（通信与信息系统专业论文）移动ad+hoc网络服务发现协议研究.pdf

摘要 摘要 移动a dh o e 网络( m a n e t ) 是当前网络技术发展热点，它提供了方便的组网 方式，允许组网节点自由移动和共享资源。目前，移动a dh o c 网络的路由层、链 路层和物理层协议已经有了大量的研究成果。但是，移动a dh o c 网络的广泛应用 要求网络不仅具有一定的传输能力，还必须能承载大量网络服务。因此，对移动 a d h o e 网络内的各种网络服务资源进行管理是必要的。 服务发现又称为服务定位，是服务管理的核心。在传统网络中，人们已经提 出了大量服务发现技术，并且已有部分服务发现协议在固定网络中使用。但是， 对于如何在移动a dh o e 网络中搭建服务发现系统，目前的研究还很少，很多问题 亟待解决。 本文考察了目前移动a dh o e 网络技术和服务发现技术的发展现状，结合项目 需求，选择了移动a dh o e 服务发现协议作为研究对象。本文先从网络管理技术入 手介绍了服务发现的概念和所涉及的技术问题；接着，选择较大规模移动a dh o e 网络作为目标网络，分析了目标网络的具体特性；在此基础上，本文采用游牧式 管理结合小范围完全分布式模块的思想，提出了一套完整的用于较大规模移动a d h o c 网络的服务发现协议，并使用o p n e t 软件对协议进行了仿真验证。 关键词：移动a dh o c 网络，服务发现，网络管理，o p n e t a b s t r a c t a b s t r a c t m o b i l ea dh o cn e t w o r k ( m a n e t ) ，w h i c hi sp o p u l a ri nn e t w o r kr o s e , a r c h , a l l o w s m o b i l en o d e st os p o n t a n e o u s l yf o r man e t w o r ka n ds h a r et h e i rs e r v i c e s t h e r ea r e m a n ya c h i e v e m e n t si nt h er o u t i n gl a y e r , d a t al i n kl a y e ra n dp h y s i c a ll a y e ro f ia t e t b u tn o w a d a y sm a n e ti su s e di nw i d ea r e a s s on o to n l yd a t at r a n s m i s s i o nb u ta l s o v a r i o u sn e t w o r ks e r v i c e ss h o u l db eo f f e r e db v 嗄a 卜t e t i ti s n e c e s s a r yt os e ta m a n a g e m e n ts y s t e mo nn e t w o r ks e r v i c e si nm a n e t s e r v i c ed i s c o v e r y , w h i c hi sa l s oc a l l e ds e r v i c el o c a t i o n , i st h ec o r ef u n c t i o no f s e r v i c em a n a g e m e n t 删l em a n ys e r v i c ed i s c o v e r y p r o t o c o l sf o rt r a d i t i o n a ln e t w o r k s h a v eb e e np r o p o s e d ，s o m eo fw h i c hh a v eb e e nw i d d yu s e d ，t h e r ea r eo n l yf e wr e s u l t s o ns e r v i c ed i s c o v e r yi nm a n e t w i t ha no n g o i n gp r o j e c t , s e r v i c ed i s c o v e r yp r o t o c o l si nm a n e ta r ec h o s e na s t h eo b j e c to ft h i st h e s i sb a s e do nt h ed e v e l o p m e n to fn l e ta n ds e r v i c ed i s c o v e r y t e c h n o l o g y f i r s t l y , t h ec o n c e p ta n dr e l a t e dt e c