（计算机科学与技术专业论文）自治网络模型中的上下文子系统的研究与实现.pdf

自治化网络模型中上下文子系统的研究与实现 摘要 目前，人们对服务质量、网络安全、网络管理等方面的需求日益 迫切，传统互联网结构越来越高的复杂性给网络运营、管理、扩展、 新业务的部署带来了很大问题。因此传统互联网结构正面临着深度调 整和变革的问题。 自治网络能够通过合理有效的测量机制，实现对环境、用户、业 务状态的自适应感知、调整和优化，减轻网络管理的负担，执行一体 化的监控和安全机制，从而能够有效地管理大量用户。 c a a n m ( c o n t e x t a w a r ea u t o n o m i cn e t w o r km o d e ，广义上下文感 知的自治网络模型) 的目标是研究一种新型的网络结构，以分级的自 治控制环的形式实现基于收集分析决策执行的自治计算通信思 想，建立广义上下文感知的自治网络，以支持自管理、异构通信与业 务q o s 保障。其中，上下文子系统为自治控制环的“收集提供信 息来源，是实现自治的重要基础之一。论文对构建一个上下文子系统 的各关键技术进行了研究与分析，并在l i n u x 平台上实现了一个原型； 在此基础上，对该子系统进行全面的测试与分析。 论文首先描述了“广义上下文感知的自治网络模型的研究 项目 的背景情况及当前自治网络的研究现状，以及相应的上下文方面的介 绍，然后介绍了自治网络的体系结构和自治控制环工作流程，以及上 下文子系统的功能需求和结构。接着又具体论述了自治网络模型里的 上下文子系统关键技术的研究，主要包括上下文信息的采集、建模、 管理、存储与分发等方面的研究。之后给出了上下文子系统的详细设 计和实现方案，包括信息采集、信息管理分发和存储方案等关键部分。 最后描述了对上下文子系统进行功能测试和与自治模型中的自治节 点自治控制环部分的集成测试的过程和结果，并对论文的主要工作进 行了总结，指出了上下文子系统的不足和改进方法。 关键词上下文感知上下文分发自治网络自治控制环 r e s e a r c ha n di m p l e m e n t 芦汀1 0 no f c o n t e x ts u b s y s t e mi nc aa n m a b s t r a c t c u r r e n t l y , p e o p l e sd e m a n df o rq u a l i t yo fs e r v i c e ，n e t w o r ks e c u r i t y , o p e r a t i n ga n dm a n a g e m e n t ，i sb e c o m i n gm o r ea n dm o r eu r g e n t ，w h i l et h e h i g hc o m p l e x i t yo ft r a d i t i o n a ln e t w o r km a k e i tn o ta ne a s yw a yt oo p e r a t e ， m a n a g e ，a n dd e p l o yn e wb u s i n e s s t h u st h et r a d i t i o n a ls t r u c t u r eo ft h e i n t e m e ti sf a c i n gad e e pr e s t r u c t u r i n ga n dr e f o r m b ya p p l y i n gp r o p e ra n d e f f e c t i v em e c h a n i s m sf o r m e a s u r i n g ， a u t o n o m i cn e t w o r kc a na w a r ei t se n v i r o n m e n t ，u s e r s ，a n ds e r v i c e ss t a t e ， a c c o r d i n gt ow h i c ht h es e l f - a d j u s t m e n ta n do p t i m i z a t i o nc a nb em a d e ， t h e r e f o r et h eb u r d e no fn e t w o r km a n a g e m e n tw i l lb er e d u c e d a l s o ，t h e i m p l e m e n t a t i o no fi n t e g r a t e dm o n i t o r i n ga n ds e c u r i t ym e c h a n i s m sm a k e i tp o s s i b l et om a n a g eal a r g en u m b e ro fu s e r se f f e c t i v e l y c a a n m ( c o n t e x t a w a r ea u t o n o m i cn e t w o r km o d e ) i s t ob u i l dan e w c o n t e x t a w a r ea u