毕业论文一体化网络下基于cs模式的服务迁移机制设计与实现.pdf

北京交通大学 硕士学位论文 一体化网络下基于C S模式的服务迁移机制设计与实现 姓名 王泼 申请学位级别 硕士 专业 信息网络与安全 指导教师 张宏科 20090601 中文摘要 中文摘要 摘要 随着互联网技术爆炸式的发展 用户需要网络提供更多种类的服务 并保证良好的通信性能 单点失效是网络通信面临的严重问题 域名系统D N S D o m a i nN a m eS e r v e r 对资源描述能力差 更新速度慢 难以满足新应用的要求 因此 在资源迁移 网络拥塞或系统故障等情况下 如何连续稳定地提供高质量 的服务 是当前互联网领域研究的热点问题 服务迁移技术是为了解决以上问题 而提出的 为互联网通信的稳定性和可靠性提供了良好的基础 本文提出一种一 体化网络下基于C S 模式的服务迁移机制 保证在通信过程中资源获取的连续性 解决了由于资源迁移 网络拥塞或服务器故障等问题带来的通信中断问题 本文的工作依托国家9 7 3 计划课题 一体化可信网络与普适服务体系基础研 究 旨在设计一种基于C S C l i e n t S e r v e r 模式的服务迁移方案 论文首先介绍 了现有的服务迁移技术 下载及断点续传技术 并分析了其优缺点 其次 在对 一体化网络体系进行深入分析的基础上 针对一体化网络中身份与位置相分离的 目的 给出一体化网络下基于C S 模式服务迁移方案 该方案通过设计一种下载应 用来体现服务的无缝迁移 包括使用连接标识C I D C o n n e c t i O l lI d e n t i f i e r 表示资 源获取过程 支持服务迁移 支持断点续传等 同时 还介绍了流控制传输协议 S C T P S t r e a mC o n t r o lT r a n s m i s s i o nP r o t o c 0 1 应用于一体化网络的优势 并分析其 特点 最后 本文对给出的设计方案在L i n u x 平台上进行了编程实现 在此方案中 主要有以下特点 1 采用可选的S C T P 加以并行多路径传输C M T C o n c u r r e n t M u l t i p a t hT r a n s f e r 技术的配合 使用多路径并行传输 提高文件下载速度 2 可以针对不同的服务器所提供应用协议的不同 选择合适的应用协议 保证切换 的平滑过渡 3 实时保存文件中间状态 如文件偏移等 保证切换过程中通信的 连续性 4 采用服务标识S I D S e r v i c eI d e n t i f i e r 表示资源身份 C I D 表示一次资 源获取过程 用户感受不到通信过程中连接的迁移 保证服务的稳定性和可靠性 通过实验平台的部署及测试 表明该方案基本满足一体化网络服务迁移的功 能需求 出现资源迁移 网络拥塞或服务器故障等情况时 连接立刻迁移 迁移 前后服务器可以具有不同的应用协议和传输协议 通信能够持续进行 不受影响 本方案的成功实现 为一体化网络中服务迁移的方案设计 具体实现以及测 试分析提供了一个实验平台 为后续工作的进行奠定了良好的基础 关键词 一体化网络 服务标识 连接标识 流控制传输协议 并行多路径 传输 服务迁移 分类号 T P 3 9 3 0 T N 9 1 5 0 4 北京交通大学硕 学位论文 A B S T R A C T 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 fv a r i o u st e c h n o l o g i e s I n t e r n e tn e e d st o p r o v i d e aw i d er a n g eo fs e r v i c e sa n de n s u r et h eg o o dp e r f o r m a n c eo ft h e c o m m u n i c a t i o n S i n g l en o d ef a i l u r ei sas e r i o u sp r o b l e mi nn e t w o r kc o m m u n i c a t i o n D N S D o m a i nN a m eS e r v e r c a n tt o t a l l yd e s c r i b et h er e s o u r c ea n du p d a t e ss l o w l y T h e r e f o r e i th a sb e c o m eah o ts p o tt h a th o wt op r o v i d ec o n t i n u o u sa n ds t a b l eh i g h q u a l i t ys e r v i c ew i t ha t t a c k sa n df a i l u r e si nn e t w o r k T h es e r v i c em i g r a t i o np r o v i d e sa g o o dm e t h o dt os u p p o r ts t a b l ea n dr e l i a b l ec o m m u n i c a t i o n s T