h n i c a lp r o b l e m so fs e r v i c ed i s c o v e r yi s i n t r o d u c e d 、i lab e g i n n i n go fn e t w o r km a n a g e m e n t s e c o n d l y , l a r g e - s c a l e dm a n e t i sc h o s e na n da n a l y z e d t h i r d l y , an e ws e r v i c ed i s c o v e r yf o rl a r g e - s c a l e dma n e ti s p r o p o s e d ,w h i c h i sac o m b i n a t i o no fn o m a d i cm a n a g e m e n ta n dd i r e c t o r y - l e s s 鲫c h i t e c t u r e l a s t l y , t h ep r o t o c o lp r o p o s e di nt h i sp a p e ri ss i m u l a t e da n ds t u d i e d 、析吐l o p n e tm o d e l e k e y w o r d s ：m a n e t , 鲫 v i c ed i s c o v e r y , n e t w o r km a n a g e m e n t , o p n e t 图目录 图2 1 图2 2 图2 - 3 图2 4 图2 5 图2 - 6 图2 7 图3 1 图3 2 图3 3 图3 - 4 图3 5 图3 - 6 图3 7 图3 8 图3 - 9 图3 1 0 图3 1 l 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图目录 网络管理基本功能域的关系7 网管系统运作模式8 二级网络管理结构。1 0 游牧式管理结构1 1 服务发现工作原理1 3 服务发现作为网管外围功能1 4 服务发现作为网管的支撑功能1 5 节点分群集结示意2 l 基础结构的移动a dh o c 网络2 3 d s d p 协议虚拟骨干网结构2 4 首存在通告报文内容2 6 群间感知报文。2 8 游牧式的服务描述信息管理结构2 9 一般服务描述框架3 0 服务注册过程3 4 服务本地发现过程3 6 服务全局发现过程3 7 基本协议中普通用户节点方案3 8 基本协议中游牧式管理节点方案3 9 基本协议缺陷一4 0 基本协议的缺陷二4 l k o n a r k 的服务分类示意4 4 完全分布式模块广播过程示意4 8 捎带服务描述内容的h e l l o 报文一4 9 完全分布式模块工作原理示意一4 9 添加完全分布式模块后的服务查询过程5 0 完全分布式模块的实现方案5 1 完全分布式模块对缺陷一的解决5 2 v 图目录 图3 2 2 图4 _ 1 图4 _ 2 图4 3 图“ 图4 - 5 图4 6 图4 _ 7 图4 8 图4 9 图4 - 1 0 图4 1 1 图4 - 1 2 图4 - 1 3 图4 - 1 4 图4 - 1 5 图4 - 1 6 图4 - 1 7 图4 - 1 8 图4 - 1 9 图4 - 2 0 图4 - 2 1 完全分布式模块对缺陷二的解决5 3 协议仿真规划5 5 基本协议仿真系统方案5 7 仿真中的服务描述结构6 0 普通用户节点节点模型6 1 普通用户节点应用层状态转移图6 3 游牧式管理节点应用层状态转移图6 5 场景一的服务成功发现率6 8 场景一的发现延迟7 0 场景一的网络负载一7 0 场景二的服务发现成功率7 2 场景二的发现延迟7 3 场景二的网络负载7 4 扩充模块仿真系统方案7 5 添加完全分布式模块后的用户节点应用层状态转移图7 6 a o d v 模块状态转移图7 7 5 m s 时服务成功发现率对比7 9 5 m s 时服务发现延迟对比。8 0 5 m s 时网络负载对比8 0 1 5 m s 时的服务成功发现率对比8 1 1 5 m s 时的服务成功延迟对比。8 2 1 5 m s 时的网络负载对比8 2 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。 签名：通墨 日期：年 月日 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：亟墨导师签名： 日期： 雳刘 匕 第一章绪论 1 1课题背景及意义 第一章绪论 随着信息社会的形成和发展，人们的通信需求也逐渐提高，无时无刻随时随 地的通信成为了通信技术发展的重要目标，无线通信成为了近年通信发展的重点。 蜂窝式移动通信系统，蓝牙系统，无线m e s h 网络等一系列技术的涌现和发展， 极大地推动着通信朝着更自由更灵活的方向前进。