态扩展或修改， 同时用户可以通过编程来定制他们所需要的业务1 4 1 5 嗣，例如远程网络管理等等。 主动网络中的节点不仅具有传统网络的存储、转发功能，还具有计算功能。 主动网络具有以下特点： ( 1 ) 可编程性( p r o g r a m m a b i l i t y ) ：主动网络的报文、体系结构。服务等都可以 用一种和多种语言来描述。主动网络最主要的特点就是可编程性。主动网络基础 结构的功能远比传统网络的存储一转发功能要强大，至少增加的功能是存储一计 算一转发。这种功能在许多方面都能得到很好的应用，譬如服务质量0 0 s 的控制、 新协议的开发和部署等。 ( 2 ) 移动性( m o b i f i t y ) ：主动包能在不同的系统平台上流动，流经的主动节点可 以执行主动包内的代码，所以主动网络可以成为移动计算、a g e n t 技术通信的基础。 ( 3 ) 可扩展性( e x t e n s i b i f i t y ) ：主动网络具有灵活的扩展功能，因为它的网络节 点是可编程的，所以用户或服务开发商、服务提供商等可以很容易将服务代码注 入网络节点中，对网络节点的功能进行扩展。这就加快了网络革新的步伐。 ( 4 ) 互操作性( i n t e r o p e r a b i l i t y ) ：主动网络必须与基于口技术的网络交换信息。 这个特性是开放网络体系结构发展的基础 主动网络的这些特点表现了其动态控制功能的几个方面，支持用户对于可见 的网络行为作动态的修改。 2 2 主动网络的体系结构 主动网络主要特点是“可编程性”。具有计算能力的网络结点从网络设备接收 数据包后执行相应的代码，对该数据包进行处理，然后将数据包( 可能已被修改) 发送给其他网络结点。主动网络可以加强网络的协议，应用、服务等，它是一种 反传统的网络。传统通信网络采用了“端到端”观点，是关于功能和服务在传统 主动网络技术在l p 组播中的应用研究 网络中放置的原理和系统结构问题，主动网络的概念是关于一种网络功能和服务 放置的革新设计思想。主动网络目前已被应用于多个领域。 主动网络结构1 7 1 ( a r c h i t e c t u r a lf r a m ef o ra c t i v en e t w o r k s ) 包括主动网络中传 输的主动包、主动网络编程计算、主动网络节点、主动网络协议及主动网络包处 理流程等。 2 2 1 主动网络中传输的主动包 传统的网络编程是针对端点编程( 如p c ，工作站等) ，很少针对底层协议或中 间节点编程，程序在特定的操作系统上编译、连接，所编程序一般是对本地资源 的管理和使用，只能在相同或兼容的系统上运行，和远程应用之间通过传送数据 进行通信。传统的数据包包括包头和净负载，包头是由网络中间节点或端点协议 层添加、删除、分解处理的，净负载由端点应用层协议或应用程序来处理，这种 包称为被动包，把采用被动包进行通信的协议称为被动协议或传统协议。 主动网络中的数据包不仅包含包头和净负载，还包含代码和相关数据，代码 和数据由主动包经过的主动节点( a c t i v e n o d e ) 处理，包中数据由代码处理或解释， 这些在主动节点的执行环境里可以执行的代码称为主动代码，包含包头、净负载、 主动代码、数据的包称为主动包( a c t i v ep a c k e t 或c a p s u l e ) ，采用主动包进行通信 的协议称为主动协议。 2 2 2 主动网络编程计算 传统网络应用程序编程是建立在应用层之上，和下层协议采用a p i 方式进行 通信，编程不修改底层协议。只是被动地传输数据，更没有用户控制的计算。主 动网络的编程可对底层协议和中间节点编程，对中间节点的编程可以采用把程序 放到主动包中的形式，主动包到达中间节点时执行；也可以通过分发或下载的方 式将程序预埋到主动包要经过的主动节点，主动包到达该节点时触发预埋程序执 行。中间节点可驻留用户控制的计算，通过动态加载用户控制的服务到网络中间 节点，使用户可控制范围更广，经过编程，应用程序能获取网络中间节点的详细 信息，网络的传输任务可分布到中间的各个节点上来共同完成，可以支持一些复 杂的协议和服务，如拥塞控制、可靠组播等。 2 2 3 主动网络节点 传统网络的节点可能采取不同的代码，不同的实现方法，但是执行结果是相 同的，对于网络中传输的数据包只进行存储一转发，不进行计算，这种节点称为 被动节点。 主动网络技术研究 1 1 主动网络的节点可以驻留不同的主动代码，这些代码是对节点功能的动态扩 充，即主动网络的节点受到主动包的影响而动态变化，如可以动态地成为防火墙、 移动通信网关或多媒体网关等，这种节点称为主动节点。 