（计算机应用技术专业论文）基于服务元网络体系结构的虚电路建模.pdf

摘要 摘要 实用的网络体系结构都是层次结构，目前互联网使用的主流网络体系是 t c p i p 。最初的t c p i t 协议栈本来是为了窄带文本数据而开发的，但是随着全球 互联网的蓬勃发展，人们对网络的利用和依赖的增加，各种新的网络服务不断涌 现，从而对网络的性能提出了更高的要求。针对现在网络通信技术发展的特点， 结合网络应用的需要，国内外进行了新型网络体系结构的研究。目前情况下进行 新型网络体系结构的研究首先从建立模型开始，本文就是针对一种新型的网络体 系结构服务元网络体系结构进行建模。 本文介绍了服务元网络体系结构，分析了服务元网络体系结构的特点、节点 模型、服务元的定义以及提供的服务等，并引出了微通信元系统架构。基于虚电路 的通信方式比基于数据报的通信方式能更好地保证网络的q o s 、更好地支持网络 安全的需要，所以在微通信元系统架构中采用了虚电路的通信方式，文中对虚电 路进行了深入细致的分析和研究。在此之上，我们首次提出了采用两次握手建立 虚电路和六次握手撤销虚电路的虚电路创建和撤销方式，并对其进行了深入的研 究，认为在服务元网络体系结构中采用这种虚电路管理方式是正确而且合适的。 本文系统地介绍了p e t r i 网和着色p e t r i 网的数学定义和应用范围，以及建模采 用的仿真工具c p nt o o l s 。第一次对微通信元系统架构的虚电路管理模型进行了建 模验证和分析，并进行了详细的仿真分析和状态空间分析。在建模过程中我们采 用了新的状态简化方式和定义模型的方法，相比以前网络建模使用的逐步细分状 态方法，减少状态，而把函数和变迁条件变复杂，使得模型更简洁、更灵活，而 且建立和分析更加容易。最后得出结论，两次握手建立连接和六次握手撤销连接 是有效、正确而且健壮的。 最后，文章对目前工作作了总结，并分析了其中的不足，提出了下一步要做 的工作， 本论文的重点：使用着色p e t r i 网和c p nt o o l s 建模工具，对在微通信元系统 架构中采用虚电路进行数据通信的方式，进行了建模分析验证，得出了预期的结 论。 关键词：服务元，微通信元，虚电路，p e t r i 网，c p n ( c o l o r e dp e t r i n e t s ) a b s t r a c t a b s t r a c t n ep r a c t i c a ln e t w o r ka r c h i t e c t u r e si nu s ea r ea l ll a y e r e do n e s ，t c p i pi st h e m a i n s t r e a mn e t w o r ka r c h i t e c t u r eu s e db yi n t e r n e t n eo r i g i n a lt c p i pp r o t o c o ls u i t e s w e r ed e v e l o p e df o rn a r r o wb a n db a s e dt e x td a t a w i t ht h ef l o u r i s hd e v e l o p m e n to ft h e g l o b a l n t e r n e t ，t h ed e m a n d sf o rb e t t e rn e t w o r kp e r f o r m a n c ea r ei n c r e a s i n g ，a n dt h e c o n f l i c t sc a u s e db yt c p i pl a y e r e da r c h i t e c t u r ea r ee m e r g i n g i no r d e rt od e v e l o pan e w n e t w o r ka r c h i t e c t u r et om e e tt h ed e m a n do fn e t w o r ka p p l i c a t i o np e o p l ed om a n y r e s e a r c ha i m e da tt h ec h a r a c t e r i s t i co fn o w a d a y sn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n t ot e s tan e w n e t w o r ka r c h i t e c t u r ew en e e dt om o d e li t t h i st h e s i si sa b o u tt om o d e la n da n a l y s ea n e wt y p eo fn e t w o r ka r c h i t e c t u r e 一- s e r v i c eu n i tb a s e da r c h i t e c t u r e t h i st h e s i si n t r o d u c e dan e wt y p