（计算机应用技术专业论文）主动网络技术研究及其在移动ip中的应用.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 由于受到标准化和兼容性因素的制约，i n t e m e t 中不断出现的各 种新型业务无法得到网络及时和有效的支持。如何加快i n t e m e t 中新 服务的创建和实施，特别是解决移动口网络中的服务创建问题，正 是本课题研究工作的目的。 主动网络的出现为解决传统网络中存在的问题提供了一个良好 的契机。主动网络作为一种新型的中间结点可编程的网络体系结构， 为网络新协议和新服务的开发及实施提供了很好的支持。然而从提出 主动网络概念到现在，关于主动网络的研究还处于初始阶段，如主动 网络体系结构和应用等问题还只有一些初步的研究。本文针对主动网 络的应用进行了深入的研究。本文首先全面地分析研究了主动网络技 术的基本思想，介绍了主动网络技术的研究现状，指出了目前研究中 存在的问题。在此基础上对主动网络技术在移动i p 方面的应用进行 了深入研究。 本文基于主动网络技术设计并实现了一种可编程移动i p 网络体 系结构，设计了可编程移动i p 网络的服务创建模型和网络中主动结 点的逻辑结构和软件结构。为了满足移动i p 的需要，对主动网络软 件包a n t s 的代码分发机制进行了修改，实现了一种适合于移动i p 的结点执行环境。本文提出的可编程移动i p 网络体系结构利用网络 中主动结点的计算能力抽象高层协议，省去了为新协议制定标准的过 程，新协议的创建和实施等价于协议代码的实现和分发。这样的网络 江苏大学硕士学位论文 结构可以加速移动i p 网络中新服务的创建和实施，对于服务提供商 和终端用户都具有重要的意义。 基于本文提出的可编程移动i p 网络体系结构，设计了一种主动 式移动i p 协议。详细描述了协议的工作机制，注册请求报文和注册 应答报文的格式，移动结点如何与通信对端进行通信。通过理论分析 和仿真实验，表明该协议具有切换延时小、信令报文少的优点，特别 适合于移动终端在微蜂窝环境中频繁切换。 关键词：主动网络，移动i p ，服务创建，可编程移动i p 网络，主动 式移动i p 协议 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ei n c r e a s eo fv a r i o u sn e ws e r v i c e sa n dt h ei m p r o v e m e n to f n e t w o r kt e c h n o l o g i e s ，t h et r a d i t i o n a lp a c k e t sn e t w o r ka r c h i t e c t u r ec a nn o t m e e tt h et r e m e n d o u sn e e d so fn e t w o r k u s e r s t i m e l ya n de f f e c t i v e e m p l o y m e n to fn e ws e r v i c e sa n da p p l i c a t i o n si ss e r i o u s l yl i m i t e db yt h e l a c ks u p p o r tw i t h i nn e t w o r k t h eo b j e c t i v eo fo u rr e s e a r c hi st oa c c e l e r a t e t h ec r e a t i o na n dd e p l o y m e n to fn e ws e r v i c e si ni n t e r n e t ，e s p e c i a l l yi n m o b i l ei pn e t w o r k s a c t i v en e t w o r ki so n eo ft h ea p p r o a c h e st oa d d r e s st h et e c h n i c a l b a r r i e r sw i t h i nt r a d i t i o n a ln e t w o r k s a san e wp r o g r a m m a b l en e t w o r k a r c h i t e c t u r e ，t h ea c t i v en e t w o r ks u p p o r t st h ec r e a t i o na n dd e p l o y m e n to f n e w p r o t o c o l sa n ds e r v i c e s h o w e v e r , t h er e s e a r c ho fa c t i v en e t w o r k si s j u s to nt h e i rw a yo fi n “i a lp h a s e ，m a n ya r e a so fa c t i v en e t w o r k ss u c ha s a r c h i t e c t u r ea n da p p l i c