h i sp a p e rp r o p o s e sa n a p p r o a c ho fC Sb a s e ds e r v i c em i g r a t i o nw h i c hi sb a s e do nt h eu n i v e r s a ln e t w o r ka n d g u a r a n t e e st h ec o n n e c t i o nn om a t t e rt h e r ea r ec o n g e s t i o n so rf a i l u r e si nc o m m u n i c a t i o n T h i st h e s i sr e l y i n go nt h ew o r ko fN a t i o n a lB a s i cR e s e a r c hP r o g r a mo fC h i n a 9 7 3 P r o g r a m t o p i c sd e s i g n sa C Sb a s e ds e r v i c em i g r a t i o n F i r s t l yw ei n t r o d u c et h ee x i s t i n g s e r v i c em i g r a t i o nt e c h n o l o g i e sa n dc o m r n o nd o w n l o a dt e c h n o l o g i e s a n da n a l y z et h e p r o sa n dc o n so ft h e m S e c o n d l y w ea n a l y z et h es e p a r a t i o no fi d e n t i t ya n dl o c a t i o n a n d d e s i g nam e t h o do fC Sb a s e ds e r v i c em i g r a t i o n T h ed o w n l o a dp r o g r a mr e f l e c t st h e s e a m l e s ss w i t c h i n c l u d i n gu s i n gt h ec o n n e c t i o ni d e n t i f i e r C I D t oe s t a b l i s ht h e c o n n e c t i o n M e a n w h i l e w ei n t r o d u c es t r e a mc o n t r o lt r a n s m i s s i o np r o t o c o l S C T P a n d u s eS C T Pf o rd a t at r a n s f e r T h i r d l y t h i sp a p e rg i v e st h ed e s i g no ft h eL i n u xp l a t f o r mi n t h ep r o g r a m m i n g I nt h i ss c e n a r i o t h e r ea r es o m ef e a t u r e s 1 u s i n gt h eo p t i o n a lS C T P w i t hc o n c u r r e n tm u l t i p a t ht r a n s f e r C M T t e c h n i q u e t oi m p r o v et h es p e e do f d o w n l o a d s 2 u s i n gt h eo p t i o n a la p p l i c a t i o np r o t o c o lt o e T I S u r et h es m o o t hs w i t c h i n g t r a n s i t i o n 3 s a v et h ei n t e r m e d i a t es t a t ei nr e a l t i m et oe n s u r en oi n t e r r u p t i o ni nt h e c o m m u n i c a t i o n 4 u s i n gt h es e r v i c ei d e n t i f i e r S I D a st h ei d e n t i t yo ft h er e s o u r c ea n d u s i n gC I D t oe s t a b l i s ht h ec o n n e c t i o nt oe n s u r et h es t a b i l i t ya n d r e l i a b i l i t yo f s e r v i c e s T h r o u g ht h ed e p l o y m e n to fe x p e r i m e n t sa n dt h et e s t s i ts h o w st h es c e n a r i oC a n m e e tt h ef u n c t i o n