eo fn e t w o r ka r c h i t e c t u r e - s e r v i c eu n i tb a s e d a r c h i t e c t u r e ，m a i n l ya n a l y s e d t h ec h a r a c t e r i s t i c s ，n o d em o d e s ，d e f i n i t i o na n dt h e s e r v i c e sp r o v i d e db yt h es e r v i c eu n i tb a s e da r c h i t e c t u r e t 1 l em i c r oc o m m u n i c a t i o n e l e m e n ta r c h i t e c t u r ew a sa n a l y s e dt o o ，t h ec o m m u n i c a t i o n sb a s e do nv i r t u a lc i r c u i tn o t o n l yg u a r a n t e eq o sb u ta l s os u p p o r tt h es e c u r i t yp r e f e r a b l yo ft h en e t w o r k m i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n ta r c h i t e c t u r ew a sb a s e do nv i r t u a lc i r c u i ta n dw ed i ds o m e r e s e a r c hw o r ko ni t a n db a s e do ui t w ec o n s t r u c tt h ei d e ao f t w o t i m e h a n d s h a k e v i r t u a l c i r c u i t c r e a t ea n ds i x t i m e h a n d s h a k e v i r t u a l c i r c u i t f r e ef o rt h ef i r s tt i m ea n da n a l y s e di tc a r e f o l l y w ec a m et oac o n c l u s i o nt h a ti t s c o r r e c ta n dp r o p e rf o rs e r v i c eu n i tb a s e da r c h i t e c t u r e n em a t h e m a t i c sd e f i n i t i o na n da p p l i c a t i o ns c o p eo ft h ep e t r in e ta n dc o l o r e d p e mn e tw e r es y s t e m a t i c a l l yi n t r o d u c e d w em o d e l e da n da n a l y s e dt h ev i r t u a lc i r c u i t c o m m u n i c a t i o ni nm i c r oc o m m u n i c a t i o ne l e m e n ta r c h i t e c t u r eu s i n gc p na n dc p n e m u n a t i o nt o o l sa n da n a l y s e dt h ee m u n a t i o na n ds t a t e s p a c ei n d e t a i lf o rt h ef i r s t t i m e d u r i n gt h ep r o c e d u r ew et o o kan e wa n dm o r eb r i e fw a y t oa n a l y s ea n dd e f i n et h e m o d e l t h em o d e lw a sm o r ec o n c i s ea n dm o r ev a i l a b l et h a nb e f o r ea n dm u c he a s i e rt o b ec r e a t e da n da n a l y s e d a tl a s tw ed r e wac o n c l u s i o nt h a to u rm o d e lw a sp r o v e dt ob e a v a i l a b l e ，c o n e c ta n dh e a l t h y i i a b s t r a c t i nt h ee n do ft h i st h e s i sw es u m m a r i z e dt h er e s e a r c hw ed i d ，a n db r o u g h tu pt h e w o r