（计算机科学与技术专业论文）多服务层叠网软件平台及其动态路由算法的研究.pdfVIP

国防科学技术大学研究生院学位论文 摘要 随着网络规模的迅速扩大和运行速度的快速提升，新型网络与通信技术( 如光通信、 移动通信) 不断融入于网络应用中，人们越来越迫切的需要获取更便利、更丰富、更及时 的网络应用和服务，同时i n t e r n e t 向全局多服务型网络的演化趋势也对网络系统的灵活 性、可靠性和性能提出了更高的要求。 本文从分析传统i n t e r n e t 弊端入手，进行了总结归纳，并提出了能够满足未来网络 应用需求的新一代网络体系模型的设计原则，在这些原则的基础上提出一种结构分层、功 能分块、面向多服务应用的新一代网络体系模型0 m s c n ( a no r i e n t e dm u l t i s e r v i c e s c o m p u t en e t w o r k ) 参考模型。o m s c n 参考模型围绕融合原则、面向服务原则展开研究，既 保持了传统i n t e r n e t 开发简单、灵活的优点，又支持以插件形式的各种服务的快速部署， 突破了传统i n t e r n e t 的服务网络边缘化问题，为解决日益增长、复杂多变的网络需求提 供了很好的解决方案。在o m s c n 模型基础上，设计了层叠网软件平台并定义该平台承载节 点的硬件和软件环境。另外本文还对前摄型层叠网路由算法进行了改进，把链路带宽、层 叠网跳步数以及网络延迟等影响路由的要素，按照背包算法的策略进行权值量化，做为层 叠网选路的参考值，提出了基于网络跳步感知的路由算法。通过简单模拟器对两种算法进 行了模拟，得出网络跳步感知算法在网络性能和网络稳定性方面都要优于前摄型路由算 法。 o m s c n 上的各种应用服务对底层资源的分配需要提供隔离机制才能保证各个服务之间 的运行正常，为此我们实现了网络隔离访问n i a 做为o m s c n 的核心模块，它为上层服务提 供支持。 本文的主要工作包括： 通过研究i n t e r n e t 的设计原则结合当前网络发展的趋势，使用当前研究热点的层 叠网技术，将传统t c p i p 网络和各种专用网络统一为一个联合的、可互操作的、 面向多服务的平台提供了方案和策略。 对现有的层叠网路由算法一前摄型路由算法进行了改进，设计一种基于网络跳步 感知的层叠网路由算法。 研究层叠网的资源隔离机制，设计并实现了网络隔离访问模块。 关键词：下一代网络，层叠网，层叠网路由，网络隔离访问 第i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o m p u t e rn e t w o r k ，s o m en e wt y p e so fn e t w o r ka n dn e w t e c h n o l o g i e so fc o m m u n i c a t i o n ( e g o p t i c a lc o m m u n i c a t i o n ，m o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) h a v eb e e n u s e di n t ot h ea p p l i c a t i o n so fn e t w o r k m o r ea n dm o r ep e o p l ed e s i r et og a i nm o r ec o n v e m e n c ea s w e l la sm o r er i c ha p p l i c a t i o n sa n ds e r v i c e s f i r s tw ea n a l y z et h es h o r t c o m i n go ft r a d i t i o n a li n t e r a c t ，as e to fd e s i g np r i n c i p l e si s s u m m a r i z e di nt h i sp a p e r t h e s ed e s i g np r i n c i p l e sc o u l db eu s e dt oc o n s t r u c tn e wg e n e r a t i o n n e t w o r ka r c h i t e c t u r ew h i c hc a nb em e e td e m a n d sf o rt h ei n t e r n e td e v e l o p m e n t t h e na no r i e n t e d m u l t i s e r v i c e sc o m p u t en e t w o r k ( o m s c n ) i sp r o p o s e du n d e rt h ed i r e c t i o nf o rt h e s ed e s i g n p r i n c i p l e s f u r t h e r m o r e ，t h ed e s i