（计算机应用技术专业论文）面向业务的虚拟网缓存分配策略.pdf

必 d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oh a n g z h o ud i a n z iu n i v e r s i t y f o rt h ed e g r e eo fm a s t e r a p o l i c yo fb u f f e ra l l o c a t i o ni n b u s i n es s o r i e n t e dv i r t u a ln e t w o r k c a n d id a t e ：y a nx u q i s u p e r v i s o r ：v i c ep r o f j i a n gm i n g d e c e m b e r ，2 0 10 杭州电子科技大学 学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 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外，本论文不含任何其他个人 或集体已经发表或撰写过的作品或成果。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。 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。 敝作者签名：号锻呼 日期 ”7 刖日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电子科技大学关于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杭州电子科技大学。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杭州电子科技大学。 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。( 保密论文 在解密后遵守此规定) 论文作者签名：弓绝刁弋 指导教师签名： 日期：幻f 年，月万日 日期：州年，月铂 杭州电子科技大学硕士学位论文 摘要 随着社会的发展，目前的互联网所暴露出来的弊端已日益加剧，诸如i p 地址 不足、安全性弱、兼容性差等，上述缺陷已经影响到用户对网络业务的使用。因 此，国外内针对目前互联网的缺陷，大力发展下一代网络删e x tg e n e r a t i o n n e t w o r k ，n g n ) ，而下一代网络的核心内容即为网络虚拟化，网络虚拟化技术能 有效地克服目前网络僵化问题。 网络虚拟化最主要的特点是物理基础设施提供商( i n f i a s t r u c t u r ep r o v i d e r , l i l p ) 与服务提供商( s e r v i c e sp r o v i d e r , s p ) 在逻辑上实现了分离，i n p 只负责物理基础设 施的建设、管理及维护，并将物理基础设施租赁或出售给上层用户；s p 往往作 为i n p 的上层用户按照其本身的业务需求向基础设施提供商购买或租赁物理资 源，并在物理资源上通过构建虚拟网络的方式为用户提供各类端到端的通信服 务。 由于网络虚拟化的研究刚处于起步阶段，国内外对于网络虚拟化的研究依然 处在探索时期，因此对于虚拟网络缓存分配策略的研究是一项具有开创性的工 作。基于虚拟网的缓存分配策略旨在建立一个缓存与各种网络性能指标关系的二 维模型，利用该模型推导出的缓存大小能使虚拟网在成本和性能之间达到一个较 好的平衡。与当前互联网中的缓存分配机制不同，面向业务的虚拟网只有单种流 或少数几种流，以往的缓存分配机制并未考虑过对而向业务的虚拟网络的适应 性，因此，针对面向业务的虚拟网缓存分配策略的研究已是迫在眉睫。 本文在基于面向业务的虚拟网基础之上研究了缓存的分配策略，针对面向业 务的虚拟网中只存在单种流或少数流的背景，通过观察t f r c 流的链路利用率和 延时来建立缓存与链路利用率、延时之间的数学模型。利用该模型，可以精确地 定义缓存的大小以便使网络达到较高的性能。选用t f r c 流的原凶在于该流为 l o n g - l i v e 流，能较好地体现业务特性。此外，在当前互联网中针对t c p 流的缓存 分配策略已比较成熟，而t f r c 则是针对t c p 协议中窗口机制的缺陷而设计的一 种新的类似于t c p 协议的新协议，其特点是利用特定的公式来调节发送速率，避 免出现剧烈抖动的现象。日前针对t f r c 协议的缓存分配策略研究还为数不多。 本文除了对t f r c 流进行仿真外，同时也在现有的缓存分配策略背景下对t c p 流 进行仿真，并将其与t f r c 流进行对比，更好地说明了现有的缓存分配策略4 i 适 宜于t f r c 协议。 