kw es h o u l dd on e x t t h em a i nw o r k si nt h et h e s i sa r e ：w et o o kc o l o r e dp e t r in e t s ( c p n ) a n dc p n m o d e l i n gt o o l st om o d e l ，a n a l y s ea n dv e r i f yt h ev i r t u a lc i r c u i tc o m m u n i c a t i o ni nm i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n ta r c h i t e c t u r ea n dd r a wa ne x p e c t e dc o n c l u s i o n k e y w o r d s ：s e r v i c eu n i t ；m i c r oc o m m u n i c a t i o ne l e m e n t ；v i r t u a lc i r c u i t ；p e t r in e t ； c p n ( c o l o r e dp e t f in e t s ) 缩略语 s u n i c s u n a m c e s a r p 缩略语 s e r v i c eu n i t n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r s e r v i c eu n i tn e t w o r ka r c h i t e c t u r e m i c r oc o m m u n i c a t i o ne l e m e n ts y s t e m a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 a r p a n e ta 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 yn e t w o r k a t m c r c i c m p i g m p i p m a c m c s m t u q u s r a r p r b a r s v _ p r t c p s d u c d u a s y n c h r o n o u st r a n s f e rm o d e c y c l er e d u n d a n c yc h e c k i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g e sp r o t o c o l i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l i n t e m e tp r o t o c o l m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m o d u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m m a x1 y a n s f e ru n i t q u a l i t yo fs e r v i c e r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l r o l e b a s e da r c h i t e c t u r e r e s o u r c er e s e r v ep r o t o c o l r e a l - t i m et r a n s p o r tp r o t o c o l s e r v i c ed a t au n i t c o n t r o ld a t au n i t v c s d ur t u a lc i r c u i ts t a r td a t au n i t 服务元 网络接口控制器 服务元网络体系结构 微通信元系统 地址解析协议 a r p a 计算机网 异步传输模式 循环冗余校验 网间控制报文协议 网间分组管理协议 网际协议 介质访问控制 模块化通信系统 最大传输单元 服务质量 反向地址解析协议 角色网络体系结构 资源预留协议 实时传输协议 服务数据单元 控制数据元 虚电路创建数据元 缩略语 v c e d ur t u a lc i r c u i ts t a r td a t au n i t s u b a t c p u d p c p n o g s e r v i c eu n i tb a s e da r c h i t e c t u r e t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l c o l o r e dp e t r jn e t s o c c u r r e n c eg r a p h v 虚电路撤消数据元 服务元网络体系结构 传输控制协议 用户数据报协议 着色p e t r i 网 状态空间 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，论文中不包含其他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。