按照有无基础结构，无线网络 可以分为两类。对有基础机构的网络，基础结构会负责通信维持，而普通的用户 节点则通过接入基础结构连入网络。典型的有基础结构的无线网就是g s m 系统。 对没有基础结构的无线网络，通常称之为a dh o g 网络，在这种网络结构中，每个 节点都要动态地保持与其无线覆盖范围内节点的联系，承担路由维持、报文转发 等维持全网通信的任务，是一种对等网结构。对于节点能够移动的a dh o g 通常称 为移动a dh o g 网络( m a n e t ) 。由于移动a dh o g 网络有着布设灵活简单，通信 自由，使用成本低等优点，逐渐成为近年来无线网络发展的热点。 目前的移动a dh o e 网络已经进入了实用阶段，但是，由于当前网络规模的不 断扩大，网络拓扑的不断复杂，网络承载的应用不断丰富，简单的提高数据传输 带宽功能已经不是无线网络发展的唯一目标。只有对移动a dh o e 网络进行有效的 网络管理，才能推动移动a d h o g 网络从简单的“传输网向“智能网”迈进。 网络管理技术包括了性能管理、故障管理，安全管理等很多方面，目前的网 络发展已经进入了以服务为核心的时期，因此服务管理成为了网络管理技术中的 重点，而服务管理的核心内容就是服务发现，也称服务定位。服务发现最早是伴 随网格网理论提出的，主要解决在网络中节点如何寻找到由其他网内节点提供的 可以利用的服务( 包括各种网络资源) ，从而提供网络内所有资源的全面联通，包 括计算资源、存储资源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等，最终实 现网络虚拟环境中的资源共享和协同工作，消除信息孤岛和资源孤岛。移动a d h o g 网络的功能特性决定了大量的网络节点是临时接入进行联合工作，所以服务 发现是移动a dh o g 网络必备的重要支撑，但是由于移动a dh o g 的网络通信条件 电子科技大学硕士学位论文 限制，在其中进行服务发现是比较困难的，特别当移动性提高，网络规模扩大的 情况就会有更多的难题。 本文旨在对移动a dh o c 网络环境下进行服务发现的技术可行性和性能问题进 行分析和研究，并设计适合移动a dh o c 网络下的服务发现框架。 1 2 国内外研究现状 国外对服务发现技术的研究起步很早，对固定网络中的服务发现已经有了比 较成熟的解决方案。在传统固定网络中，常见的网络服务发现技术有s l p 【l 】，j i n i 【2 】，s a l u t a t i o n t 3 1 ，u p n p 4 】等。s l p 是最早的完整定义服务发现技术框架的标准协 议，它于1 9 9 7 年由i e e e 发布。s l p 定义了3 个三个组件：服务代理( s e r v i c e a g e n t ， s a ) ，用户代理( u s e r a g e n t ，u a ) 和目录代理( d i r e c t o r y a g e n t ，d a ) ，并描 述了集中和对等两种服务发现结构，为以后的服务发现技术研究打下了基础。j i n i 是1 9 9 9 年由s u n 公司推出的一种分布式处理技术体系，它建立在j a v a 技术的软 件框架之上，支持网络设备的即插即用。j i n i 作为一种成熟的网络资源共享环境， 提供了基本的服务发现功能，后来的改进版本还可以适用于多种的网络类型。 s a l u t a t i o n 是由国际上的一些工业组织和研究机构结成的联盟设计的开放性标准， 最早的版本在2 0 0 1 年发布。设计目的是为了解决在具有广泛连接性和移动性的环 境中大量的各种类型的设备相互之间自动发现其服务并调用服务的问题。u p n p ( 通用即插即用协议) 设计为可以支持大量设备制造商的不同类型设备的“零 配置、自主联网、自动发现等。通过u p n p ，设备可以动态地加入网络，获得i p 地址，发现网络上的其它设备及其提供的功能，所有这一切都是自动完成的。这 一协议主要用于打印机，网关及消费类电子设备的互相连接和组网。总体说来， 固定网络中的服务发现功能大多包含在更完善的网络分布式系统技术之中，已经 取得了较为成熟的研究成果。 相对于固定网络，移动a dh o c 网络下的服务发现研究较少，从目前看来，主 要成果集中在小规模a dh o c 网络中，服务发现结构一般采用对等网形式，例如 d e a p s p a c e 5 1 ，k o n a r k 6 ，p d p 7 1 等协议。d e a p s p a c e 是i b m 在2 0 0 1 年提出的让 a dh o c 网络中不同设备互相通信的方式，主要针对的环境是单跳小规模无线自组 织网，作为早期的a d h o c 网络专用的服务发现协议，d e a p s p a c e 是一种完全分布 式的算法，它针对网络环境的特点作了一些优化，但性能并不可靠，未投入实际 2 第一章绪论 使用。