（计算机应用技术专业论文）微通信元系统架构中主机服务元管理器的设计与实现.pdf

微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 摘要 为了窄带数据传输设计的t c p i p 仍然是目前互联网所使用的 主流网络体系结构，但是随着各种新型网络应用的涌现，它的弊端 则越来越明显地影响应用业务的发展。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 网络处理效率低下的问题，通过对现有网络中服务类型的分析、归 纳，提出了一种基于服务元的新型网络体系结构。而微通信元系统 构架则是第一个基于这种新型网络体系结构的网络系统。 本文介绍了一种新型的网络体系结构一一服务元网络体系结 构，主要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，这是基于服 务元网络体系结构的第一个网络系统。文中对微通信元系统架构在 主机上的实现模型进行了较为细致的讲解，包括总体设计及各个模 块的设计。在此基础上，本文重点介绍了微通信元系统架构中，服 务元管理器在主机上的设计与实现。 我的这篇论文主要讲述用p c 机模拟实现基于 架的主机模型。首先介绍了服务元网络体系结构； 元系统构架的参考模型：蜞次讲述了基于微通信 一、一一一一 模型的总体设计；第四章介绍基于微通信元系统 元系统构架 构架的服务 墨曼塑珏羹 微通信、一一，4 的主机，j 毒 lt 口 元管理l 一。 器的详细设计；第五章介绍服务元管理器及该系统模型的测试方法 及测试结果。第六章进行了全文总结。 关键词：服务元，微通信元，服务元管理器，系统调用 微避倍元系统构架中主机服务元鬻瓒器的设计岛实现 a b s t r a e t d e s i g n e df o rt h en a r r o wb a n dd a t at r a n s m i s s i o n ，t c p i pi ss t i l l t h em a i nn e t w o r ka r c h i t e c t u r eu s e db yt h ep r e s e n ti n t e r n e t h o w e v e r ， a c c o r d i n gt o t h eb u l ke m e r g e n c eo fv a r i o u sn e wa p p l i c a t i o n so ft h e n e t w o r k ，i t sl i m i t a t i o n sa r ei n c r e a s i n g l ya f f e c t i n gt h ed e v e l o p m e n to f n e w a p p l i c a t i o n s s i n c et h e19 9 0 s t h e r eh a sb e e ne x t e n s i v e r e s e a r c h i nt h ea r e ao f h i g hp e r f o r m a n c e n e t w o r ka r c h i t e c t u r e a m o n gt h e n e t w o r kc o m m u n i t y h o w e v e r ，t h a tr e s e a r c hc o m m o n l yd e p e n d so n t 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 e n 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 t l i m i t a t i o n s o ft h eh i e r a r c h i c a l a r c h i t e e t u r ea r es t i l ld 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 h l 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 ks e r v i c ee f f i c i e n c y ，w h i c hi s m 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 nn e i g h b o u r i n g l a y e r s a n d c o m p l i c a r 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 g a n d c l a s s i f y i n g n e t w or ks e r v i c e s ，an 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 t b a s e dn e t w o r ka r c h i t e c t u r e s u n a ) w e r ep r e s e n t e d t h i s p r o j e c t a i m st o i m p l e m e n t t h em i c r o c o m m u n i c a t i o n e l e m e n ts y s t e m ( m c e s ，t h ef i r s tn e t w o r ks y s t e mu n d e rt h es u n a f r a m e w o r k ，i n t ot h e l i n u x p l a t f o r m t h ei n p l e m e n t a t i o n o fm c e s a r c h i t e c t u r ei s p r e s e n t e d i nt h i sd e s s e r t a t i o nw i t