1 签名：五，垫困 日期l 。僻如伸 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：j 盥导师签名：趱 签名：厶塑f k l 导师签名：缉! 盈：塑 日期：o 、6 年厂月2 ，日 第一章引言 1 1 课题背景 第一章引言 目前互联网所使用的t c p f l p 体系是基于层次体系结构的。因为在网络开发的 初期，计算机网络的应用还只是学术研究性质，网络的应用主要局限于一般数据 信息的有效传输，同时底层通信技术也不够发达，因此采用层次体系结构。 层次结构设计的出发点在于简化协议设计的复杂性，作为应用最广泛的网络 体系结构，分层的计算机网络具有很多优点： ( 1 ) 体系结构的适应性好。这是因为从a r p a n e t 到i n t e m e t 的发展过程中，涌 现了各种各样的实际的网络技术，t c p i p 融合连接了众多不同技术的网络，成为 了互联网中的主流网络体系结构。 ( 2 ) 作为分层的体系结构，各个层次的功能相对独立，便于设计。层具有封装 性、隐蔽性和抽象性。功能上的独立和接口的统一带来了很多好处，其中一个就 是在各层间接口不变的前提下，对其中任何一层的修改都不会影响到其它各层； 再一个就是便于排查错误，分层使得对网络错误的定位变得方便。 但是层次设计也带来了很多的问题。层次结构功能重复，实现复杂。由于 t c p i p 协议栈本来就是为了窄带文本数据的传输而开发，随着宽带网络和多媒体 技术的发展，对实时语音视频传送、网络安全，q o s 等方面提出了更高的要求。 为了保证q o s ，t c m p 在各层( 甚至在层间) 打了一系列的补丁：资源预留协议 r s v p 、实时传输协议r t p 、实时传输控制协议r t c p 、i e e e 8 0 2 1 d 协议和区分服 务d e f f s e r v 等。 由于几个网络协议层的冗余操作而使网络性能下降。虽然t c p i p 也在不断发 展，但是由于其固定层次体系结构的限制，这种需求和限制的矛盾将是长期的。 解决这个问题的根本办法是设计更加合理的网络体系结构，给网络使用者更好的 网络功能支持。 从2 0 世纪9 0 年代开始，在国际网络界就进行了许多关于高性能的网络体系 结构的研究，包括应用级组帧和一体化层次处理、主动网络、面向对象的网络以 及基于角色的网络体系结构等。电子科技大学的曾家智老师对现有网络中服务类 电子科技大学硕士学位论文 别进行分析、归纳，针对现有的分层网络体系结构存在的层间功能重叠和复杂的 分层处理过程所带来的网络服务效率低下的问题，提出了一种基于服务元的网络 体系结构。服务元只提供服务，不接受服务，所以避免了层间交互和服务传递的 开销。服务元不仅能为本节点应用提供服务，而且不同节点的服务元可以合作向 某一节点或整个网络提供服务。而微通信元系统架构是服务元网络体系结构的一 种具体模型，是一种采用虚电路结构的网络架构。作为微通信元的服务元被组织 成微通信系统，大量的微通信系统被组织成网络系统。微通信元系统架构具有简 洁、可扩展和容易实现的特点。 对微通信元系统架构进行研究与实现，是研究新的网络体系结构，改善现有 网络服务的有益尝试。 1 2 课题任务简介及本人工作 本课题任务取材于纵向项目x x x x 创新基金。课题任务主要是基于l i n u x 系 统平台，研究、设计并实现一个初步的基于服务元网络体系结构的模型系统 虚电路管理模型，并对此模型进行建模和仿真，最终形成仿真和状态空间分析报 告。课题任务的开发环境基于： 硬件：p c 机。 软件：l i n u x 操作系统( 开发) ， w i n d o w s 操作系统( 仿真) ，c p n t o o l s2 0 仿真工具。 在本项目中，我参与分析了t c p i p 网络体系结构的设计及实现机制，密切配 合课题组的其它成员，参与服务元网络体系结构的分析和微通信元系统架构的分 析。特别分析研究了虚电路在服务元网络体系结构下的创建和撤销，并负责服务 元网络体系结构下的虚电路管理模型的建模和仿真分析，包括虚电路的创建和撤 销过程，着重分析六次握手进行虚电路撤销的正确性、可行性和健壮性，并对其 进行了建模分析和研究，圆满完成了任务。 1 3 本论文结构 本论文共分为六章： 第一章：引言。介绍本课题的背景和来源，作者所做的工作以及论文结构。 2 第一章引言 第二章：服务元网络体系结构和微通信元系统架构。主要分析了现有层次网 络结构的存在的问题，国内外对网络体系结构的研究和成果，对服务元网络体系 结构进行了介绍，并在此基础上进一步对微通信元系统架构的主要特点进行了阐 述。 第三章：基于服务元网络体系结构的虚电路管理。本章首先详细分析了微通 信元系统架构下虚电路的创建、撤销和维护的机制，进一步分析论述了虚电路管 理的可行性与正确性，对六次握手撤销连接进行了着重分析。 