sr e q u i r e m e n to ft h es e r v i c em i g r a t i o n t h ec o n n e c t i o nw i l lm i g r a t e i m m e d i a t e l yw h e nt h e r ei sar e s o u r c e sm i g r a t i o n n e t w o r kc o n g e s t i o no rs e r v e rf a i l u r e d i f f e r e n ts e r v e r sc a n U S ed i f f e r e n ta p p l i c a t i o np r o t o c o l sa n dt r a n s p o r tp r o t o c o l s T h es u c c e s so ft h er e a l i z a t i o np r e p a r e sas o l i df o u n d a t i o nf o rt h ef u t u r er e s e a r c ho f t h em i g r a t i o ni nt h eu n i v e r s a ln e t w o r k K E Y W O R D S U n i v e r s a ln e t w o r k S I D C I D S C T P C M T s e r v i c em i g r a t i o n C L A S S N 0 T P 3 9 3 O T N 9 1 5 0 4 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留 使用学位论文的规定 特 授权北京交通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 并采用影印 缩印或扫描等复制手段保存 汇编以供查阅和借阅 同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘 保密的学位论文在解密后适用本授权说明 学位论文作者签名 王 蕞 导师签名 签字日期 p 1 年6 月 日签字日期 为叼 年占月 JE 1 积 北京交通大学硕士学位论文 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和取得的研 究成果 除了文中特别加以标注和致谢之处外 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交通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 学位论文作者签名 万灌签字日期 川年 月纠日 J I 一 I 7 0 致谢 本论文的工作是在我的导师张宏科教授的悉心指导下完成的 张宏科教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响 在此衷心感谢两年来 张老师对我的关心和指导 张思东教授对于我的科研工作和论文都提出了许多宝贵的意见 在此表示衷 心的感谢 秦雅娟副教授悉心指导我完成实验室的科研工作 在学习和生活上都给予我 很大的关心和帮助 在此向秦老师表示衷心的谢意 同时 感谢周华春老师 杨 冬老师 董平老师 罗洪斌老师在我的科研和生活中给予无私帮助和诚挚的关怀 在实验室工作及撰写论文期间 薛淼 王博 吴恒奎等博士 以及孙亮 刘 畅 董振辉 鄢欢等硕士对我论文中的研究工作给予很多帮助 在此向他们表达 我的感激之情 另外也感谢家人和朋友 他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学 业 他们的支持和鼓励让我不断进取 衷心的祝愿我的家人 老师 和朋友身体健康 工作顺利 万事如意 也祝 愿我们下一代互联网互联设备国家工程实验室有更美好的明天 引言 1 引言 本章首先介绍课题的研究背景 接着阐述了迁移技术在国内外的研究现状 最后说明本课题的研究意义及论文的主要工作 1 1研究背景 随着信息技术的不断发展 互联网业务的不断扩展 网络已经成为人们生活 中的必要部分 现有互联网采用T C P I P 1 四层结构体系 从下到上依次是网络接口 层 网际层 传输层和应用层 采用了面向无连接的 尽力而为 的I P 分组转发服 务 无法保证数据传输的可靠性 因此通过传输层的T C P 来提供某种程度上的可靠 的数据传输 同时也引入了服务质量Q o S 来解决互联网的实时业务等问题 近年来互联网以爆炸式的速度在迅猛的发展 网络中多种业务的接入将是未 来的发展趋势 这使得互联网这种面向数据传输的初始设计面临着极大的挑战 因为现有的四层网络结构无法满足网络及服务的多样性需求 不支持多种业务的 接入需求 不能为多元化用户提供普适服务 现有网络的管理和运营非常复杂 地址空间匮乏 带宽瓶颈 网络安全 移动性支持等问题也越来越突出 当前的 网络资源是用统一资源定位符 U n i f o r i l lR e s o u r c eL o c a t o r U R L 2 进行描述的 每个U R L 的前半部分为主机域名 后半部分为该资源在当前主机中的位置 二这种 