覆蓋網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀分析

1、覆蓋網(wǎng)絡(luò)開展現(xiàn)狀分析摘要隨著因特網(wǎng)開展的日趨完善，出現(xiàn)了很多所謂的“覆蓋網(wǎng)絡(luò)verlayNetrks，它們的形式多種多樣，功能也不盡一樣。本文綜述了覆蓋網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀，并對(duì)因特網(wǎng)上目前最流行的三種覆蓋網(wǎng)絡(luò)分別進(jìn)展介紹。關(guān)鍵詞覆蓋網(wǎng)絡(luò)；內(nèi)容傳送；彈性近年來(lái)人們不斷對(duì)因特網(wǎng)提出新的需求，例如多播、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)文件共享以及保護(hù)隱私等。這些促使了因特網(wǎng)的進(jìn)一步開展，為了更好地滿足這些要求，覆蓋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)運(yùn)而生。本文主要介紹了三種應(yīng)用較為普遍的覆蓋網(wǎng)絡(luò)：路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用層組播。文章安排如下：第2節(jié)介紹覆蓋網(wǎng)絡(luò)的定義和覆蓋網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)的原因，第3節(jié)簡(jiǎn)述三種常見的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并舉例說(shuō)明。因特網(wǎng)的體系構(gòu)造是一種分

2、層的構(gòu)造，其最上一層是應(yīng)用層，它利用傳輸層提供的效勞完成相應(yīng)的應(yīng)用功能，如eb閱讀、電子郵件效勞、FTP效勞等。但這種傳統(tǒng)的構(gòu)造已經(jīng)不能很好地滿足越來(lái)越復(fù)雜的應(yīng)用需求。例如，多媒體應(yīng)用的開展迫切要求網(wǎng)絡(luò)可以支持組播功能，而目前的因特網(wǎng)尚不能完全支持組播。因此，有人提出在應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)組播，詳細(xì)做法是參加組播的計(jì)算機(jī)自己構(gòu)成一個(gè)覆蓋網(wǎng)絡(luò)，然后在應(yīng)用層維護(hù)組播樹的構(gòu)造并由應(yīng)用結(jié)點(diǎn)參與進(jìn)展組播轉(zhuǎn)發(fā)。覆蓋網(wǎng)絡(luò)的根本含義就是在現(xiàn)有的因特網(wǎng)上構(gòu)建一個(gè)完全位于應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。覆蓋網(wǎng)絡(luò)效勞不是由因特網(wǎng)效勞提供商InternetServiePrvider提供的，而是由一種新型的效勞提供商提供。它存在于因特網(wǎng)根底設(shè)

3、施和應(yīng)用程序之間，利用ISP提供的效勞來(lái)向其用戶提供更加優(yōu)化的效勞?？梢哉J(rèn)為，覆蓋網(wǎng)絡(luò)是分布在因特網(wǎng)上的一組提供效勞的主機(jī)的集合，它們?yōu)橐粋€(gè)或多個(gè)應(yīng)用程序提供下層的根底設(shè)施，在某種程度上轉(zhuǎn)發(fā)和處理應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，所采用的方式與目前因特網(wǎng)上的不同；由第三方運(yùn)營(yíng)和管理，不是當(dāng)前因特網(wǎng)體系構(gòu)造的一局部。3.1路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)的作用是為了控制或改善網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳送的途徑，在一個(gè)路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，通信雙方的端結(jié)點(diǎn)并不改變，改變的是其分組可能經(jīng)過(guò)的路由。我們知道，因特網(wǎng)由很多個(gè)自治系統(tǒng)AutnusSyste組成，每個(gè)自治系統(tǒng)由一個(gè)ISP維護(hù)，分組在一個(gè)自治系統(tǒng)內(nèi)部的途徑由管理該自治系統(tǒng)的ISP決定，受

4、多個(gè)因素影響，其中包括自治系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造和傳送分組所需的開銷。每個(gè)ISP與其相連結(jié)的ISP一般都會(huì)有商業(yè)上的協(xié)定，這些協(xié)定決定了分組從哪一條途徑傳送到下一個(gè)自治系統(tǒng)的開銷最校自治系統(tǒng)之間運(yùn)行邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BrderGateayPrtl，BGP允許每個(gè)ISP設(shè)定關(guān)于接收、轉(zhuǎn)發(fā)分組的控制策略，然后通過(guò)分布式計(jì)算來(lái)確定一條從源結(jié)點(diǎn)到目的結(jié)點(diǎn)的“最正確的途徑。但是由于每一個(gè)ISP側(cè)重的目的不一致，比方有的ISP考慮傳送分組的開銷，有的關(guān)注可用帶寬和傳輸延遲，還有的希望盡量合理地使用下層物理鏈路以減小擁塞出現(xiàn)的幾率。因此，這種所謂的“最正確途徑對(duì)于用戶來(lái)說(shuō)很大程度上并不是最正確的。因特網(wǎng)本身的路由機(jī)制，完