本文所做的实验选用高性能p c 机作为硬件平台，n s 2 作为软件实验平台， 杭州电子科技大学硕士学位论文 利用n s 2 来模拟虚拟网络的场景。实验场景由若干台主机和两个路由器组成，呈 哑铃状拓扑结构。首先，在现有的缓存分配策略下对t f r c 协议进行大量实验， 得出现有的缓存分配策略不适宜于t f r c 协议，之后利用实验数据给出t f r c 所需 缓存大小的定性结论，最后通过数学建模的方式建立缓存与各个性能指标之间的 数学模型，并在该模型的基础上再次进行实验验证。 关键词：网络虚拟化，缓存分配，t f r c ，延时，链路利用率 杭州电子科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t w 证hd e v e l o p m e n to fs o c i e t y , t h ed e f e c to fc u r r e n ti n t e r n e tb e c o m e si t i o r ea n d i r l o r es e r i o u s ，s u c ha st h el a c ko fi pa d d r e s s ，w e a ks e c u r i t ya n dp o o rc o m p a t i b i l i t y , a b o v ew e a k n e s s e sh a v ea l r e a d ya f f e c t e dt h eu s eo fn e t w o r kb u s i n e s s t oa d d r e s st h e a b o v e ，c o u n t r i e si nt h ew o r l da r ed e v e l o p i n gn e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k ( n g n ) i no r d e r t oo v e r c o m et h er i g i dp r o b l e mo fc u r r e n ti n t e r n e t , a n dt h ec o r eo fn g ni st h e t e c h n ol og yo fn e t w o r kv i r t u al i z a t i o n t h ei i l a i nf e a t u r eo fv i r t u a ln e t w o r ki st h ei s o l a t i o nb e t w e e ni n f r a s t r u c t u r e p r o v i d e ra n ds e r v i c e sp r o v i d e ri nt h el o g i c ，i n f r a s t r u c t u r ep r o v i d e ri so n l yr e s p o n s i b l e f o rc o n s t r u c t i o n , m a n a g e n e n ta n dn ：】a i n t e n a n c eo fi n f r a s t r u c t u r ea n dl e a s eo rs e l l t h e s ei n f r a s t r u c t u r et ot h eu p p e ru s e r a st h eu p p e ru s e ro fi n p , s e r v i c e sp r o v i d e ri s r e s p o n s i b l ef o ro f f e r i n ge n dt oe n dc o m m u n i c a t i o ns e r v i c e sf o rt h eu s e rb yb u i l d i n g t h ev i r t u a ln e t w o r kw i t h p h y s i c a l r e s o u r c e sw h i c hb o u g h to rb o r r o w e df r o m i n f r a s t r u c t u r ep r o v i d e r s t u d yo fb u f f e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yb a s e do nv i r t u a ln e t w o r ki sac r e a t i v ew o r k s i n c er e s e a r c ho fn e t w o r kv i r t u a l i z a t i o ni sa ti n i t i a ls t a g e ，t h er e s e a r c ho fn e