第四章：着色p e t r i 网及仿真工具c p nt o o l s 。本章介绍了p e t r i 网定义及着色 p e t r i 网( c p n ) 的定义及其动态特性，并对仿真工具c p n t o o l s 作了简单介绍。 第五章：虚电路管理的c p n 模型。本章是本文重点章节，介绍了在微通信元 系统架构的虚电路管理的具体设计方式，并建立了微通信元系统架构中实现虚电 路创建、撤销的c p n 模型，对这几个模型进行了仿真和动态特性分析，并得出了 结论。 第六章：结束语：对全文进行了总结，提出本论文的创新性和难度，并进一 步提出下一步要做的工作。 致谢 电子科技大学硕士学位论文 第二章服务元网络体系结构和微通信元系统架构 本章论述了网络体系结构的概念以及对新型网络体系结构的研究，引出了服 务元网络体系结构，分析了该网络体系结构的节点模型、网络地址、服务功能元 素和服务以及服务元的分类定义，进一步分析了与服务元的网络体系结构对应的 微通信元系统架构的参考模型、网络地址以及包的格式。 2 1新型网络体系结构及其研究状况 2 1 1 网络体系结构的概念 网络体系结构是一个网络系统( 从物理连接到应用) 的总体结构，包括描述 协议和通信机制的设计原则。网络体系结构有时也称为”网络顶层设计”，常常用来 描述一组抽象的规则，用来指导计算机通信机制的设计和通信协议的实现。网络 系统结构是基于对网络各种应用的深入了解抽象出来的设计原则的选择，其目的 是确保能够满足各种网络应用需求。 f 1 ) 网络体系结构的起源 网络体系结构这个概念是开发a r p a n e t 协议的研究组织在丌发i n t e m e t 的过程 中开始使用的。对于设计软硬件系统结构的计算机科学家来说，为了解决计算机 的通信问题，会很自然的想到对各种资源和它们之间的关系进行抽象思考。结果 形成了一种“设计哲学”，来辅助i n t e m e t 的协议和算法的设计。随着时间的过去， 这种哲学思想被详细描述，建立了i n t e r n e t 协议栈的完整的原始模型。网络体系结 构是一组高级的设计原则，用于指导网络技术方面的设计，特别是协议和算法的 工程化。 ( 2 ) n 络体系结构的内容 一个网络体系结构必须指定：通信状态和实体，寻址，通信建模方式，网络 资源和终端系统，网络安全和管理，q o s 的实现。理想的情况是；想象使用体系 结构能够“生成”技术设计。但是显然这是不可能的。体系结构只能提供一系列 抽象的原则，通过这些原则我们能够检查关于技术设计的每一个决定。体系结构 第二章服务元网络体系结构和微通信元系统架构 的作用是保证技术设计的结果一致和连贯，也就是各部分将平滑衔接并且设计将 满足与体系结构相关的网络功能的要求。 同一个特定的符合要求的技术性设计相比，一个体系结构更具有一般性。技 术性设计来源于体系结构，但不是唯一的，而且它会随着时间的变化而改进，以 对应满足需求的细节变化，但是，相同的体系结构可能维持不变。更重要的事， 一个体系结构希望是相对长期的，可以适用于不止一代的技术。这方面的一个例 子是i p v 6 ，它是i p v 4 的下一代技术，但是他们都遵守同样的互联网体系结构。 ( 3 ) 网络体系结构的特点 网络体系结构指明了网络开发的方向，它提供了各个网络技术的基础。一个 网络体系结构不仅表示个抽象的目标，而且是应用于日常开发的一个要点。虽 然网络体系结构是长期的，但是它常常具有短期的含义。一般来讲，长期的研究 常常有短期的需求，但是没有长远眼光，短期的研究不会有长期影响。 2 1 2 当前层次网络体系结构及其优缺点【1 1 当前的网络体系结构是伴随着i n t e m e t 的发展而发展起来的，是上世纪7 0 年 代确定的。在i n t e m e t 的发展初期面对的主要需求是网络互相连通，网络的健壮性、 网络设备的异构性、分布式的管理。这个时期，由于网络的可靠性差，网络设备 的差异性大，网络的性能主要障碍体现在底层的网络设备和信道上，同时网络应 用需求要求网络能够提供可靠通信，因而需要增加许多网络通信处理过程来保证 达到这样的目的。为了实现这个目标，相互通信的计算机必须进行复杂的协调工 作，使计算机软硬件设计非常复杂。而层次性的体系结构采用分层原则，每个层 次独立完成一些特定的功能，组合起来，可以实现复杂的通信协议，从而实现可 靠的，健壮的网络通信，而协议处理效率还不是主要矛盾。层次化网络体系结构 较好地满足了这个时期的网络应用要求。 除了a r p a n e t 的设计( i n t e m e t 的前身) 采用了分层的方法以外，后来i b m 公司开发的系统网络体系结构s n a 也是分层的。随后，其他一些公司也相继推出 了本公司的一套体系结构，为了让各个公司开发的网络产品互连互通，国际标准 化组织i s 0 1 9 7 7 提出了开放系统互连基本参考模型o s i r m ，这是一个7 层的分层 体系结构模型。但是o s i 的模型过于复杂，没有得到推广。但它很好说明了分层 体系结构的思想，具有很好的指导作用。现在广泛使用的t c p i p 网络体系结构模 型是四层结构，即网络接口层，网间网层，传输层和应用层。这是事实上的国际 电子科技大学硕士学位论文 标准。 