t o n o m i cn e t w o r ka r c h i t e c t u r ew i t ht h em a i ni d e ao f l a y e r e da u t o n o m i cc o n t r o ll o o p s ( c o l l e c t a n a l y z e d e c i d e - e x e c u t e ) ，i n o r d e rt o s u p p o r t n e t w o r k s e l f - m a n a g e m e n t ，h e t e r o g e n e o u s c o m m u n i c a t i o n sa n dp r o v i d eq o s f i r s t ，t h et h e s i si n t r o d u c e st h eb a c k g r o u n do fc a a n mp r o j e c ta n d t h ec u r r e n tr e s e a r c hp r o g r e s so nc o n t e x t a w a r e ；s e c o n d ，i ti n t r o d u c e s a u t o n o m i cn e t w o r ka n dc o n t e x ts y s t e mt e c h n o l o g y t h e n ，i ts h o w st h e c a a n ma r c h i t e c t u r e ，h o wt h ec o n t r o ll o o p sw o r k ；a f t e rt h a t ，t h ep a p e r p r e s e n t sad e t a i ld e s i g na n di m p l e m e n t a t i o nf o rt h ec o n t e x ts u b s y s t e mo f c a a n m i nt h ee n d ，t h ep a p e rd e s c r i b e st h ep r o g r e s sa n dr e s u l t so f f u n c t i o na n di n t e g r a t et e s tt ot h ec o n t e x ts u b s y s t e m ，a n dc o n c l u d e st h e m a i nt a s ko ft h ep a p e q p o i n t so u tt h ed e f e c t sa n dt h ei m p r o v i n gm e t h o d o ft h em e a s u r i n gs y s t e m k e yw o r d sc o n t e x t a w a r ec o n t e x t d i s s e m i n a t i o n a u t o n o m i c n e t w o r ka u t o n o m i cc o n t r o ll o o p i i i 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。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 包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他 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 何贡献均己在论文中作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。 本人签名： ；虱! 垫易 日期： 堡窆垒垒基! 兰璺 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电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北京邮电大学。学校有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借 阅；学校可以公布学位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、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在一年解密后适用本授权书。非保密论 文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本人签名： ! 蜀! 茎l 必 r 期： 塑皇牟查凰生固 导师签名：匿必 ：日期：塑21 三：! 至 北京邮f 乜人学硕j j 学位论文自治网络模型中的j ：下文了系统的研究与实现 1 1 课题背景 第1 章绪论 计算机和通信技术的发展推动了网络技术的发展和更新，并促进了网络应用 的发展。