c h o o n h w al e e 等人在2 0 0 3 年发表了一种新的移动a dh o c 网络服务发现协 议叫o n a r k 。这种协议针对的环境是小规模多跳a dh o e 网络。其设计的基本思 想依然是采取完全分布式的服务发现结构，使用组播技术进行服务信息的交互， k o n a r k 经过多次改进，已经开始进入实用阶段。2 0 0 5 年，c e l e s t ec a m p o 等人发 表了一种新的完全分布式服务发现协议_ p d p ，开始考虑服务发现中的节能和 对查询要求进行分类，进一步提高了移动a dh o e 网络内服务发现协议的性能。这 一类的服务发现协议支持的网络规模较小，但协议较为成熟，部分协议进入产品 化阶段。对于较大规模的移动a dh o e 网络，国外的研究资料还比较少，并且多数 集中在有基础结构的类m e s h 网络中，例如s u p e r s t r i n g ，s s d s ，t w i n 等协议， 都是建立在完善的基础结构之上，并且都还停留在框架设计和简单仿真阶段，需 要解决的问题较多。对于完全没有基础结构的较大规模移动a d h o e 网，服务发现 的研究资料还非常少，一般采用的都是简单的分群管理方式。 国内的服务发现研究开始得比较晚，和国外相比，无论在研究方向的广度和 研究的成果上都存在着较大的差距，从目前的技术文献看，国内的服务发现研究 成果不多，特别在移动a dh o e 网络下的服务发现技术上处于起步阶段。目前国内 关于移动a dh o c 网络内的服务发现研究集中在对几个常见小规模服务发现协议 的细节改进上，在协议报文传输方式和服务发现机制上有一些研究，但缺乏整体 性的框架设计和完整的性能分析，对较大规模移动a dh o c 网络下的服务发现还未 见有较好的研究成果。 总体来说，目前服务发现技术虽然已经有了一定的成果，但没有一个统一的 可用的标准协议。相对于固定网络中服务发现协议的成熟，针对移动a dh o e 网络 的协议研究还比较少，特别是在网络规模的扩大和移动性的提高时，如何保证服 务发现协议的正常工作是亟待解决的问题。 1 3 主要研究工作和创新点 本文主要研究了移动a dh o e 网络中的服务发现技术问题。首先对目前服务发 现技术的发展现状和成果进行详细研究和分析，比较不同网络和业务环境下的服 务发现实现的方法，得出较大规模移动a d h o e 网络的服务发现是当前服务发现技 术发展中的趋势。经过仔细分析较大规模移动a dh o c 网络的特点，本文提出了一 种适用于该网络环境的服务发现协议并进行了完整的性能分析，然后通过分析提 3 电子科技大学硕士学位论文 出了一种扩充策略，对所涉及的服务发现协议性能进行了优化，功能上也有所加 强。同时，本文还对目前服务发现技术的下一步发展方向进行了初探性的探讨。 本文的主要创新点如下： 1 ) 提出了一个完整的适用于较大规模移动a dh o c 网络的服务发现协议。该协议 在服务发现过程上采用了s l p 定义的查询应答框架，可以满足多种查询需 求。网络框架上采用了分群管理的方式，能支持所有节点的自由移动和多个 节点的自由入网和出网，并且受移动性影响较小，能在较高移动速度下保证 一定的性能表现。这一协议也提供了一个灵活的协议框架，通过对群覆盖范 围，查询判决算法等一系列协议细节的细化和改进，可以不断得到性能提升， 从而为较大规模移动a dh o c 网络下的服务发现协议研究打下基础。 2 ) 针对上述基本协议的功能和性能上的不足，提出了一种结合路由层的协议扩 充方案。通过在路由层捎带少量服务信息，实现了在分群结构被破坏时维持 部分服务发现功能，扩大了协议的适用网络范围，并能有效降低全网服务发 现平均时延。同时，这一改进带来的额外网络负载非常小，并且不会破坏基 本协议对移动a dh o c 网络的适应性。 1 4 论文章节安排 本文一共包含5 章。 第一章绪论。主要介绍课题的背景和研究意义，并对本文的主要研究工作和 创新点进行说明。 第二章服务发现技术。首先对服务发现技术在网络管理中的作用和价值进行 讨论，然后详细分析服务发现技术要解决的各种技术难题，最后根据当前服务发 现技术的研究成果得出目前服务发现技术的趋势是实现较大规模移动a dh o c 网 络的服务发现。 第三章移动a dh o c 网络服务发现协议设计。选择了较大规模移动a dh o c 网 络为目标，首先分析目标网络的特点和进行服务发现所面临的技术难点，然后提 出一种适用于该网络环境的服务发现协议框架。在分析此协议框架的基础上，提 出用路由层捎带部分信息的完全分布式模块对基本协议进行扩充。 第四章协议仿真设计。使用o p n e t 仿真软件对第三章提出的服务发现协议 进行完整的仿真，并在不同网络和业务条件下搜集网络负载，服务发现时延等性 4 第一章绪论 能指标，通过比较分析得出该协议的性能特点。 