层次结构具有如下特点：n 层中的实体( 硬，软件的集合) 定义自身功能的 时候，只直接使用n 1 层( 下层) 提供的服务；n 层将以下各层功能总和附上自 己的功能为n + i 层提供更强的功能服务，即“增值”服务，并将功能的实现细节 屏蔽起来。下层对上层提供的服务，也可向应用程序直接提供服务。 因此，n 层网络协议所提供的服务是第1 层到第n 层各层自身提供服务的并集。 我们可以看到，层次结构具有如下优点：便于抽象，每一层都抽象成黑匣子，内 部结构不可见，这就使人们可以集中考虑总体结构和层间关系，有利于有条理、 更加深入的考虑问题；易于交流理解，有助于标准化；便于模块化，有利分工并 行协作丌发；灵活性好，便于各个层次独立改进，而不影响其它层次。 但是，层次网络体系结构也有其本身的缺陷。本来，为了提高效率，各层服 务能力不应该具有交集，因为交集表示各层服务功能重复，而且交集也不提供增 值服务的。但是在分层体系结构中，有些功能会在不同的层次中重复出现，产生 了额外的开销，降低了整体的性能。例如，在目前t c p f l p 的网络体系结构中，多 个层次存在校验功能，分片处理功能，重复地址。同时，层次的增加，还导致包 头( 首部) 增长，使传输效率降低。此外，基于层次的体系结构由于原来设计的 缺陷，要增加新的网络服务功能，需要在网络的各个层次进行处理，非常不方便。 比如目前在t c p l p 为了提供各种安全功能，在不同的层次提出了p g p 、s s l 、 i p s e c 、8 0 2 1 0 等来解决不同层次的安全性问题。 2 1 3 新型网络体系结构的研究 网络体系结构具有相对的稳定性，但是网络技术和网络应用需求却在不断地 发展。目前的层次网络体系结构便于实现，但是会导致网络协议功能冗余，效率 降低且改进困难。这在过去的若干年里，还不至于同网络应用需求发生矛盾。因 为过去网络应用瓶颈在于网络带宽。随着现代网络技术的飞速发展，带宽已经不 再成为问题，而网络协议的性能渐渐变成了提高整体网络性能的瓶颈。因此目前 的基于层次的网络体系结构已经越来越不适应最新的网络应用要求了。 根据网络技术的发展特点，我们可以知道网络技术的性能瓶颈已经从传输介 质的带宽转移到网络数据的处理方面。一方面，在分层体系结构中的一些保证通 信可靠性的处理过程已经没有多大的必要；另一方面，分层中产生的一些冗余的 功能( 如校验) ，层次性处理中的一些低效的操作( 如拷贝) 己经不能满足宽带数 第二章服务元网络体系结构和微通信元系统架构 据处理的需要。因此，根据现在网络技术发展的特点，用于指导网络设计的层次 网络体系结构也必须有适应性的改善。 为了适应新的网络需求，可以在现有的网络体系结构上作一些改进来满足一 时之需，如一方面，可以对现有的各种层次的网络协议进行优化，比如改善i p 或 者t c p 防议的性能，提供综合服务或者区分服务机制等来满足日益增加的q o s 要 求；另一方面，开发实时控制方面的协议，如r t p ，r s v p 等来提供一些急需的实 时网络服务功能。增加的协议一般运行在u d p 协议之上，最终还是需要i p 网络提 供基本的保证。在目前的层次网络体系结构里面，t c p i p 协议越来越复杂，协议 的层次越来越多，这样的结果，导致协议效率低，可靠性难以保证。目前，每增 加一个新的应用需求，就需要增加一个新的协议来满足这个要求，这使得t c p i p 协议栈也越来越庞大，己经有1 0 0 多个协议。可以看出，层次网络体系结构已经 越来越不适应新的网络需求，难以承担下一代高性能网络体系结构的重任。 从上世纪九十年代开始，对提高网络性能的研究已经从各个层次的协议的修 补改变到研究新型网络体系结构方面来了，这是为了更好地适应网络通信的新特 点。为了满足下一代网络通信的要求，我们需要新型的网络体系结构能够方便地 满足不断提出的各种网络应用需求，根据前面的分析，新型网络体系结构应该具 有如下几个方面的特性： 1 ) 能够高效完成网络通信处理控制，基本没有冗余的功能。 2 ) 能够支持各种q o s 要求，特别是多媒体方面的支持。 3 ) 能够更好地支持网络安全的需要。 4 ) 具有良好的可扩展性，可以方便增加新的应用需求。 目前，网络体系结构方面的研究已经成为下一代网络应用研究的一个重要内 容，能不能充分满足上面的要求，将是一个新型网络体系结构能否成功的关键。 目前，人们对网络体系结构的研究主要有如下几个方面： ( 1 ) 应用级组帧和一体化层次处理1 2 j 应用级组帧( a l r ) 是d c l a r k 和d t e r m e n h o u s e 在1 9 9 0 年提出了面向网络协 议处理性能优化的网络体系结构思想，试图消除传统o s i 参考模型中由于高层协 议分层过多而造成协议软件处理性能较低的不足。它认为传统的t c p u d p 并不能 很好地满足每一个特定的网络应用的需要，应用程序应该涉及数据的传输处理过 程，因为只有应用程序才最了解传输信息的特点，它们知道在传输信息出现问题 7 电子科技大学硕士学位论文 的时候，比如信息丢失，无序或延迟的时候应该怎么处理。在a l f 设计原则中， 信息分组应该是应用数据单元( a d u l ，包括处理单元，控制单元，传输单元，应用 程序收到a d u 后，自己决定如何进行处理。 