g ni d e a s ，g e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c sa n df o r m a lm o d e l i n gt e c h n i q u e s o fo m s c nm o d e la r ed e s c r i b e da n dd i s c u s s e di nd e t a i l s m a i n t a i n i n gt h eo p e n n e s s ，s i m p l i c i t y a n df l e x i b i l i t yo ft h et r a d i t i o n a li n t e r a c t ，o m s c nc a nb ed e p l o y e di ns o m en e ws e r v i c e sb y p l u g - i ne a s i l y h e n c e ，i tp r o v i d e sg o o dg u i d a n c ef o rt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h en e x t g e n e r a t i o nn e t w o r k w ed e f i n ea n dd e s i g nas o f t w a r ep l a t f o r mo fo v e r l a yn e t w o r kb a s e do nt h e o m s c na n dt h e nw ea l s od e f i n et h ee n v i r o n m e n to fh a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h en o d eo f o v e r l a y m o r e o v e r , w ep r e s e n tan e wa l g o r i t h m o fo v e r l a yn e t w o r k ( h o p a w a r e ) b a s e do n p r o a c t i v ea l g o r i t h m h o p - a w a r ea d o p t st h eb a n d w i d t ho fl i n k ，h o p c o u n to fo v e r l a yn e t w o r ka n d t h el a t e n c yo fn e t w o r ka st h ei n p u t s ，a n dt h e nc o m p u t e st h ei n p u t sa st h ev a l u eo fw e i g h tw h i c h i su s e da st h er e f e r e n c eo fs e l e c t i n gr o u t i n g w ei m p l e m e n tas i m p l ep r o g r a mt om a k e c o m p a d s o nb e t w e e np r o a c t i v ea l g o r i t h ma n dh o p a w a r e t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eh o p a w a r e a l g o r i t h mi sb e a e r t h a nt h ea l g o r i t h mo fp r o a c t i v ei np e r f o r m a n c ea n ds t a b i l i t y a tt h ee n do ft h i sp a p e r , w ei n t r o d u c et h em o d u l eo fn i aw h i c hc a ns u p p o r tt h ei s o l a t e d n e t w o r ka c c e s sa n ds u p p o r tt h er e s o u r c eu s i n gi nt h es e r v i c e so fa p p l i c a t i o ni nt h et o pl e v e lo f o m s c n t h em a i nc o n t r i b u t i o n so ft h i sp a p e ri n c l u d et h ef o l l o w i n gt h r e ep a r t s ： f i r s t ，w ep r o p o s eas o l u t i o nw h i c hc a nb eu s e dt ot r a n s l a t et r a d i t i o n a ln e t w o r ki n t oa p l a t f o r mw h i c hi su