a t i o n sa r es t i l ln e e dt od oi n - d e p t hr e s e a r c h i nt h i s d i s s e r t a t i o n ，t h er e s e a r c he m p h a s i sl i e so nt h ea p p l i c a t i o n st h a tb e n e f i t f r o ma c t i v en e t w o r k s a tf i r s t ，w ei n v e s t i g a t et h ee s s e n t i a li d e a so fa c t i v e n e t w o r k ，p r e s e n tt h ec u r r e n tr e s e a r c hs t a t u so ft h er e l a t e df i e l d si nd e t a i l a n dt h e i ri m p e r f e c t n e s s t h e nw ed oi n - d e p t hr e s e a r c ho nt h ea p p l i c a t i o n o fa c t i v en e t w o r ki nm o b i l ei p w ed e s i g na n dr e a l i z ea na r c h i t e c t u r eo fp r o g r a m m a b l em o b i l ei p n e t w o r kb a s e do na c t i v en e t w o r k i n gt e c h n o l o g y , i n t r o d u c ei t s s e r v i c e 江苏大学硕士擘位论文 c r e a t i o nm o d e l ，d e s i g nt h el o g i c a la n ds o l , w a r es t r u c t u r eo fa c t i v en o d e w i t hp r o g r a m m a b l em o b i l ei pn e t w o r k t h ep r o p o s e da r c h i t e c t u r ei sa b l e t oa c c e l e r a t es e r v i c ec r e a t i o na n dd e p l o y m e n ti nm o b i l ei pn e t w o r k s ， w h i c hh a ss i g n i f i c a n tv a l u et ob o t hs e r v i c e p r o v i d e r sa n d u s e r s b a s e do nt h ep r o p o s e dp r o g r a m m a b l em o b i l ei pn e t w o r k ，a na c t i v e m o b i l ei pp r o t o c o li sp r o p o s e d w ed e s c r i b ei t sw o r k i n gm e c h a n i s ma n d d e f i n et h ef o r m a to fp a c k e t s t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n ds i m u l a t i o nr e s u k s s h o wt h a tb o t hh a n d o f fl a t e n c ya n ds i g n a l i n gp a c k e t sa r es i g n i f i c a n t l y r e d u c e d t h eb e n e f i to ft h i sf e a t u r ei sm u c hu s e f u li na p i c o c e l l e n v i r o n m e n tw h e r eh a n d o f f r a t ei sh i g h k e yw o r d s ：a c t i v e n e t w o r k ，m o b i l ei p , s e r v i c e c r e a t i o n ， p r o g r a m m a b l em o b i l ei pn e t w o r k ，a c t i v em o b i l ei p 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交沦文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容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 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密幽。 