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基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 摘要 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。但由于这些研究都是基于传统的层次结构网络，所以虽然它能对网 络的性能进行改善，但难以解决层次结构自身存在的问题。由于传统的层次结构 网络存在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，通过对现有网络中服务类别的分析、归纳，提出了一种基于服务元的网络体 系结构。 本课题是在我研究室的第一个基于数据报的模型成功实现的基础上进行的。 在对当今网络性能方面的各种需求的分析后，我们作出了通过基于虚电路的微通 信元架构彻底解决网络服务质量问题的决定。之所以采用基于虚电路的方案，是 因为当今的各种研究表明在采用数据报传递的网络架构中要从根本上解决网络 服务质量的问题是不可能的。我们的微通信元体系架构的提出就是要彻底的解决 网络服务效率低和服务质量差的弊端。所以理所应当的我们在实现了基于数据报 的基本模型后，立即转入了对基于虚电路的微通信元架构的研究与实现。 本篇论文主要讲述我们在充分的研究与建模验证之后，在p c 的硬件平台和 l i n u x 操作系统下对基于虚电路的微通信元架构基本模型的实现方案，以及对他 性能的验证与测试。 文中主要阐述了采用虚电路结构的微通信元系统架构的主要特点，重点讲述 了虚电路建立、传输、维护以及撤销的整个过程。分析了主机和路由器如何协作 实现微通信元系统架构中的虚电路通信过程。 关键词：服务元，微通信元，虚电路 基于虚电路的微通信托系统构架藻本模型的实现 a b s t r a c t s i n c et h e1 9 9 0 s ，t h e r e h a sb e e ne x t e n s i v er e s e a r c h 汹t h ea r e ao fh i 曲 p e r f o r m a n c en e t w o r ka r c h i t e c t u r ea m o n g t h en e t w o r kc o m m u l l i t y h o w e v e r t h a t r e s e a r c hc o m m o n l y d e p e n d s o nt h ec o n v e n t i o n a lh i e r a r c h i c a ln e t w o r k i n ga r c h i t e c t u r e 。 a l t h o u g ht h en e t w o r k i n gp e r f o r m a n c e c o u l db ef u r t h e r i m p r o v e d ，t h ep r o b l e m s c o n c e r n e dw i t ht h ei n h e r e n tl i m i t a t i o n so ft h eh i e r a r c h i c a la r c h i t e c t u r e a r es t i l l d i f f i c u l tt ob er e s o l v e d 。t oo v e r c o m es u c hl i m i t a t i o n sa n di m p r o v ep o o rn e t w o r k s e r v i c ee f f i c i e n c y , w h i c hi sm a i n l yd u et ot h er e d u n d a n tf u n c t i o no v e r l a p sb e t w e e n n e i g h b o u r i n gl a y e r s a n d c o m p h c a t e d h i e r a r c h i c a l p r o c e s s e s e x i s t i n g i nt h e c o n v e n t i o n a lh i e r a r c h i c a ln e t w o r k ，b ya n a l y s i n ga n dc l a s s i f y i n gn e t w o r ks e r v i c e s ，a h o v e ln e t w o r ka r c h i t e c t u r ec a l l e dt h es e r v i c eu n i tb a s e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e 岱u n a ) w e r e p r e s e n t e d 。 