t w o r k v i r t u a l i z a t i o na r es t i l li nt h ee x p l o r a t i v ep e r i o da th o m ea n da b r o a d t h ep o l i c yo f b u f f e ra l l o c a t i o na i mt oc o n s t r u c tam o d e lw h i c hr e l a t e st ob u f f e ra n dv a r i o u sn e t w o r k p e r f o r m a n c e s ，t h e n , w ec a nd e r i v et h eb u f f e rc a p a c i t yw h i c hm a k e st h en e t w o r k a c h i e v eb a l a n c eb e t w e e nc o s ta n dp e r f o r m a n c ew i t ht h em o d e l d i f f e r e n tf r o m m e c h a n i s mo fb u f f e ra l l o c a t i o no fo u rc u r r e n ti n t e r n e t , t h e r ei s o n l yo n eo rf e w k i n d o ff l o wi nt h eb u s i n e s s o r i e n t e dv i r t u a ln e t w o r ks ot h a tt h ei t l e c h a n i s mo fb u f f e r a l l o c a t i o nu s e di nc u r r e mi n t e r n e ti su n s u i t a bl ef o rv i r t u a ln e t w o r k t h e r e b y , i ti sv e r y u r g e n tf o ru st or e s e a r c ht h eb u r ra l l o c a t i o ns t r a t e g yw h i c hi sf i tf o rv i r t u a ln e t w o r k t h i so b j e c ts t u d i e st h eb u f f e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yb a s e do nb u s i n e s s - o r i e n t e d v i r t u a ln e t w o r k ，a n db u i l d sm o d e lb e t w e e nb u f f e ra n dp a c k e tl o s sr a t e ，l i n ku t i l i z a t i o n a n dd e l a yb yo b s e r v i n gt f r cf l o w s u s i n gt h em o d e lw ec a np r e c i s e l yd e f i n et h e s i z eo fb u f f e ri no r d e rt oa c h i e v eh i g hp e r f o r m a n c en e t w o r k w es e l e c tt f r cf l o w s b e c a u s et h e ya r el o n g - l i v ef l o w sa n dt h e yc a ns h o wb u s i n e s sc h a r a c t e r i s t i cb e t t e r i n a d d i t i o n , t c pf l o wi sr e p r e s e n t a t i v eb e c a u s et h eb u f f e ra l l o c a t i o ns t r a t e g i e sf o rt c p a r ev e r ym a t u r ei nt h ec u r r e n ti n t e r n e tw h i l et f r ci sak i n do ft c p 1 i k ep r o t o c o l 1 1 1 杭州电子科技大学硕士学位论文 w h i c hm a k e su pt h ed e f e c to f w i n d o wm e c h a n i s mo ft c p p r o t o c o l , a n di tc a na d j u s t s e n dr a t ew i t ht h es