第五章结论与展望。总结全文内容，并对服务发现技术的下一步发展方向进 行了初探性的探讨。 s 电子科技大学硕士学位论文 第二章服务发现技术 本章将详细介绍服务发现技术在网络管理中的地位，突出服务发现功能与多 个网络管理功能单元间的联系，然后对服务发现技术中要解决的技术难题做出详 细分析。 2 1 网络管理技术 网络无论是创始初期或是现在，一个主要的目的就是为了实现信息的传播与 共享。这些信息需要高效、正确、可靠的手段进行通信，因此，网络研究人员在 努力提高网络速度的同时也在认真研究如何保证网络稳定运行的技术，后者对网 络管理人员提出了很高的要求。它要求网络管理人员必须能够随时监视网络活动， 控制设备的运行，并能够承担起很多其它相关任务。这些任务仅仅依靠人力来说 实在太复杂了，所以网络管理软件的重要性不言而喻。 网络管理被定义为控制一个复杂的计算机网络而使得它具有高效率和高生产 力。这其中包括网络中各项数据的收集、传输、并自动的或通过管理人员手动的 对这些数据进行分析和处理，最后完成网络管理动作。下面将从网络管理的功能、 运行模式和管理结构三个方面介绍网络管理技术的基本概念和发展趋势。 2 i i 网络管理的功能 从网络管理的具体功能上说，国际标准化组织i s o 定义了五个管理功能域 ( m a n a g e m e n tf u n c t i o n a r e a ，m f a ) i s 】：故障管理( f a u l tm a n a g e m e n t ) 、配置管 理( c o n f i g u r a t i o nm a n a g e m e n t ) 、计费管理( a c c o u n t i n gm a n a g e m e n t ) 、性能管理 ( p e r f o r m a n c em a n a g e m e n t ) 和安全管理( s e c u r i t ym a n a g e m e n t ) 。 故障管理就是对网络中心的故障进行检测、诊断和恢复或排除，其目的是保 证网络能够提供连续、可靠的服务。主要功能包括：维护、使用和检查差错日志； 接受差错检测的通报并做出反应；在系统范围内跟踪差错；执行诊断测试序列； 执行恢复动作以纠正差错。 性能管理是以网络性能为准则，负责收集、分析和调整管理对象的状态，其 6 第二章服务发现技术 目的是保证在使用最少的网络资源和最小延迟的前提下，网络提供可靠、连续的 通讯能力。性能管理分为性能监测和性能控制两部分。性能监测指网络工作状态 信息的收集和整理，而性能控制则指为改善网络设备的性能而采取的动作和措施。 配置管理支持为了网络服务的连续性而对管理对象进行的控制、鉴别，从中 收集数据和向它提供数据。配置管理是网络管理的基本功能，有时也叫监控功能。 计费管理记录用户使用网络资源的情况并核收费用。计费管理系统的设计目 标应使系统具有如下功能：以用户或网络主机使用网络资源的情况为依据，根据 管理策略对使用者进行收费。当费用不能正常收缴时，系统对网络资源进行控制， 使未缴费的用户不能够继续正常使用网络资源，直至该用户正常缴费。同时，计 费管理还要通过控制网络参数保证计费用户的正常网络资源。 安全管理是对网络资源访问提供保护，包括授权机制、存取控制、加密及密 钥管理以及有关安全访问日志的维护。 这5 个管理功能的关系可以用图2 1 说明。故障管理的实现是通过搜集网络 状况数据进行分析完成的，如果要实现故障恢复，还需要对网络内相关对象的有 效控制，这些功能都是由配置管理和性能管理一起完成的。同样，计费管理的一 个重要依据就是用户使用网络的状况，这一数据也需要性能管理来搜集，并由配 置管理通过调整网络参数对用户的可用网络资源进行维护和限制。安全管理需要 的授权，存取等功能都必须由配置管理完成，而网络的安全状况则是从性能管理 所搜集的数据中判断。从上述分析可以看出，网络管理中核心和关键的就是检测 和控制网络的运行状态，其他的网络管理功能都必须依赖于对目前网络状况的了 解和控制上，而这个功能是由配置管理和性能管理联合完成的。 图2 - 1 网络管理基本功能域的关系 上述的网络管理功能只是目前网络管理中被规范化了的基本功能，随着网络 过管理技术的发展，网络管理中出现了很多新的功能模块，这些新的模块可以作 为网络管理中新的功能或是对原有网络管理基本功能的细化和辅助。例如，拓扑 7 电子科技大学硕士学位论文 发现功能是专门针对网络拓扑的监测机制，通过它可以实现对整个网络状况的更 详细的了解，从而在网络性能管理中更准确地搜集和分析网络性能参数，并由此 给计费管理、安全管理和故障管理提供依据，因此高效的拓扑发现是整个网络管 理系统的一个重要基础。在传统的固定网络中，由于网络拓扑结构比较稳定，因 此拓扑发现的作用并不明显，而对于目前的研究热点移动a dh o e 网络，拓扑变化 非常快，拓扑发现也就成为了必要的功能。