t h i sp r o j e c ti sr e a l i z e do nt h em o d e lo fp a c k e t ，a f t e ra n a l y z i n gt h ed e m a n d so fn e t w o r k p e r f o r m a n c e ，w ed e c i d et of o r m t h em 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 ( m c e s ) b a s e d v i r t u a lc i r c u i tt oo v e r c o n l et h eq u a l i t yo fs e r v i c e w et a k et h ev i r t u a lc i r c u i ts c h e m eb e c a u s et h e n e t w o r ka r c h i t e c t u r eb a s e dp a c k e ts w i t c h i n gc a r ln o to v e r c o m et h eq 试耐o f s e r v i c e t h ev i r t u a l c i r c u i ts c h e m e w i l l f i n i s h t h e l o we f f i c i e n c y o f n e t w o r ka n d t h e b a d q u a l i t y o f s e r v i c e ，s oa f t e r w e a c c o m p l i s h t h em o d e lo f p a c k e t ，w eb e g i nt od e s i g na n dr e a l i z et h em o d e lo f v i r t u a lc i r c u i t t h i sd i s s e r t a t i o nm a i n l ys h o wt h en a no ft h em c e sb a s e dv i r t u a lc i r c u i to nt h e p cp l a t f o r ma n dl i n m xo s ，a n dt h et e s to fi t sp e r f o r m a n c e w ep o i n tt h em a i n c h a r a c t e r i s t i co fm c e sb a s e dv i r t u a lc i r c u i t ，t e l lh o wt o e s t a b l i s h , t r a n s m i t ， m a i n t e n a n c ea n dr e m o v et h ev i r t u a lc i r c u a l ，a n a l y z eh o wt h ev i r t u a lc i r c u i ti sf o r m e d b e t w e e nt h eh e s ta n dt h er o u t e r ， k 蜒w o r d s ：s e r v i c e u n i tb a s e dn e t w o r k a r c h i t e c t u r e ( s u n a ) , m i c r o c o m m u n i c a t i o ne l e m e n t s y s t e m ( m c e s ) ，v i r t u a lc i r c u i t i i 附件三 独创性声明 本人声锈所酝交静学使论文是本入在等癖指导下避行的掰究工佟及取褥的研究 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 发表或撰笃遘的硬巍成累，瞧不包含毙获得旗子毒； 技文学或其它教弯捉鞫熬学位或证 书而使用过的材料。与我一间工作的同志对本研究所做的任何贞献均已在论文中作了 明确的说明并表示谢意。 签名：嚣期：年冀酱 关于论文使用授权的说明 本学位论文箨卷完全了解电子辩按大擎有关保留、佼瑟学位论文静规定，有 权保留并向因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 阙。本人授权迤子科技大学霹以壤学位论文懿全部或部分内察缡入露关数据寿送 行检索，可以采用影印、缩印或扫攒等复制簪段保存、茫编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密黯应遵守此规定) 签名：导师签名： 西期：年胃舄 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 s u ： s u n a ： s d u ： m c e s ： n i c ： d m ： i t p m ： u i ： s s u ： r t m ： i c m p ： r i p ： b q m - a i 己p ： r a r p ： r t p ： r t c p ： 0 s p f ： t c p ： i p ： u d p ： 缩略词 s e r v i c eu n i t服务元 s e r v i c eu n i t n e t w o r k a r c h i t e c t u r e 服务元网络体系结构 s e r v i c ed a t au n i t服务数据单元 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 微通信元系统 n e t w o r ki n t e r