学位论文作者签名 茶响 导师签名 f 考佤 签字日期：年月同 签字同期：年月同 学位论文作者牛业后去向 1 _ 作单位： 通讯地址： 电话 邮编 独创性声明 p 1 0 1 g 0 7 6 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以外，本论文 不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的 研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人 完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 黍切 日期：年月 日 江苏大学硕士学位论文 第一章绪论 随着用户需求的日益增长以及各种网络基础技术的提高，传统的网络体系结 构已经无法满足人们的需要，不断出现的各种新型业务和应用由于受到标准化和 兼容性的制约而得不到网络及时有效的支持。我们迫切需要一种更加灵活的网络 体系结构来动态地支持各种不同的网络新业务。主动网络的提出为解决传统网络 中的问题提供了新的思路，它是计算机网络技术未来发展的重要趋势之一，已成 为网络研究中的一个热点。 1 1 背景 1 , 1 1 目前的嘲络技术 t c p m 协议族是美国国防部高级研究计划署( d e f e n s ea d v a n c e dr e s e a r c h v r o j e c t sa g e n c y ，d a r p a ) 在六十年代为分组交换网络提出的系列标准，经过几 十年的发展，这一协议族已经成为当今i n t e m e t 的标准。i n t e m e t 的成功发展和普 及证明了分组交换网络的有效性。 从基本功能上看，分组交换网络包括终端( e n dp o i m ) 以及连接终端的中间 结点( i n t e r m e d i a t e n o d e ) 。各种用户业务在终端上运行并通过中间结点进行相互 之间的通信。在分组交换网络中，终端与中间结点之间以数据包为单位进行数据 传输，每一数据包中均包含信息的目的地址并在网络中独立地进行路由选择，同 一通信进程中具有相同目的地址的不同数据包在网络中可能会经历不同的路径 到达目的地。分组交换网络提供“尽力而为”( b e s t - e f f o r t ) 式的传输服务 1 】，无 法保证所有数据包都能准确无误地到达目的地，有些数据包在网络传输过程中可 能发生丢失或差错。 传统网络是基于“端到端”的原n 2 1 ，即与应用相关的计算和控制工作由 位于网络边缘的终端完成，中间结点只完成一些具有共性的操作。也就是说网络 中间结点主要用于尽快地进行数据包转发，它仅仅依据数据包的网络层包头进行 处理，而对数据包中的数据本身不做任何操作。如图i 1 所示，从o s i 参考模型 来看，在传统的基于“端到端”原则的网络中，终端可以提供直到应用层的各种 处理，而中间结点只提供到网络层的处理。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 n e t 迅速发展普及 江苏大学硕士学位论文 的内在动力之一 端点偿端用户 中间结点路由器中问结点，路由器 囵一凰 i 数据流 图1 - 1 传统的分组交换网络模型 端点终端用户 应用层 表示层 会话层 传输层 网络层 数据链路层 物理层 1 1 2 网络技术的发展趋势 就目前而言，随着i n t e m e t 的不断发展，网上用户的大量增加，用户需求日 益增长以及多样化，各种网络基础设施的发展，各种基于w w w 的多媒体业务 量急剧增大以及新兴业务的出现，传统的网络体系结构已不能满足新形势下用户 的需求，其存在的问题主要包括以下几个方面： 1 ) 网络协议跟不上应用的发展。t c p i p 协议从设计到现在己经2 0 多年了， 协议的进化非常缓慢。为了得到协议的互操作性和用户的认可，i n t e m e t 协议需 要经过一个漫长的标准化过程。与此同时，端到端的应用却发展得特别快，传统 协议己经跟不上应用的发展。 2 ) 难以获取全面的网络状态和性能信息。目l j 网络变得越来越庞大，很多 信息是难以了解的，如：端到端的延迟、丢包率、吞吐量、网络的拓扑结构、 b g p 路由数据等。对于高性能信息网络，如果能很好地获取这些信息，对开展 多媒体服务、提供q o s 保证、加强拥塞控制等方面部会有很大的帮助。例如传 统网络的拥塞控制是建立在端到端的基础上的，网络中间结点的拥塞控制很少。 当出现丢包时，发送端不能了解包丢失的地点和时间，只有等待应答超时才能重 发，这种拥塞处理造成可靠传输协议的效率和性能都很低。 3 ) 部分协议在实现上有难度。在传统网络上，部分协议比较难以实现。例 如在传统网络上实现多播的方法虽然提出了很多，但都不尽人意，主要是因为得 不到网络中间结点的信息，丢包恢复过程很复杂，在工程实现上非常难。 2 江苏大学硕士学位论文 4 ) i n t e r n e t 已由原先的实验网络平台转变为目前的商业应用网络平台，因而 当初进行1 1 1 t e m e t 设计时没有充分考虑到的一些问题现在必须引起重视。如网络 安全在目前的商业应用中越来越重要，需要不断的更新和完善。