主动节点的逻辑结构( 如图2 1 ) 从上到下包括的三个部分是：即主动应用( 从： a c t i v ea p p l i c a t i o n ) ，执行环境( e e ；e x e c u t i n ge n v i r o n m e n t ) ，节点操作系统 ( n o d eo s ：n o d eo p e r a t i o ns y s t e m ) 和管理执行环境( m e e ：m a n a g e m e n te x e c u t i n g e n v i r o n m e n t ) 。 主动应用 执行环境 节点操作 系统 图2 1 主动节点逻辑结构 主动应用( 从) ：由一段移动代码和与主动代码相关的数据、状态参数等组成。 通过髓对从的调用和执行可以实现用户定制的网络服务。 执行环境( 髓) ：执行环境是主动节点的核心，它的作用是管理和执行主动代 码，处理主动包和被动包，提供网上服务。 节点操作系统( n o d eo s ) ；节点操作系统的作用是管理和使用系统资源，并提 供基本的安全保证。 2 2 4 主动网络协议 传统网络下的协议必须经过标准化才能部署，需要的时间较长。主动网络的 协议原则上可以由用户根据自己的特殊需要定义、编制，可随时动态部署。现有 的几个有关主动网络的协议分别是：主动网络体系结构( a r c h i t e c t u r a lf r a m ef o r a c t i v e n e t w o r k s ) l ”、主动网络封装协议【”( a c t i v e n e t w o r k e n c a p s u l a t i o n p r o t o c 0 1 ) 、 节点操作系统规范嘲( n o d eo si n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 和主动网络安全体系结构嗍 ( s e c u r i t ya r c h i t e c t u r ef o r a c t i v en e t w o r k ) 。 2 2 5 主动包的处理流程 。 数据包通过主动节点时的处理流程如图2 2 和2 3 所示。当主动节点从物理 1 2 主动网络技术在l p 组播中的应用研究 链路接收到一个数据包时，先判断它是不是主动包，如果不是就可以按图2 2 来 处理，如果是主动包，它就根据主动包所携带的信息( 如包头) 对包进行分类， 再提交给合适的e e 进行处理。 i 安全保护安全保护 寻找下一路由存储转发 l 用户数据 用户数据 图2 2 传统数据包在节点的处理 安全保护 一竺卜、 安全保护 分 叶乎 从 - - - +用户数据 用户数据- - - - + 类 主动代码 1 互r 主动代码 r 图2 3 主动包的处理过程 e e 通过通信通道发送和接收数据包，n o d eo s 使用各种技术实现上述通道， 其中包括低层协议和高层协议。主动节点接收到通用数据包时，根据其携带的信 息分类，放入相应的通道。 主动包与传统网络数据包的区别是包含可执行代码。主动包根据包内信息在 网络中传输，到达日的节点时执行主动代码。由此可见，一个主动节点上允许几 个e e 同时存在和运行。不同的e e 处理的主动包的类型不同。需要将从物理端口 接收到的各种包进行分类，并通过不同的通道提交给相应的e e 。通道负责接收、 发送和转发包。有的主动包( 如该节点不是包处理的目的节点的数据包等) 和传 统的被动包不需要在本地处理，只需转发。因此根据包是否需要在本地主动节点 e e 中处理，可以将传输这些包的通道划分成两种不同的类型：输入、输出通道 ( i n c h a n 、o u t c h a n ) 和直通通道( c u t c h a n ) 。其中，输入、输出通道负责在e e 和下 层通信实体之间传递包，根据接收发送包的不同。而直通通道负责不需经e e 处 理的包在主动节点之间的通信。 2 3 1 主动网络封装协议 2 3 主动网络协议 主动网络封装协议( 8 l ( 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 ) 详细描 述了主动包格式。主动包的格式是一种通用的、可扩展的，适合于各种主动网络 的执行环境的可互操作的包格式，包的格式如图2 4 所示 主动网络技术研究 版本号标志位类型标识i d 女帅头长度 n e p 包长度 选项 负载 1 3 图2 4 主动报文格式 “版本号”域标识了正在使用中的头格式，长度为8 位，一般将它设置为“1 ”， a n e p 头变化时，“版本号”域也将发生变化。如果某个主动节点接收到了它不能 识别的版本号时，那么就将其丢弃。 “标志位”的长度为8 位，在版本号为“1 ”的a n e p 协议中，只使用到了“标 志位”域中的第一位，用它来表示主动节点不能识别类型标识时，它应该做什 么如果标志位的值为“0 ”，并且a n e p 头的“选项”给出了必要的信息，则节 点将使用缺省的路由机制尝试转发数据包。如果其值为“1 ”，节点就丢弃数据包。 此域的其余数据位将被节点忽略不计，建议由数据包的创建者将其设置为“0 ”。 “类型标识d ”表明了包的计算环境。主动节点在相应的环境中对包进行计 算，此域的长度为1 6 位。如果某个特定的e e 出现在某个节点上，那么包含此类 型d 的合法a n e p 头的数据包就会输入到与该e e 相连的通道里，这些通道是在 节点初始化时创建的。 “a n e p 头的长度域”用3 2 位来定义，如果包中无“选项项目”，那么其值必 须为“2 ”，此域的长度为1 6 位字。 “a n e p 包的长度域”定义了整个数据包的长度，包括主动包的有效负载。 “选项”以聊( t y p e 1 2 n g t h v a l u e ，即类型一长度一值的缩写) 形式给出，它 紧跟在基本头标识之后，指示对“p a y l o a d ( 有效负载) ”的处理方法。该类型域的 长度为1 4 位。具体的值由a n a n a ( a n a n a - a c t i v en e t w o r ka s s i g n e dn u m b e r a u t h o r i t y ) 分配。 “有效负载”主动包携带的程序、数据和参数。内容由主动包的功能决定。 主动节点负责动态装入和执行用各种语言编写的程序，这些程序以及相关的 数据、参数等组合成一个主动包在网络上传输。然后，此程序在由协议a n e p 给出 的目的节点环境中执行，有关这方面的各种选择由a n e p 头具体定义，例如，认证、 加密和完整性等。a n e p 协议描述了a n e p 的语法和语义，有关处理主动包内容的细 节交由个别具体的实现或环境来完成。 a n e p 的特点是： 接收数据包的主动节点可以唯一、快速地判定要在哪一个执行环境( e e ) 中 运行计算它所接收的数据。 1 4 主动网络技术在坤组播中的应用研究 当预想的计算执行环境e e 不存在或无法获取时，可利用指定的最小缺省包处 理路径。 2 3 2 节点操作系统规范 节点操作系统规范( n o d eo si n t e r f a c es p e c i f i c a t i o n ) 描述了主动网络节点操 作系统。主动网络节点操作系统( n o d eo s ) 接口定义了5 种基本抽象术语：线程 池( t h r e a dp o o l s ) 、内存( m e m o r yp o o l s ) 、通道( c h a n n e l ) 、文件( f i l e s ) 和域 ( d o m a i n s ) 。线程池、内存池、通道和文件封装一个系统的四种类型资源：计算、 存储、通信和永久存储。域聚合控制和计划线程池、内存池、通道和文件四种抽 象。 图2 5 域包含为具体e e 处理所需要的通道、内存和线程 域是主要的一种抽象，负责计算、访问控制、系统资源配置和网络带宽分配 等。如图2 5 所示，一个域包括接收和发送信息的通道，内存池，线程池。将从 物理端口接收到的主动包提交给合适的e e 的通道为输入通道( i n c h a n ) ，将e e 处 理后的包输出的通道为输出通道( o u t c h a n ) ，接收和发送不需要e e 处理包的通道 为直通通道( c u t c h a n ) 。到达输入通道的主动包，经过e e 层由线程和内存分配处 理到域，然后由输出通道传输。仅需转发的包，通过直通通道。具有a n e p 头的 包被送入输入( 或输出) 通道，传统网络中的数据包直接送入直通通道。 域是有层次关系组织的，如图2 6 所示。域的根节点是操作系统本身。域的 子节点是e e 层。底层由输入通道( i n c h a n ) 、输出通道( o u t c h a n ) 及直通通道 ( c u t c h a n ) 组成，中间层由域( d o m a i n ) 组成。 线程池是计算的主要抽象。每个域包含单独的线程池，这个线程池在域创建 时初始化。建立线程池时要确定的参数有：池内线程的最大数量，线程使用计划， c p u 消耗，线程执行的最大长度，栈的大小等。线程池一旦初始化，每个线程的 优先级就已确定。 主动网络技术研究 通道是通信的主要抽象。域创建通道，用于发送、接收和转发包。通道可以 内嵌于执行环境内，用于发送包；也可以在节点操作系统内，通过主动节点转发 包。 