f a c ec o n t r o l l e r网络接口控制器 d i s t r i b u t em a n a g e r分发器 r o u t e rp a r a m e t e rm o d u l e 路由器参数模块 u s e ri n t e r f a c e用户接口 s u b m i ts e r v i c eu n i t递交服务元 r o u t e rt a b l em o d u l e路由表模块 i n t e m e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l 网间控制报文协议 r o u t i n g i n f o r m a t i o np r o t o c o l选路信息协议 b u f f e rq u e u em o d u l e缓冲队列管理 a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l协议地址解析协议 r e v e r s e a d d r e s s r e s o l u t i o n p r o t o c o l 协议即反向地址解析协议 r e a l - t i m et r a n s p o r t实时传输协议 r e a l - t i m ec o n t r o lp r o t o c o l r t p 控制协议 o p e n s p f 开放s p f 协议 t r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c o l 传输控制协议 i n t e r n e tp r o t o c o l 网间协议 u s e r d a t a g r a m p r o t o c o l 用户数据报协议 i i l 苎王壅皇堕塑丝堕堕垂至垄塑墨苎查堡型塑塞翌一一 1 1 课题提出的背景 第一章引言 近年来，计算机网络技术正以飞快的速度在不断地发展。目前 互联网所使用的t c p i p 体系是基于层次体系结构的。因为在网络开 发的初期，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。其出发点在于 简化协议设计的复杂性。层具有封装性、隐蔽性和抽象性，层次结 构功重复，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 p i 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、区分服务d e f f s e r v 和多协议标记交换m p l s 等。 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， t c p i p 层次网络体系及互联网其它的局限所带来的矛盾也不断突 出。为了满足日益紧迫的网络应用的要求，在国内外网络界就进行 了许多关于高性能的网络体系结构的研究。我们提出了服务元网络 体系结构，服务元网络体系结构去掉了层次结构的观念，各个网络 功能部件是一个个的服务元，服务元网络体系结构也是模块化结构， 模块是服务元。服务元是能够提供服务而又隐藏内部细节的最小实 体。服务元不接受服务，只提供服务。同现在流行使用的t c p i p 体 系结构相比，它具有结构精简有效、效率高、容易扩展等优点。微 通信元系统构架是新型网络教研室自主开发的第一个基于服务元的 网络系统。 在我们完成了初步微通信元体系架构后，在对网络服务质量需 求的分析基础上，我们决定开发基于虚电路的微通信元体系架构， 从根本上解决网络服务质量问题。通信子网的构成有两种不同的思 想，一种是采用连接的，另一种是无连接的。在通信子网内部，连 接通常叫做虚电路。类似于电话系统建立的物理电路。当今网络通 信对服务质量的要求是越来越高。特别是在某些领域，现在的基于 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 数据报转发的网络体系是根本不可能满足需求的。所以基于虚电路 的微通信元体系架构是我们的必由之路。 作为计算机网络专业的研究生，研究开发新的网络体统不仅是 对我们所掌握的技术的检验，同时作为具有自主知识产权的一种全 新的网络体系结构，对加快我国网络技术的发展，维护我国网络信 息安全，还具有极其重要的意义。 1 2 课题任务简介及本人工作 1 本课题任务来自电子科技大学计算机学院新型网络研究室 所承当开发的基于虚电路的微通信元系统构架。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虚 电路的服务元网络体系结构的模型系统一一基于虚电路的微通 信元系统构架。课题任务的开发环境基于： 2 硬件：p c 机。 3 软件：l i n u x 操作系统 在这个项目中，本人分析了l i n u x 操作系统下网络体系结构的实 现机制，借鉴了本研究室的基于数据报的微通信元体系架构的实现 方案，提出了总体的设计思想，实现方案和测试方案。并和同学合 作圆满完成了基本模型的编码实现和测试。 