现在互联网的安 全措施大多是通过上层协议或利用应用程序来提供的，这并不是一种理想的解决 方案。 5 ) 随着i n t e m e t 的日益普及和发展，网络中的应用业务类型发生了变化。在 建立初期，i n t e m e t 上的应用主要为文件传输、e m a i l 以及远端接入。而当前 i n t e m e t 越来越倾向于传输具备不同特征的多样性业务，许多新业务如流媒体要 求网络在提供基本的“尽力而为”服务之外，还能够提供更为丰富和多样的网络 服务支持。 综上所述，传统的网络是一个透明实体，它为所有用户提供单一类型和相同 质量的服务，然而未来的i n t e r n e t 趋向于为不同类型的数据流提供不同质量的服 务。近些年来，i e t f 提出了多种业务模型和机制，用以满足服务质量的要求。 其中主要包括：综合服务( i n t e g r a t e ds e r v i c e s ) 模型，区分服务模型( d i f f e r e n t i a t e d s e r v i c e s ) 模型，资源预留( r s v p ) 模型，多协议标记交换( m p l s ) ，流量工程 ( t r a f f i ce n g i n e e r i n g ) 和受限选路( 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 制在未来的i n t e m e t 中将会得到不同程度的应用，它们均要求网络结点具备符合 各自要求的计算处理能力。 随着技术的进一步发展，未来网络中新业务的类型很难预料，对于网络主流 应用模式的预测是极富挑战性的，例如人们起初并没有充分认识到e m a i l 和 w w w 会成为目前i n t e r n e t 上的主流应用。虽然可以肯定地说i n t e m e t 的应用必 将是丰富多彩的，但没有一个人能够具体描述未来若干年内到底会出现什么样的 新应用。因此，将需求各异的用户限制在所谓“最小公分母”业务范围内的设想 是不可行的，网络体系结构本身应该对新业务具有良好的适应能力，必须具备足 够的灵活性。当应用发生变化时对网络基础设施进行改造或者为特定应用提供特 定业务的思路都是不可取的。 总而言之，在网络体系结构中为创建各种新业务提供支持这一能力显得十分 重要。下一代i n t e r n e t 3 的研究就明确的提出，要使网络体系结构具备为创建各 种新业务提供支持的能力。在这种背景下，人们认为需要在传统i n t e m 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( a c t i v en e t w o r k ) 就是在这种环境下产生的，并首先得到d a r p a 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。在d a 刚 a 及一些 公司如i n t e l 和s u n 等的赞助下，m i t 、宾夕法尼亚大学、华盛顿大学、哥伦比 亚大学等高校和研究机构已经开展了主动网络的研究。国内的西安交通大学、清 3 - 江苏大学硕士擘住论文 华大学、东南大学、南京大学等高校也针对主动网络进行了深入研究。 由于主动网络的中间结点是可编程的，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，移动口网络中的服务创建问题就是其中之一。在 传统的移动i p 网络中，新服务协议的开发需要一个标准化的过程，这意味着各 利益集团之问长时阊的争论。新服务协议标准化之后，实施是一个更大的问题。 旧的设备需要逐步更新、升级，并且要考虑到向后兼容性。这些问题导致的后果 就是，一个服务协议从用户需求到最后市场化需要很长的时间。主动网络技术为 解决传统移动i p 网络中存在的问题提供了新的途径。如何将主动网络技术引入 到移动口中从而加快移动i p 网络中新服务的创建和实施，这正是本课题的研究 重点。 1 2 研究内容 从2 0 0 2 年8 月进入课题开始，作者在导师的悉心指导下，确定了课题研究 的主要内容。在一年多的时闻里，作者完成了以下工作： 1 ) 主动网络技术的分析与研究 研究分析了主动网络技术的基本思想，探讨了主动结点的结构和主动报文的 封装格式，并对主动网络技术在多方面的应用进行了探讨。 2 ) 传统移动i p 模型的分析 研究分析了基于传统移动i p 模型，归纳总结了它的基本原理、功能实体、 工作机制以及发展趋势和存在的问题。 3 1 主动网络技术在移动i p 中的应用研究 阐述了将主动网络技术运用到移动i p 中的优势，分析了国内外关于将主动 网络技术应用到移动i p 中的研究现状，并与本文提出的可编程移动i p 网络做了 比较分析。 4 ) 基于主动网络技术的可编程移动i p 网络体系结构的设计和实现 按照主动网络的思想，设计并实现了一种基于主动网络技术的可编程移动i p 网络体系结构。 5 ) 主动式移动i p 协议的设计和仿真 在可编程移动i p 网络的基础上，设计了一个主动式移动i p 协议。并进行了 理论分析和仿真实验。 - 4 - 江苏大学硕士擘住论文 1 3 创新点 本文的主要创新在于： 1 1 基于主动网络技术的可编程移动碑网络体系结构的设计和实现 设计并实现了一种基于主动网络技术的可编程移动i p 网络体系结构。