p e ci f i cf o r m u l ai no r d e rt oa v oi ds e v e r eji t t e r h o w e v e r , t h e r ea r e f e wp e o p l ed e d i c a t et ot h eb u f f e ra l l o c a t i o ns t r a t e g yo ft f r cn o w a d d i t i o nt ot h e s i m u l a t i o no ft f r c ，t h i sp a p e ra l s os i m u l a t ef o rt c pb a s e do ne x i s t i n gp o l i c i e so f b u f f e ra l l o c a t i o na n dc o m p a r ew i t ht f r c ，i ti ss h o wt h a te x i s t i n gp o l i c i e si sn o t s u i t a b l ef o rt f r cp r o t o c 0 1 t h ee x p e r i m e n t si nt h i s p a p e rs e l e c tp ca sh a r d w a r ep l a t f o r ma n dn s 2a s e x p e r i m e n t a lp l a t f o r m , t h ee x p e r i m e n t sw i l ls i m u l a t es c e n eo fv i r t u a ln e t w o r k t h e e x p e r i m e n t a ls c e n ei sr m d eu po f t w o r o u t e r sa n ds o i i h o s t st h a tc o n n e c tw i t he a c h o t h e ra n ds h o wd u m b b e l l - s h a p e dt o p o l o g y f i r s to f a l l ，w ed ol o t so f e x p e r i m e n t sf o r 1 1 f t cu n d e rt h ee x i s t i n gp o l i c i e so f b u f f e ra l l o c a t i o na n dc o n c l u d et h a tt h e s ep o l i c i e s a r en o ts u i t a b l ef o rt f r c s e c o n d l y ，w ew i l lg i v et h eq u a l i t a t i v ec o n c l u s i o nw i t h e x p e r i m e n t a l d a t a a t l a s t ，b u i l d i n g t h em o d e lb e t w e e nb u f f e ra n dv a r i o u s p e r f o r m a n c ei n d i c a t o r s ，t h e nv e r i f yd a t ab a s e do nt h em o d e la g a i n k e y w o r d s ：n e t w o r kv i r t u a l i z a t i o n , b u f f e ra l l o c a t i o n , t f r c ，d e l a y , l i n ku t i l i z a t i o n i v 杭州电子科技大学硕士学位论文 目录 摘要l a b s t r a c t i l l 第一章绪论1 1 1 当前互联网的发展现状1 1 2 下一代网络的发展现状3 1 2 1 下一代网络体系架构研究4 1 2 2 下一代网络面临的问题6 1 3 论文研究的主要内容7 1 4 论文的组织7 第二章网络虚拟化技术简介9 2 1 网络虚拟化技术的目标9 2 2 网络虚拟化技术的分类j 9 2 2 1 传统互联网的虚拟化技术9 2 2 2 下一代网络的虚拟化技术1 2 2 3 小结1 3 第三章缓存分配算法简介1 4 3 1 路由交换设备与缓存概述1 4 3 1 1 路由交换设备1 4 3 1 2 缓存概述1 5 3 2 缓存分配算法综述15 3 3 经验法则1 6 3 4 小缓存法则1 7 3 5 基于丢包率的法则j 1 9 3 6 极小缓存法则1 9 3 7 小结2 0 v 杭州电子科技大学硕士学位论文 第四章t f r c 协议分析和n s 2 介绍2 l 4 1t f r c 拥塞控制机制一2 1 4 2t f r c 发送接收流程2 