1 3 本论文的结构 第一章引言，主要介绍了课题提出的背景及本人做的工作： 第二章服务元网络体系结构，介绍了网络体系结构的现状及服务 元网络体系结构；第三章微通信元系统构架，介绍了微通信元系 统构架的参考模型：第四章基于虚电路的微通信元架构基本模型 的实现环境与总体策略主要介绍基本模型的实现环境和设计总体 策略；第五章基本模型中虚电路的设计方案介绍了基本模型中 虚电路建立、数据传输和虚电路维护的方案；第六章基于虚电路 的微通信元架构基本模型的详细设计详细介绍基本模型的设计和 实现；第七章基于虚电路的微通信元架构基本模型的测试主要 介绍测试过程和测试结果；第八章全文总结对项目进行总结。 并提出下一阶段的任务。 基于虚电路的徽通信元系统构架基本模型的实现 第二章服务元网络体系结构 2 1 目前网络的特点及存在的缺陷 2 1 1 层次结构的特点 目前互联网所使用的t c p i p 体系是基于层次体系结构的。在 i n t e r n e t 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。其出发点在于简化协议设计的 复杂性。层由实体( 硬件和，或软件) 构成，能够接受下层提供的服 务，并能向上层提供增值服务。层具有封装性、隐蔽性和抽象性， 层次结构功能重复，实现复杂。具体来说，目前的网络体系结构具 有如下的特点： 1 ) 体系结构的适应性好。这是因为在i n t e r n e t 的发展过程中， 已经存在各种各样的实际的网络技术，i n t e r n e t 通过t c p i p 将这些不 同技术的网络连接在一个大的互联网上。 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。 2 1 2 t c p i p 协议存在的缺陷 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， t c p i p 层次网络体系及互联网其它的局限所带来的矛盾也不断突 出。主要表现在如下几个方面： 1 ) 可扩展性差，不能满足多种网络服务的需要。随着技术的发 展，对网络的应用需求是不断提高，但是基于层次性体系结构的 t c p i p 很难随意扩展，如前所述，t c p i p 在设计之初就没有认真考 虑各种服务质量的要求问题。目前在主机上只提供了不可靠的数据 报( u d p ) 服务和可靠的数据流( t c p ) 服务，路由上采用的是简单 的尽力转发机制，无法保证数据传输的时间特性( 延迟，抖动等) 。 只能在各层打补丁，来满足不断增加的需求。但是这样的结果，会 降低网络通信效率和计算机的处理性能。 2 ) 各层功能冗余。许多功能在不同的层次中都有处理，从而导 致网络许多地方功能重复( 如校验) ，数据报文冗余信息多，层间地 址多，处理复杂，并导致整体性能的下降。 9 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 3 ) 没有能很好的支持网络传输的q o s 。层次结构不适合保证端 到端的服务质量。并且没有很好的安全保障机制。层次结构的优先 级是分层处理的，各层的优先级位数和类型不一致。如果各层处理 不一致，则会造成混乱；如果一致，则会重复处理效率低。对于安 全保障机制，作为一种开放的系统，最早是没有考虑网络应用的安 全性的，虽然现在开发了很多安全协议机制，但是网络安全仍然是 一个十分严重的问题。作为一个开放的层次固定的体系结构系统， 黑客随时可以方便的研究存在的漏洞来进行攻击，同时，由于网络 的许多方面缺乏用户的有效控制，信息都暴露在网络上，黑客也可 以通过获得的相关信息进行拒绝服务，冒充，破解等多种形式的网 络攻击。为了保证信息安全，目前我国的关键网络只好采用物理隔 离的办法来防止来自外部的攻击，这大大降低了网络的使用效果， 给工作带来不便。 通过如上所述，我们知道，现在的基于t c p i p 的互联网网络技 术在许多方面已经越来越不能满足人们对网络的不断需求，特别是 些高级的网络服务，一些敏感部门的网络需求。虽然t c p i p 也在 不断发展，但是由于其开放性的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。因此， 无论国外还是国家都很重视网络体系结构的研究工作。 2 2 国内外网络体系结构相关研究介绍 国外网络体系结构的研究主要表现在两个方面，一个是在 t c p i p 体系结构上进行改进，满足日益紧迫的网络应用的要求。 d c l a r k 和d t e n n e n h o u s e 在1 9 9 0 年提出了面向网络协议处理 性能优化的应用级组帧( a l f ) 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。 d t e n n e n h o u s e 等人在19 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一一主动网络技术，主动网络的网络 节点不仅可以转发报文而且可以通过执行附加程序来对报文进行处 理a 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。该技术试图消除传统i n t e r n e t 对所有分组采用单一资源 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 分配和调度的模式。 1 9 9 7 年a l a z a r 提出可以根据应用需要，定制网络服务的可编 程网络模型，试图改变传统网络对所有应用只能提供固定服务的静 态模式。 