提出 了可编程移动i p 网络的服务创建模型，分析并设计了可编程移动i p 网络中主动 结点的逻辑结构和软件结构。对主动网络软件包a n t s 进行了修改和扩展，实现 了一种适合于移动i p 的结点执行环境眦n t s 。由于充分利用了主动网络技术赋 予网络中间结点的计算能力，本文提出的可编程移动i p 网络体系结构提供了在 网络中构建新的移动i p 业务所需的各种机制，这为将来可能出现的新业务提供 了良好的支持，而不必象在传统移动i p 网络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。这样的服务创建方式对于服务提供商和终 端用户都具有重要的意义。 2 ) 主动式移动i p 协议的设计和仿真实现 基于薛面提出的可编程移动i p 网络体系结掏，设计了一种主动式移动i p 协 议。详细设计了协议的工作机制，注册请求报文和注册应答报文的格式，移动结 点如何与通信对端进行通信。利用主动结点的计算处理能力，我们设计了一种“惰 性注册”机制。通过理论分析和仿真实验，表明该协议具有切换延时小、信令报 文少的优点，特别适合于移动终端在微蜂窝环境中频繁切换。 本课题尝试将主动网络技术和移动i p 技术结合起来，对进一步研究主动网 络技术和移动i p 技术都具有一定的理论价值。在实际应用方面，本课题设计的 可编程移动i p 网络体系结构可以加速移动i p 网络中的服务创建，对移动i p 网 络中的服务提供商、终端用户都具有重大的意义。本课题设计的主动式移动i p 协议也具有很强的实用性。 1 4 论文的内容组织 本文的内容安排如下： 第一章，绪论。主要介绍课题的背景以及作者的主要工作和创新点。 第二章，主动网络技术研究。首先介绍主动网络技术的基本思想。随后对主 动网络的体系结构以及主动网络技术在网络拥塞控制、可靠多播等方面的应用进 行了分析探讨。接着阐述了目前主动网络的研究情况和进展，并指出了目前研究 中所存在的一些问题。 第三章，主动网络技术在移动i p 中的应用研究。首先介绍了传统的移动i p - 5 - 江苏大擘硕士学位论文 模型的基本原理、发展趋势以及面临的问题。接着研究探讨了将主动网络技术运 用到移动i p 中所带来的好处。最后阐述了目前国内外有关将主动网络技术运用 到移动i p 中的研究项目的现状和进展。 第四章。基于主动网络技术的可编程移动i p 网络体系结构的设计和实现。 为了解决移动i p 网络中的服务创建问题，提出并设计了一种基于主动网络技术 的可编程移动i p 网络体系结构，着重阐述了可编程移动i p 网络的服务创建模型 以及主动结点的逻辑结构和软件结构，并且描述了本文设计实现的一种适合于移 动i p 的结点执行环境m n t s 。最后对p m i p n 实现中的一些关键类作了说明，并 且给出了我们设计的主动结点原语表。 第五章，主动式移动i p 协议的设计和仿真实现。在可编程移动i p 网络的基 础上设计并仿真实现了主动式移动i p 协议。详细描述了协议的工作机制，注册 请求报文和注册应答报文的格式，移动结点如何与通信对端进行通信。并通过理 论分析和仿真试验检验了主动式移动i p 协议的性能。 第六章，本课题研究工作总结。归纳了本课题研究工作的成果和结论，阐述 了进一步研究的方向。 6 江苏大学硕士学位论文 第二章主动网络技术研究 本章首先介绍了主动网络的基本思想，在此基础上着重讨论了主动网络体系 结构，包括主动结点的结构和主动包的封装格式。主动网络的动念控制功能，可 以大幅度提高许多受当前网络条件限制的应用的性能，我们分析了几种典型的应 用范例。最后对主动网络技术的研究现状进行了分析并指出了当前研究中存在的 一些问题。 2 1 主动网络的基本思想 传统的网络概念基于”端到端”模型，即与应用相关的计算和控制工作是在发 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。随着i n t e r n e t 的 迅速发展，网络结构变得越来越复杂，这给i n t e r a c t 的进一步发展带来了困难。 新的技术和标准融入现有的网络过程中的麻烦，网络多层协议栈结构的冗余带来 的性能的降低，新服务项目实现时的困难，这些都迫切的需要建立一种新的网络 体系结构模型。一种基于组件的网络模型一主动网络( a c t i v en e t w o r k ) 应运而 生。 a c t i v e n e t w o r k 是在1 9 9 4 年由d a r p a 举办的关 “网络系统未来发展方向” 的讨论会上提出的 4 】。随后，在d a r p a 的资助下，美国的麻省理工学院、卡内 基梅隆大学和宾夕法尼亚大学等高校以及b e l l c o r e 等著名公司开展了对主动网 络技术的研究工作，目前主动网络技术已经引起国外学术界和工业界的广泛重 视。d a r p a 根据m b o n e ( m u l t i c a s tb o n e ) 的成功经验建立了a b o n e ( a c t i v e n e t w o r kb o n e ) 实验网，用于运行和检测主动网络技术的阶段性研究成果。 