网络应用的种类日益繁多，除了传送文本数据，还有传输话音数据和视 频数据，以及其他多种类型的多媒体数据等；交互形式由传统的点到点式，发展 到单点到多点( 如视频广播和远程教育应用等) 以及多点到多点之间的交互( 如 计算机视频会议应用系统等) 。 互联网的体系结构自从确立到现在没有发生过根本性的变化，只是针对出现 的不同需求，采用了渐进性的修补策略，一些功能和技术在原有体系结构上进行 堆积，从而使得原本十分简洁清晰的网络结构变得越来越复杂。在对服务质量， 网络安全、可运营可管理等方面的需求不断迫切的情况下，传统互联网的网络结 构越来越高的复杂性给网络运营、管理、扩展、新业务的部署带来了很大问题。 因此传统互联网结构正面临着深度调整和变革的问题。例如，严格的层次化设计， 不透明的分层使得层间信息与功能访问缺乏灵活性，限制了性能优化；当前互联 网采用的端到端准则形成了复杂终端、简单网络的结构，网络中间节点只执行转 发功能。这种中间节点简单转发的模式限制了网络层功能的演进。未来网络的发 展，朝着更加智能化、更加自治化的方向发展，并且要求网络具有白恢复、自动 感知网络环境、业务需求等功能。这些需要网络节点的功能的很大扩展。 因此，互联网需要定义一个新的网络模型来解决这些问题。这个模型能给网 络带来更好的灵活性和自治特性。网络的自治化，也就是通过上下文信息的反馈， 进一步对自身的行为作适应性的调整，从而减少人工的干预。而上下文信息的来 源，是不拘于某个层面的，因此它能给应用带来跨层操作的特性；同时，跨层操 作的特性又将进一步的促进自治化。综上所述，自治化的实现是建立上下文的感 知、以及对上下文的分析使用的基础上的。因此，创建一个灵活、高效的上下文 子系统是十分必要的。 1 2 上下文感知的研究现状及发展趋势 要实现一个自治节点的自治控制坏，满足网络与业务的各种自治需求，非常 关键的一点就是获取各种所需的上下文信息。 上下文子系统的目的是运用各种渠道获得网络上下文、节点上下文和业务上 北京邮电大学硕上学位论文自治网络模型中的上下文子系统的研究与实现 下文等上下文信息，并进行有效的管理。自治网络模型里的节点自治控制环、路 由自治控制环和q o s 自治控制环都需要上下文子系统的支持。 目前的上下文感知应用中，使用得最多的上下文信息为地理位置信息，以及 其它自然界的环境信息。而近年的研究的一个热点是把上下文这个概念充分应用 在计算机科学本身的范畴上，并把上下文与网络智能化相关的概念联系起来，如 语义网络，本体( o n t o l o g y ) 等。 对于如何使用上下文信息，目前主要有直接访问信息源( 传感器等) 、基于 中间件和基于上下文服务器等三种方式。在第一种方式里，传感器的驱动直接集 成在应用程序之中，这种紧耦合的方法仅仅在少许特殊的场合下使用。同时由于 它的直接访问特性，缺乏管理多个并行传感器的能力，所以不适合应用于分布式 的系统；第二种方式采用了现代软件设计中通常使用的封装的方法，基于中间件 的方案为上下文感知系统引入一种层次化的结构，隐藏了底层的传感器信息。相 比于前面的直接访问方案，这种技术增加了系统的可扩展性：由于有严格的封装 接口，程序可以简单地重用与硬件相关的代码，而不用修改上层代码；对于第三 种方式，是因为在实际应用中，常常需要允许多个客户端接入到远端的数据源。 这种分布式的方案对基于中间件的方案进行扩展，引入了一个远端接入管理组 件。收集到的传感器数据被移到“上下文服务器”里，以便于并发的多重接入。 除了传感器的重用外，上下文服务器的使用还缓和了客户端对上下文信息源的密 集操作。 随着网络技术的同益发展和网络业务的日益更新，网络的自治化将是以后网 络研究的重点。而作为实现自治化的基础和前提之一，上下文感知及其应用也将 成为今后研究与开发的重要内容。而且上下文的范畴会日益广阔，对上下文的获 取与使用的方式会渐渐增多起来。 1 3 本文研究内容主要工作 本文主要研究c a a n m 中上下文子系统的关键技术以及功能实现。具体内 容就是依托国家8 6 3 项目“广义上下文感知的自治化网络体系结构模型 ( c a a n m ) 的研究”，设计实现自治网络模型的上下文子系统的各功能模块， 使之与系统其他模块协同工作，完成上下文子系统对自治节点的自治控制环及其 它实体提供上下文信息的功能。 其中，研究工作的难点在于如何实现相关上下文的采集获取、一个灵活高 效的分布式的上下文存储和查询子系统，以及对上下文信息的管理分发。 目前上下文采集工作主要分为网络上下文和节点上下文的采集两个方面。要 做的工作大体上分为制定通用的采集模式、并针对不同类型的上下文设计具体的 2 北京邮l u 人学硕i ：学位论文自治嘲络模型中的l ：下文予系统的研究，j 实现 采集方案。 对于上下文存储，主要是针对本系统所涉及上下文类型的特性，制定一个灵 活、有效的多层次存储方案。 对于上下文的管理分发，主要是对上下文信息进行管理，对信息分发时的通 信模式作研究比较，制定公用接口以及信息交互格式的规范。 上下文子系统的设计与实现。根据上述研究及制定的方案，深入分析实现细 节，写出总体设计和详细设计，并结合l i n u x 平台进行编码实现。 上下文子系统的测试，通过在网络中的节点上部署上下文子系统，并设计应 用场景，对本系统的各模块做功能测试，并与节点的自治控制环配合测试。 1 4 论文组织结构 论文后续各部分内容安排如下： 第二章介绍了上下文感知和自治网络的相关技术。 