上述研究都是基于传统的层次结构网络，对网络的性能进行改 善，但难以解决层次结构自身存在的问题，如安全问题。 另外一个方面是开创一个新的网络体系结构。针对现在网络通 信技术发展的特点，结合网络应用的需要，进行新型网络体系结构 的研究。 s t e f a nb o e c k i n g 提出的m c s ( m o d u l a rc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ) 构架是一种具有代表性的面向对象的网络体系结构。其出发点在于： 满足不断涌现的应用对于网络的不同性能和服务质量的需求。 在新型网络体系结构方面，美国有一个n e w a r c hp r o j e c t ，它是 d a r p a 基金支持下的，由u s ci n f o r m a t i o ns c i e n c e si n s t i t u t e c o m p u t e r n e t w o r k sd i v i s i o n 、m i tl a b o r a t o r yf o rc o m p u t e rs c i e n c e 、 i c s i ( i n t e r n a t i o n a lc o m p u t e rs c i e n c ei n s t i t u t e ) 共同研究的一个项目， 2 0 0 2 年1 0 月，b r a d e n 等人为了解决现有网络层间交互和难于扩展新 的服务的问题，提出了一种无层次的基于角色的网络体系结构。 基于角色的网络体系结构是一种新的非栈式的协议体系结构， 称之为基于角色的网络体系结构r b a ( r o l e b a s e da r c h i t e c t u r e ) 。 它也是模块化结构，r b a 没有使用协议层，取而代之地使用称为角 色( r o l e ) 的模块功能单元来组成通信系统。角色并未按层次来进行组 织，因而角色之间的互相连接( i n t e r c o n n e c t ) 将比传统的协议层次 要丰富得多。一个角色的输入输出部分是应用数据净载荷( p a y l o a d ) 和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 ) 。这个 元数据( m e t a d a t a ) 类似于当前普遍采用的层次网络体系结构中的协议 头。在各种分组头部中，元数据不再是一个栈( s t a c k ) 的结构，而 是一个协议头部“堆”( h e a p ) ，即分组头部由一个容器所取代，容器 可容纳各种大小尺寸的元数据子块。并且这些元数据块可以通过模 块化协议单元依任意的顺序来实现插入、访问、修改、删除等功能。 r b a 允许将现有的较大的协议如i p ，t c p 等进行模块化重组，使他 们变成许多小的单元从而与各种特定的任务对应起来。此类任务如： 分组转发，流量控制等等。每一个任务都是由功能可分的函数功能 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 模块来组成并由r b a 中的一个角色( r o l e ) 来完成。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。协议模块 称为一个角色。通常角色成对地定义，而且每对都是互补地，称之 为对应的角色( r e f l e c t i v er o l e s ) ，如( 分片，重组) ，( 压缩，解压) 等等。一些角色除了细节上有所不同外，通常具有相同的一般性功 能，作者把这些相关的角色归并在一起并称之为族( f a m i l i e s ) 。它 们的一般性功能通常抽象地表示成一般的角色( g e n e r i cr o l e ) ；特殊 的角色可由一般的角色经过一个或多个阶段的规定派生产生。 2 3 服务元网络体系结构 2 3 1 服务元的分类模型 服务元网络体系结构也是模块化结构，模块是服务元。服务元 是能够提供服务而又隐藏内部细节的最小实体( 硬软件) 。服务元不 接受服务，只提供服务。 服务元提供服务是通过服务数据单元s d u 完成的。s d u 又称为 包( p a c k e t ) 。服务元是s d u 的发送者( 源) 、接收者( 目的) 、转发 者( 递交) 或变换者。按照启动服务的方式和与s d u 的关系，服务 元可以分为五类，对应模型如图2 1 所示。其中，第一、二、三和四 类服务元是s d u 的源和目的，用矩形表示。矩形下方的下箭头和上 箭头表示服务元按规定顺序发送或接收的一系列s d u 。 系统调用 发现问题或求助 解决闻属 甾! e 羁。u + - 元i s o u a 第一类服务元b 第二类服务元c 第三类服务元 d 第四娄服务元e 第五娄服务元 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。矩形上方粗箭头 表示执行系统调用。粗箭头的方向表示应用的信息流向：上箭头表 示接收；下箭头表示发送。例如应用执行系统调用w r i t e ( ) ，启动有 连接发送数据服务元，它把应用发送的数据分成小块组成一系列的 包发送，还要接收一系列的确认包。粗箭头的方向向下。