方式的资源描述是以主机为中心的 表示了资源的位置 却无法反映资源本身 当资源的位置进行更新 或者出现网络拥塞 服务器故障等问题 主机无法提供 该资源 从而造成通信网络连接的中断 这种U R L 的资源描述也将失去意义 现 有互联网中的I P 地址不仅代表互联网终端的身份信息 还代表了终端在互联网中的 位置 由于I P 地址的双重语义 使得终端发生移动时 口地址必须发生改变 来表 示终端位置发生变化 从而造成了传输层连接的中断 需要重新建立连接 因此 为了更好地迎接这些挑战 必须建设更好支持移动性 安全性和可控可管的下一 代信息网络 J 下是针对以上几种情况 世界各主要发达国家目前都有规划下一代 信息网络的迫切需求 并针对下一代信息网络的发展制订了相应的宏观决策 2 0 0 4 年 英国电信提出了 2 1 C N 下一代网络建设计划 目标是建设下一代 网络 替代现有的电话交换网及互联网 形成多业务融合的网络 2 0 0 5 年 美国 自然科学基金委员会提出 全球网络研究环境 G E N I G l o b a lE n v i r o n m e n tf o r N e t w o r k i n gI n v e s t i g a t i o n s 3 4 项目 2 0 0 6 年 美国自然科学基金委员会提出 未来 互联网设计 F I N D F u t u r eI n t e m e tD e s i g n 5 项目 2 0 0 7 年 欧盟提出 未来 北京交通大学硕士学位论文 互联网研究和实验 F I R E F u t u r eI n t e r n e tR e s e a r c ha n dE x p e r i m e n t a t i o n 项目 6 所有这些项目都是为了改进现有网络架构 或者从根本上重新设计互联网 以解 决现有互联网存在的问题 打造一个适合未来1 5 年或更长时间的下一代互联网 我国也积极参与到对下一代网络的研究中 在 十五 计划期间启动了一系列与 下一代信息网络相关的科研工作 包括国家9 7 3 国家自然科学基金 国家8 6 3 发改委C N G I 等项目 2 0 0 7 年 9 7 3 项目组资助了重大研究计划 一体化可信网络 与普适服务体系基础研究 提出了一种支持普适服务的一体化可信网络体系结 构 用于实现服务一体化 网络一体化 一体化网络体系能够允许多种类型的用 户接入 实现分布式网络资源的共享和查找服务 包括了语音 数据 图像等业 务并提供可靠的服务质量 向用户提供安全性 移动性 可管可控性优良的服务 一体化网络采用新的体系结构 7 8 9 是一个全新的 标识分组网络 包括 服 务器 和 网通层 两个大的部分 服务层 引入了服务标识S I D S e r v i c eI d e n t i f i e r 和连接标识C I D C o n n e c t i o nI d e n t i f i e r 以及服务标识映射系统 完成各种业务 的会话 控制和管理 网通层 引入路由标识R I D R o u t e rI d e n t i f i e r 和接入标 识A I D A c c e s sI d e n t i f i e r 以及接入标识映射系统 在一个可信 可控 可管的 一体化网络平台上提供多元化的网络和终端接入 保证信息交互的可信性和移动 性 并有支持普适服务的能力 一体化网络中 服务标识S I D 标识了资源本身 连接标识C I D 提供面向资源获 取的连接 标识了一次资源的获取过程 用于完善网络中服务迁移的问题 当同 一个资源存在于多个服务器上时 所有主机上的资源都是使用同一个S I D 来标识 的 而一个S I D 可以对应多个主机A I D 这时 如果一个主机中的资源发生了迁移 或者在资源获取过程中出现网络拥塞或服务器故障 用户会至J J S I D 对应的多个A I D 列表中 查询其他的可用主机 建立连接并获取资源 这时 代表资源身份的S I D 没有发生变化 代表该资源获取过程的C I D 也没有发生变化 而代表资源位置信息 的A I D 却发生了变化 用于一次通信过程中连接建立的C I D 是独立于位置信息的 在通信过程中保持不变 能够保证连接的可靠性 提供移动环境下连接的稳定性 本论文主要提出了一种适合一体化网络中服务迁移的方案 利用标识一种资 源获取过程的C I D 来实现在一次资源获取过程中 连接的无缝切换 服务的无缝 迁移 保证通信过程的连续性和稳定性 为了解决现有网络中T C P 传输协议带来的 队头阻塞和易受S Y N 攻击等问题 一体化网络中选用了S C T P t l o 作为可选协议 来 解决T c P 引发的种种问题 并利用与S C T P 多宿特性紧密相关的C M T 1 1 技术 实现 多路径并行传输 提高传输效率 论文的设计为了更好的适应未来网络多种接入 方式的发展 引入了多种传输协议及多种应用协议的可选性 用户自身可以根据 资源提供者的不同特性进行协议选择 以更好的适应服务迁移系统 2 引言 1 2国内外研究现状 随着I n t e r n e t 网络规模的不断扩大 网络需要提供多种服务 并保证端到端的 良好性能 尤其是对实时性要求较高的网络应用 网络服务质量保证技术应运而 生 通信的稳定性是网络服务质量的重要方面 在系统受到攻击或出现故障的情 