主动网络技术的基本思想是 5 】【6 】：网络中传输的分组不仅可以携带用户数 据，而且可以携带用户定制的程序代码，使得网络结点在处理分组时不仅识别头 部标识，而且可以通过运行分组携带的代码来决定结点的行为，从而将传统网络 中“存储一转发”的处理模式改变为“存储一计算一转发”的处理模式。 我们通常将主动网络中能够携带程序代码的报文称为主动包( a c t i v e p a c k e t s ) ，把能够执行主动包中所携带程序的网络结点称为主动结点( a c t i v e n o d e s ) 。主动网络可以看作是主动结点和主动包的集合。 由此可见，主动网络的“主动性”主要表现在两个方面： 1 ) 主动结点能够对流经其上的数据流进行计算处理，即当主动包到达主动 结点时，主动结点对其进行分析，根据需要执行相应代码。代码执行的结果可能 7 - 江苏大学硕士学位论文 是得到所需的数据，或者是改变主动结点的工作状态。 2 ) 主动包中能够携带用户定制的程序代码，利用这一方式，用户可以对网 络进行编程，在网络中灵活定制所需要的服务。 发送靖 ，。、 主动戍用 客户 用户、 网络 包发送 两络设蔷 蓖 图2 - 1 主动包的传输过程 图2 1 描述了主动包在主动网络中的传输过程：主动结点接收到主动包后执 行包中所含的代码，根据代码中的指令对该主动包进行处理。如；路由选择、数 据合并、数据解包等，然后将主动包转发给其它网络结点。 可见，主动网络不仅仅是终端系统间转发数据包的通道，更是一个可编程的 网络计算平台，它允许用户在网络内部定制自己的数据包处理方法；同样，主动 包也不是一个仅包含用户数据的数据单元，而是一个既包含用户数据又包含数据 处理程序的复合包。当主动包到达主动结点时，主动结点执行包中的程序，以实 现对用户数据的定制处理。 主动网络的研究动力主要来自于用户需求和技术推动【4 】。用户需求表现在 防火墙、w e b 代理、多播路由器、移动代理等“新颖”的应用层出不穷。这些应 用都需要在网络中的结点执行用户驱动的计算。比如防火墙就脱胎于路由器，但 是却要执行某些应用层特定的处理，突破了传统的网络体系结构分层原则。主动 网络的目标就是要向用户提供一个可以对网络进行编程处理的通用计算模型，而 不是象现在这样针对某个应用而设计一个对网络进行编程处理的特定计算方法。 技术推动来自于近几年来编程语言、编译技术、操作系统技术等方面的进展。这 些技术的进展推动了移动代码技术，使得安全有效地执行移动代码段成为可能。 通常，移动代码技术应用于单个系统并且位于网络层之上，例如w e b 服务器和 客户机之间交换j a v a a p p l e t 。主动网络技术将移动代码技术应用到网络中的交换 结点。从而获得了更大的灵活性。 我们给出被动网络和主动网络的定义，以便于比较和理解它们之间的异同。 8 江苏大学硕士学住论文 被动网络( p a s s i v en e t w o r k s ) 由各种终端和网络中间结点( 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功能，而网络 中间结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。 主动网络( a c t i v e n e t w o r k s ) 由主动结点和主动包构成。网络中间结点( 路 由器或交换视 提供直到应用层的计算处理能力。用户可以通过向网络中注入可 执行代码来动态地对网络编程。这些可执行代码由主动包携带，通过在网络中的 主动结点上运行来改变网络的状态和行为。 主动网络和移动代理( m o b i l ea g e n t ) 【7 】在思想上是相似的。实际上，许多 主动网络的结构都采用了移动代理中的技术。然而，主动网络的思想更具有普遍 性。移动代理可以被看作是一种特殊类型的主动包，而传统网络中兼容移动代理 的结点可以被看作是一种特殊的主动结点。两者之剃最根本的区别在于主动网络 提供了直到应用层的计算处理能力，而移动代理是作为一个应用程序运行的。 我们可以认为主动网络是由智能网络设备组成的、面向服务的网络结构。这 里的“智能”网络设备，并不是指设备的拟人化和自主性，而是指设备的可扩展 性和可更新性。面向服务的网络结构有别于以前的o s i 或i n t e m e t 面向数据传输 的结构，主动网络的结构是面向应用、面向服务的，将网络结构的重点由面向硬 件、软件协议转换为面向功能的实现。 2 2 主动网络体系结构 图2 - 2 主动网络体系结构 如图2 - 2 所示，主动结点和主动包是构成主动网络的两个主要功能性实体， 主动结点的结构以及主动包的构成是主动网络体系结构的基础。主动网络用携带 程序代码的主动包替代传统的i p 报文，用可编程的主动结点替代传统网络的被 9 江苏大学硕士学位论文 动结点，从而打破了传统网络中间结点( 路由器、交换机等) 的封闭性，使得中 间结点与终端结点一样具有可编程性，允许用户对网络中间结点编程。下边我们 从主动结点结构和主动包两个方面进行讨论。 2 2 1 主动结点结构 从功能的角度讲，主动结点可以划分为三个主要的层次 8 ，它们分别是结 点操作系统( n o d e o s ) 、执行环境( 旺) 和主动应用( 从) ，如图2 - 3 所示。 