又例如应 用执行系统调用c o n n e c t ( ) ，启动( 主动) 建立连接服务元，通过三 1 2 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 次握手建立连接。下方的上、下箭头表示先发出的第一次握手的包， 再接收第二次握手的包，后发出的第三次握手的包。如果应用为了 接收而执行c o n n e c t ( ) 则粗箭头的方向向上。第一类服务元是为本 节点( 应用) 提供服务的。对于没有操作系统的节点，系统调用将 被a p i 函数取代。 第二类服务元因网络发生不正常事件或请求帮助而启动服务， 并主动向某节点发警告或求助信息。第三类服务元由于收到此警告 或求助信息而启动服务，进行内部处理。i 节点的第二类服务元和j 节点的第三类服务元协作向i 节点或j 节点提供服务。例如当路由器 收到数据报长度大于下一网段的最大传输单元时发生错误，它的第 二类服务元向源主机的第三类服务元发送目的站点不可到达的信 息。又例如i 节点i c m p 服务元求助j 节点i c m p 服务元进行可通性 测量。 第四类服务元周期性地启动或收到相关包启动。其服务通过按 规定顺序发送和接收的一系列的包完成。并且通常是通过包的组播 方式进行收发。例如路由选择协议服务元，动态地为路由器填写路 由表。路由递交类型服务元接收到的包按路由表递交到相应端口。 第四类服务元用于各相关节点协作为整个网络系统提供服务。 第五类服务元由于s d u 的到来而启动服务并对s d u 进行变换后 输出。三角形上方的下箭头表示源于本节点s d u 的到来，输出的s d u 由三角形下方的下箭头表示；三角形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 由三角形上方的上箭头表示。例如压缩 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。 由于第五类服务元功能是两两互逆的，我们将互逆的服务元的两个 三角形画在一起。 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，它总是发送包所经过的本 节点的最后一个服务元。它一方面通过介质访问控制把本节点的包 转换为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 流到本 节点转换成包。考虑到：1 、网络接口层功能完全由网卡完成，而服 务团队其它服务元基本由主c p u 完成，二者可以并行；2 、由于网络 接口层只提供服务，并不接受服务，所以网卡既能作为层次结构的 最下层，又能作为新结构中的一个n i c 服务元。 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 2 3 3 层的地址和端地址 现有的n 络体系结构，无论是层次结构还是m c s 构架( 微通信 元系统构架，将在下章介绍) 都认为层间服务访问点s a p 由层的 地址来标识。问题是层的地址只有两种：节点( 主机和路由器) 地 址( 网号和网内节点号) 和端口号。所以如果存在着二层以上的网 络模型，则标识s a p 的地址就会重复。例如t c p i p 中，传输层和应 用层的地址都是端1 3 号，网络接口层的m a c 地址和网络层的i p 地 址都是节点地址。 在服务元网络体系结构中，将抛弃层的地址的概念，而采用端 到端地址。 2 3 4 服务元功能元素及服务 表2 1网络的各种服务功能元素 类服务功能元素 对应包的域对应服务元 型 网位的编码和 络解码验错基本硬头和硬校n i c 服务元 接成包和拆包 验 口m a c 介质分配 类 资源监控( 类r t c p )广义i c m p 专用广义差错控制服务元 实 域 时资源预留( 类r s v p )类r s v p 专用域资源预留服务元 q+ 优先级处理仅基本软头优先级处理服务元 o s 类 防抖动( 类r t p )类r t p 专用域类r t p 服务元 无 连发送数据基本硬头含校验无连接发数据服务元 接 1 4 基于廉电路的微通信元系统构架基本樱型的实现 暇 务接收数据同上无连接收数据服务元 类 有建立逐接建立连接服务元 连释放连接 释放连接服务元 接浚接专援蠛( 会 有逶接发数攥骚务元 服 保序、流控、拥寨控校骏) 务翻( 卡鲻错) 有涟接收数据服务元 类 安鲡瓣密e s p 专蠲躐安全净旖缀务元 全数字认证a h 专用域 认证服务元 类 o s p f 投文在数据域o s p f 服务元 r i p 报文在数据域r i p 服务元 爨e g p 由b g p 报文在数据域e g p 服务元 类d v m r p 擐文在数据域b g p 服务元 单播递交 报文在数据域d v m r p 服务元 缝撵递交 仅基零头部擎攫递交鼹务冗 源选径递交 仅基本头部缀播递交服务元 深透径专耀竣深逡径递交缀务露 其 镪i c m p ，i g m p ，分泞疆文瘩数据域各秭广义差错控潮疆 类务元 每一个基本网络服务功熊称为服务功能元素，而服务功能则定 义为服务功能元素的集合。纵观各罩申网络，其服务功能元素归纳如 表2 一i 第一列所示。菜些服务元素强在路幽器中宪成，例如o s p f 、 r i p 、e g p 、b g p 、d v m r p 和祷釉路妇递交簿功能。