况下 如何连续稳定地提供高质量服务 将是目前的一个技术难点 因此 服务 迁移技术也成为了一个研究热点 1 2 1T C P 迁移技术 现有的热门研究是基于L i n u x 研究T C P 迁移技术 以及基于该技术的服务器集 群系统 T C P 迁移技术的研究对高性能计算领域中迁移技术的研究 高可靠性技术 中容错的研究 以及移动自组网中主机的透明动态迁移研究都有很大帮助 其中 服务器集群 1 2 采用冗余技术 在主服务器失效时 能够进行及时 自动的进行服 务迁移 并且在迁移过程中服务不会中断 以下将对现有的T C P 迁移技术进行介绍 1 S o c k e t C l o n i n g S o c k e tC l o n i n g t l 3 是由香港大学提出来的 在基于L i n u x 的系统上实现了T C P 迁移 需要修改操作系统协议栈 重新编译内核来实现 但这种方法实现的迁移 是对服务器应用程序不是透明的 需要由服务器应用程序通过系统调用 显式地 发起迁移 需要修改服务器应用程序 2 T h eM i g r a t eI n t e r a c tM o b i l i t yP r o j e c t T h eM i g r a t eI n t e r n e tM o b i l i t yP r o j e c t 是麻省理工学院计算机科学实验室正在开 展的研究项目 1 4 1 5 该项目是在传统的T C P 报文中加入T C P 迁移选项 实现移动 主机可以在一条连接逻辑上不中断的条件下更换口地址 从而保持与固定主机的 连接 这种方法也需要修改操作系统协议栈 3 M T C P M i g r a t o r y T C P M T C P 1 6 1 7 1 8 是由R u t g e r sU n i v e r s i t y 的D i s t r i b u t e dC o m p u t i n gL a b 的研究人 员开发的 他们的方法是提出一种新的传输层协议 该协议是传统T C P 协议的扩 展 称为M T C P 协议 使用该协议的服务器集群 服务器之间可实现T C P 连接的 动态迁移 迁移也是由客户端主动发起的 因此对客户方不透明 使用此方法需 要修改主机的操作系统 并且服务程序也必须使用M T C P 提供的A P I 重新编写 迁移技术的研究是目前研究的重点和热点之一 以上的T C P 迁移技术能够在 一定程度上解决现有迁移过程中的一些问题 但是都是针对通信过程中服务器失 效或故障产生的切换而言的 这些技术都是能够自动检测到服务器节点和服务进 3 北京交通大学硕士学位论文 程的错误 失效 并且当发生这种情况时能够自动适当地重新配置系统 使得其 他节点能够自动承担这些服务 以实现通信的连续性 对于当前基于T C P 迁移技 术的集群技术而言 整个集群共享一个虚拟I P 对于用户而言 更像是一台前端 调度器和一台后端的高性能服务器 主要是为了防止服务器故障引发的服务中断 现象 但是并没有解决由于资源迁移或删除而引发的迁移问题 不能体现出用户 所感兴趣的资源获取过程 上述技术不能针对数据资源本身进行迁移实现 而我 们目前真正关心的是资源本身 需要的是保证资源获取过程中服务迁移不会影响 整个通信过程 如果出现资源的迁移或删除 或者资源所在服务器及网络出现故 障 能够为了更好的获取资源而进行连接迁移 体现出资源获取的可靠性 随着现有网络的不断膨胀发展 人们对网络的要求不再是基本的网页浏览 聊天等业务 越来越多的重要业务也需要通过网络进行操作 尤其是在通信的连 续性方面要求更高 很多重要的通信过程都要求不能因为网络故障造成中断 因 此 对于网络的稳定性和冗余性方面的要求也越来越高 现有的基于T C P 的迁移 技术多用于项目的研究 并没有真J 下的投入使用 而现有网络中能够实现服务迁 移的技术大都是基于应用本身的 如断点续传技术 集群技术等 都是用于增加 网络的冗余性而设计的 以下将对现有支持服务迁移的下载技术和服务器集群技 术进行简要介绍 1 2 2 常用下载技术 现有的下载程序大多都是基于P 2 P 网络的 P 2 P 是一种分布式网络 每个节 点既可以从其他节点得到服务 也可以向其他节点提供服务 大量的资源被利用 了起来 P 2 P 网络采用的是分布式数据存储方式 不仅仅是在单一的机器上存储系 统数据 而是多台机器中包含同一数据的备份 当网络中的某些主机出现故障时 其它主机仍旧可以组成服务协作体 对整个系统提供服务 不会因为其中的某一 部分发生故障而造成网络服务的瘫痪 从而保证通信过程的持续进行 基于P 2 P 技术的下载应用 是以种子的方式进行传播 通过软件 把文件制 作成种子并发布到页面上提供文件下载 种子体积非常小 所以非常有利于发布 种子发布后 只要有一个人提供共享 其它人就可以通过软件进行下载 P 2 P 下载 时 下载人数越多 其下载速度也就越快 但当下载人数减少时 下载速度将急 剧下降 如果下载者都在下载完成后关闭软件 不为他人提供共享 这时就会找 不到种子 无法继续下载 但是日后只要能够找到种子 就能够接着下载该文件 由于P 2 P 下载方式可以下载任何提供种子的文件 一些不法行为会任意发布限制 级文件 因此P 2 P 下载技术在某种程度上会对网络的管理造成了困难 4 引言 在P 2 P 的基础上 