hd e t a i l ，i n c l u d i n g g e n e r a la n dm o d u l ed e s i g n a n db e s i d e s ，e m p h a s i s h a sb e e np u to n t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h es e r v i c eu n i tm a n a g e ri n t h e m c e sa r c h i t e t u r e t h i sd e s s e r t a t i o nm a i n l yi n t r o d u c e st h ei m p l e m e n t a t i o nm e t h o d s o fs i m u l a t i n gt h eh o s tm o d e lo ft h em c e so np cs y s t e m s f i r s t l y ， s u n ai si n t r o d u c e d 。a n ds e c o n d l y ，i st h em c e sa r c h i t e t u r ea n dt h e n i st h eg e n e r a ld e s i g no ft h eh o s tm o d u l e c h a p t e rf o u rg o e so nw i t h t h es e r v i c eu n i t m a n a g e ri n d e t a i la n d c h a p t e r f i v e p r e s e n t s t h e t e s t i n g m e t h o d sa n dt h e r e s u l t s c h a p t e r s i xm a k e st h e s u m m a r i z a t i o n 。 | l 微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 k e y w o r d ：s e r v i c eu n i t ，m i c r o - c o m m u n i c a t i o n e l e m e n t s y s t e m ( m c e s ) ，s e r v i c eu n i tm a n a g e r ，s y s t e mc a l l i i l 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，论文中不惫含其德人已经发表或撰筲过的磷究戒莱，毽不包含 为获德电子科技大学藏其它教育机构的学位或证书丽使用过的材料。 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 确的说明并表示谢意。 签名：势堑一题期：m 争年学月；手臼 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 的裁定，毒权傈警并岛髫家有关部门或规掏送交论文鳇复印箨和磁 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、缩印威 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 徐密鼢学使论文在鳃密爱波遵守戥规定) 笈名：鎏盔兰导师签名；盏垒丝 目期：z o o 争年辱胃。子醋 锩通信元系统鞫蘩串主枫舷务元管淫嚣酶设诗毒赛现 s u ：s e r v i c eu n i t 壤嬉谲 服务元 s u n a ：s e r v i c eu n i tn e t w o r k a r c h i t e c t u r e 黢务元列络搏系结麴 s d u ：s e r v i c ed a t au n i t 服务数据单元 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 徽遥僖元系统 n i c ：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 u i ：u s e ri n t e r f a c e 用户接翻 客q m ： b u f f e rq u e n em o d u l e 缓滓获疑管理 a r p ： 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 a r p ：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 协议簿反淘逮璇解 析协议 t c p ：t r a n s p o r t c o n t r o lp r o t o c o l 传输控铷协议 i p ：i n t e r n e tp r o t o c o l 酒润蛰议 u d p iu s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 用户数据报协议 a r p a n e t ：a 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 r p a 计 舞机网 c r c ： c y c l er e d u n d a n c yc h e c k循环冗余校验 i p ：i n t e r n e tp r o t o c o l 鲻嚣蛰议 m a c ：m e d i u ma c c e s sc o n t r o l 介质访问控制 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 模块纯逶蔷系统 m t u ：m a xt r a n s f e ru n i t 最大传输单元 o s i ： o p e ns y s t e mi n t e r c o n n e c tr