n i f o r n l i n t e r o p e r a b i l i t ya n d m u l t i s e r v i c e s s e c o n d ，w ep r o p o s et h eh o p - a w a r ea l g o r i t h m t h eh o p - a w a r ea l g o r i t h mi sb e u e rt h a nt h e p r o a c t i v ea l g o r i t h mb ye x t e n s i v ee x p e r i m e n t s t h i r d w ei m p l e m e n tam o d e lo fn e t w o r ki s o l a t e da c c e s sw h i c hc a r ls u p p o r ti s o l a t e da c c e s s o ft h er e s o u r c ei nt h eo m s c n k e yw o r d s ：n e x tg e n e r a t i o nn e t w o r k , o v e r l a yn e t w o r k , o v e r l a yr o u t i n g , n e t w o r k i s o l a t e da c c e s s 第i i 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 表目录 表4 1 前摄型路由算法。2 9 表4 2 网络跳步感知路由算法3 0 表4 3 层叠网模拟信息流默认参数31 表4 4 层叠网模拟链路路径默认参数3l 表5 1b i n di n i t 函数。4 4 表5 2n i ai n e tc r e a t e 函数4 4 第页 国防科学技术大学研究生院学位论文 图目录 图3 1o m s c n 模型1 7 图3 2 多服务层叠网承载节点1 9 图3 3 节点管理单元2 0 图3 4 会晤控制服务插件2 2 图3 5 名目路由服务插件。2 3 图3 6 管理中心和用户关系示意图2 4 图4 1 层叠网示意图2 6 图4 2 信息流周期示意图2 7 图4 3 路径状态测量和传播事件示意图2 8 图4 4 路径更新周期变化时两种算法的平均吞吐率比较图3 2 图4 5 路径更新周期变化时两种算法的路径更改率比较图。3 3 图4 6 信息流到达率变化时两种算法的平均吞吐率比较图3 3 图4 7 信息流到达率变化时两种算法的路径更改率比较图3 4 图5 1 节点与资源切片关系3 6 图5 2 全虚拟化示意图3 8 图5 3 半虚拟化示意图3 9 图5 4 操作系统级虚拟化示意图3 9 图5 5n e t f i l t e rh o o k 位置4 0 图5 6n i a 模块处理流程图4 2 图5 7s kb u f f 数据结构示意图4 3 图5 8n i ai n e tb i n d 函数流程图。4 5 第1 v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 觅成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中下包含其他人已 经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术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。 学位论文题目： 垒腿签屋叠圈熬仕壬鱼丞墓边奎整由簋i 羞鲍盟窒 学位论文作者签名：江 日溯：j 肿7 年) ，月2 5 日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权国 防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允 许论文被查阅和借阅；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 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文作者签名： 垄函氅 作者指导教师签名：裕 e l 期：办游2 - 月冶臼 ? b 翔：研年2 员球 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 课题背景及其意义 随着人类社会信息化进程日益加速进展，网络扮演的角色已经从最初的国防军事或者 实验科研等应用领域的通讯基础设施，逐渐转变成为承载和支撑各国政治、经济、文化、 教育、国防等各个领域全面信息化的信息基础设施，网络与我们无处不在。 当前世界上部署范围最广、使用人数最多的i n t e r n e t ，是以t c p i p 协议为基础构成 的网络。但是，由于该体系在最初设计时只考虑端到端的数据传输支持，网络对应用层数 据透明，因此在新型网络应用的部署和配置等方面显得力不从心。