2 4 2 1t f r c 发送流程2 2 4 2 2t f r c 接收流程2 3 4 3t f l 地运行阶段2 3 4 4n s 2 介绍2 4 4 5t f r c 在n s 2 中的实现一2 6 4 6 小结2 6 第五章基于t f r c 的缓存分配策略2 8 5 1 问题提出的背景2 8 5 2 基于t f r c 的实验设计与实现2 8 5 2 1 实验场景2 8 5 2 2 经验法则下t f r c 协议的性能2 9 5 2 3 小缓存法则下t f r c 协议的性能3 l 5 2 4 极小缓存法则下t f r c 协议的性能3 3 5 3 适宜于t f r c 的缓存分配策略3 5 5 4 缓存分配策略的分析与论证3 7 5 4 1 单流背景下适用性论证3 8 5 4 2 多流背景下适用性论证3 9 5 5 小结一4 2 第六章总结与展望4 3 6 1 总结4 3 6 2 下一步的工作4 3 致谢4 5 参考文献4 6 附录4 9 v i l 杭州电子科技大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 当前互联网的发展现状 互联网源于上个世纪6 0 年代美国国防部的a r p a n e t 1 , 2 】计划，它是美苏冷 战的产物，美国旨在利用a r p a n e t 实现分散在各地的计算机进行互联通信，最 初的a r p a n e t 只有4 个节点，它也是世界上首个分组交换网络。上个世纪9 0 年代初期，a r p a n e t 开始的商业化，成为互联网快速发展的强大推动力。 目前，互联网已渗透到人们日常生活中的方方面面，从经济、政治、文化等 各方面而言，互联网都占据着不可替代的位置。经济上，越来越多的企业为自己 设计了门户网站、网上交易平台，这些都极大地推动了电子商务的发展。通过电 子商务基础设施与支付平台，人们实现了便捷的网上购物、费用交纳等一系列日 常活动，从而有效地促进了经济发展、便利了人们的生活；政治上，互联网已经 成为人民群众参政议政、发表看法的交流平台，互联网极大地推动了网络监督与 民主交流；文化上，互联网的诞生增强了人们对传统文化的认识，同时也促进了 新兴文化的发展，从古代的烽火狼烟直到今日的电子邮件与即时通讯，互联网拉 近了人与人之间的距离，增进了人与人之间的相互了解，加快了信息传递的速度， 促进了社会的和谐。 根据2 0 0 9 年的中国互联网络状况统计报告显示，目前我国的网民数量增至 3 3 8 亿，已位居全球第一。 随着互联网规模的指数增长，其体系结构也由a r p a n e t 基于集中控制模 型的网络体系结构演变为由i s p 运营的分散的基于自治系统( a u t o n o r m u s s y s t e r ma s ) 模型的体系结构，其规模和应用已经远远超出了互联网先驱们最初 的设计目标。急速增长的网络规模和大量的业务应用导致了互联网面临着体系结 构混乱、口v 4 地址匮乏、缺乏q o s 保障以及安全性、可控、可管理等制约其发 展的关键问题。例如，当有新的协议加入到当前的互联网中，很可能会改变现有 的协议或网络体系结构，导致整个网络的兼容性和安全性无法得到保障。 针对i p v 4 3 】地址匮乏、安全性等问题，国内外的专家学者提出了诸如口v 6 【4 1 、 安全路由技术【5 】等一系列解决方案试图弥补现有互联网的缺陷，然而上述方案至 今还未得到大规模的部署应用，究其原因，是因为在当前的网络体系架构下，应 用上述新技术需要对网络系统进行升级和改造，而互联网庞大的规模导致这种改 造成本过高。另一方面，互联网由不同的互联网服务提供商( i n t e r n e ts e r v i c e 杭州电子科技大学硕士学位论文 p r o v i d e r , i s p ) 来建设、运营和管理，仅仅一个i s p 部署应用上述新技术只能获得 很少的收益，除非其他i s p 一致同意这样做，而要达成这种一致性是菲常困难的。 另外，由于各类用户的网络需求不同，因而从面向业务的角度来看，当前互 联网的特点是多种流混合传输，例如观看视频节目需要r t s p 流，视频聊天需要 通过u d p 流，而文件上传则需要f t p 流等，并且这些流均在同一物理基础设施 或同一逻辑网中传输。由于上述各种流所针对的业务不同，其网络特性也必然相 去甚远。举例而言，承载f t p 流的传输层协议为t c p 协议，而承载s n m p 流的 传输层协议为u d p 协议，当f t p 流发生错误时，必然会通过s n m p 向发送端提 供错误消息，因此t c p 流和u d p 流会同时存在于一个网络中，而t c p 是面向 连接的，u d p 则是无连接的，两者之间的网络特性大相径庭。多种流混合对某 一特定的业务会产生一定的影响，然而，现有互联网很难满足根据不同的业务而 定制网络的需求。 总而言之，互联网在日常生活中带给了人们极大的便利性，使得获取信息的 渠道变得多样化。