主动应用 执行环境 结点操作 系统 回困 图2 - 3 主动结点体系结构 主动应用( a c t i v ea p p l i c a t i o n ，从) 主动应用从是在特定执行环境e e 中运行的，实现某种特定用户业务的可执 行代码。用户应用的各种特定计算处理是a a 利用e e 所提供的网络应用编程接 口实现的。在主动网络中，从的概念是从用户定制网络服务的角度提出的。 执行环境( e x e c u t i o ne n v i r o n m e n t ，e e ) 执行环境e e 是主动结点中用于向上层a a 提供特定网络应用编程接口的功 能实体。每个结点中可有多个e e ，每个e e 提供了一个虚拟机( v i r t u a lm a c h i n e ， v m ) ，v m 由主动包中所包含的指令控制，负责对主动包进行解释、处理。e e 通过网络应用编程接口的形式为a a 提供对网络结点资源的访问控制。传统的网 络层功能( 如i p v 4 和i p v 6 ) 可以作为两种不同的执行环境被引入到主动网络体 系结构中。由于不同的e e 在网络结点中加载以及进行随后的功能扩展都需要较 多的处理工作，所以从整个网络结点性能的角度考虑，主动结点只需要提供几种 能够支持绝大多数的a a 请求的e e 就足够了。每一主动结点中都有一个管理e e ( m a n a g e m e n te e ，m e e ) 控制本结点的有关配置和策略，包括：管理结点安全 策略数据库( p o l i c yd b ) ；加载卸载e e 或更新配置已有的e e ；支持远端用户 对网络的管理等。 - l o 一 旦 江苏大学硕士学位论文 结点操作系统( n o d e0 p e r a t i n gs y s t e m ，n o d e 0 s ) 结点操作系统工作在底层的物理资源( 传输带宽、处理器和存储器) 和执行 环境之间。它的存在有两个方面的原因：第一，支持多e e 的存在；第二，提供 统一的底层功能。底层功能主要包括创建通道、提供公共服务( 如路由选择) 和 控制资源访问。 2 2 2 主动包封装格式 主动网络与传统网络的基本区别在于：用主动结点代替传统网络的中间结 点，用携带有可执行代码的主动包代替传统的数据包。因此主动包的格式与传统 i p 数据包的格式具有较大的区别，也具有不同的封装格式。目前主要有两种封 装格式：主动i p 选项( a c t i v ei po p t i o n ) 9 1 和主动网络封装协议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 ) 【1 0 。 2 2 2 1 主动i p 选项( a c t i v ei po p t i o n ) i p 数据包的选项域用于网络测试和排错。每个i p 选项由三部分组成：选项 码、长度和数据。主动i p 选项方法是在m 数据包的基础上，通过扩展m 数据 包的选项域来实现主动包，提供了一种在传统i p 报文中携带程序代码的机制。 ii p 头( 定长部分)i p 选项数据 a c t i v e 类型长度代码 图2 4 主动i p 选项 如图2 - 4 ，主动i p 选项的思想便是将程序代码分成若干段，并把每个代码 段嵌入数据包的i p 选项字段。主动选项的加入使得主动结点能够提取报文中所 携带的程序代码，从而增强了传统报文的主动能力。 2 2 2 2 主动网络封装协议( a n e p ) a n e p 是主动网络工作组定义的主动包的语法和语义草案。该报文的格式是 通用、可扩展的，适合于各种主动网络执行环境，如图2 5 所示。 v e r s i o n 域：代表了a n e p 的版本信息，当主动结点所使用的a n e p 版本与到 来的报文a n e p 版本不一致时，主动结点将丢弃该报文。 标识位( f l a g s ) ：规定了当主动结点无法识别到来报文的类型域( t y p ei d ) 时的缺省处理，目前标志位只使用了最高位，0 表示调用缺省路由转发该报文。 1 表示丢弃该报文。 类型域( t y p ei d ) ：长度为2 个字节，用于指出主动包的执行环境，用户利 1 1 江苏大学硕士学位论文 用t y p ei d 能够控制主动包到达某个特定的执行环境。当类型域所指示的执行环 境在主动结点中不存在，主动结点将根据标识位对报文进行相应处理。 v c m i o n f l a g sz 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 - 5a n e p 报文格式 a n e p 报头长度：定义了包头的长度，在无选项时其值为2 。 a n e p 报文长度：定义了包括负载在内的整个报文长度。 选项域( o p t i o n s ) ：定义了网络的源标识、目的标识、校验以及审计信息。 其格式如图2 - 6 所示。 if l g o p t i o nt y p e o p t i o nl e n g t h i 。p t i 。np a y i 。a d ( o p t i o nv a l ) 图2 - 6a n e p 选项域格式 f l g ：选项域标志位，2 比特( 比特o 或比特1 ) ，0 用于指示选项域类型( o p t i o n t y p e ) 在指定的类型标识符中是否有意思，如果该比特置位，主动结点不应该试 图去分析主动封装包的选项域。 