一体化层次处理( i l p ) 是一个工程化设计原则。i l p 认为计算机在进行网络协议 数据处理的时候，处理器和存储器之问的数据传输过程将耗费很多的时间，影响 整个系统的性能。网络数据处理主要有校验和，加解密，编解码等，如果每次都 从内存读过来加工后再写回去，对存储器读写操作时间将大大降低处理性能。i l p 的要求是，在一次存储器读写的过程中，完成所有的数据处理操作，从而可以大 大改善系统性能。但这些处理过程目前往往在不同的函数甚至不同的层次里面。 在开发新的协议或者开发新的体系结构的时候，可以结合i l p 的思想。比如x t p 或a l f 。 ( 2 ) 主动网络1 4 1 主动网络技术是d t e n n e n h o u s e 等人在1 9 9 6 年提出了可以在单个分组上进行 资源分配和调度的高性能网络模型。现有的网络由于不对报文进行处理或计算， 因此可以称之为被动网络( p a s s i v e n e t w o r k s ) 。虽然现有的网络中的路由器和交换机 也可以改变报文的报头，但它们对真正的用户数据却不做任何处理，原封不动地 转发用户数据是它们的宗旨。即使对报头的改变和相关路由处理也是独立于用户 处理和产生这些报文的应用程序。相比之下，在主动网络中的路由器和交换机可 以对网络报文进行用户自定义的计算。网络节点不仅能转发报文而且可以通过执 行附加程序来对报文进行处理。整个网络上的节点也都是可编程的，可以执行用 户定义的报文处理程序。主动网络的出现可以解决许多问题，比如：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； 在己存在的结构模块中加入新服务的困难等。 目前，主动网络有两种实现方案：可编程交换机方案和封装( c a p s u l e ) 方案。可 编程交换机方案的思想是保留现在的报文包格式，但是提供一个分离机制，用于 将程序调入中间节点中。封装方案的思想则走的更深远一些。它改变了现在的报 文格式。报文帧不仅仅包含数据，而且还包含了小程序段c a p s u l e 。小程序可以被 主动网络的中间节点的路由器和交换机识别并在中间节点上执行，因此报文的传 输过程就是它被执行的过程。 目前主动网络的研究比较多，有些研究单位己经研究出可以演示的实验性网 络。但是主动网络在节点上要处理用户定义的程序，性能将会受到影响。同时， 主动网络的安全性也已经是一个研究的重点。 第二章服务元网络体系结构和微通信元系统架构 ( 3 ) 面向对象的网络【7 】 这种体系结构的第一个构架称为模块化通信系统m c s ，不同于传统的层次结 构，它是面向对象的模型。根据各个基本的网络功能模型，可以组成不同的网络 服务。m c s 由四个模型组成：即对象模型，系统模型，通信模型和组织模型。 其中的对象模型描述了可以管理的各个功能模块，它们具有可组织性，扩展 性，重用性。系统模型将各个服务对象按照水平方向分为各个平面，在垂直方向 分为各个功能层次，不同的层次完成不同的通信子功能。通信模型用于管理用户 的通信要求，比如q o s 要求，面向数据报和面向事务处理等要求，定义了基本的 服务对象类。组织模块用来提供组织服务，让应用程序定制自己独特的通信服务。 一个应用程序要求的服务能力可以分为三类：服务设施，q o s ，服务模式，模型中 的组织者根据应用程序的要求合理组织服务对象，完成网络通信要求。 面向对象的m c s 还是使用了层次的观念，只不过服务对象之间没有固定的层 次关系。是一种动态的分层。基于m c s 实现的例子是t i p ( 传输与网问网组包) ， 可以让应用程序配置自己特有的通信服务。实践证明可以明显地提高网络性能。 目前面向对象的m c s 的两个公开问题是模块化的准则和协议正确性的自动验证问 题。 ( 4 ) 基于角色的网络体系结构 基于角色网络体系结构r b a 没有使用协议层的概念，取而代之的是称为角色 “o l e l 的功能单元来组成通信系统。协议模块称为一个“角色( r o l e ) ”。角色是对一 个通信模块的功能性描述，如完成分组转发或处理等功能。角色是一种抽象实体。 角色并未按层次来进行组织，因而角色之间的交互作用将比传统的协议层次要丰 富得多。在一个报文中所有的数据，包括载荷，都是被分为r s h ( 特定角色报头) 的角色数据。一个角色的输入输出部分是应用数据净载荷以及与特定的一些角色 所对应的含控制信息的元数据( m e t a d a t a ) 。目前基于角色的研究还在概念上，需要 进一步的探索。 ( 5 ) 服务元网络体系结构( s u n a ) f 3 】 基于服务元( s u ) 的网络体系结构是一种无层次的网络体系结构。虽然s u 和角 色在概念上有些类似，都是表达通信功能单元，但同基于角色的网络体系结构相 比，基于s u 的网络体系结构走得更远一些。在基于角色的网络体系结构中，角色 和r s h 之间的关系通常是多对多的，一个特定的r s h 可以发送给多个角色，而一 个单独的角色可能接收或发送多个r s h 。