e f e r e n c em o d e l 开放式系缆 互联参考摸登 q o s ；q u a l i t yo fs e r v i c e服务质量 r b a ：r o t e b a s e da r 馥i e t e c t 毽f e 惫琶瓣终俸系结穆 r s v p ：袋e s o u r e e r e s e f v e p f o t o c e l爨源预豳协议 微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 r t c p ： r e a l t i m e t r a n s p o r t p r o t o c 0 1 实时传输协议 s u b a ：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服务元网络体系结构 v 徽通信元系统构架中主机鞭务元管璎籀的设计岛实现 1 1 课题背荣 第一耄弓l 京 计算机网络觚蒸出现潮现在酷经经历了几十年的发震，霞前互 联网掰使用的t c p i p 体系是基于层次体系结构的。谯a r p a n e t 开 发的初期，计算梳潮络的疲蔫还只是学术研究性质，潮络酌应用主 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，因藏采用层次体系结稳。萁密发点程予篱纯漭议设计麓麓杂往。 层由安体( 硬件和或软件) 构成，能够接受下层提供的服务，并 能囱上层提镞增值服务。舆侮来说，强鼹豹网络体系结构爨蠢螽一f 的特点：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 r n e t 懿菠黢过程中，清瑷了器耱蔷释瓣实繇貔网终技术，t c p i p 融会 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。2 ) 佟为努垂豹传系缝梅，各令屡次戆功我麴怼狻立，霞予设计。然藤 t c p i p 最初的开拨设计鼹基于窄带网络传输文本信息，随着网络 技寒敦蓬勃发展，人髑对羽终应爝懿要浓越来越裹，对网络服务的 的高效性、可靠性、多样性等提出了更高的要求，如对视频、语齑 等多媒体售慰熬实游传簸，对嬲终的q o s 、安全等方面的要求，此 时t c p i p 的弊端也逐渐暴露出来，层次结构的特点使得于巴新的按 拳积橡准弓l 入现鸯嬲络中麴出现了困难；另外由于几个网络协议鼷 的冗佘操作而使网络性能下降。虽然t c p i p 也在不断发展，但怒 由于英开放性的固定层次体系结构的限制，这种需求和限制的矛鹰 将是长期的，这些内容在后文也有详细的叙述。解决这个问题的校 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 缴纪9 0 年找开始，在莺际网络界就进行了谗多荚于高性 能的网络体系结构的研究，并鼠已经涌现出了很多成果，比如地址 髂系络稳方嚣的f a r a 翻新型的n i r a 路由体系结构。在嘲络体系 结构方面则有b o bb r a d e n 等人提出的r o l e b a s e da r c h i t e c t u r e 。当 然晷内的磷究也没有仅仅停留在过去的层次结构上而氇在这个骥，聪i 一、的领域展开了探索。电予科技大学计算机学院的曾家智法9 瓣研究 薹， ) 这些体系续构对，l 对现鸯网络中服务炎别的分析、归纳，针对现有 的分层网络体系结构存在的层闻功能重叠和复杂的分层麓理过程 微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 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，它是一种易 于从t c p i p 过渡的服务元网络体系结构的构架。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。微通信元系统构架具有简洁、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 本课题任务来自电子科技大学计算机学院新型网络研究室所 承担开发的电子科技大学的“十五”学科建设项目一一新型计算机 网络体系结构及关键技术研究。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 系统一一微通信元网络架构。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 在这个项目中，本人分析了t c p i p 网络体系结构的设计弊端、 实现机制，深刻理解服务元新型网络体系结构的概念思想，密切配 合课题组的其它成员，积极参与服务元网络体系结构的分析、微通 信元系统架构在主机上的实现模型的总体设计，并负责微通信元架 构中主机上的服务元管理器的设计与实现，圆满完成了任务。 1 3 论文结构 、八 本论文共分为世9 章。 第一章：引言。介绍本课题的背景和来源，作者所作的工作以 及论文结构。 第二章：服务元网络体系结构及微通信元系统架构。主要分析 了现有层次网络结构( 酌粥茬的问题，对服务元网络体系结构中进行 了详细介绍，并在此基础上进一步对微通信元系统架构的主要方面 敲通信元系统构架中主枫靛务元管理器的设计麓实现 进行了阐述。 第三章：主机系统的徽通信元模型设计 介绍了烹机系统的各个模块组成部分，并分别简要描述其作 翅。 第四章：主机系统微通信元模型服务元管理器详细设计 译缝定义、设计了服务元管遴器酶实鬟方式，数据缮梅，函数 设计，接口等等细节f ? 。0 第五章：主机系统的徽通信元模登的测试 分绍测试环境、测试方法，并分攒了测试结果。”。、 第六章：全文总结。对课题工作浠面总结，分析不足并对下一 步工稼提出了建议。 徽通信元系统构架中主机服务元管理嚣的设计与实现 第二章服务元网络体系结构及微通信元系统架构 2 1 现有层次网络体系结构存在的问题 2 1 1 层次结构的特点 且。