目前的i n t e r n e t 只提 供端到端的尽力转发服务，对许多新型网络应用的开发和部署，如果通过由底层网络系统 对上层应用提供支持，那么将会显著降低网络应用开发的复杂性，提高部署、运行和维护 的效率。但是对这些应用，如果要进行大规模的部署就需要改变底层网络，然而现有的网 络相对固定而且规模非常庞大，想为了部署某一个尽管很具有发展前景和迫切需求的应用 而去大规模的更改底层设备的这种想法在i n t e r n e t 商业化的今天几乎是不可能的。它的 弊端日益明显。 传统需求依然不能得到满足：提供端到端的尽力传输服务是网络的基本功能，在 栅格计算平台中，底层传输网络对服务质量、组播、媒体流支持等增强的传输服 务方面有着较强的需求。这些需求虽然不是新的需求，这些传输服务技术的研究 虽然也日臻成熟，能在网络的局部范围有较好的解决方案，但在更大的网络范围， 由于网络部署时机和采用技术的差异，使得网络整体还远远不能满足这些应用的 要求，这也正是目前网络面临的一个尴尬和无奈。 新型网络服务的可部署性和可成长性弱：服务质量、组播、媒体流支持等增强的 网络服务虽然在技术上已经研究了若干年，且大多也已日趋成熟，但一直没有得 到真正的实际应用，究其原因有二：一是技术原因，原有的t c p i p 网络体系并不 具备很好的开放可扩展性，新型的服务增强很难在原有的基础上扩展和部署；二 是经济原因，传统网络经过长期沉淀，已经是一个庞然大物，要彻底替换现有的 网络基础，需要庞大的经济支持，这显然是不现实的。组播技术就是一个典型的 例子，标准已经制定多年，也有相关的产品，但是由于需要完全升级或更新网络 中的每一个网络单元，因而一直不能全面部署，也就不能为应用提供全面的服务。 有必要研究新型网络协议体系，满足网络增强服务的可部署性和可成长性，从而 满足应用的可成长性特性需求。 网络对领域应用特性的支持弱：“边缘论”是传统的互联网理念之一，所谓“边 缘论”是指“应用功能只有当它的知识和帮助信息置于通信系统的边缘才能完全 和正确地实现，将应用功能作为通信系统本身的属性是不可能的 。基于此理念， t c p i p 网络被设计为一个对应用透明的传输网络，应用无法感知底层网络的信息， 第1 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 网络也只为上层应用提供没有任何区分的传输服务。然而，现实的上层应用差别 很大，不同应用对网络行为的期望各不相同，q o s 历经十数年的研究仍不能真正 实用，从一个侧面也表明了试图让网络可以适应所有应用需求的难度很大。各种 网络资源的标识也是千差万别，但在目前的网络体系下，必须适配到i p 地址，才 能被网络识别并转发。网络无法为应用提供诸如名目服务和应用路由等领域特性 支持。需要研究一种面向特定领域网络服务的构建技术，以满足不同领域应用的 特性需求。 例如，现在各种多媒体业务大量应用以及越来越多的新兴业务的涌现( 视频点播、视 频电话) 导致传统的点到点的单播通信方式由于严重浪费带宽资源导致效率低下。针对这 个闯题，在1 9 9 8 年的时候s t e v ed e e r i n g 首先在他的博士论文中使用i p 组播来改变单播 传输效率低下的问题，但是组播提出十多年后一直未得到广泛的应用。其中最主要原因是： 整个i n t e r n e t 范围内的i p 组播要改变底层i p 传输网络，任何一个运营商的滞后或者抵 触都会造成组播服务的不可用。后来有许多专家学者提出了多种应用层组播方法，应用层 组播能够在不改变底层网络的前提下很好的实现组播传输，类似上述应用需求在社会科技 日益发展的今天层出不穷。 针对传统i n t e r n e t 的不足和现代应用的需求不断增长，我们提出了面向多服务的层 叠网络体系模型。该模型建立在传统的i n t e r n e t 之上，采用中心参与控制方法，对资源 进行统一的注册与分配，各种应用服务采用插件方式予以部署。基于层叠网的下一代体系 是网络发展的大势倾向，通过它我们就可以从容的面对日益复杂的网络环境和日新月异的 市场应用需求，基于应用层的插件式服务的部署不需要改变底层网络的基础设施，能够减 少运营商和服务部署商的投入成本和投资风险，从某种意义上可以刺激现有的网络技术的 变革，因此对层叠网技术进行研究是一件意义深远的事情。 本文正是在以上的背景下来开展工作的 1 2 研究目标及主要内容 本文的研究目标是，通过对当前新型网络技术的研究，建立一个支持多服务层叠网的 网络体系结构模型和软件平台原型系统，研究基于上述平台的层叠网路由机制和算法。 为实现上述目标，具体研究内容如下： 通过研究网络的设计原则以及当前网络发展的趋势，使用当前研究热点的层叠网 技术将传统t c p i p 网络和各种专用网络统一为一个联合的、可互操作的、面向多 服务的平台提供了方案和策略； 对现有的层叠网路由算法一前摄型路由算法进行了改进，设计一种基于网络跳步 感知的层叠网路由算法：该算法能够使节点在不同的网络环境下选择最优的路由 路径； 研究层叠网的资源隔离机制，为本文提出的多服务层叠网网络体系模型提供底层 资源隔离支持。 