同时，不同的角色之间还可以交互，一 个大的角色还可以包含几个小角色，所有这些，说明了基于角色的网络体系结构 9 电子科技大学硕士学位论文 在具体的实现过程中，还有一定的复杂性。而s u n a 认为各个功能s u 具有相对 独立性，不能相互嵌套，并且尽量没有功能交叉。这样更加便于实现和扩展，功 能简单明确，可以更加灵活地支持多种网络服务。 无论是基于角色还是基于服务元，都采用了非层次网络体系结构。如何合理 地定义服务单元、各个服务单元如何有效合作完成特定的网络应用需求，是其研 究的重点。下面先详细介绍s u n a 的基本原理，然后给出其第一个具体实现 m c e s 的思想。 2 2 服务元网络体系结构 根据面向对象网络体系结构和基于角色的网络体系结构可知，在非层次网络 体系结构中，各网络功能单元不再有严格地上下级层次关系，而是作为一个独立 功能模块在网络通信过程中起到一定的作用。不同的非层次网络体系结构对网络 功能单元的定义不同，对如何组合网络功能单元提供网络服务的处理方式也不同。 因此，非层次网络体系结构研究的实质是如何划分不同的网络功能单元以及组织 不同的网络单元提供合理的网络服务。 在面向对象的网络体系结构中，各个网络功能单元对象模块划分太细， 组合处理太复杂，难以满足现代网络的高速处理需要：而面向角色的网络体系结 构中，网络功能单元角色的定义太粗，角色功能复杂，实现起来比较困难。 基于这样的情况，2 0 0 2 年，曾家智教授同样提出了一种无层次的s u n a ”。该结 构中不再划分层次，其网络功能部件是s u 。各个s u 完成相对独立的网络功能， 相互之间并不传递服务。不同s u 可以协调配合实现各种不同的网络功能，为应用 提供各种不同的服务。与角色对应具体事务不同，s u 对应的是网络基本功能。 2 2 1 服务元( s u ) 的含义 s u n a 是s u 及其相互之间交互使用的规则的集合。s u 是能够提供服务而又 隐藏内部细节的最小实体。s u 不接受服务，只( 对应用层和整个网络) 提供服务。 s u 提供服务是通过服务数据单元( s d u ) 完成的。s u 是s d u 的发送者( 源) 、接收 者( 目的) 、转发者( 递交) 或变换者。这样的定义使s u 相对于对象或者角色来 说更加合理。为了便于实际设计，根据当前网络通信的要求，对s u 的类别，功能 都进行了详细的定义。 1 0 第二章服务元网络体系结构和微通信元系统架构 s u 的分类可以有多种方式，比如根据s u 作用的位置，可以分为端系统服务 元( 只作用于端系统上) 、路由服务元( 只作用于路由设备上) 、综合服务元( 在 端系统和路由设备上都起作用) 。 目前最常见的是根据s u 启动服务的方式来分类，可以分为五类，对应模型如 图2 - 1 所示。其中，s u 用三角形或者矩形表示。 系统调用 发现问题或求助 a 第一娄i i & g - 元b 第二娄服务元c 第三类服务元 d 第四类服务元 e 第五粪服务元 图2 - 1 五类服务元模型 第一类服务元由于执行系统调用而启动服务。矩形上方箭头表示引起服务的 原因是执行系统调用。梯形下方下箭头表示服务产生的服务数据单元s d u 输出； 梯形下方上箭头表示服务准备接受的s d u 输入。例如建立连接服务元，应用执行 系统调用c o n n e c t 时引起服务。第一类服务元是为本节点提供服务的。对于没 有o s 的节点，系统调用将被函数取代。 第二类服务元因网络发生紧急事故、不正常事件等原因而启动服务，并向非 通信节点发警告信息；或者周期性地启动服务，发路由信息。矩形下方下箭头表 示服务产生的s d u 输出。第三类服务元由于收到此警告信息( 用矩形下方上箭头 s d u 表示) 而启动服务，进行内部处理。不同节点的第二、三类服务元协作为整 个网络或向非通信节点提供服务。 第四类服务元是路由选择类服务元，它收到源于其它节点的s d u ( 上箭头表 示) 而启动服务，通过修改包的目的地址产生发向另一节点的s d u ( 下箭头表示) 。 路由产生类服务元也属于第四类。它一方面发出拓扑变化消息，另一方面接收其 他路由器发出的拓扑变化消息，计算路由，填入路由表。 第五类服务元由s d u 的到来而启动服务并对s d u 进行“加工”输出。两个 相对的三角形上方的下箭头表示源于本节点s d u 的到来，产生的s d u 由梯形下 方的下箭头表示；下方的上箭头表示源于其它节点s d u 的到来，产生的s d u 由 梯形上方的上箭头表示。例如加解密服务元、压缩解压服务元、身份验证服务元、 安全净荷服务元和n i c 服务元等。 电子科技大学硕士学位论文 第五类服务元中，谁的输出作为谁的输入并不是固定的，只要收、发方匹配 即可。特例是n i c 服务元它一方面通过介质访问控制把节点b i t 流放在网络介质 上，另一方面从网络介质抓取b i t 流到节点构成包，因此它一定是本节点s d u 的 的最后“工位”。 第一到四类服务元是s d u 的源或和目的。第五类服务元是s d u “加工”者。 由于每个s u 都完成一项基本网络功能，因此可以非常方便地对s u 系统进行 扩展和定制；而s u 之间并不传递服务，这就确保了网络功能不会出现冗余，同时 s u 之间的接口