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現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)發(fā)展綜述摘要:隨著Internet的廣泛應(yīng)用和高速發(fā)展,用戶對網(wǎng)絡(luò)的性能質(zhì)量和業(yè)務(wù)的要求與日俱增,網(wǎng)絡(luò)資源的消耗和網(wǎng)絡(luò)擁擠日見顯著。如何為用戶提供多樣化的服務(wù)質(zhì)量保障,如何使網(wǎng)絡(luò)資源分配更合理、利用率更高效,是網(wǎng)絡(luò)研究面臨的挑戰(zhàn)。為此,出現(xiàn)了一些網(wǎng)絡(luò)新技術(shù),如核心無狀態(tài)調(diào)整策略、虛擬化網(wǎng)絡(luò)和負載平衡網(wǎng)絡(luò)等。關(guān)鍵詞:虛擬化網(wǎng)絡(luò);負載平衡;集成服務(wù)Abstract:With the Popularization and rapid development of Internet,high-Performances and high-quality services are required increasingly,and resource consumption and congestion are growing significantly. How to provide differentiated services and how to achieve rational resource allocation and efficient utilization are the challenges for the network research. Therefore, there have been some new network technologies, such as Core Stateless Adjustment Strategy, Virtual network and Load Balancing Network.Keywords:Virtual network; Load Balancing; IntServ0 引言Internet經(jīng)過幾十年的發(fā)展,已逐步由單一的數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)向數(shù)據(jù)、語音、圖像等多媒體信息的綜合傳輸網(wǎng)演化,它所帶來的快速高效信息訪問及傳遞方式改變著人類社會的信息共享方式,已經(jīng)成為人類生活不可或缺的一部分。但是在Internet日漸成熟的今天,Internet由多運營商鋪設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施及運維的建設(shè)模式卻限制著新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議及業(yè)務(wù)應(yīng)用的出現(xiàn)。并且隨著Internet規(guī)模的迅速擴展,傳統(tǒng)IP核心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、路由方式和保證單一的盡力服務(wù)(Best-Effort)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,使得Internet面臨許多在安全、管理、控制和服務(wù)質(zhì)量等方面函待解決卻又難以解決的問題,這些問題在一定程度上制約了網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展。如何打破Internet自身的缺陷更好地適應(yīng)未來社會的需求,是目前國內(nèi)外關(guān)于互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展研究所關(guān)注的焦點。為解決這些問題,世界各國開展了對網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備改造的研究。1集成服務(wù)、區(qū)分服務(wù)與核心無狀態(tài)調(diào)度策略Internet自20世紀60年代出現(xiàn)以來蓬勃發(fā)展,近年來更是以驚人的速度增長。但是單一的盡力而為(Best-Effort)服務(wù),無法滿足多媒體應(yīng)用和各種用戶對網(wǎng)絡(luò)傳輸質(zhì)量的不同要求。因此,以提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率,為用戶提供更高服務(wù)質(zhì)量(QoS)為目的的研究極具活力。例如IETF提出的集成服務(wù)(IntServ)和區(qū)分服務(wù)(Diffserv)體系結(jié)構(gòu)、分組調(diào)度策略和隊列管理算法等。Intserv提供端到端的質(zhì)量保證型服務(wù)(Guaranteed Service)或可控負載型服務(wù),Intserv需要所有的路由器在控制路徑上處理每個流的信令消息并維護每個流的路徑狀態(tài)和預(yù)約狀態(tài),在數(shù)據(jù)路徑上執(zhí)行基于流的分類、調(diào)度和緩沖區(qū)管理。Intserv依靠資源預(yù)留協(xié)議RSVP逐節(jié)點(Hop-by-Hop)地建立(Set-Up)或拆除(Tear-Down)每個流的資源預(yù)留軟狀態(tài)(soft state),依靠接納控制(Admission Control,也稱準入控制)決定鏈路或網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是否有足夠的資源滿足QoS請求;依靠傳輸控制(Traffic Control)將IP分組分類成傳輸流,并根據(jù)每個流的狀態(tài)對分組的傳輸實施QoS路由、傳輸調(diào)度等控制。