第2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 3 课题的研究成果 本文从分析传统i n t e r n e t 弊端入手，总结归纳并提出了能够满足未来网络应用需求 的新一代网络体系模型的设计原则，在这些原则的指导下提出一种结构分层、功能分块、 面向多服务应用的新一代网络体系结构0 m s c n ( a no r i e n t e dm u l t i - s e r v i c e sc o m p u t e n e t w o r k ) 参考模型，o m s c n 参考模型的研究围绕融合原则、面向服务原则展开，既保持了 传统i n t e r n e t 的开发简单、灵活的优点，又支持以插件形式的各种服务的快速部署，突 破了传统i n t e r n e t 的服务网络边缘化问题，为解决日益增长、复杂多变的网络需求提供 了很好的解决方案。在o m s c n 模型的基础上，提出了一种网络跳步感知的层叠网路由算法， 通过性能模拟，该算法与现有的前摄型路由算法进行比较，从比较结果来看该算法的整体 性能要优于前摄型路由算法。 在硕士期间，本人以第一作者写的论文面向多服务的新一代网络体系模型研究已 被全国第1 8 届计算机技术与应用( c a c l s ) 学术会议录用。本人参与发表的论文还有基于 层叠网的流媒体算法研究已被2 0 0 7 年科协年会录用 1 4 论文结构 本文共分六章。各章节的内容概述如下： 第一章为绪论，论述了本课题的研究背景、研究目标以及课题的主要内容，并介绍了 在课题的研究中所取得的研究成果。最后给出了本论文的组织结构。 第二章为国内外研究现状，主要介绍了近年来国内外学术界和工业界对下一代网络体 系以及新型网络协议的研究情况。 第三章为多服务层叠网体系结构的研究，首先分析了面向多服务网络体系结构模型的 设计原则；接着对多服务层叠网的整体结构进行了说明；然后对多服务层叠网承载节点的 体系结构和功能进行了阐述，最后对大规模承载节点的分布式管理体系进行了说明。 第四章为层叠网动态路由算法，首先建立了层叠网路由的数学模型，接下来介绍了现 有的前摄型路由算法原理和本文提出的网络跳步感知路由算法原理，然后我们定义了层叠 网路由性能的对比量度，接着我们根据定义的量度在模拟环境的条件下对两种算法进行了 比较。 第五章为节点通讯机制的研究与实现，首先我们对层叠网节点的相关概念进行了定义 说明，然后阐述了网络隔离访问模块设计和实现。 第六章是总结与展望，对本文的工作进行了总结，并对下一步的工作进行展望。 最后是致谢和参考文献。 第3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第二章国内外研究现状 近几年以来，国内外很多专家学者以及各相关公司对新的网络体系的研究日益盛行起 来，现在的i n t e r a c t 网络的改革是大势所趋，提出和建立新的网络体系满足当代和未来需 求成立我们的当务之急。下面的部分我们介绍现有的几种新的网络体系结构。 2 1 层叠网体系结构 在网络体系的研究领域，有相当一部分学者认为现有的i n t e r n e t 网络存在着向栅格 网络技术过渡的趋势，对于层叠网的研究与应用越发盛行起来。n 2 3 4 1 对于应用层的o v e r l a y ( 层叠) 网络系统发展很快。例如：提出了监测路径失效的弹性o v e r l a y 网络，为现有的 i n t e r n e t 提供端对端服务质量保证的服务o v e r l a y 网络等。 层叠网络具有广阔的市场应用前景，但是在传统i p 网络和各种专用网络中如何为层 叠网络提供有效支持，以及层叠网络如何充分利用多种下层网络提供的传输机制来提高应 用性能和抗打击的能力，实现网络整体效能的最大化，都是需要解决的重要问题。其中最 为关键的问题包括可感知网络技术、开放可扩展网络协议模型、应用层组播技术、应用层 服务质量保证技术和大规模流媒体的层叠网技术。 在传统网络中，越靠近用户，网络需求越高，网络对用户应用提供的传输服务越透明。 这种透明性简化了用户使用网络的复杂性，但也丧失了用户驾驭网络的能力。不同应用对 网络行为期望各不相同，随着如p 2 p 、内容分发、应用组播等各种应用覆盖网络模式的出 现，以及网格技术的发展，不同需求侧重的应用和覆盖网络对参与承载网络控制的要求日 益迫切。这些应用希望不再是简单地使用网络的透明传输服务，而是能够了解更多的网络 状态，甚至可以按照自身的需求特点对网络控制施加影响，我们称这些需求为“应用感知” 需求。 高效的层叠网络需要下层网络提供路由控制功能，感知下层网络的拓扑信息，针对物 理网络拓扑进行优化。“可感知网络”将网络的部分服务对用户开放，在端用户拥有更多 智能的假设条件下，为用户提供更加灵活的传输服务，如主动路由控制( 如进行显式路由 选择) 、主动策略路由、主动路径特性感知( 如路径m t u 发现，避免网络传输中进行报文 分段) 等。典型研究项目有b e r k e l e y 大学的“r o u t i n ga sas e r v i c e ，允许用户显式 地请求网络的路由服务，获取网络的路由信息，用户再根据自身的决策，主动选择合适的 传输路径。 