又出现了点对服务器 点P 2 S P P e e rt oS e r v e r P e e r 和点 对服务器P 2 S P e e rt oS e r v e r 两种技术 P 2 S P 能够有效地把原本孤立的服务器 和其镜像资源以及P 2 P 资源整合到一起 在下载稳定性和下载速度上 都比P 2 P 或P 2 S 高 既能够通过服务器获取资源 也能够通过其他节点获取资源 并且能 够通过对服务器端的监管 有效地避免非法内容的散播 P 2 S 下载方式分为H r r P 与F T P 两种类型 用户通过两种规则 协议 和提供文件的服务器协商 实现下 载的功能 并且只要对服务器进行管理 就可以有力的打击不合法文件的传播 加强文件的可控性 但是 无论是P 2 P 还是P 2 S P 型的下载 都要求正在下载或者 下载后不关闭程序的用户做种子 以下是基于这三种技术的代表软件 l B T B i t T o r r e n t 1 9 j 属于P 2 P 形式 在大量的互联网用户之间共享文件 所有提供下载或者接收下载的计算机既可以作为服务器提供服务 又可以作为客 户机接收服务 用户下载的同时 也会将已经下载的部分向其他用户提供服务 B T 中的节点在共享一个文件时 将文件分片 并将文件和分片信息保存在一个 T o r r e n t 类型的文件中 其他用户下载该文件时 根据T o r r e n t 文件信息 将文件的 部分分片下载下来 然后在其他下载该文件的节点之间共享自己已经下载的分片 以实现文件的快速下载 同时 由于文件分片的存在 文件的下载可以进行断点 续传 在下载过程随着用户数的增加 实际网络带宽就越大 下载速度就越快 2 迅雷 T h u n d e r 属于P 2 S P 形式 资源存在于服务器上 一旦有人激活 了这个资源 该资源将一直存在 除非文件被删或服务器关了 该资源就不能被 用户获取 迅雷把用户指定的下载链接保存到动态数据库中 并结合搜索引擎去 寻找这个资源的多个网络镜像 从而实现多服务器同时服务 如果互联网上存在 多个服务器资源 迅雷用户下载将优先从服务器和镜像服务器上下载 当没有多 服务器时 迅雷用户就从单服务器或者其他用户节点进行下载 由于迅雷下载保 存多种资源提供者信息 当存在网络拥塞或者某个服务器故障时 用户仍能够顺 利的完成下载任务 并且支持断点续传的功能 避免资源的重复下载 3 网际快车 F l a s h G e t 属于P 2 S 形式 通过把一个文件分成几个部分同时 下载 来成倍的提高速度 它具有添加描述 更名 查找 文件名重复时自动重 命名 以及文件断点续传等功能 而且下载前后都能够对文件进行管理 但是 F l a s h G e t 也是依赖于服务器的 当服务器忙 或者带宽不足 服务器故障时 用户 会因为这些故障 下载变慢或者无法下载 1 2 3 服务器集群冗余技术 随着网络的飞速发展 网络服务器的负载越来越重 解决网络通信的稳定性 5 北京交通大学硕士学位论文 和可靠性已是非常紧迫的问题 为了解决在网络或服务器失效时的用户仍能及时 获取服务的问题 T C P 迁移技术的研究越来越火 其主要的应用还是基于T C P 迁移 技术的服务器集群技术 可以在一定程度上实现网络的稳定性和高可用性 客户端服务器 图1 1服务器集群的结构 F i g 1 1A r c h i t e c t u r eo fS C I V e rc l u s t e r 如图1 1 所示 在服务器集群中 通常由一台前端调度器和若干台后端服务器 组成 并通过高性能网络互联 整个集群共享一个虚拟I P 地址 集群中只有前端调 度器对用户可见 后端多台服务器集群对用户而言就是一台高性能服务器 所有 的客户请求首先到达前端调度器 由前端调度器根据一定的负载均衡算法 将请 求分发给后端服务器 采用集群技术的系统具有巨大的优势 通过一组服务器将 网络服务独立执行 可以获得很高的整体性能 并且后端服务器的结点数目可以 增长到成千上万 其可伸缩性好 集群技术在硬件和软件上都有冗余 通过检测 软硬件的故障 可以将故障屏蔽 由存活结点提供服务 实现服务器的切入和切 出不会中断服务的高可用性 在集群系统中 主要目的是均衡服务器的负载 当一台服务器出现故障时 另一台服务器立刻担负起前一台服务器未完成的责任 继续为用户提供服务 集 群技术解决的问题是服务器的宕机或者服务器之间的均衡 并不是针对每一个资 源而设计的 在服务器正常工作的情况下 如果用户想从当前服务器上获取一个 以前曾经存在的资源 但在用户获取该资源前 此资源已经被删除 或者迁移迁 移到另一台服务器上 集群系统中的用户则不能通过该系统转移到另一台服务器 上去获取此项资源 因此 我们可以将集群技术看成是一种服务器冗余技术 而 不是面向资源的迁移技术 这就是集群系统的一个劣势 同时 在此集群系统中 如果虚拟I P 出现故障 或者前端调度器受到网络攻击 所有的网络通信将受到极 大的影响 这是集群系统的另一个劣势 6 引言 1 3论文工作及组织结构 本文在采用C I D 技术的一体化网络架构基础上 设计 实现了一次资源的获取 过程中服务的无缝迁移技术 经过方案的设计 软件编码 以及对软件的部署测 试 可以满足一体化网络通信的基本要求 论文的具体组织结构如下 第一章阐述本文的研究背景以及迁移技术在国内外的发展动态 