总之，网络管理的功能随着网络技术 的发展，也在不断地强化。 2 1 2 网络管理的运行模式 网络管理系统从概念上讲是一个运行在网络多个节点上的分布式软件系统。 从软件结构上看，大多数网络管理协议典型的网络管理系统可以分为管理者、被 管者、管理代理、管理信息库、管理报文和管理策略等要素。它们的交互方式和 结构如图2 2 所示【9 1 。 管理系统被管系统 被管稽 臀蔓曩者仙管理代理 r 叫怠； ! 静螋臻电j 守了 管理倍感烊管理信息捧 图2 - 2 网管系统运作模式 网络中每个被管理的设备都具有一个或多个变量来描述其状态，同时对这些 变量进行整理和计算后可以得到关于网络状况的各种数据。这些数据是网络管理 的基础，因此网络管理中必须建立专门的数据库结构对它们进行管理，这种数据 库一般称为管理信息库，不同的网管协议会定义不同的管理信息库运行规则。同 时，管理信息库还会存储管理策略，即网络管理中用到的各种数据分析和判决规 则的总和。 网络管理报文是网管系统交换的各种消息报文的总称，最重要的网管报文一 般包括管理者发出的管理命令、被管系统的响应以及被管系统根据管理策略做出 的主动告警消息等。 管理系统可以是专门运行管理程序的单个计算机或分布式计算系统，也可以 8 第二章服务发现技术 在物理上与网络内的任何计算机重合，它运行管理程序，通常称为网管工作站。 管理系统上运行管理者进程，管理者可以通过主动轮训或用户被动提交的方式与 被管系统交换网络管理协议报文。这些报文包含有管理者发出的命令、被管系统 发回的相应，以及可能出现的被管系统主动发送给管理者的网络管理消息。管理 者一般要维护一个管理信息库( m i b ) ，这个信息库的作用是存储各种搜集的网络 状况数据和制定的各种管理策略，如收费用户分组等。 被管者可以是普通计算机、路由器、网桥等与网络通信相关的节点设备。这 些设备都受到管理者的监控，与管理者一起完成网络管理的各项功能。但是，管 理者和被管者并不是直接交互的，两者之间需要通过管理代理模块进行通信。管 理代理也需要建立一个管理信息库，这个信息库一般包含由代理搜集的网络状况 参数，也可能会存储一些网络管理的局部策略，但代理模块维护的管理信息库在 内容上与管理者所维护的信息库是不同的。通过管理代理的中介作用，管理者和 被管者不需要统一的通信协议，而由管理代理进行数据翻译和整合，对于网络内 可能出现多种接口不一致的被管者和管理者，管理代理能很好的起到耦合接口的 作用，有利于扩大网管系统的适用范围。 网络管理系统的运行网络管理系统的运行通常有两种驱动模式：主动命令和 被动告警。主动命令是指由管理者向管理代理发出管理命令。管理者发出的管理 命令的依据是管理信息库中存储的网络状况和管理策略，同时它要根据从管理代 理处接收到的各种管理信息更新自己维护的管理信息库。管理代理在收到管理命 令后根据这些命令进行网络数据的搜集、综合和上报，同时更新自己的管理信息 库。被动告警是指管理代理根据自己维护的管理信息库中的策略分析当前所知的 网络参数，如果有符合告警规则的状况，则将告警信息主动发送给管理者，管理 者在收到这个信息以后进行进一步分析和处理。现有的网管协议一般将这两种驱 动方式结合使用。 2 1 3 网络管理的结构 传统网络的网管系统一般采用集中式的管理，有专门的管理工作站运行管理 者进程，网络内的其他节点( 也即被管者) 运行管理代理进程。为了避免网络规 模扩大后造成的瓶颈效应，还出现了采用多个计算机共同运行管理者进程的分布 式管理者，以及在管理者和管理代理之间加入了多级代理结构。图2 3 所示的就 是一个2 级代理的管理结构。 9 电子科技大! 学硕士学位论文 厂一团一厕i 绷毫。曼彳。卜 副 一u 口l 、。 ；，嘉翥。；l 翔 ；爱0 ，：lf ：l 黏露露撼 图2 3 二级网络管理结构 随着网络管理技术在移动a dh o c 网络上的发展，传统的集中式网管结构逐渐 不能适应移动a dh o c 网络的特点。由于在移动a dh o c 网络中网络资源的不稳定 性，很难用固定的管理者和代理对不断变化的网络环境进行监控，因此在移动a d h o c 网络中人们提出了新的网管结构【l 。 大多数移动a dh o c 网络管理方案均采用了分稚式算法，将管理者和代理的管 理工作分配给多个节点，并采用了分级结构，由于管理者和各级代理都不是固定 在某个节点上，在网络状况发生变化时候可以维持网管功能的运行。对于分级结 构难以解决的是在网络拓扑动态变化的条件下维持网络管理的整体结构不被破 坏，可以说这是移动a dh o c 网络管理的重要基础。虽然在路由研究中已经有了丰 富的网络分群算法研究基础，但是网管分群和路由分群的特点还是有很大区别， 总体上说，路由分群是完全对网络用户透明的，只需要提供足够的通信性z h - , 匕e , 即可， 而管理分群则必须考虑如何与网络管理者接口的问题，不能仅仅从通信性能出发。 