层叠网感知的网络( a w a r en e t w o r k s ) ，通过网络提供多种特性的传输服务，供层叠 网应用选择、控制和定制，从而达到通信的可保证性。 虽然传统网络协议模型的开放性已经覆盖用户端到端的水平对等层交互、网络节点到 网络节点的水平对等层交互、管理服务到被管网络设备的垂直上下层交互、网络层次间的 报文封装解封交互等，但是传统网络仍然存在许多不足，例如：开发新协议，标准化过 程复杂，实现部署周期长；普通网络用户无法对网络编程和控制，用户设置个性化网络困 第4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 难；在已有的网络中加入新应用、新服务困难。随着应用层网络技术，特别是层叠网网络 技术的发展，虽然通过“可感知网络”技术可以显式地请求网络的路由服务，获取网络的 路由信息，但是现有的部分层叠网络无法按照应用需求的特征显式地影响下层支撑网络的 路由选择过程和报文转发过程，也无法重用下层支撑网络的路由信息分发基础设施来实现 应用层路由功能。因此需要扩展现有的网络协议模型，进一步研究高度开放可扩展的新型 网络协议模型。下面我们介绍几种层叠网模型的网络。 2 1 1弹性层叠网r o n 弹性层叠网r o n 做为应用层被层叠在现有的互联网选路层上。r o n 的节点监视互联 网路径的机能和质量，根据这些信息决定是直接利用它来传输数据还是通过其他r o n 的 节点。用r o n 可以减少丢包率，降低时延，提高吞吐量。在几秒钟内发现路径损耗和周 期性性能下降并且使之恢复正常。而目前使用的广域路由协议b g p 等为此要耗费几分钟。 r o n 的节点被放置的不同的选路域中，它们之间可以协同工作互相转发数据。因为 a s 是独立行政管理、配置和选路的，属于不同运营商，很少有共享的内部链路。a s 发生 的故障彼此之间是独立的。 r o n 通过主动探测和监视节点之间的链路来发现问题。如果下面互联网的路径是最 好的，就使用这路径，不需要其他节点介入。如果下面互联网路径不是最好的，r o n 将数 据转发到其他节点，建立最佳路径。r o n 的节点间交换路径的质量信息，据此建立包括丢 包率、时延和吞吐量等参数的路径质量表，在此基础上通过路由协议建立转发表。每一个 r o n 的节点通过综合主动探针探测和被动观察运行的数据传输，建立路径质量表。 r o n 的第二个目标是将选路和路径选择与分布应用综合，使之具有根据应用特性来选 择路径的能力。在提供多媒体会议业务时可以直接使用r o n 的数据库透明地构成包括所 有参会成员的层叠网，提供低丢包率和时延抖动和高吞吐量。网络管理员可以利用r o n 路由器在若干个局域网之间构成层叠网，成为“层叠v p n 。这个概念进一步发展成为“层 叠i s p 。“层叠i s p ”向传统运营商买带宽，通过r o n 连接不同的传统的i s p 的p o p 点， 利用r o n 的选路机制，可以为用户提供更有弹性和容错能力的互联网业务。 r o n 的第三个目标是提供框架，以实现管制路径选择的显式路由策略，用来管理网络 中路径的选择。r o n 很容易对数据包进行识别分类，这样就能够实现可接受的使用或强制 控制转发速率。 2 1 2g e n i 2 0 0 5 年1 月，美国的3 0 位互联网专家组织了“跨越网络革命性创新的障碍 研讨会， 这个研讨会是由t o ma n d e r s o n 、l a r r yp e t e r s o n 、s c o t ts h e n k e r 以及j o n a t h a nt u m e r 等人发 起的，会议向n s f ( 美国自然科学基金会) 提交了相关的报告。在这个研讨会报告的基础 上，一个美国网络研究领域重构下一代互联网的计划g e n i 项目逐渐成形。2 0 0 5 年8 月底，n s f 专家在费城的科学讨论会上首次公开讨论了这一项目，目标是创建一个新的互 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 联网和分布式系统架构，其设想超出了目前渐进式改进i n t e r n e t 的努力范围，预计将耗资3 亿美金，为期l o 年。目前，该项目仍处于规划阶段，3 亿美元的投入预算还处于评估之中。 g e n i 于2 0 0 6 年2 月从原有的“g l o b a le n v i r o n m e n tf o rn e t w o r k i n gi n v e s t e g a t i o n s ( 全球 网络探索环境) 更名为“g l o b a le n v i r o n m e n tf o rn e t w o r ki n n o v a t i o n s ( 全球网络创新环境) ， 这一更名体现了其革命性的主旨。 g e n i 具有如下的设计需求、设计原则以及价值主张： 能够划分成s l i c e 为了降低成本，g e n i 应该是一个可共享的设施，用来支持不同研究群体的多个试验。 虚拟化是实现这一目标的核心技术，因为它允许这个设施在多个研究者当中复用。