要實現(xiàn)具有QoS保證的Intserv是比較困難的,它需要基于流的、復(fù)雜的資源預(yù)留、接納控制、QoS路由和調(diào)度機制。而在復(fù)雜、大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中鏈路的是不確定的,有效地預(yù)留帶寬等資源是一件困難的工作。而且,提供QoS的Intserv具有某種面向連接的特性,而IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展仍不具有面向連接的特更本質(zhì)的問題是,Intserv面臨著可擴展(Scalability)和魯棒性(Robustness)問題,前者是因為基于流的操作的復(fù)雜性通常隨著傳輸流數(shù)量的增加而增長;是因為在分布式網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中很難維持動態(tài)的、復(fù)制的傳輸流狀態(tài)的一致性。Diffserv產(chǎn)生的目標在于簡單有效,以滿足實際應(yīng)用對可擴展性的要Diffserv簡化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的服務(wù)機制,在內(nèi)部節(jié)點只進行簡單的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā),流狀態(tài)信息的保存與流監(jiān)控機制的實現(xiàn)等只在邊界節(jié)點進行,內(nèi)部節(jié)點是狀態(tài)無關(guān)的。Diffserv簡化網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部節(jié)點的服務(wù)對象,采用聚集傳輸控制,服務(wù)是流聚集(Flow Aggregate)而非單流,單流信息只在網(wǎng)絡(luò)邊界保存和處理界節(jié)點根據(jù)用戶的流規(guī)則(Profile)和資源預(yù)留信息將進入網(wǎng)絡(luò)的單流分類、形、聚合為不同的流聚集,這種聚集信息存儲在每個IP包頭的DS(Differentiated Services)標記域中,稱為DS標記(DSCP);內(nèi)部節(jié)點在調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)IP包時根據(jù)包頭的DSCP選擇提供特定質(zhì)量度轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù),其外特性稱為每跳行為(Per-Hop-Behavior,PHB)。網(wǎng)絡(luò)邊界對單流做分類聚合與網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部對聚集流提供特定質(zhì)量的調(diào)度轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù),這兩個過程是通過IP包頭內(nèi)的DSCP協(xié)同起來的。Diffserv增強了可擴展性,但是也付出了降低保證QoS性能的代價。實際Diffserv的多域分類是無法提供端到端QoS保證能力的,Diffserv要實現(xiàn)真端到端的QoS,還有很長的路要走。核心無狀態(tài)調(diào)度策略,實際上是基于每個流的調(diào)度策略的一種變形。一說,調(diào)度策略需要為流維護兩種信息:服務(wù)質(zhì)量要求參數(shù)和速率控制所需的及狀態(tài)信息。在基于每個流的調(diào)度策略中,進行流識別的目的就是為了獲取信息。而核心無狀態(tài)調(diào)度策略將它們記錄在每個數(shù)據(jù)包的頭部l0,從而消流識別和狀態(tài)信息維護的需要,而又能達到與基于每個流的調(diào)度策略相同果。核心無狀態(tài)調(diào)度策略的主要優(yōu)點是在核心網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中無需流識別和維態(tài)信息,從而具有很好的可伸縮性和健壯性。但其包處理過程非常復(fù)雜,而標準的處理過程存在一定的不兼容性。2虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)Intserv、Diffserv和核心無狀態(tài)調(diào)度策略為解決Internet在管理、控制和質(zhì)量等方面問題提供了具有創(chuàng)新性研究意義的想法和參考,但源于它自身存在的弱點,并不能真正得以在現(xiàn)實中廣泛應(yīng)用去解決互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)存的問題。為了緩解IP網(wǎng)絡(luò)帶來的問題,各國開展了多項針對IP網(wǎng)絡(luò)改造的研究項目,如:美國的Internet2項目、PlanetLab試驗床、NEWARCH項目、CORONET項目;歐洲的即FP6、FP7項目;日本的JGNZ項目;加拿大的CA*net3、CA*net 4項目;韓國的FI未來互聯(lián)網(wǎng)項目;我國的CNGI下一代互聯(lián)網(wǎng)、高可信網(wǎng)、新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)理論研究等863、973項目。這些項目都是從現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)上進行改革,具有與之前網(wǎng)絡(luò)研究的延續(xù)性與可操作性,但是對于IP網(wǎng)絡(luò)存在的問題只能是有緩解作用,并不能從根本上解決IP網(wǎng)絡(luò)的問題。