第三章对c a a n m 的自治网络模型的总体架构作了简要介绍，并给出其对 上下文子系统的总体需求。 第四章对上下文系统的各个关键技术进行了研究，并根据研究成果对上下文 子系统进行了总体设计。 第五章详细介绍了在上下文子系统总体设计方案的基础上，给出对上下文子 系统的详细设计与实现。 第六章介绍了上下文子系统的测试及验证方案。 第七章对研究工作进行了总结。在列出主要研究成果的同时，指出了研究的 不足方面，并提出了下一步的改进和完善建议。 3 北京邮电大学硕上学位论文 自治网络模型中的上下文了系统的研究与实现 第2 章上下文感知与自治网络 2 1 上下文概念 上下文感知计算中的上下文和诸如社会学和语言学研究领域中的上下文是 有区别的。对后者而言，上下文这个概念主要用在解释人们的行为方面，这时上 下文包括所有的会对人们行为构成影响的外部因素。对这种上下文建模基本上是 不可能的，即使能够建模也无法完全说明人类的行为。在上下文感知计算领域， 上下文首先是与应用相关的可测量的属性。这些属性作为输入可能会改变应用程 序的行为。一个典型的例子就是旅游指南一类的软件，如果要在地图上显示用户 感兴趣的最近的旅游景点，则用户此时的位置就是最基本的上下文要素。 在w e b s t e r 字典中，上下文被定义为：有关某个事件和人物的所有的状态、 背景和环境。这个定义过于广泛，无法使用在上下文感知的计算中。在上下文感 知的计算方面，研究工作者对上下文进行了各种定义。 在上下文感知系统研究的早期，对上下文概念的定义常常采用列举法详 细地列出上下文包含的类型：文献f 3 1 首先提出“上下文 ( c o n t e x t ) j , 塞_ 个术语， 并认为上下文是“位置、人和事物的标示，以及这些对象的改变”；另一种上下 文的定义为“人的位置和特征、时间、季节和温度等”；文献【5 】定义上下文是 “用户的位置、环境、特征和时间”；d e y ( 1 9 9 8 ) 定义上下文是“用户的情绪状态， 关注焦点，地点和方位，时间和时间，以及用户所在坏境里的人群和物体 。 另一种定义是把上下文定义为“外界环境( e n v i r o n m e n t ) 9 9 9 “情境( s i t u a t i o n ) ”， 即把上下文描述为目前状况的各个方面，而这种定义通常显得太空泛：在文献【6 】 中，上下文被定义为“计算机了解的用户环境元素”；文献【7 1 认为上下文是用 户的情况( s i t u a t i o n ) ；文献【8 】则认为上下文是应用程序的环境的状态；文献【9 】对 上下文进行了狭义的定义：上下文是特定实体的物理和概念的状态。 也有人认为，上下文信息是指能被支持某项行为的服务所使用的对事物状况 的任何描述。事物的状况可以理解为事物的某些性质和当前事物间的关系。这里 的事物可以是物理实体，比如人和地点，也可以是系统的组件，比如软件服务， 还可以是项目或者群体。 文献 1 0 1 对上下文进行了更加通用准确的定义：“上下文是所有能够描述用 户与应用程序之间交互所涉及的实体( 包括人、位置、物体等) 状态的信息。其 中包括用户和应用程序自身”。这个定义的中心是：上下文是实体周围的信息。 4 北京邮i l l 人学硕：i j 学位论文自治网络模型中的上下文予系统的研究0 实现 这也是目前普遍认同的对上下文的定义。 2 2 上下文感知 数学计算在过去的二十余年一般都只是在个人微机和膝上电脑上进行，而随 着移动设备( 如p d a 和智能手机等) 的出现和普及，普适( p e r v a s i v e u b i q u i t o u s ) 系统正逐渐变得流行起来。普适系统通过感知上下文信息，并相应调整系统自身 的行为，给应用开发人员和端用户提供全新的体验。尤其是与移动设备相结合后， 这种上下文感知机制的可用性将大大增强，同时也将变得越来越重要。 普适计算 1 9 8 8 年，“普适计算之父 m a r kw e i s e r 在x e r o xp a r c 实验室开始了这一 领域的工作。w e i s e r 在1 9 9 1 年第一次提出了“p e r v a s i v e 的概念，意思是指“计 算设备与用户日常生活的无缝接合【1 】 ，也就是普适计算( p e r v a s i v ec o m p u t i n g ) 的思想。他认为普适计算的目标在于：计算机在整个物理环境中都是可获得的， 而用户则又觉察不到它的存在。计算机作为一种工具，应该融合到计算中，“消 失在后台”，系统以用户和他们的计算任务为中心，而不是计算设备以及技术方 面的因素。 从技术的角度来看，普适计算至少包含三层含义【2 1 ：a 无处不在的计算设 备( 己实现) ；b 无处不在的网络连接( 已实现) ；c 无处不在的数据访问和协同 工作。对这三层含义的实现将使得计算变得“透明”。“透明”是指获得这种服务 时不需要花费很多注意力，即这种服务的访问方式是十分自然的甚至是用户本身 注意不到的，即所谓的蕴涵式的交互( i m p l i c i ti n t e r a c t i o n ) 。相对“随时随地 的 特性，“透明”是普适计算更本质的要求，也是它与桌面计算模式最本质的区别。 