o p t i o nt y p e ：选项域类型，1 4 比特长度，用于定义选项域的类型。选项域 类型的值决定了主动结点如何处理选项域负荷( o p t i o np a y l o a d ) 。目前已定义 了四个选项域： 源地址标识( s o u r c ei d e n t i f i e r )1 目的地址标识( d e s t i n a t i o ni d e n t i f i e r )2 完整性检查( i n t e g r i t yc h e c k s u m ) 3 非协商认证( n o n n e g o t i a t e da u t h e n t i c a t i o n ) 4 这个字段公用值的分配由主动网络号码指定机构集中控制。如果选项域标志 位( f l g ) 的比特0 置位，则第三方可以在这个字段使用他们自己定义的值。 o p t i o nl e n g t h ：选项域长度，1 6 比特长度，用于指示选项域的长度。 o p t i o np a y l o a & 选项域负荷。主动结点通过选项域类型的值来决定如何处 - 1 2 一 江苏大学硕士学位论文 理选项域负荷。 从a n e p 的格式，我们可以看到a n e p 具有如下功能： 1 ) 寻址。如果主动结点上已经安装了某个执行环境，输入包存在有效的a n e p 包头，而且报头的类型标识符与此执行环境对应，那么将该包送入与此执行环境 相连的通道。 。 2 ) 安全管理。a n e p 的选项域字段为安全管理留下了足够的空间。 3 ) 错误控制。当主动包无法到达指定的执行环境时，如何处理该主动包将 由a n e p 的头部信息决定。 2 , 3 主动网络的应用 主动网络的动态控制功能，可以大幅度提高许多受当前网络条件限制的应用 的性能，下边分析几种典型应用范例。 1 网络拥塞控制 传统的网络拥塞控制中，拥塞的检测和控制是在端到端的基础上由源端通过 各种隐含信号推测出来并进行控制的。这不但延缓了对网络拥塞的检测和控制， 而且还有可能造成更严重的网络拥塞。 主动拥塞控制a c c ( a c t i v ec o n g e s t i o nc o n t r 0 1 ) 1 1 使用主动网络技术 对传统的基于反馈的拥塞控制进行了增强，它可以缩短控制循环时间并改善网络 性能，使反馈式的拥塞控制成了分布式的过程。在a c c 中，除了端点外，路由器 也参与拥塞控制。路由器运行的拥塞控制主动代码可以检测拥塞的发生并修改分 组流以缓解拥塞现象。和传统的反馈拥塞控制不同，关于拥塞的响应是从拥塞点 发出并传递给端结点的，这样可以加快反应速度并缩短拥塞时间。 图2 7 主动拥塞控制实例 下边以一个简单的例子来说明主动网络技术在网络拥塞控制中的应用。如图 2 - 7 所示，圆圈代表端结点，方块代表路由器，虚线代表分组。对于传统网络， 1 3 江苏大学硕士学位论文 当左边的两个端点以很高的速率向右边的端点发送分组时，会在图下方中间的路 由器r 处造成拥塞( 如图中黑粗线所示) 。当两个发送端点检测到拥塞时，它们 会降低自己的发送速率。而拥塞路由器仍然会经受一段时间的拥塞，直到速率调 整后的分组到达。而当图中路由器r 处实现了a c c 功能后，当检测到拥塞发生时， 路由器r 将要求它的两个上游路由器设置过滤器，过滤从端结点发送过来的分 组，过滤的结果就好象端结点已经检测到拥塞一样。与此同时，路由器r 把拥塞 情况直接汇报给端结点，这样可以加快端结点的检测时间，当端结点做出反应后， 过滤器被撤消。 文献【1 1 】中的实验表明，a c c 可以明显改善网络中端结点的吞吐率，和通常 的t c p 实现相比，可以提高2 0 。而对于采用主动队列管理策略( 如r e d ) 的 网络，a c c 同样可以改善网络的性能。 由此可见，主动网络可以从以下几个方面解决网络拥塞问题： 1 1 主动结点能够监控可用带宽，控制数据流的传输率，必要时在主动结点 缓存报文以解决拥塞问题。 2 1 对于不同数据流的不同拥塞要求，主动结点能适应这种动态改变的要求。 3 ) 可以根据应用的要求，在网络的适当位置利用主动结点的计算功能做必 要的数据改变如压缩等，以提高性能。 2 可靠多播 图2 - 8 主动多播结构 在t c p i p 协议中，i p 层不保证数据的可靠性，这使多播通信遇到了很多问 题，如反馈风暴等。在主动网络中，主动结点能及时处理流经它的反馈包，保存 发送者的信息，当同样的包经过时，结点将直接丢弃它，从而减少反馈风暴的发 生；每个网络结点可以与邻近结点建立联系，当一个网络结点收到的数据有问题 时，它可以从邻近结点获取正确数据，而不用要求发送端重传，减少了延迟；此 外可以在主动包中包含处理可靠性的程序，发送者、接收者和主动结点通过执行 1 4 江苏大擘硕士学位论文 这些程序，实现可靠处理工作 1 2 。一种典型的多播结构如图2 - 8 所示。 结点a 作为多播树的根，将数据以多播的形式传送给其它结点。如果结点f 和g 未收到数据，则向父结点c 发出n a c k ( 否认) 分组。在传统网络中，它们 发出的所