给出本文的 主要工作以及论文的组织结构 第二章介绍一体化网络的基本原理 给出服务标识S I D 及连接标识C I D 的概 念 分析一体化网络下的资源获取机制 第三章根据一体化网络的需求 针对性的提出了一种满足一体化网络要求的 服务迁移设计方案 对该方案的总体架构进行设计 介绍该方案的各个相关内容 意义及整个验证过程的详细设计 并给出应用程序的客户端和服务器设计 最后 将一体化网络下服务迁移机制 与现有网络下服务迁移技术做对比 阐述各自的 优缺点 表明一体化网络下服务迁移设计的必要性和可行性 第四章是根据上一章的设计方案 对服务迁移的设计进行实现 并对验证服 务迁移性能的应用程序进行实现 介绍软件编程实现中的服务迁移处理流程 实 现流程以及意义 第五章搭建测试环境 对源代码进行测试 并分析本论文的设计方案给互联 网带来的性能改善 第六章总结全文 对本课题的研究方向以及下一步的工作进行了探讨 7 北京交通大学硕 学位论文 2 一体化网络体系与资源获取技术简介 本章介绍了一体化网络相关概念 网络体系结构 网络层次划分以及网络的 各种功能实体 阐述一体化网络的优点 2 1 一体化网络体系介绍 2 1 1 一体化网络的体系结构 互联网分层体系结构有利于互联网各层技术的独立发展 但是互联网体系结 构中名字空间 以及名字空间之间解析的问题是互联网结构的主要缺陷 这些缺 陷给互联网带来移动性 安全性 可控可管等方面的问题 针对以上问题 一体化可信网络与普适服务体系基础研究 从 服务层 和 网通层 两个层面对新一代网络展开研究 一体化可信网络与普适服务体系结 构模型如图2 1 所示 是全新的 标识分组网络 是 标识分离映射 的开放式设 计模型 两个虚拟子层 两次解析映射 服 两个虚拟子层 一次解析映射 图2 1一体化可信网络新型体系结构模型 F i g 2 1A r c h i t e c t u r eM o d e lo f U n i v e r s a lN e t w o r ka n dP e r v a s i v eS e r v i c e s 服务层 主要负责业务的会话 控制和管理 对应于T C P I P 网络结构层次 传输层及其以上层面 其中 所负责业务包括由运营商或第三方增值服务商提供 的各种网络业务 主要是语音 数据 流媒体等 不同的业务用同一个 服务层 承载 各种网络资源和服务都采用唯一标识符S I D 来识别 并且进行从s I D 到c I D 的解析 从C I D 到R I D 的解析 网通层 主要负责提供统一的通信平台 对应于T C P I P 中的网络层及以下 的部分 研究目标是在一个可信 可控 可管的一体化网络平台上提供多元化的 网络和终端接入 保证信息交互的可信性和移动性 并有支持普适服务的能力 一体化网络与现有网络的对应关系如图2 2 所示 其中一体化网络中的服务层 对应着T C P I P 的应用层和传输层 一体化网络中的网通层对应着T C P I P 的网际层 一体化网络体系与资源获取技术简介 和网络接口层 罂 拟服务子层 s l D 应用层 茎之虚拟连接子层 c 传输层 层 虚拟连接子层 c I D 塑 虚拟骨干子层 R I 网际层 霆e 虚拟接入子层 A I D 网络接口层 层 虚拟接入子层 图2 2T C P I P 四层结构与一体化网络体系结构比较 F i g 2 2C o m p a r i s o n so f T C P I Pa n dU n i v e r s a lN e t w o r k a r c h i t e c t u r e 2 1 2 服务层 一体化网络 服务层 主要解决两个问题 网络服务与资源的统一处理 支 持多连接多路径的高效传输协议设计 如图2 3 所示 服务层 创建了虚拟服务子 层 虚拟连接子层 服务标识解析映射以及连接标识解析映射 以实现对各种业 务的统一控制和管理等 图2 3 一体化网络与普适服务新型体系结构服务层模型 F i g 2 3A r c h i t e c t u r eM o d e lo fs e r v i c el a y e ri nU n i v e r s a lN e t w o r ka n dP e r v a s i v eS e r v i c e s 虚拟服务子层引入服务标识S I D 来统一描述各种网络资源 虚拟连接子层引入连接标识C I D 提供面向资源获取的连接 服务标识解析映射将资源对象映射到多个服务连接 支持多样化的网络资源 连接标识解析映射将连接映射到 网通层 的多个端到端选路 体现了一次 服务可对应多个连接 多种路径选择的思想 从而提供普适化的网络服务 服务层的设计 克服了传统互联网的三个缺陷 缺乏统一的服务标识 缺乏 服务到连接的合理映射 缺乏端到端多路径的多样化 S I D 为不同网络下的各种服 务进行统一的命名和管理 实现服务的可控可管 C I D 独立于位置信息 在通信过 程中保持不变 提供移动环境下连接的持续性和稳定性 两次映射将现有的D N S 9 北京交通大学硕士学位论文 从域名到I P 地址的解析一次解析过程 分割成两次解析两次映射 使资源传输时的 连接以及路径的选择更加灵活 完善了现有互联网的名字空间和解析空间 1 虚拟服务子层 虚拟服务子层是 服务层 的基础 用以解决服务对象的统一调度 提供服 务的可控可管 虚拟服务子层通过S