根据设计出发点的不同，目前一般有基于位置的管理和基于移动性的管理等移动 a dh o c 网络管理等多种方案。一种比较好的结构是基于游牧式管理的分布式结 构，如图2 4 所示。网内维护多个游牧式管理节点，这些节点上运行管理代理进 程，与管理者交互。同时，在用户节点上运行简单的网管代理与游牧式管理节点 交互。这种结构的核心在于游牧式管理代理。这些游牧式节点具有两个显著的特 点：第一是这些节点之间形成的管理节点网络很灵活，可以根据网络状况添加或 删除这种节点，因此可以适应网络状态变化难以预料的情况；第二是这种游牧式 管理节点优先选择资源比较稳定的节点担任，可以运行比较复杂的管理代理进程， 结合基于策略的网络管理思想，可以进行大量的网络管理运算，而不需要将所有 的管理任务提交给管理者，从而减轻网络负载和管理节点的计算压力。 第二章服务发现技术 2 2 服务发现概述 图2 _ 4 游牧式管理结构 从上一节的介绍可以看出，网络管理技术无论在功能、结构还是具体算法上 都在迅速发展，服务发现正是目前网管技术研究的一个重点。本节将详细介绍服 务发现的概念和重要意义。 2 2 1 网络服务 广义地看，网络内任意节点上一切可被网络内其他节点调用的、可以与使用 者产生互动的软硬件资源都可以称为服务，因此，服务是网络交互中最基本的概 念之一。随着网络普及率不断提高，网络内的大量资源，包括计算资源、存储资 源、通信资源、软件资源、信息资源、知识资源等都经常通过网络进行共享，这 些资源都可以看作是服务。 网络服务根据调用资源的不同可以分为独立于硬件的服务和依赖硬件的服务 两种。独立于硬件的服务是指由网络内几乎所有节点都可以运行的软件所提供的 可调用资源，例如g s m 网络中的通话功能或a dh o c 网络中的数据包转发功能。 依赖于硬件的服务一般是指由特殊硬件提供的，不能在普通节点运行的资源，例 如打印机提供的打印服务等。由于任何硬件服务都必须通过软件来驱动，因此在 协议设计上，这两种服务都可以看作提供了调用接口的软件服务，不作具体区分。 从服务内容上看，网络服务也可以分为两类：用于支持网络通信的服务和用 户应用级的服务。由于网络通信协议都是需要多个网内节点协同运行，因此可以 1 1 电子科技大学硕士学位论文 认为网络通信协议都是网络服务的特例。用户应用级的服务一般是指工作在应用 层的网络软件，网络结构对这些软件的使用是透明的，但通过这类网络软件我们 可以调用其他节点提供的资源。 从提供服务的节点数量上分，网络服务可以分为单个节点提供的服务和分布 式服务。分布式的服务一般由多个节点共同完成的，功能比较复杂。分布式服务 调用的典型例子是路由层的工作过程。由于路由协议需要网络内几乎所有节点互 相交换信息，最终得到完整的路由表，因此可以认为建立路由表的过程是一个分 布式服务。 在一般的研究中所指的网络服务，通常是指运行在应用层的网络内可调用的 资源，因此，网络管理系统中处于应用层的模块也可以认为是网络服务。 2 2 2 服务发现的概念 传统的网络应用往往要求提供服务的位置相对固定，网络连接基本稳定，服 务资源开放且容易获得，整个环境采用统一的管理策略，即是一个自治系统。这 种完全固定于自治系统中的资源调用虽然也属于网络服务，但其工作过程可以由 人工预先配置，无需复杂的管理机制。但是，因为每次计算只能使用单一组织的 有限资源，随着网络技术的不断发展，这些要求逐渐成为网络计算能力的限制。 由于计算能力不足，现有的分布计算环境对许多应用类型往往难以支持，虽然通 过在自治系统中配置大量固定的计算资源解决，但其成本非常高。目前网络技术 的发展的重要趋势就是网络更大更灵活，而庞大的异构网络和灵活的自组织网络 中，网络承载的服务数量和复杂程度越来越大，不可能将所有资源进行预先配置， 因此必须采用专门的管理系统来管理这些资源，保证网络中的节点正确地使用网 内能提供的各种资源，完成复杂的分布式任务，这样的系统就是服务管理【1 2 1 。由 于网络传输技术的进步，对大多数网络来说，数据传输已经不是网络价值的表征， 服务已经成为了网络的核心，是否能大量稳定地提供优质的网络服务成为了衡量 网络优劣的标准，服务管理也就成为了网络管理的重要功能。 一个完整的服务管理过程需要完成从定位服务到使用服务最后回收资源等任 务，包括了服务发现、服务调度和服务安全等方面【l 引，但是，使用服务和资源回 收都可以由服务提供者和客户协商完成，只有服务定位是最必要的管理要素。这 是因为，要实现任何服务提供者和客户的协商，首先要能使客户找到需要的服务， 这个功能就是服务发现，在不能预先配置所有网络资源的环境中，只有通过服务 第二章服务发现技术 发现得到了网络服务的描述信息，才能获知该服务的调用接口、使用方式，从而 正确使用需要的服务。同时，服务发现还能提供网络服务的各种相关参数，包括 服务质量、服务使用权限等多种信息，从而使用户能更好地选择最适合的网络服 务。因此，服务发现是服务管理的最基础最必要的功能。