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 r 1 ) 体系结构的适应性好。这是因为在岖n t e r n e c 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 ne | 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 2t c p lp 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： r + j 、 1 ) 可扩展性差，不能满足多种网络服务的需要。随着技术鲍 磷 发展，对网络的应用需求湿环断提高，但是基于层次牲体系结构的 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 4 微通佰元系统构架中主机服务元管理姑的设计岛实现 簿致网络许多造方凌戆重爱( 翔校验) ，数据缀文冗众信惠多，瑟 间地址多，处理复杂，并导致整体性能的下降。 3 ) 层次结构不适合傈证端到端韵服务质鬃。层次结构的优先 缀是分层处理的，各层的优先级僦数和炎型不一致。如果各层处理 不一致，剿会造成混乱；翔采一致，鄹衾重复处理效率低下。丽量 由于t c p i p 没有虞电路方式，资源预瞬无法可靠地保证。这样， 辩实辩的话煮、图像传输来说，靛难蔽遮到舔期嚣效巢。 4 ) 没有很好的安全保障机制。作为一矛申于 放的系统，最早是 没有考虑网络应用的安全性的，虽然现在开发了校多安全协议梳、 制，但是网络安全仍然是一个十分严重的问题。作为个开放的f 屡 次固定的体系结构系统，蒜客随时可鞋方便的研究存在的漏洞来避 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 暴露张网络上，黑客也可戳通过获得豹褶关信息进行拒绝服务，餮 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 关键阏络只好采用秘理隔离鼹夯法来魏止来蠢舞都戆袭击，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，我们稚遒，现在的蓉予t c p f l i p 的互裴潮网终 一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 滢“ 是一黧高级的网终服篱b 些敏感部门的隧终需求。虽然t c p i p 一 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，邋 种需求和限翻的矛詹籍楚长麓的。解莰这个淹题酶裰本办法是竣诗 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 忿，凭论国矫还是鹜家郡穰重褫蹒络体系结礴熬磅褒工 睾。 2 。2 国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袭现在两个方筒，一个是程 t c p i p 体系结构上进孬改进，满是叠簸紧遥豹舞络寝蔫的簧求。 d 。c l a r k 和d 。t e n n e n h o u s e 在19 9 0 年提出了谳向网络协议处 理性能优化的应用级组桢( a l f ) 的嘲络体系结 每憨想，试鹜清除 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1 9 9 6 年掇出了可以在龄个分组上进行 资源分配和调度的高往熊网络模型一一主动网络技术，主动网络的 s 微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 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。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 s i 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 t l a b o r a t o r y f o r c o m p u t e r s 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 6 徽遥信觉系统梅繁孛圭橇耱努元管理器豹设计与实现 些元数撰块可以通过模块他协议单元婊往意的顺序来实现插入、访 阀、修改、删除等功能。r b a 允谗将现有的较大的协议如i p ，t c p 等进行模块化夔组，使他们变成许多小的单元从两与各釉特定的任 务对应起来。此类任务如：分组转发，流量控制等等。每个任务 都是由功能可分的函数功能模块来组成并由r b a 中的个角色 ( r o t e ) 来党成。角色是对个通信模块的功能性描述，如完成分 缎转发或处理等功能。协议模块称为一个角色。通常角色成对地定 义，而髓每对都是互补地，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，解雕) 等等。一些角色除了细节上有所 不同外，通常舆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 永成一般的角色( g e n e r i cr o l e ) ；特殊的角色可由般的角色经过 一个或多个阶段的规定派生产生。 2 。3 服务觉网络体系结构的介绍 服务元网络体系结构不同于层次体系结构，它认为各个网络功 能部件是一个个的服务元，每个基本网络服务功能称为服务功能 元素，而服务功能则定义为服务功能元索的集合。服务元网络体系 结构也是模块化结构，模块是服务元，各个服务元之间没有上下层 次关系，由各稀不同功能的服务元组合完成各种不同的网络功能。 2 3 1 服务元网络体系结构的节点模型 服务元溺络体系结构懿节点模型如图2 一l 辑录。 i应用豹松散集舍 l l服务元的有组织的集合 应援屡( 应用群) 服务层( 服务群队) 图2 - l 服务元网络体系结构的节点模型 节点模鍪努为舔韶分：应用篷秘鼹务屡。