但是，目前的互联网规模和业务应用已经使现有的网络体系结 构不堪重负，因此，升级当前的互联网体系结构已经是刻不容缓。 2 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 2 下一代网络的发展现状 为了弥补现有互联网的缺陷，世界各国正大力开展下一代网络的研究开发工 作。 由美国科学基金会( n s f ) 提出的全球网络研究环境( g e n i ，g l o b a l e n v i r o n m e mf o rn e 铆o r ki n v e s t i g a t i o n s ) 行动计划【6 ，7 8 】即为全球性的虚拟实验研究 平台，该平台用于研究大规模的未来互联网，为全球网络的演进与传输提供了大 量的机会。g e n i 的主要研究内容包含如下几个方面： 1 核心技术研究。研发全新的路由交换技术、网络管理技术等核心技术以 便适应于未来互联网及提高网络性能； 2 网络性能研究。在提高网络带宽和网络传输速度的同时，关注网络的q o s 和安伞性等诸多方面； 3 体系架构研究。摒弃现有互联网不完善的体系架构，重新对体系架构进 行研究，设计出一个适应于未来网络的体系架构： 4 应用服务研究。构建新的应用与服务以满足社会不断发展的需要。 g e n i 的体系架构包括三层，分别是物理层、用户管理核心( g m c ) 和用户服 务层。 1 物理层：用于连接单独的组件组成虚拟网络； 2 g m c ：在物理层之上，通过抽象、接口及命名空间与物理层相连，为用 户服务层提供服务； 3 用户服务层：允许用户为所拥有的底层基础设置分配资源与设定网络策 略。 g e n i 目的就是探索新的互联网架构以促进其快速发展，它将大大促进网络 和分布式体系结构的发展。 a k a r i 9 , 1 0 1 1 】是日本国家信息通信研究院m i ct ) 所提出的下一代网络计划， 主要研究下一代网络的架构和关键技术，设计新的下一代网络的架构，包括整理 新的下一代网络所需的技术，对新的下一代网络全新设计概念上集成和简化， 并在日本全境构筑实验平台。 a k a r i 的设计目标主要有： 1 为新一代网络设计各种网络技术； 2 设计网络体系架构并在其基础上建立各类网络； 3 网络体系架构的设计脱离现有互联网的体系架构。 a k a r i 中体系架构设计是整个计划的核心与灵魂，该设计需要遵循的原则 有k i s s ( k e e p i ts i m p l ea n ds t u p i d ) 、可持续发展、演进、真实连接。 3 杭州电子科技大学硕士学位论文 k i s s 原则保证了网络体系架构设计的简洁性，增强了互联网的多样性和可 扩展性，降低了设计的复杂性；真实连接能保证连接的双向认证和可溯源机制； 可持续与演化原则能有效应对未来不可预知的需求。 此外，欧盟也推出了下一代网络计划，b p f i r e 1 2 j 3 ( f u t u r ei n t e r n e tr e s e a r c h a n de x p e r i m e n t a t i o n ) ，f i r e 是i t c 巾欧盟第七框架中的一个项目，旨在处理新兴 的互联网试验及其他创新，f i r e 建立了一个长期的互联网架构研究环境，为科 学家进行大规模的试验提供了机会。 我国8 6 3 计划“新一代高可信网络则是针对中国国情推出的下一代网络计 划，该计划旨在重点攻克“三网融合的网络体制、节点设备、融合业务等关键 技术，构建一个柔性可重构的、实现“三网融合”的、跨区域的国家试验示范 网络，引领和支撑电信网络、广电网络和互联网络向新一代高可信互联网方向演 进，成为国际网络技术主流发展方向之一。 我国“新一代高可信网络 所要达成的目标有： 1 设计具有高可扩展性的、可兼容现有网络功能的、可承载现有网络全部 服务的、具有原创性的新一代高可信网络的体系结构，并形成相应的技术体制和 系列技术标准规范；解决边缘网可信体系架构下的一体化大规模汇聚和接入问题， 开创城域网范畴“三网融合 的技术模式并成为相应的国家标准； 2 研究以可信性为基础的新兴业务体系，开发相应的支撑环境，开展规模 化示范应用； 3 开发建设国家级下一代网络与业务试验床，为研究新型网络体制、试验 新的网络技术、验证新的网络装备、示范新兴业务等提供创新试验环境，大幅度 提升我国新兴网络技术研究和工程化水平； 4 研发可重构体制的路由交换系统和新型接入、传送等网络成套设备，开 拓战略性产业新领域，引领我国网络产业的跨越式发展。 1 2 1 下一代网络体系架构研究 由于目前的互联网在体系结构上已不能满足日益发展的社会需求，因此，下 一代网络需要从根本上解决体系结构的问题【l 4 1 。 2 0 0 4 年1 1 月t h o i l l sa n d e r s o n 和l a r r yp e t e r s o n 等在h o t n e t s 这一影响未来 网络研究方向的国际权威学术会议上提出了采用网络虚拟化的思想来克服当前 互联网技术创新上面临的僵局。 