在实现上，这种“透明的特性是以后台强大的上下文系统作为支撑的，计 算设备能方便地通过上下文感知系统获取当前的上下文信息，进行行为的自适 应，从而使得计算能融入到环境中，做到无缝接合，即“透明”。 上下文感知 由上述可知，在普适计算研究中，“上下文感知”( c o n t e x t a w a r e ) 是其中的关 键技术之一，上下文感知系统能根据目前的上下文来调整它们的行为，而无需用 户明确的干涉，以保证系统的可用性和高效性，系统通常会考虑环境上下文来进 行不同场合下行为的调整。例如当用户的计算环境切换到移动设备上的时候，我 们希望应用程序和服务等能对它们目前的地点，时间和其它环境信息起反应，并 根据环境的改变调整它们的行为。此过程中所需要的上下文信息可以通过多种方 s 北京邮电大学硕上学位论文 自治网络模型中的一j ：下文子系统的研究与实现 式获取，例如部署传感器，测量网络信息，查询设备状态，查阅用户配置文件或 者其它渠道。 2 3 自治网络 2 3 1 背景与简介 由于硬件、软件的飞速发展，通信和网络的计算系统其固有的异构特征，以 及嵌入式设备和其它普适系统的普遍加入，当前的系统变得极其复杂。为应对普 遍存在的、不断增长的复杂性，自治计算把焦点放在易于自管理的计算系统，以 及能够自感知、自配置、自优化、自愈、自保护的通信系统上，以便在没有或尽 量少的人工干预或指导下进行最大可能的扩展。 从广义上讲，自治计算是指一个能自动调节以满足正在其中运行的应用需要 的基础结构。从技术方面来看，自治( a u t o n o m i c ) 化是未来网络体系结构的研 究中的一个主要方向和趋势。网络自治化的思想得益于自治计算、自治通信领域 研究的思想，在网络体系结构设计中加入自治化功能，以便实现自组织 ( s e l f - o r g a n i z a t i o n ) 、自管理( s e l f - m a n a g e m e n t ) ，自配置( s e l f - c o n f i g u r a t i o n ) ， 自感知( s e l f - a w a r e ) 、自优化( s e l f - o p t i m i z a t i o n ) ，自保护( s e l f - p r o t e c t i o n ) ，自 修复( s e l f - h e a l i n g ) 等自治特性。自治化的网络结构通过在系统上添加更灵活、 适应性更强的功能模块，通过获取更丰富的信息源而不仅仅是在系统内部获取信 息，实现自感知，即包括周围网络环境、客户需求、业务状态、自身状态等信息 ( 自感知) 。当感知到网络环境或自身内部环境发生变化时，适应性地做出较优 决策，然后根据决策调整自身( 自配置) 使自身达到性能最佳或较佳( 自优化) ， 调整网络包括自组织服务，重定向路由，重分配可用资源等使网络性能达到最佳 ( 自组织、自优化) ，为客户提供最优服务。它的“自属性”减少了网络管理的 人工操作，减轻了网络管理者的负担，解决了现在由于用户应用需求、底层网 络技术、网络设备等越来越异质而导致的网络管理的复杂性。并可以通过回顾和 分析历史数据，避免攻击等( 自保护) 。甚至在系统的某个功能实体失效时存在 某种机制使系统能够继续维持自身的正常运行、在网络的某方面如某个服务失效 时也能够自组织替代服务维持网络的正常工作。 自治网络是一种新型的网络结构，它具有灵活性、动念性、安全性的特点， 能自治形成适应网络结点及整个网络的各种网络操作策略，在简化了对复杂通信 架构的管理的同时，降低了对人工参与及管理的需求。自治网络能够通过合理有 效的测量机制，实现对环境、用户、业务状态的自适应感知、调整和优化，减轻 网络管理的负担，执行一体化的监控和安全机制，从而能够有效地管理大量用户。 6 北京邮电人学硕i ：学位论文自治网络模型中的j ：下文了系统的研究与实现 2 3 2 自治网络相关的上下文 在自治网络中，进行上下文信息收集与感知，对探测和采集的数据进行管理 和研究，以便下一步做出正确决策，是网络实现自治行为功能的基础。需要采集 使用到的信息可以分为以下几种： ( 1 ) 网络上下文( n e t w o r kc o n t e x 0 网络上下文包括网络环境( 固定移动无线等) 、网络状态( 负载、流量、 故障情况等) 、网络管理状态、网络性能( 如q o s 性能等) 、资源状态、路由状 态等与网络相关的状态参数。网络上下文感知需要分布在自治结点各个网络层次 上( 链路层、网络层、传输层等) 的一系列采集元( c e ) 来实现。它将为网络 优化与重构提供依据。网络上下文主要反映节点可用的网络资源及其性能情况， 包括链路资源：链路形式( 有线无线) ，链路带宽：链路性能：根据u t 定 义，包含i p 包传输时延( i p t d ) ：定义为i p 包穿过一个基本段或网络段集合所经 历的时间，与该包传送成功与否无关；i p 包丢失率( i p l r ) ：丢失的i p 包传送结 果与所有i p 包的比值。 ( 2 ) 节点上下文( n o d ec o n t e x 0 节点上下文包括节点所拥有的资源信息，运行状态。例如常见的有通过节点 当前的c p u 使用率来判断节点运行状态( 繁忙空闲) ；其它的如节点所拥有的 物理硬件信息，软件资源( 可用的服务等) ，这些都是节点上下文的范畴。