应用层只接受冁务， 服务层只链供罪务。由予它髑都不是典型兹层，掰以我们势澍稔之 为痰用群秘鼹务匿敬。应麓群包括痰臻基秣( n 络罄理彝域名鳃 褥) 、獒型应角( w w w 、e m a i l 彝f t p 等) 秘一般应用。清注意 应蠲群毽含了瑟骞的应翅，嚣不只是共性豹应瘸。应月黎是各秘应 弱瓣松数集合。服务团驮是服务元款商缝织教嶷台，它黢了向本节 微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 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 2 服务元的分类定义 每一个基本网络服务功能称为服务功能元素，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。这是一个抽象的概念，服务元是怎么提供服务 呢，可以通过对服务元的分类定义来更具体化。 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 2 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 。 a 第一类服务元b 蕈二类服务元c 第三粪服务元 d 第四娄服务元。靖五娄服务元 图2 2 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s e n d ( ) ，粗箭 头的方向向下，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。又例如 应用执行系统调用c o r l n e c t ( ) ，启动( 主动) 建立连接服务元，通 过三次握手建立连接。矩形下方的上、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r e c e i v e ( ) 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o s 的节点，系统调 用将被a p i 函数取代。 镁避僖嚣系统鞫桨母圭执照务元管壤器熬设诗与窭现 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 或求助信息黼扁动服务，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。例如路由 器的第二类服努元向源主机的第三类服务元发数据格式错的信息。 又例如i 节点p i n g 服务元求助j 节点p i n g 服务元进行可通性测 量。 籀四类服务元周期性地启动或者在收到楣关的包时启动。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 包的组援方式进行收发。例如路由选择协议服务元，动态地为网络 器路由器填写路由表。路由递交类型服务元接收的到包按路由表递 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。 第蠢类服务元由于s d u 豹到来而启动服务并对s d u 进行变换 鹾输出。三角彤上方的下箭头袭示源于本节点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起。 第五类服务元中，谁的输如佧为谁的输入并不是嘲定的，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 节点的最鼯一个服务元。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，另一方磷从网络介质抓取b i t 流到 本节点转换成包。考虑到：l 、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，所以网卡既能作为屡次 结构的最下层，又能作为新结构中的个n i c 服务元。 2 。3 。3 服务功能元素和服务 每一个基本阏络服务功能称为服务功麓元素，丽黻务功能爱定 义为服务功能元素静集合。缀鬣备种网络，其服务臻隧元素溜缡蟊 表2 一l 销一剜所示。莱些糇务元素只在路由器中宠成，铡鲡o s p f 、 r i p 、e g p 、b g p 、d v m r p 和各群路由递交等功能。荣些服务功能 9 微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 元素只能由主机完成，例如分片功能，对于宽带网络而言，路由器 和路由交换机等网络设备是不应参与分片的。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某网络的最大传输单元m t u 时，网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。 表2 1 网络的各种功能服务元素 类服务功能元素对应包的域对应服务元 型 嘲位的编码和解码 络验错基本首部和硬校验n i c 服务元 接成包和拆包 口m a c 介质分配 类 资源监控( 类广义i c m p 专用域广义差错控制服务元 实 r t c p ) 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 o s 优先级处理仅基本首部路由递交服务元 类防抖动( 类r t p )类r t p 专用域类r t p 服务元 无发送数据基本首部含校验无连接发数据服务元 连接收数据同上无连接收数据服务元 接 服 务 类 1 0 徽遁莹蠢系统梅絮孛圭# l 照势元管理器瓣设计与实现 有建立连接建立连接服务元无 连释放连接连接专用域( 含棱 鼹放连接服务元 接傈序、流控、拥塞验) 骞连接发数摄鼹务元 黻 控制( 卡纠错)肖连接收数据服务冗 舟 类 安热嘏密e s p 专用域安全净荷服务元 全数字认证a h 专鹦域认迁服务元 类 0 s p f撮文在数据域0 s p f 驻务蠢 r i p 报文在数据域r i p 服务元 路e g p报文在数据域e g p 服务元 由b g p 报文残数据域b g p 服务元 类d v m r p 擐文在数据域d v m r p 擞务元 单撂递交 仪基本蕾都单播递交毅务元 缱播递交 谈萋奉首部镪播递交菔务茏 源选径递交 源选径专用域源逸径递交腋务元 其i c l d p ，i g m p ，分片报文在数据域各种广义差错控制服务 他 元 类 2 3 4 服务元网络体系结构中静阏绦地址 现有豹网络体系结构，无论是层次结构还是m c s 构架郯认为 层阆服务访闻点s a p 由层的地址来标识。