g e n i 还应该为研究人员分割资源，要么在时间上( 类似宇航员共享一台望远镜) 或者在空间上 ( 一个单独的研究员能排他地访问某些资源) 。 通用性 g e n i 应该为每个试验人员提供足够的灵活性去开展需要的试验。这意味着每个组件 都是可编程的，这样研究员在试验时就不限于只能对之前存在的功能进行微小的改动。研 究人员也不必从头开始编写他们的试验他们应该可以从之前定义的功能性和抽象性 中获益但他们不会受限于这些已经存在的功能性。 保真性 g e n i 应该能让试验与真实网络中预期的情况相关联。这意味着独立的组件应该在合 适的抽象层面上提供功能，而且它应该有可能将这些组件排列成一个有代表性的网络。换 句话说，它应该能够帮助研究人员进行有意义的试验，但它本身又不能过度地限制研究人 员去控制这个试验。 用户访问 为了支持有意义的部署研究，g e n i 应该便于广大的各种各样的用户有选择地接入， 接受试验性的服务。这意味着为广大的用户群体提供物理连接，以及提供个方便用户加 入一个或多个试验性的服务机制；允许试验持续运行( 因为没有用户希望使用那种只在每 天有限时间段内提供的服务) ；此外将g e n i 与传统因特网连接起来( 通过与现有的因特 网服务和用户交互来获得利益) 。 可控的隔离 g e n i 在s l i c e 之间支持强壮的隔离，这样试验之间就不会互相影响。g e n i 的隔离机 制应该足够鲁棒，以实现试验的可重现性。并且目前还没有实现的是，关于一个s l i c e 究竟 获取了什么资源方面，它应该提供足够的反馈，以允许研究人员评估试验结果的有效性。 与此同时，g e n i 应该支持可控的s l i c e 之间的关联，以及s l i c e 与当前因特网的关联，允许 研究人员在他们的工作上直接构造，并且引用现有的因特网用户和资源。这意味着一种机 制，它允许用户有选择地接入，以及s l i c e 之间预期的数据交换。这个机制同时避免非预期 的边界因素干扰g e n i 试验，这样它们就不会反向地影响因特网的其余部分。 多样性和可扩展性 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 g e n i 应该包含一套广泛的联网技术，并且覆盖当今可用的有线和无线技术。g e n i 同时也应该是可扩展的拥有明确定义的过程和系统接口，使它易于与附加的技术合 作，包括那些当今尚不存在的技术。这将使g e n i 成为对广大研究人员都有用的，并且是 长时间有用的。把g e n i 建设成为一个学院派研究人员和工业界伙伴部署新技术的“低阻 快车”，同时培养“设备研究人员 和“系统研究人员之间的紧密合作。 广泛部署 g e n i 应该尽可能地广泛地部署。这是进行大规模试验以及最大化吸引真实用户的机 会所必需的。访问不能被局限在那些为数不多的掌管骨干网节点的站点。广泛的部署也意 味着与传统因特网设施的广泛联系。 联合和持续性 g e n i 应该被设计为1 5 - - 2 0 年的生命期，加上5 - 7 年的建设时期。确保了这个生命 期，某些科研机构( 包括国家) 就有可能贡献出资源，并且以访问g e n i 上的资源作为回 报。同时新的研究群体也可以参与，他们可以有选择地将他们自制的网络( 包括专用的传 输管道和传感器网络) 联入g e n i ，并且在g e n i 的一个s l i c e 上运行应用和服务。这两种 场景都意味着需要支持联合。当然更多地，g e n i 在设计时应该考虑到运作成本，包括硬 件升级，软件维护和正在进行的操作支持。 可观察性 g e n i 应该为基于测量的量化研究提供强有力的支持。这意味着g e n i 的资源，以及 部署在上面的网络系统，应该全副武装。生成的数据应该被收集和获取，并且开发出分析 工具。 易于使用 g e n i 应该尽可能地为研究人员消除操作障碍，以便充分利用这些设旌。一个典型的 网络或者分布式系统研究项目往往是一个单独的理论调查人或一个学生。为了让g e n i 更 方便地被这些用户使用，理解怎样将他们预期的试验映射到g e n i 上的思维开销应该是有 限的。这意味着g e n i 需要提供足够的工具进行试验的配置、监视和调试。要建立一套可 被试验人员使用的通用的工具，系统上运行的试验是可预测的和可重现的行为。与此同时， g e n i 也将需要为“超级用户”提供对系统完整功能的访问。 安全 g e n i 应该是安全的，这样它的资源就不被意外地或被恶意地被当今的因特网攻击。 为此，g e n i 应该被设计成以“无危害”的姿态运行：一个试验应该在一个“受限的 盒子”里运行，这样就可以限制它的行为；它应该能够追踪网络活动到相关的试验( 和 试验人员) ，这样任何问题和抱怨都能被解决；而且g e n i 将进入一个时代，这里一 些组件的活动不能被充分地监视或者控制，g e n i 应该通过在每个点上采取其它手段 来限制那些活动以确保安全( 比如关掉某个s l i c e 或者将整个g e n i 带进一个安全的状 态) 。独立地去质疑这些需求中的任何一个可能是很困难的，而g e n i 之所以成为一 个独特的而且引人注目的设施，就在于它平衡了这些需求，以支持那些当前不易进行 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的研究。