服务发现功能的运行原 理如图2 5 所示，节点可以向运行在本节点的服务发现查询代理提交自身的服务 需求，然后由查询代理通过服务发现规则查找服务描述信息库，自动找到符合用 户需求的服务，并将该服务的必要信息提交给用户，用户根据这些应答信息就可 以正确地使用网络服务，服务信息库是一个存储网络内服务描述信息的逻辑模块， 它的维护和管理方式由具体的服务发现协议制定。 图2 - 5 服务发现j r 作原理 服务发现通常工作在网络资源不固定，节点不能预先了解整个网络内的可用 服务的环境下。典型的这种环境是广域网和自组网。广域网连接了大量的异构网 络，规模大，资源多，因为网络不是由某个组织统一管理，网络内资源的增加和 脱离都不受限制，而且某些网络资源也不可能对所有用户开放，因此，一个广域 网节点不可能也不需要随时更新全网的服务状态。自组网也有同样的情况，由于 自组网的组网方式很灵活，各个节点很可能是临时组网，对网内其他节点的资源 状况很可能不了解，而且存在大量的自由入网和脱网，网络资源的稳定性没有保 证。总之，要实现组网的灵活性和承载复杂业务，服务发现都是必备的功能。 2 2 3 服务发现与网络管理的关系 如果从狭义的网络服务概念出发，服务仅限于工作在应用层的用户级网络软 件，则可以将服务发现看作是网络管理的功能域之一。另一方面，由于服务概念 的广泛性，我们也可以将网络管理的很多模块，甚至服务管理本身也看作一种服 务，这样就可以把整个网络管理的过程与普通网络服务的工作过程统一在一个框 电子科技大学硕士学位论文 架下。下面分别介绍按照这两种思路设计的网络管理模型。 从服务发现的工作原理可以看出，服务发现也需要使用代理进程，这和上文 介绍的网管框架是符合的。服务发现还需要维护服务描述信息库，信息库中存储 的服务描述信息不仅与服务本身的性质有关，大量的服务描述还与提供服务的节 点所处的网络环境相关，例如服务可用带宽，时延等。这些数据都可以由网络管 理的基本功能域：性能管理来提供。同时，服务接入过程中可能遇到很多需要调 整网络配置的情况，必须由配置管理提供支持。因此，可以看出，服务管理也应 该以网管功能域的两个核心功能性能管理和配置管理为基础。不仅如此，服务发 现中对服务的筛选必须要考虑资源的使用权限因素，这一数据应该由安全管理提 供。如果是需要收费的网络资源，计费管理也需要与服务发现产生互动。故障管 理则与服务描述信息库的维护有关，结合故障管理可以对可能出现异常的网络节 点提供的服务信息进行更新。总之，这种功能模型下，服务发现是作为网络管理 的一种外围功能，建立在5 个基本网管功能域之上，可以成为网络管理体系的可 选组件，灵活地架设在原有的网管系统之上，如图2 - 6 所示。 图2 石服务发现作为网管外围功能 采用另外一种思路，将网络管理认为是由一组网络服务共同完成的功能，则 可以看出，网络管理的5 个基本功能域都可以归纳为网络服务。性能管理需要搜 集网络状态数据，搜集过程会使用到大量远程代理，可以认为这些代理是运行在 被管节点上的服务进程，性能管理进程通过调用这些服务来获取所需要的网络状 态参数。配置管理的完成需要远程配置网络参数，这种发送配置命令的过程可以 被看作是可被远程配置的节点提供了配置服务，并通过配置接口接收配置管理进 程的调用。其他几个基本功能域也可以按类似的方式处理。这样就可以建立一个 统一的框架，将普通用户软件和网络管理统- n 服务管理中来。这种设计需要打 1 4 第二章服务发现技术 破原有的网络管理框架，但它具有一个明显的优势。由于框架的统一，网络管理 的各个功能模块可以得到服务管理的支持，可以如同添加新的用户服务一样添加 新的网管模块而不需要在网络内预先配置，布设有了很大灵活性。同时，一个有 效的服务管理系统就可以简化应用层网络通信的设计。在这样的系统里，服务发 现就成为了应用层网络通信发起的一个基本支持，形成如图2 7 的结构。 嗍络管理 用 性就安计 敞 户 能代令费簿 级 管管管 管镣 网 成j 型旦曼理j 塑 络 j i | 主 务 彳一1 。一r7 一 其他暇务管理 瑕务发现 模块 暇：务铛理 图2 - 7 服务发现作为网管的支撑功能 一种更特殊的情况是，将服务发现本身也认为是网络服务的调用，由于在服 务描述信息库的维护和查询过程中都会用到很多远程交互，这种设计也是可行的。 j i n i 就使用这种思路设计了服务描述信息库维护方式。j i n i 中的服务描述信息库 是由部分设备上存储的服务描述信息目录构成，同时j i n i 把服务描述目录也定义 为一种服务：查找服务，因此这些查找服务也可以成为其他查找服务的注册对象。 2 3 服务发现技术所涉及的技术难点 从上文的介绍可以看出，无论作为外围的网管模块还是网管的支撑，服务发 现都是非常重要的网络基础技术。但由于服务发现技术的发展并不成熟，还有很 多技术难点需要解决。下面将从服务发现技术涉及的服务描述信息的管理，服务 描述方式，服务选择，服务访问等几个方面分析