任何技術(shù)體系都有它的生命周期,經(jīng)過若干年的發(fā)展就可能發(fā)生較大的革新,IP網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)也不例外。目前,國際學(xué)術(shù)界一般都認為,未來的新型網(wǎng)絡(luò)很可能不是基于IP,而是一種全新的體系結(jié)構(gòu)。為此,美國、歐洲、日本、加拿大等國家和地區(qū)在05年之后紛紛在各自網(wǎng)絡(luò)研究基礎(chǔ)之上開展了新一代網(wǎng)絡(luò)研究計劃,提出了虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)其核心目的是在一個物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上同時運行多個互不干擾的邏輯網(wǎng)絡(luò),這些網(wǎng)絡(luò)可以有自己特定的拓撲和路由算法,并允許各邏輯網(wǎng)絡(luò)(或稱為虛擬子網(wǎng))采用完全不同的體系結(jié)構(gòu),從而允許虛擬子網(wǎng)中實現(xiàn)充分實驗、完全創(chuàng)新、各具特色的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。虛擬化也為未來運營性網(wǎng)絡(luò)提供框架參考,在虛擬化網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中,允許多個運營商的網(wǎng)絡(luò)共享一個公共的底層網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)(鏈路、交換節(jié)點等),每個網(wǎng)絡(luò)都在其中擁有不受其他網(wǎng)絡(luò)影響而又可以靈活調(diào)整的網(wǎng)絡(luò)資源份額。不同運營商可以采用不同的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。因此,虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點也有利于實現(xiàn)現(xiàn)有IP網(wǎng)絡(luò)與新一代網(wǎng)絡(luò)的共存和過渡。虛擬化網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究相關(guān)的未來網(wǎng)絡(luò)研究項目例如:美國開展了FIND計劃和GENI計劃1231;歐洲最大的網(wǎng)絡(luò)研究項目FP7中的主體資金投入支持未來網(wǎng)絡(luò)研究項目,使其演進成歐洲未來網(wǎng)絡(luò)研究FIRE計劃、SAC計劃的第一步;日本在JGNZ項目中添加NWGN(New Generation Network)概念,開展為JGNZ+項目,成為日本未來網(wǎng)絡(luò)研究計劃AKARI的起始點;加拿大啟動以CA*nets未來網(wǎng)絡(luò)研究項目等。網(wǎng)絡(luò)虛擬化的總體設(shè)計目標是實現(xiàn)各種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)或業(yè)務(wù),在同一個的物絡(luò)結(jié)構(gòu)上的有效共存并實現(xiàn)融合。在這個總體目標的驅(qū)動下,進一步提出了基本設(shè)計目標,以此來指導(dǎo)后續(xù)工作。l)靈活性網(wǎng)絡(luò)虛擬化在各個方面必須滿足靈活性,每個虛擬網(wǎng)絡(luò)能夠適合于任意拓撲,路由技術(shù),并且能夠?qū)崿F(xiàn)個性化的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議,而與其他虛擬網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)無關(guān)。2)分類管理性按不同的網(wǎng)絡(luò)資源主要供給分成服務(wù)運營商和物理資源運營商之后,網(wǎng)擬環(huán)境的管理任務(wù)就進行了分類,物理資源運營商主要的負責(zé)任務(wù)是負責(zé)其有的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)備資源的管理和運維,而服務(wù)運營商主要負責(zé)任務(wù)是下轄所擬網(wǎng)絡(luò)滿足客戶各種需求的管理和運營。最后的總體目標是實現(xiàn)完全的端到網(wǎng)絡(luò)管理和服務(wù)質(zhì)量保證。3)可拓展性在多個虛擬網(wǎng)絡(luò)并存的基礎(chǔ)上,可拓展性是網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境的一個設(shè)計目需要清晰地了解在現(xiàn)有有限資源的前提下,最大可以承載的虛擬網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量,且這種虛擬網(wǎng)承載映射是可重構(gòu)的。4)安全性網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境通過保證各個虛擬網(wǎng)絡(luò)之間的完全隔離來實現(xiàn)安全性,這得網(wǎng)絡(luò)對于突發(fā)性攻擊和錯誤有更好的彈性。單獨的虛擬網(wǎng)絡(luò)的癱瘓不會影他虛擬網(wǎng)絡(luò)的正常運行。這種安全性還體現(xiàn)在保護各個虛擬網(wǎng)絡(luò)的隱私信息方面。