内存池是内存的主要抽象。 文件提供永久的存储和数据共享。 n o d e o s 弋 域1域2 域3 图2 6 域层次结构 2 4 主动网络技术研究现状 当前主动网络的研究已成为网络研究中的一个热点，m r r 、宾夕法尼亚大学、 哥伦比亚大学、b b n 等公司和组织自1 9 9 7 年以来就一直在对主动网络进行研究， 国内如西安交通大学、东南大学等高校也在积极开展跟踪研究。到目前为止，已 涌现出了很多主动网络研究项目和相应的原型系统，按照这些研究项目的侧重点 不同，可以分为主动网络节点操作系统n o d eo s 的研究、执行环境e e 的研究以及 主动应用a a 的研究。 2 4 1n o d e0 s 的研究 对n o d e0 s 的研究比较著名的有美国u t a h 的j a n o s i “1o a v a - o r i e n t e da c t i v e n e t w o r k o p e r a t i n g s y s t e m ) 项目，g a t e c h 和m a r y l a n d 大学的b o w m a n 项目等。j a n o s 项目使用j a v a 语言实现了一套节点操作系统应用编程接口n o d eo sa p i ，使用这 些a p i 可以构建各个e e ，依赖j a v a 提供的内存保护机制实现各个e e 之间的隔离， 从而使多个a a 能够安全地执行。b o w m a n 项目开发了一个可扩展的主动网络n o d e o s 平台，实现了灵活高效的分组分类算法，支持快速路径优化，支持实时处理机 调度和多线程的处理。 主动网络技术在口组播中的应用研究 2 4 2 e e 的研究 对e e 的研究比较成功的有美国m r r 和华盛顿大学的a n t s t ”i 廿l 、宾夕法尼 亚大学的s w i t c h w a r e 项目、g a t e c h 和k e n t u c k y 大学的可组合主动网络元素 c a n e s ( c o m p o s a b l ea c t i v en e t w o r ke l e m e n t s ) 、西安交通大学的a n s o f l ”1 原型系 统和s o f t n e t 原型系统。 a n t s 是最早实现的主动网络原型系统之一，为主动网络的研究提供了较好的 实验平台。它基于j a v a 语言实现，提供了面向封装体c a p s u l e 的主动网络传输工 具集、协议编程模型、代码分发机制。s w i t c h w a t e 项目设计了一个主动网络分组 语言p l a n ，p l a n 是一种脚本语言，该语言提供了一套网络应用编程接口，支持基 本原语、顺序组合和新的交换单元s w i t c h l e t 的生成。利用语言的形式化、强类型 限制和认证机制保证了分组语言的安全执行。c a n e s 项目研究包括主动网络及其服 务体系结构、应用支持机制以及可组合主动网络元素执行环境3 个部分。a n s o f t 是西安交通大学实现的主动网络原型系统，该原型系统按照主动网络工作组提出 的主动网络体系结构草案实现，实现了主动节点各功能模块、代码分发机制、节 点资源管理策略以及通用的安全框架。s o f t n e t 是西安交通大学实现的另一个主动 网络原型，该系统考虑到主动网络的安全、主动节点之间的协同工作、多种网络 服务的可获得性，它以移动代理为基础。 2 4 3 a a 的研究 对a a 的研究是一个非常活跃的领域，有美国南加州大学的主动拥塞控制a c c 、 加州大学洛杉机分校u c l a 的适应性主动w e b 缓存的研究、m r r 的a r m ( a c i v e r e l i a b l em u l t i - c o m m u n i c a t i o n ) 方案以及西安交通大学的m 2 b a m 原型系统。 m 2 b a m 是一种主动网络管理体系结构，用于对主动网络进行管理。此外，国内许 多大学也在进行基于主动网络的应用研究，主要集中在对可靠组播、网络管理、 网络安全、拥塞控制等的研究上。 2 5 本章小结 本章主要介绍了主动网络的基本概念和主动网络的基本体系结构以及主动网 络协议和研究现状。 基于主动节点的可靠组播 旦 第三章基于主动节点的可靠组播 随着i n t c r n c t 上视频点播、流媒体等多媒体应用的增多、i p v 6 对组播功能的 增强，口组播以其有效节约带宽的特性在下一代互联网中有可能得到更广泛的应 用。但基于u d p 的口组播只提供尽力而为、无连接的传递服务，不能保证所有组 播数据均可