某些服务功能元 素只能由主视完成，例如分片功能，对于浇带网络而言，路由器和 路出交换机等网络设备是不成参与分片的。应该采用类似i p v 6 的方 法，当源主机所发包的尺寸大于菜阏络的最大传输单元m t u 辩，网 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 络设备向源主机返回允许的包尺寸，源主机重发允许尺寸的包。 2 3 5 服务元网络体系的节点模型 应用的松散集台 服务元的有组织的集合 图2 - 2 服务元网络体系结构节点模型 节点模型分为两部分：应用层和服务层。应用层只接受服务， 服务层只提供服务。这里的层并不是层次结构中的层，它是平面的 概念，所以我们分别称之为应用群和服务团队。应用群包括应用基 础( 网络管理和域名解析) 、典型应用( w w w 、e m a i l 和f t p 等) 和一般应用。应用群是各种应用的松散集合。服务团队是服务元的 有组织的集合，它除了向本节点应用层提供服务外，还能和其它节 点服务元合作向整个网络系统提供服务或向某一节点提供服务。 2 3 6 服务元网络体系的优势 目前，实用的网络体系结构都是层次结构，例如o s i 、t c p i p 、 s p x i p x 和a t m 等。其中，o s i 参考模型被公认是最严格的。尽管 t c p i p 比o s i 等协议具有较高的效率，但是功能冗余重复，影响了 它在宽带网络中的应用。 在层次结构中，第n 层向第n + l 层提供的服务s 。，n + l 是第n 一1 层 向本层提供的服务s - i ，n 和本层自身提供的服务s 。的并集，记为： s n ，n + l = s n us n 1 ，n( 1 ) 依次进行叠代后有： s n ，n + 1 = s n us n 1us n 2 s 2 us 1( 2 ) 由( 2 ) 可知，第n 层网络协议所提供的服务是第1 层到第r l 层 各层自身提供服务的并集。为了提高效率，各层服务能力不应该具 有交集，如果出现交集则表示各层服务功能有重复。因为交集是不 能提供增值服务的。 t c p i p 存在的低效率问题在于各层的服务能力具有大量的交 集。而服务元网络体系结构就解决了这个问题：分别讨论如下： ( 1 ) 抛弃t c p i p 多层检错的方式采取一次检错 1 6 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 检错能力定义为能检出错误的集合。如果多层检错，则总检错 能力应为各层检错能力之并集。但是t c p i p 多层检错的能力小于各 层检错能力的总和。例如，最常见的t c p i p 以太网中，在传输层， 数据段的头部包含1 6 位效验和对数据报的头部、伪头和数据进行检 错；在网络层，数据段的头部也包含16 位效验和对数据段的头部进 行检错，但由于当数据段到达介质访问m a c 子层时所有的数据将进 行3 2 位循环冗余码( c r c ) 检错，所以这三层的检错能力仅仅等于 介质访问m a c 子层的检错能力。正是因为“i p 校验和的计算是i p v 4 的一个主要开销”1 1 0 】，所以经过激烈的争论i p v 6 取消了校验和。遗 憾的是在对峙争论中获胜的一方仅仅解决了“i p 校验和多余”的问 题，而不可能解决“t c p 校验和也多余”的问题，因为他们的任务 仅仅是制定网络层的i p v 6 。此外，采用多层检错时，各层的包头检 错的次数少于包的内容。显然，包头的错误比包内容的错误危害更 大。为了弥补这个缺陷，在t c p 和u d p 的包头部增加了伪头，伪头 包含了源机器和目的机器的3 2 位i p 地址，协议编号以及数据段的字 节数。在效验和的计算中包括了伪头，这样就等于再次检查了i p 头 的一些内容，但如前面所说传输层、网络层和介质访问子层的检错 能力仅仅等于介质访问子层的检错能力，所以其实并未增强检错能 力。 服务元网络体系采用一层纠错，只由硬件计算3 2 位循环冗余码 ( c r c ) ，并填写在数据包尾部，这样解决了t c p i p 校验冗余的问题。 ( 2 ) 避免地址重复提高效率 例如在o s i 模型中i p 地址和m a c 地址都是一个节点的地址。 但如果一个网络设备要与另一个网络设备直接通信时需要同时知道 对方设备的i p 地址和m a c 地址，这样出现了a r p 协议即地址解析 协议( a d d r e s s r e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 和r a r p 协议即反向地址解析协 议( 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 0 1 ) ，a r p 协议的功能是将i p 地址转化为m a c 地址，而r a r p 协议的功能为将m a c 地址转化为 i p 地址。这些协议无疑增加了开销。组播也存在着i p 地址到m a c 地址的映射问题。 服务元网络体系只有一个端到端地址这样避免了地址重复带来 的效率低下的问题。 ( 3 ) 分片( s e g m e n t ) 问题 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 p v 4 实现中当路由器收到的需要转发的包长大于要发往的网络 规定的最大包长时需要对数据包进行分片，传输层都要处理，不仅 多次开销，而且无法避免各层之间的交互。 