5)異構(gòu)性網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境的異構(gòu)性體現(xiàn)在兩個方面:第一,底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的異構(gòu)性,絡(luò)虛擬環(huán)境能夠融合無線網(wǎng)、光網(wǎng)、傳感器網(wǎng)絡(luò)等,每種網(wǎng)絡(luò)的不同特性導(dǎo)絡(luò)虛擬環(huán)境的不同解決方案;第二,虛擬網(wǎng)絡(luò)的異構(gòu)性,在底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)基礎(chǔ)上,服務(wù)運營商需要能夠并行設(shè)置不同的虛擬網(wǎng)絡(luò),這就要求虛擬網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和算法需要適應(yīng)不同的底層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。6)可編程性網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境的可編程性要求網(wǎng)絡(luò)中各個元素的可編程性,這樣才能支持服務(wù)運營商的靈活個性化協(xié)議和多樣性服務(wù),實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的可拓展可升級。同時,這種可編程性也需要滿足有效性、安全性。3負載平衡網(wǎng)絡(luò)技術(shù)負載平衡技術(shù)源于多處理器領(lǐng)域,通過使整個系統(tǒng)的負載趨于平衡的方面提高整個系統(tǒng)的效率。近年來,負載平衡技術(shù)被引入到新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究為網(wǎng)絡(luò)核心節(jié)點的實現(xiàn)方式、網(wǎng)絡(luò)整體框架設(shè)計、選路算法等都提供了新的和新的方法?;谪撦d平衡的兩級交換結(jié)構(gòu)是由臺灣清華大學(xué)張正尚教授提出的,該交換結(jié)構(gòu)證明在第一級負載平衡條件下,第二級端口的匹配關(guān)系只要匹配置換矩陣滿足Birhoff-von Neumann矩陣分解條件就可以得到100%的吞吐量,大大簡化了匹配算法的復(fù)雜度,且在不需要加速比的條件下得到OQ的性能。但是兩級交換結(jié)構(gòu)當(dāng)為區(qū)分QoS提供支持的時候,匹配矩陣的分解需要事先對包流的需求有明確的認知,并且在端口多、數(shù)據(jù)量大情況下的分解就會出現(xiàn)計算復(fù)雜、計算量大的問題?;谪撦d平衡思想的valiant Load-Balancing(VLB)路由策略是由美國斯坦福大學(xué)研究人員提出的。它假定每個節(jié)點之間都存在一條最短邏輯鏈路直連,構(gòu)建一個全連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Fun Mesh)。節(jié)點發(fā)送包第一跳平均發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中其它所有節(jié)點,第二跳再由其它所有節(jié)點發(fā)送到目的端節(jié)點。VLB路由負載壓力均分,選路只跟鏈路和節(jié)點的容量有關(guān),從而解決了最短路徑方法容易產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)擁塞的問題和流量工程中難以獲得的業(yè)務(wù)流量矩陣的問題?;谪撦d平衡思想的Oblivious路由是由美國麻省理工大學(xué)研究人員提出的,Oblivious路由建立在美國加州伯克利大學(xué)研究人員提出的i3網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(Internet direction Infrastructure)基礎(chǔ)之上。i3網(wǎng)絡(luò)主要的思路是在核心網(wǎng)絡(luò)中心建立數(shù)個超級中心節(jié)點,邊界點的以一定的比例關(guān)系將包通過邏輯路徑直接發(fā)送給這些中心節(jié)點而不是目的節(jié)點,之后再由這些中心節(jié)點通過邏輯路徑直接發(fā)到目的地,以此直接的兩跳來解決網(wǎng)絡(luò)利用率和擁塞問題。Oblivions路由在i3網(wǎng)絡(luò)思想的基礎(chǔ)上,將第一跳中分包過程改變?yōu)榈确郑兄行墓?jié)點具有相同的性能,使i3網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)完整的負載平衡關(guān)系,獲得負載平衡下更高效和更簡易控制的目的,并擴展了負載平衡路由的應(yīng)用到非邏輯全連接網(wǎng)絡(luò)拓撲中?;谪撦d平衡思想的路由仍然存在著結(jié)構(gòu)特殊、拓撲單一等問題,如何拓展負載平衡路由的應(yīng)用,有待于未來負載平衡路由技術(shù)研究中做進一步的探討。4總結(jié)本文針對現(xiàn)在的通信網(wǎng)絡(luò),特別是Internet網(wǎng)絡(luò)存在的缺點,較詳細的闡述了幾種新的核心/骨干網(wǎng)絡(luò)技術(shù),包括:核心無狀態(tài)調(diào)整策略、虛擬化網(wǎng)絡(luò)和負載平衡網(wǎng)絡(luò)等,同時指出了各種新技術(shù)存在的不足之處。這些工作應(yīng)該有助于網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)的發(fā)展和完善。參考文獻Reference1 林闖,單志廣,盛立杰等. 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