这个平衡的活动有两个方面。首先，它包含解决需求的冲突；这些冲突将在 下一节讨论。其次，它包含识别出那些g e n i 独有的特殊能力集合那些更受限的 设施所不具备的功能( 比如某个研究员的实验室或者一个更小的更专用的试验床) 。 这些特殊能力包括：第一，广泛的部署；第二，一个多样化的可扩展的网络技术集 合；第三，对真实用户流量的支持。这三个属性有效地定义了g e n i 的价值主张。 2 1 3p l a n e t l a b 这是一个全球性的民间研究计划，旨在用类似发展l i n u x 开放源代码时的开放合作精 神，建立全球分布的研究实验床，连接各处的智能结点，建立t a p e s t r y 分布式的目标定位 和选路( d o l r ) 网络。p l a n e t l a b 在全球互联网的主要地区设置了智能结点( 初期10 0 0 个) ， 连接骨干网，构成了分布的虚拟计算环境。这些智能结点可以实现诸如异常检测、鲁棒选 路、储存内容分发( 尽量接近数据源) 、数据融合、提供分散在多个独立域的高生存性存储 等功能。p l a n e t l a b 已经构建了上百种可以在该平台上运行的全新服务，中国的c e i 矾e t 2 已经和p l a n e t l a b 签约，并在若干大学建立了结点。 2 1 5 智能结点层叠网 智能结点层叠网是侯自强先生从若干文献中所提出来的。发展统一的智能结点层叠网 ( i n o n ) ，并将其架构在中国下一代互联网( c n g i ) 的顶部，以无缝且持续演进的方式构建， 不但可以提供分布式控制，还可以支持p 2 p 等各种的全新应用服务。作为一种概念框架， 智能结点层叠网可以包容前述各方面的努力，是一种正在发展中的技术。 智能结点层叠网是一个开放的、标准化的服务平台，可以支持来自多个服务商的服务 所组成的价值链。服务可以分为两类：第一类是分布式控制，以互联网本身为对象的服务， 是基础设施服务，可以监控并解决诸如容量、可靠性、q o s 和安全性等问题；第二类是用 户p 2 p 应用服务以及为用户服务的基础设施，如网络存储、内容分配、p 2 p 检索，对等广 播等。 2 1 5 1 智能结点层叠网络的原理和构成 智能结点层叠网络采用分布管理模式，在网络上的关键部位设置智能结点，用以监视 周围网络上的资源分布、带宽利用率、传输延时、路由走向、流量模式和分布、中断和故 障以及病毒感染流行等情况。智能结点之间相互交换这些信息，并进一步实现监视和控制， 即时做出响应措施，如提供路由探测选择、消灭病毒以及内容的检索、分类和管理等等。 智能结点的另外一个用途就是支持各种p 2 p 应用，例如无组织的混合型p 2 p 层叠网的 超级结点可以用来提供分层检索能力或支持有组织的p 2 p 层叠网。 智能结点拥有较强的计算能力，它向网络核心注入大量的计算资源。与当今的互联网 不同，智能结点层叠网不是静态地将应用和数据分配到指定位置的具体设备中，而是动态 分配计算和存储能力，这样就可以按照用户的需要将智能结点放置在最佳的地理位置上。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 2 1 5 2 智能节点的布设和运营模式 目前的c n g i 由6 大运营商的网络组成如图 图2 1c n g i 核心网络结构图 在一些重要的城市，这些网络的结点是重合的。在这些结点设置智能结点连接各运营 商的网络，可以监视各个网络的资源分布和带宽利用率、传输路由走向、流量模式和分布、 中断和故障以及病毒感染流行等情况。智能结点之间交换这些信息，从而即时做出响应并 实现分布控制。 智能结点设备可以由许多不同的服务商提供，分布安装于多个不同的站点，进行维护 并提供给用户。拥有并操作这些设备的组织联盟可以是一个拥有并管理互联网现有基础设 施的类似于联盟的实体。 智能结点层叠网的布设和运营对于运营商的发展是至关重要的。智能结点层叠网是建 立在应用层上的，从产业链的角度看属于增值业务，其具体的业务模式目前还没有形成。 而对于虚拟运营商来说这是一个机会，智能结点层叠网是一个有待开拓的新市场。对于电 信运营商来说，掌握分布管理不论是对于提高基础网络的运营效率和可靠性，还是对于提 供新业务一代p 2 p 业务都是至关重要的，且其重要程度不亚于目前定义的n g n 。 智能结点互相连接并在互联网上构成一个层叠网，实现单个、联合以及开放服务，并 提供平台功能的标准。对于不同的功能，有些标准尚在发展中。例如在p l a n e t l a b 计划中共 享网络计算力资源时，这些标准将包括虚拟机器接口，以提供编写服务的应用编程接口 ( a p i ) 。该接口将为每种应用业务提供自己的虚拟机器。针对该业务，计算资源被组织成为 “片断”，不同的应用业务运行在不同的片段上，且每个片断都由分布在多个分散物理机 器中的计算、内存和储存组成。层叠网的资源必须可以按照需要以经济高效的方式灵活使 用，客户( 可以包括用户或服务提供商) 只需按照使用量支付费用，如同使用水电等公用设 施服务一