服务元网络体系采用的办法是当路由器收到的需要转发的包长 大于要发往的网络规定的最大包长时向对方节点发送类型为目的地 不可达的i c m p 报文，然后丢弃该数据包。对方节点接收到i c m p 报 文后将数据包分片再重新发送。 ( 4 ) t c p i p 协议栈本来就是为了窄带文本数据而开发的，所以仅 仅网络层服务类型具有分级分类标志，而且早期并未使用。后来随 着宽带网络和多媒体技术的发展，为了保证q o s ，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、区分服务d e f f s e r v 和 多协议标签交换m p l s 等。这些技术相互重复且不一致，例如各层 的优先级位数和类型就不一致。关键在于优先级和类型本身就不适 合于层次结构，如果各层处理不一致，则会造成混乱：如果一致， 则会重复处理效率低。 服务元网络体系只需一次处理端对端的q o s 即可。 ( 5 ) 由于层次结构功能重复还造成包头( 首部) 增长，传输效率 降低。服务元网络体系的包头没有冗余信息，所以传输效率高。 2 3 7 层次网络体系结构向服务元网络体系结构的过渡 服务元网络体系结构基本沿用原有的网卡，仅仅稍作改变( 将 主机地址设为网卡地址，主机地址可以由用户来设置，主机地址采 用i p v 4 或i p v 6 的i p 地址) 就能使用。第一步保持系统调用不变， 使t c p i p 的浩如烟海的应用程序和建立在t c p 、u d p 上的所有软件 都可以照常使用；第二步通过增添服务元，扩充系统调用以便直接 支持话音和视频信号的实时传送。服务元体系结构中，由于省去了 帧的处理，路由器甚至“第四层”交换机的硬件结构和包转发率和 价格都将和现在的第二层交换机相近。廉价的新网络系统通过包转 换器和现有因特网相连使过渡可以逐渐展开。 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 第三章微通信元系统构架 因为服务元是s d u 的发送者、接收者、转发者或变换者( 和网 络介质一起组成有源信道) ，所以将它们称为微通信元。相关节点的 服务团队将微通信元组织成微通信系统，再将大量微通信元系统组 织成网络系统。这就是我们把服务元网络体系结构的第一个网络系 统称为微通信元系统m c e s ( 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 ) 构架的原因。 微通信元系统构架的构建原则是容易从t c p i p 过渡而来：1 ) ； 包格式尽可能靠近t c p i p ( 但要删除其冗余重复部分) ，以便简化包 转换器；2 ) 大量吸收t c p i p 的成功经验，例如服务功能元素的定 义、套接字机制、三次握手建立和释放连接、t c p 的状态迁徙图、 滑动窗口技术，等等；3 ) 沿用t c p i p 的系统调用格式；4 ) 可扩展。 3 1 微通信元系统构架的参考模型 微通信元系统构架的参考模型如图3 1 所示。图中矩形和三角形 中的s i | i 表示它是第i 类服务元中的第j 种服务元。 服务元的功能如表2 1 所示。其中，有连接类服务元和无连接类 服务元为第一类服务元，他们由于系统调用而启动；i c m p 、i g m p 、 r t c p 和分片的主动服务元为第二类服务元，它因网络发生不正常事 件或请求帮助而启动服务，并主动向某节点发警告或求助信息；其 被动服务元为第三类服务元，它由于收到警告或求助信息而启动服 务，并进行内部处理；路由类服务元为第四类服务元，它周期性地 启动或收到相关包启动；加解密服务元、认证( 和数字签名) 服务 元和n i c 服务元是第五类服务元，它由于数据服务单元s d u 的到来 而启动服务并对s d u 进行变换后输出。 同一节点的第五类服务元序列可以相同，也可以不同。这样就 实现了一台主机可以和不同节点同时进行不同的通信，例如加密通 信和一般通信。第五类服务元序列的结构在初始化时设置，也可以 通过节点间协商进行再设置。 服务元网络体系允许用户定义服务元用以扩展网络功能。例如 用户定义新的路由递交服务元，可以实现主动网络的功能。 基于虚电路的微通信元系统构架基本模型的实现 ls 一系列一、二、三、四类 服务元 i s 。t 图3 1 微通信元系统架构的参考模型 3 2 微通信元系统架构的地址 即 微通信元系统构架的地址是由节点地址和端口号构成的序偶。 端到端地址= ( 节点地址，端口号) 使用地址时，可以使用端到端地址整体，也可以使用其一个部 分( 节点地址或端口号) 。 基于虚电路的徽通信元系统构架基本模型的实现 第四章基于虚电路的微通信元架构基本模型的实现环 境与总体策略 在对基于虚电路的微通信元架构基本模型的设计和实现中，我们 的主要目的是，验证基于虚电路的微通信元系统构架理论的正确性 和探索网络体系实现理论。所以我们的指导思想是，在满足目的要 求的前提下，尽量做到基本模型的简单，有效节约有限的人力和时 间。 基于虚电路的微通信元架构基本模型的实现环境为： 1 ) 用以太网作为传输链路。采用i n t e le 1 0 0 以太网卡。 2 ) 终端节点主机为单c p u 的i 3 8 6 & l i n u x 2 4 2 0 平台。 3 1 路由器由单c p u 的i 3 8 6 & l i n u x 2 4 2 0 平台的p