所以对于层次网络模型， 标识s a p 的地址就存在多个。例如t c p i p 中，传输层和应用层的 地址都是端口号，网络层的地址是i p 地址，网络接口层的地址是 m a c 地址，丽这些地址都是对同一个翻标的定位描述。众多的层 次地址降低了效率，引起了更多的协议开销，如a r p 和r a r p 等。 在鼹务元网络钵系结构中，将抛弃攫的地址的掇念，页涎用端 到磷热址。蜷到蠛地址就是由节点熄址秘端口号构成的摩偶。 微通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 2 3 5 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 + 1 层提供的服务s 。n + l 是第n 一1 层向本层提供的服务s 。l ，。和本层自身提供的服务s 。的并集，记为： s n n + i 2s nusn 1 n( 1 ) 依次进行叠代后有： s 。，。+ l = s 。t as n 1us n 2 s2 us l( 2 ) 由( 2 ) 可知，第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。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： 抛弃t c p i p 多层检错的方式采取一次检错 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16 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1 6 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”，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 擞遵售元系统辐絮巾主规鼹务元管理嚣的设计与实现 加了伪头，伪头包宙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榆错能力，所畈 其实并束增强梭错能力。 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 ) ，并填写在数攥包尾郏，这样鹪决了t c p i p 校验冗余的 问题。 避免姥垃燕复提麓效率 例如在o s i 横登中l p 辘琏和m a c 蛾薤都怒一个节煮躲避皱。 德如栗个两络设备要与勇一个潮络设备壹接遗俊露需要爨射知 邋对方设备的i p 堍凝程m a c 缝照，这样出现了a r p 接议鄹地蛙 解析协谖( a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 ) 帮r a r p 掺议即反目地址 解析协议 n e x t n o d e ，得到该服务元的入口地址，再根据此 入口地址调用函数s u m c a l l 实现对此数据的操作。 i 砒率s u m c o n f o r ( i n tt y p e )构造服务元序列 $ 得到服务类型后查找一s u m s t y l e ，得到此类数獬需要的服务 元序列，辩将此序列栲入缓冲区中并将头指针送给s o c k e t ) 功能：校握服务类型构造服努员痔列 参数：服务类黧 徽通信元系统构架中主机服务元管理器的设计与实现 返回值：服务元序列的头指针 在套接字中存放了端口号等信息，在一b q m b u f f 里存放了数 据及服务元序列等信息，此函数即是将两个结构里的信息组合起来 合成数据的基本首部。 ) 功能：根据套接字信息，封装基本首部 参数：套接字结构，缓冲队列 返回值：1 成功0 失败 f ifu b一 岫 s tcurcs 术 tekcostcurts (印 cne 虻部汕首。本三基装封 塑塑堕塑塑壁壁塑墅量璧塑墼受垄篓鎏壁篓壅辇兰塞鎏 第五章生枫系统徽通馈元模型的测试 5 ，l 溯试环境 溺试软件环境： 。r 。d h a t l i n u x 9 ，内核2 4 2 0 - 8 ，犟机客户端和腋务器端测试 粤序与分剐钎对予t c p i p 和m c e s 的客户端和服务器蠕静测丢磊 测试硬件环境： 援螽p c 枫( c p u2 6 6 gh z ，网卡n e 2 0 0 0 ，1 0 m ) ，装载了微通信 燹系统架 勾模型。超五类非屏蔽双绞线( p c 闻交叉连接) 。 5 2 测试过饕 5 - 2 。，骚务元餐埋鼹可行性测试 简单服务元数据结稳 3 t 。u c ts d u t h eb a s i cd a t au n i to f s u n a c h a rd a t a d a t al e n ； v o l d ( 4 s e t d a t a ) ( c h a r m s g 。i n ts i z e ) ； c h a r + ( + g e t d a t a ) ( v o i d ) ； v o i d ( c l e a r ) ( v o i d ) ； ； s t r u c tu n c o n n e c t e d s d u s t r i n gh e a d ； u n s i g n e di n td e s t i p ； u n s i g n e ds h o r ti m d e s t p o r t ； u n s i g n e di n ts l c i p ； u n s i g n e ds h o r ti n t