它们 对于节点在运行时自诊断、行为自调整、按资源进行网络路由转发、o o s 队歹i j 调度都有重要参考意义。 ( 3 ) 业务上下文( s e r v i c ec o n t e x t ) 业务上下文可以定义为业务的类型、起始时间、运行状态( 业务网络性能) 等。用户业务感知的内容一方面是用户的状态、业务服务需求( 如o o s 及安全 等方面的需求) ，这将使网络能够以自组织的形式提供构造、组合及优化服务的 提供，满足用户的需求。业务服务需求可以通过在领域( 或a n s ) 边缘的用户 业务代理来获得；用户业务感知的内容另一方面是业务运行的性能与状态的感 知，用以提供重构及优化服务的依据。业务性能感知也需要特定的c e ( 或监测 功能元) 来实现。 7 北京邮电大学硕一卜学位论文 c 一) () () () c cx _ 一 图3 - 1 自治结构 如图3 - 1 所示，自治结构的每个层面上的实体都由相应的自治控制环组成。 上层的自治控制环通过下发决策，从而对下层的自治控制环起控制影响作用，后 者则在运行时可向前者作反馈。自治节点是自治控制环的最终载体，这些自治节 点的功能不一，拥有的自治控制环也不一样，例如有些带有路由转发功能，有些 带q o s 调控功能等。 传统互联网以严格分层为特点，在对互联网的发展起到了重大推动作用的同 时，在许多应用领域也导致了一系列问题。分层结构使得每一层的开发都与其它 层独立，在性能和灵活性方面有所缺陷。不透明的层次结构阻碍了对层内部的功 能和信息的访问，而层间接口的严格定义也降低了性能。由于对相邻层行为的不 可预见，每一层未必能做出最优的决策。为此，自治通信中提出了一种跨层 ( c r o s s 1 a y e r ) 的体系结构，允许层与层之间的直接功能访问和信息共享，使得自 治反馈坏能够依据更全面的信息进行决策和优化。 8 北京l l i i f 1 1 人学颐1 ：学位论文自治网络模型中的1 ：下文子系统的研究i 实现 c a a n m 所采用的自治结构采纳了跨层的思想，每一个级别的自治控制坏都 可以直接与上下文子系统交互，从而使得自治控制环间可以实现“跨层操作。 p 回 圈 圈 毡圜占 图3 - 2 自治控制环结构 如上图3 2 所示，自治控制环包括四个环节： 收集：进行信息收集与感知，包括节点上下文、网络上下文和业务上下文等 上下文的感知，信息的来源主要是上下文子系统。其重要性体现在：自治控制环 需要研究收集到的网络环境与业务的信息，以便做出正确决策；自治控制环需要 对探测和采集的数据进行管理和研究，从而能够全面呈现广义上下文环境。值得 注意的是，上级自治控制环给下级自治控制环分发的自治行为，以及上下自治控 制环给上级自治控制环提供的反馈，也属于“收集 对象的范畴。 分析：分析收集到的信息，并构建一个当前情况下的面向网络及业务的模型， 这个模型将成为做出适应性改变的决策的基础。信息的分析有两方面：一是基于 过去一段时间内得到的历史信息，即分析网络运行的普遍规律，并分析预测网络 未来的长期运行趋势。另一方面是基于当前网络运行时得到的信息，进行即时分 析，以便及时做出正确决策。例如：拓扑变化、链路中断、拥塞等，这属于短期 分析。 决策：节点利用经过分析的信息做出正确决策。例如，结点新加入网络时， 如何进行初始配置、业务需求的q o s 参数如何配置等，网络变化时应用该如何 自我调整等。所有这些决策将以自治行为( a b ，a u t o n o m i cb e h a v i o r ) l 拘 式反映出 来，这些自治行为或在当前级别自治控制环上执行，或下发到下一级别的自治控 制环作进一步处理。 执行：即节点自适应行为，含义为根据所做出的自适应决策，在网络中执行 相应的策略。这些策略的执行又会反过来影响下一轮的网络信息收集。例如：在 服务发现方面，自动决定服务的最佳位置，并决定是否启用取消一个服务；在 q o s 实现方面，包括q o s 参数的配置、缓冲区管理、排队、调度等与q o s 有关 的各项操作；在路由方面，则侧重于端到端较佳传输路径的选择。 9 北京邮电大学硕士学位论文自治网络模型中的上下文子系统的研究与实现 3 2 上下文子系统需求分析 从数据流动交互的角度来看，上下文子系统主要负责上下文信息的采集存 储，同时向自治网络系统的其它部分提供信息查询等上下文服务。 因此可知，在c a a n m 中，上下文子系统的基本( 最主要) 任务有两个： 一是采集与网络实体相关的上下文信息，包括前面所述的网络上下文、节点上下 文以及业务上下文等；二是对这些上下文进行管理，向外界应用、自治控制环等 提供所需信息。从自治控制环的四个核心部分来看，上下文子系统为自治控制环 “收集”部分的重要消息来源。 考虑到在分布式环境下的可用性，目前针对上下文感知系统的解决方案大多 数是基于中间件和上下文服务的系统。很多分层结构的上下文感知系统和框架在 不断的发展，它们中的大多数区别在于：功能范围，使用场所和层次的命名，可 选代理的使用或者其它框架的概念。