具体来说，未来的互联网应该支持网络基础设施提供和服务提供两大功能实 体在逻辑上相分离，改变当前i s p 同时扮演提供这两大功能的角色的状况，正是 这两种交织在一起的角色阻碍了新协议和体系结构的部署。基础设施提供商 4 杭州电子科技人学硕士学位论文 ( i n f r a s t r u c t u r ep r o v i d e r , i n v ) 负责建设和管理物理网络基础设施；服务提供商 ( s e r v i c e sp r o v i d e r , s p ) 根据业务需求通过构建虚拟网并部署相关网络协议的方式 提供端到端的通信服务。物理网络为虚拟网提供b i t 传输通道，虚拟网为用户提 供特定价值的服务，从而能同时支持多个不同s p 的异质的网络体系结构共存， 共享由不同基础设施提供商管理的底层物理网络资源。 这种逻辑上的分离使得二者可以独立的演进，可以在支持现有服务的同时灵 活地部署未来的互联网服务，使得网络的创新和改变更加灵活。下面列举几个下 一代网络的体系架构： 图1 2a k a r i 体系架构 a k a r i 将网络体系架构分为四层，如图1 2 所示。底层是物理网络，如移 动网、a dh o e 网等；底层物理网络之上是i p 网络或新的三层承载网，实现报文 的路由转发；其上是o v e r l a y 网络，它是依据网络业务对网络功能及传输性能的 不同要求，在传统i p 网络或者下一代网络基础之上构建的覆盖网络，为不同功 能、不同需求的j i k 务构建不唰的覆盖网，实现网络业务的正常运作；最项层是网 络的应用层。 图1 3 为欧盟第七框架( f p 7 ) q b 虚拟网的体系架构，可以看到，最底层是基 础设施提供商0 r i p ) ，在其之上是虚拟网络提供商，最上层则是网络运营商，该体 系架构遵循l n p 与s p 相分离的原则。 图1 - 4 描绘的是g e n i 的体系架构，关于g e n i 的架构上文已有叙述，此处 不再赘述。 杭州电子科技人学硕士学位论文 图1 3 第七框架虚拟网体系架构 1 2 2 下一代网络面临的问题 图1 4g e n i 的体系架构 下一代网络目前正处于研究阶段，依然面临着诸多问题，这些问题大致可以 分为如下几类： 6 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 安全与审计。由于l n p 和s p 的相互分离，导致了l n p 和s p 不再相互信 任，从而在安全方面引入了新的隐患。一方面需要防止i n p 信息的泄漏以避免遭 受s p 的攻击，另一方面s p 也需要能够监视i n p 的行为，且确保自己的运行程 序不被篡改。这类问题必须要有一个高效的解决方案，以最小化对网络的性能的 影响。 。 2 网络资源分配。如何根据s p 要求，选择最佳资源分配以实现i n p 资源的 最大化利用或是i n p 的利润最大化，这是一个n p 1 l a r d 问题。 3 可靠性。网络在运作过程中，可能会出现各种软硬件方面的故障，i n p 必须能够提供迁徙等故障恢复机制来保证各s p 的服务不受影响。 4 兼容性。如何设计新模块使其成为现存模块闭环中的协同组件，从而能 够通过与现有系统更好的交互来发展这个模块，也是一个值得深入调研的问题。 上述这些问题贯穿在整个下一代网络的研究中，依然需要研究者深入地展开 研究以便提出切实有效的解决方案。 1 3 论文研究的主要内容 随着社会的发展、国家“新一代高可信网络”计划的推出，新一代互联网取 代目前互联网的趋势已经非常明显，而新一代网络中的体系结构则以网络虚拟化 为核心。本文在新一代网络的背景下研究虚拟网络中的缓存分配策略。 与当前的互联网不同，在面向业务的虚拟网络中只存在着单种流或少数几种 流，这些网络特性的不同导致现有互联网中的各种缓存分配法则并不适用于面向 业务的虚拟网，而缓存的大小则与网络丢包率、吞吐量、延时等各项性能指标有 着密不可分的联系，本文就针对上述的情景展开研究。 首先，文章利用单种t f r c 流模拟业务特性，并使用传统互联网中的缓存分 配法则对t f r c 流进行模拟实验并得出数据。针对丢包率、吞吐量和延时等综合 性能指标，本文通过实验说明经验法则、小缓存法则和极小缓存法则均不适宜于 面向业务的虚拟网，从而提出一个适应于t f r c 流虚拟网的模型，并通过理论及 实验的方法证明了该模型。 1 4 论文的组织 本文通过研究在t f r c 流背景下的缓存大小与丢包率、吞吐量和延时的关系， 提出一种新型的缓存分配策略。该策略充分地考虑了面向业务虚拟网的特性，提 高了网络的性能。本文首先对t f r c 流进行模拟实验，得出网络性能指标，之后 对缓存策略进行建模，最后用该策略对缓存大小与网络性能关系进行验证。 