I D 将网络支持的服务进行统一分类描述 并在 此基础上提供一套完整的服务统一处理机制 包括服务注册 服务发现 服务查 询 服务建立等 虚拟服务子层使用S I D 代替现有的域名等网络资源的标识 实现对各种网络资 源的统一标识 S I D 是通过对资源的关键字或内容进行H a s h 运算得到的1 6 0 b i t 值 一体化网络中选用S H A 1 算法 由于S I D 缺乏对资源丰富的描述 也无法提供灵活 的资源映射 因此还定义了一个服务标识映射结构S M S S e r v i c ei d e n t i f i e rM a p p i n g S t r u c t u r e 来对资源进行描述 服务提供商将自己提供的资源信息注册到映射系统 中 每一个资源信息都对应有全球唯一的服务标识S I D 用户通过S I D 查询 并从 映射系统得到资源信息及其他信息摘要 并经过一次或者多次映射 将1 6 0 b i t 的S I D 映射成C I D 2 虚拟连接子层 虚拟连接子层的主要作用是为网络服务的连接进行统一的描述 并通过连接 标识来区分不同的服务连接 服务标识的映射解析是网络服务经过解析后 虚拟 连接子层通过解析结果 为网络服务提供合适的连接过程 连接标识的映射解析 将 服务层 和 网通层 结合在一起 为网络服务提供连接的建立和路径传输 一体化网络中 通过定义C I D 来解决服务移动性问题 如图2 4 所示 C I D 由一 个四元组组成C I D 2 9 b i t 的h a s h 值 1 6 0 b i t S I D 3 2 b i t 本地A I D 3 2 b i t 本地时间戳 3 b i t 随机数 C I D 不再依赖于终端的位置 可以有效解决终端移动过程中维持服务 连接的问题 图2 4 连接标识C I D 字段划分 F i g 2 4D e f i n i t i o no fC o n n e c t i o nI d e n t i f i e r 总之 C I D 及S I D 到C I D 的映射 完善了现有互联网名字空间和映射空间的 完备性 提高了互联网处理的灵活性和移动性 3 映射机制 一体化网络的 服务层 采用服务标识与连接标识的映射 来对网络服务进 行统一描述以及标识不同流的连接 1 0 一体化网络体系与资源获取技术简介 如图2 5 所示 服务层 的分离映射系统引入S I D 到C I D 的映射 完善了互 联网的名字空间和映射结构 竖箜星二 虚拟服务子层 H i 务标识 垫咝 虚拟连接子层 连接标识 接标识 f 一一 焉铲一一 一一一舅星一一一j 图2 5 一体化网络 服务层 标识映射模型 F i g 2 5I d e n t i f i e rm a p p i n gm o d e lo ft h es e r v i c el a y e ro fU n i v e r s a lN e t w o r k 服务层 的工作原理如下 首先 根据 服务标识解析映射系统 命名规则 通过虚拟服务子层定义的 服务标识S I D 对各种网络支持的不同资源进行统一的标识 完成统一的服务调度 其次 当用户需要获得某个网络资源时 通过 服务标识解析映射系统 提 供的S I D 查询机制 根据S I D 在网络中定位服务 接着 定位的服务与虚拟连接子层建立连接 并通过服务标识解析映射与C I D 建立映射关系 根据资源的特点 连接的类型各异 保证连接的可靠性 最后 连接通过连接标识解析映射 映射到 网通层 选路 保证连接可靠 并提高传输效率 完成一体化网络下的一次资源交互 2 1 3网通层 一体化网络 网通层 分为虚拟骨干子层和虚拟接入子层两个部分 如图2 6 所示 虚拟骨干子层解决位置管理和路由技术 虚拟接入子层实现各种类型的终 端或者固定 移动 传感网络等的接入 一体化网络通过将骨干网与接入网相分 离 保证各种接入技术和核心区域的架构分别独立的演进 互相不受影响 图2 6一体化网络与普适服务新型体系结构网通层模型 F i g 2 6A r c h i t e c t u r eM o d e lo fn e t w o r kl a y e ri nU n i v e r s a lN e t w o r k a n dP e r v a s i v eS e r v i c e s 北京交通大学硕士学位论文 网通层 工作原理如下 首先虚拟接入子层将各种接入网络和终端等映射为接入标识A I D 其次 A I D 通过接入标识解析映射理论 映射到虚拟骨干子层的R I D 接着 虚拟骨干子层通过广义交换路由算法选路传输 最后 到达对端的接入交换路由器后 数据包的R I D 被置换回原来的A I D 这样 用户的隐私性 网络的安全性 可控可管性和移动性在 网通层 都 能够得以很好的实现 2 2一体化网络下的资源获取机制 现有网络下是通过D N S 解析U R L 返回资源所在主机位置及路径来获取资源 的 但是随着互联网的发展 网络上的服务种类越来越丰富 其增长速度也越来 越快 这种使用D N S 把一个域名解析为一个I P 地址带来的服务模式过于简单 对资 源的描述能力不足 更新速度慢 如果资源发生了迁移 这种解析模式无法及时 检测到资源位置和性能的变化 如果出现了网络拥塞或服务器故障 这种解析模 式仍然以固定模式