除了上述的这些差别和改动外，c a a n m 上 下文子系统要实现的框架可以被抽象为图3 3 所示： 应用 存储管理 预处理 采集i 数据获取 感应器 图3 - 3c a a n m 上下文子系统的框架 上图所示的结构，从下往上，详细说明如下： 一、采集：其中又可以分为感应器和数据获取两层： 感应器：包含了由各种传感器组成的集合。值得注意的是，这里的“传感器 并不单指硬件意义上的感应设备，它还包括可以提供可用上下文信息的所有数据 来源。从数据捕获的方式来思考，“传感器”可以分为以下三大类：【i n d u l s k aa n d s u t t o n ，2 0 0 3 】 1 物理传感器。最常用的传感器是物理传感器。目前能找到的硬件传 感器几乎能捕捉到所有的物理信息，例如光线，图像，声音，动作，加速 度，地点，触摸行为，温度和生理因素等。 2 虚拟传感器。虚拟传感器从软件应用程序或服务获取上下文信息。 例如判断一个员工的位置，除了通过追踪系统( 物理传感器) 外，还可以 通过查阅他的电子同历、旅游预订系统，电子邮件等方式。再例如，可以 1 0 北京i l f gj l 巳人学硕l ：学位论文自治网络模型中的f ：下文了系统的研究j 实现 从鼠标的移动和键盘输入情况来判断用户的活动。 3 逻辑传感器。其含义是使用多个信息源，综合物理和虚拟传感器以 及数据库等的信息来解决更高层次的任务。例如，为了探测某雇员目前的 位置，逻辑传感器可以通过分析雇员在p c 机上登录的情况，再与数据库上 关于p c 设备与地址信息映射的数据表来得到结果。 数据获取：负责取回上下文的原始数据。它使用合适的物理传感器的驱动， 为虚拟的和逻辑传感器提供a p i 。查询功能通常采用可重用的软件组件实现，从 而可以使用如g e t p o s i t i o n 0 这样的函数来透明地获取物理底层所获得的信息。同 时由于有共同的接口，这些组件可以是可替换的( 只要接口保持一致) 。例如， 把一个g p s 系统替换成r f i d 系统时，当前层次以及上层应用不需作很大的改 动。 二、预处理：该层在上下文感知系统中一般不作实现，但在原始数据太粗劣 的情况下，它可能提供一些有用的信息。预处理层的作用是负责推理和解释上下 文信息。( 上层应用) 对传感器的查询通常返回的是技术数据，上层开发人员不 能直接使用。因此，这一层在把上下文数据传递给上一层的时候，会做些提取和 量化的工作。例如，应用程序需要的并不是一个人所在位置的g p s 坐标，而是 这个人所在房间的名字时，这一层负责做一些信息转化工作。 在一个包含多个上下文数据源的上下文感知系统里，多个单独的上下文数据 元素可以按一定法则组合成更高层次的信息。这个过程也被称为“聚合”或者“合 成”。单个的传感器数据对上层应用来说也许不太重要，但多个数据聚合后形成 的信息就显得更重要和准确了。这一层对上下文的抽象化功能可以由上层应用直 接实现，但出于效率等多方面的考虑，这项任务应该移到上下文服务器里。 另外，当使用多个数据源的时候，就可能会产生信息的冲突，这些冲突也应 该在这一层里得到解决。例如，系统同时从某个用户的手机和一个摄像头得到该 用户的位置，如果这两个位置不一样的时候，就很难判断哪一个是准确的。通常 这种冲突的解决方法是增加一些额外的信息，例如时间戳等。 三、存储管理：向外面的应用提供一个公用查询接口。客户端有两种接入 模式：同步和异步。在同步模式下，客户端通过远程调用来检测服务器端上下文 信息的变化，它向服务器端发送一个特定消息的请求，并在得到回复之前一直保 持等待状态。异步模式通过订阅来实现。每个客户端订阅它所感兴趣的事件，如 果有相关的事件发生，服务器则简单的通知客户端或者通过一个回调( c a l lb a c k ) 函数来反映。通常情况下，异步模式适用范围会更广一些，因为底层的上下文变 化通常会比较频繁。 四、应用：这是应用层。对不同事件和上下文实例的不同反应在这层以面 向用户的应用程序的形式实现。通常信息的获取和应用程序所关注的上下文信息 1 1 北京邮电人学硕：t = 学位论文 自治网络模型中的上下文了系统的研究与实现 管理与推理以代理( a g e n t ) 的形式实现，代理与上下文服务器通信，在预处理层和 应用层之间充当连接。一个上下文应用逻辑的例子如下：客户端是一个移动设备， 当它感应到外界环境的光线变暗后，能调高屏幕文本显示的对比度，方便用户阅 读。 1 2 北京i l i l l i k 人学硕i ：学位论文自治网络模型中的上下文了系统的研究j 实现 第4 章c a a n m 上下文子系统关键技术的研究 由前面所述的需求分析可知，上下文子系统的关键技术包括采集、建模、存 储、管理和分发等几个方面。下面分别就以上内容进行研究与分析，并给出 c k n m 中上下文子系统所采用的方案。 4 1 采集技术的研究 4 1 1 网络上下文采集概述 网络上下文包括网络环境( 固定移动无线等) 、网络状态( 负载、流量、 故障情况等) 、网络管理状态、网络性能( 如q o s 性能) 、资源状态、路由状 态等等与网络相关的状态参数。总的来说，网络上下文又可以分为连通性与网络 的性能数据两大部分。 对于连通性，通常用“存活”来表述目标对端地址对应节点的状态。在实现 上，可使用一个i c m pe c h o 数据包来探测对方是否存活( 当然在主机没有被配 置为过滤i c m p 的前提下) ：通过简单的发送一个i c m pe c h o ( t y p e8 ) 数据包到 目标主机，如果能接收到对应的i c m pe c h or e p l y ( i c m pt y p e0 ) 数据包，说明 目标主机处于存活状态。