7 杭州电子科技大学硕士学位论文 全文共分六章，主要内容和组织结构如下： 第一章：绪论。本章主要介绍了课题的研究背景、意义和论文的重点等，主 要阐述了现有互联网发展状况及缺点、下一代互联网的发展、体系架构及面临的 挑战等。并详细介绍了各章节的内容安排。 第二章：网络虚拟化技术简介。本章首先介绍了虚拟网技术的目标、虚拟网 的分类和虚拟网的资源分配。其中虚拟网的分类又详细介绍了传统网络的虚拟化 技术和下一代网络的虚拟化技术。 第三章：缓存分配算法简介。本章主要介绍了当前互联网中各类缓存分配算 法，给出了各类缓存分配算法所遵循的原则、适用环境及优缺点。 第四章：t f r c 协议分析及n s 2 介绍。本章主要介绍了虚拟网中业务的承载 协议t f i 地协议，描述了其结构和运行原理，并对仿真工具n 2 进行了必要 的介绍。 第五章：基于t f r c 的缓存分配策略。本章针对第三章中所描述的缓存分配 策略进行仿真，并对其结果进行分析，从实验及理论上指出各种缓存分配法则是 否适合当前的面向业务的虚拟网。结果证明了现有的三种缓存分配法则均不适宜 于t f r c 流下的虚拟网，因此本文提出了全新的适合于t f r c 流虚拟网的缓存分 配模型。文章后续部分从理论上证明了该法则的适用性，并通过仿真获得了较好 的性能。 第六章：论文总结与展望。对本论文所作的工作进行了全面的总结，最后在 此基础上，对今后的进一步工作进行了展望。 8 杭州屯子科技大学硕士学位论文 第二章网络虚拟化技术简介 2 1 网络虚拟化技术的目标 网络虚拟化技术的目标是解决当前互联网中的僵化问题，将i n p 与s p 相分离 能更好地建立面向业务的逻辑网络。网络虚拟化为新型的网络体系结构的建立、 实验、评估等搭建了一个平台。同时，网络虚拟化也作为全球互联网体系结构和 互存组件的基石，并可推动商业贸易【15 1 。 网络虚拟化技术的目标大致如下：【1 6 】 1 灵活性。s p 可以实现任意网络拓扑、路由、转发和协议定制功能。 2 可管理性。i n p 与s p 的分离使得网络呈现模块化的特点，便于管理。 3 可扩展性。i n p 要具备动态扩展虚拟网络的功能，并且在扩展的同时不 会影响其他虚拟网络的性能。 4 隔离性。网络虚拟化技术要保证互存的虚拟网络之间的隔离性，使它们 不会相互影响。 5 稳定性与收敛性。i n p 要确保基础设施的稳定性，同时，任何不稳定必 须要成功地收敛到一个稳定状态。 6 可编程性。s p 可以通过可编程性来定制协议及部署服务。 7 异构。异构可分为两个层面上的异构，分别是底层网络的异构和虚拟网 络的异构。s p 必须支持虚拟网络的跨域运行。同时，i n p 也要支持虚拟网络中不 同的协议等。 2 2 网络虚拟化技术的分类 从历史的角度审视网络虚拟化技术，可大致分为传统的网络虚拟化技术和下 一代网络的虚拟化技术。传统的网络虚拟化技术往往是基于互联网，依然建立在 传统互联网的体系结构之上，并未实现彻底的虚拟化。而下一代网络则是网络体 系结构的革新，其虚拟化也必然建立在新型的网络体系结构之上，无论从物理网 络或是逻辑网络，下一代网络的虚拟化技术从根本上实现了网络虚拟化。 2 2 1 传统互联网的虚拟化技术 传统的虚拟网以互联网为基础，为了实现特定的业务或达到指定的安全性， 传统虚拟网借助互联网的特点，在逻辑层面上实现了虚拟网络的功能。传统互联 9 杭州电子科技大学硕士学位论文 网的虚拟化技术大致可分为如下几种： 1 虚拟局域网( v i r t u a ll o c a la r e an e t w o r k ，v l a n ) t 1 7 】。虚拟局域网是一组逻 辑网络化的主机，这些主机都同在一个广播域，每个v l a n 都有一个v l a n 帧用 于转发。虚拟局域网技术的目的是为了解决交换机在进行局域网互连时无法限制 广播的问题，而虚拟局域网技术则把一个物理上的局域网划分成多个逻辑上的局 域网，每个v l a n 形成一个广播域，v l a n 之内的主机可以相互通信，而v l a n 之间的主机则无法直接连通。 张聱f l ，0 l攮矽串如h 图2 1 虚拟局域网( v l a n ) 2 虚拟专用网( v i r t u a l p r i v a t e n e t w o r k ，v p n ) t 1 8 , 19 】。v p n 是一个特定的网络， 用于连接多个站点。v p n 在共享或公共通信网络中采用专用的、安全的隧道进行 连接。埘一般分为三类，分别是第一层v p n 、第二层v p n 和第三层v p n 。第一 层v p n 是将第二层v p n 和第三层v p n 的包交换概念扩展到电路交换域；第二层 v p n 在站点间传输第二层的帧；第三层v p n n 用第三层协议在分布式的用户边界 中传输数据。 3 主动可编程网络( a c t i v ea n dp r o g r a m m a b l en e t w o r k ) 2 0 1 。