否则，就可以初步判断目标主机没有在线，即非存活状 态，或者使用了某些过滤设备过滤了i c m p 的r e p l y ：熟悉的网络管理工具p i n g 和t r a c e r t 都基于这种基本思想。 性能数据又可以分为运行性能和统计性能。前者如时延、丢包率等，这些可 以通过主动测量获得，其主要思想是主动地发送一些测量包，并分析统计这些测 量包的反馈信息，从而得到所需性能数据。实现上可以对前面所述的i c m p 方法 作进一步改进所得，例如在i c m p 数据包里带上序列号和时间戳，通过统计回复 的数据包就可以得到相应的性能数据；后者如经过某节点的数据的负载和吞吐 率，由该转发节点自身统计，并上报结果。当前比较成熟的被动测量技术主要有 s n m p 、r m o n 、n e t f l o w ( c f l o w d 、s f l o w 、n e t s t r e a m ) 等。 4 1 2 节点上下文采集概述 节点上下文包括节点所拥有的资源信息，运行状态。例如常见的有通过节点 1 3 北京邮电大学硕上学位论文 自治网络模型中的i - 下文了系统的研究与实现 当前的c p u 使用率来判断节点运行状态( 繁忙空闲) 。其它的如节点所拥有的 物理硬件信息，软件资源( 可用的服务等) ，都属于节点上下文的范畴。由于节 点上下文较多的是对自身资源的描述，在收集上更多的是与本身属性相关、跟节 点提供的操作系统有关。例如对于w i n d o w s 系列操作系统，获取c p u 使用率的 相关的a p i 就包括：p e r f o r m a n c ed a t ah e l p e r 系列函数、g e t s y s t e m t i m e s 函数、 n t d l l d l l 中未公开的n t q u e r y s y s t e m l n f o r m a t i o n 和w m i ( w i n d o w sm a n a g e m e n ta n d i n s t r u m e n t a t i o n ) a p i 等。l i n u x u n i x b s d 类系统则是在p r o c 文件系统中提供这 些信息。 当节点运行着s n m p 服务时，也可以用s n m p 协议通过统一的接口获取相 应的节点上下文信息。s n m p ( s i m p l en e t w o r km a n a g e m e n tp r o t o c o l ，简单网络 管理协议) 是i e t f 为了解决i n t e r n e t 上的路由器管理问题而提出的一个网络管 理规范，它与协议无关，由一系列协议组合规范组成 1 8 1 。 4 1 3业务上下文采集概述 对于应用于网络上的业务，一般的鉴别技术是基于“流 的概念。流( f l o w ) 可定义为具有同一组特性的数据包的集合。一个流在一定的超时时间内没有新的 数据包到来时，称这个流“终止 了，否则称这个流“活跃”。通常，一个f l o w 条目包含以下信息：源i p 地址和目的i p 地址( s o u r c ea n dd e s t i n a t i o ni p a d d r e s s ) 、 源端口号和目的端口号( s o u r c ea n dd e s t i n a t i o np o r t ) 、协议类型( p r o t o c o lt y p e ) 、 t o s 类型( t y p eo fs e r v i c e ) d s c p 和输入物理接口索引( i n p u ti n t e r f a c e ) 。 4 1 4c a a n m 上下文子系统中的上下文采集 本章将首先讲述在上下文子系统中，采集元( c o l l e c t i o ne l e m e n t ) 共同的工作 方式，然后分别地描述各种采集元的具体采集测量方案。 4 1 4 1c a a n m 网络上下文采集的总体方案 在c a a n m 里，不再按传统区分普通节点与路由器，网络中的实体都被看 作是节点。如前面所述，节点问存在功能性上的差异，所拥有的自治控制环不一 样，例如某些节点拥有路由自治控制环，故具有一定的路由转发功能。 网络上下文采集的总体方案如下：首先，节点间在特定端口发送探测数据包， 进行邻居发现，并获得直接邻接节点的i d ( 通过c a a n m 命名组提供的i p 到i d 的转换接口) 。接着向这些邻接节点发送i c m p 请求数据包，请求数据包的信息 包含请求的序列号和时间，然后等待对方发送的i c m p 回复；通过统计分析一段 1 4 北京1 1 5 1 e 人学顺j j 学位论义自治网络模型中的f ：下文了系统的研究与实现 时间内收到的i c m p 回复数据包，从而得知网络当前的性能数据。并把相应的信 息封装成x m l 串，最后发送给后台管理模块，由其进行后期处理。工作原理如 下图舡1 所示： 节点a节点b 图4 _ 1 网络上下文采集j =