5、全由ISP決定，端用戶和應(yīng)用程序無(wú)法參與，這種路由機(jī)制對(duì)于端用戶和應(yīng)用程序來(lái)說(shuō)是不準(zhǔn)確的，它僅反映了ISP對(duì)開銷和運(yùn)行效率的考慮，而不顧用戶和應(yīng)用程序的真正需求。下一節(jié)我們將要介紹的是針對(duì)這種現(xiàn)狀而提出的，旨在改善路由選擇，并與應(yīng)用程序嚴(yán)密聯(lián)絡(luò)的一種覆蓋網(wǎng)絡(luò)彈性覆蓋網(wǎng)絡(luò)RN。3.1.1彈性覆蓋網(wǎng)絡(luò)介紹彈性覆蓋網(wǎng)絡(luò)是一種分布式覆蓋網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造，分布于因特網(wǎng)上的RN結(jié)點(diǎn)可以僅用數(shù)秒的時(shí)間檢測(cè)到鏈路的失效和周期性的性能惡化，并快速恢復(fù)，而目前的因特網(wǎng)BGP協(xié)議那么需數(shù)分鐘。RN結(jié)點(diǎn)自動(dòng)監(jiān)測(cè)連接它們的下層因特網(wǎng)鏈路的質(zhì)量，使用搜集到的信息并結(jié)合該應(yīng)用程序?qū)δ囊煌緩揭蜃尤缪舆t、分組喪失率、鏈路吞吐量等更

6、敏感來(lái)決定某一應(yīng)用程序的分組是直接由因特網(wǎng)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)還是經(jīng)由另一RN結(jié)點(diǎn)，這樣可以更加優(yōu)化應(yīng)用程序的路由選擇。3.1.2RN的功能實(shí)現(xiàn)首先要明確一個(gè)概念，所謂“RN結(jié)點(diǎn)，并不是特殊的路由器硬件，第2.2節(jié)已經(jīng)闡述覆蓋網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)之一就是不對(duì)下層的因特網(wǎng)根底設(shè)施進(jìn)展改變，RN結(jié)點(diǎn)是分布在因特網(wǎng)上的一些有組織的主機(jī)，這些主機(jī)上運(yùn)行專門的RN軟件，實(shí)現(xiàn)的功能在某種意義上與路由器一樣，但應(yīng)區(qū)別這兩者。RN結(jié)點(diǎn)在現(xiàn)有因特網(wǎng)之上構(gòu)建一個(gè)虛擬的網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)網(wǎng)絡(luò)的任意兩個(gè)結(jié)點(diǎn)之間都會(huì)維護(hù)一條由下層因特網(wǎng)鏈路構(gòu)成的途徑，稱為“虛鏈接virtuallink。它們之間會(huì)定期或不定期通過(guò)發(fā)送探測(cè)包和監(jiān)測(cè)來(lái)理解當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

7、。比方，有一個(gè)N個(gè)結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的RN系統(tǒng)，每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都會(huì)及時(shí)探測(cè)最新的到其余N-1個(gè)結(jié)點(diǎn)的虛鏈接的狀態(tài)，這個(gè)狀態(tài)包括三個(gè)方面的內(nèi)容，延遲、分組喪失率和鏈路吞吐量。結(jié)點(diǎn)將得到的最新的虛鏈接的狀態(tài)信息保存在本地的一個(gè)性能數(shù)據(jù)庫(kù)中，并以此作為路由選擇的重要根據(jù)。使用RN轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的應(yīng)用程序稱為“RN客戶RNlient，RN的主要設(shè)計(jì)目的就是為客戶程序提供更加可靠的路由機(jī)制。RN客戶通過(guò)一種叫做“管道nduit的接口與RN結(jié)點(diǎn)進(jìn)展交互，如圖1所示。通過(guò)管道接收分組的第一個(gè)結(jié)點(diǎn)被稱為“入點(diǎn)entrynde，相應(yīng)地，分組經(jīng)過(guò)的最后一個(gè)結(jié)點(diǎn)稱為“出點(diǎn)exitnde。圖1RN體系構(gòu)造圖2RN的路由表當(dāng)?shù)谝粋€(gè)分組到達(dá)

8、入點(diǎn)后，入點(diǎn)將用其特有的路由選擇方式查找轉(zhuǎn)發(fā)表稍后將介紹為其選擇下一跳路由，即下一個(gè)RN結(jié)點(diǎn)假如不需路由那么直接交給接收程序，與傳統(tǒng)路由轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制相似下一個(gè)結(jié)點(diǎn)繼續(xù)與第一個(gè)結(jié)點(diǎn)一樣的工作，直到到達(dá)出點(diǎn)。在轉(zhuǎn)發(fā)的時(shí)候入點(diǎn)為該分組封裝一個(gè)RN包頭，其中包含“流標(biāo)識(shí)字段。入點(diǎn)在轉(zhuǎn)發(fā)了第一個(gè)分組之后，后續(xù)到達(dá)的屬于同一個(gè)客戶的分組將被標(biāo)上一樣的流標(biāo)識(shí)，不再查找轉(zhuǎn)發(fā)表，直接按第一個(gè)分組所走的途徑轉(zhuǎn)發(fā)，后續(xù)的RN結(jié)點(diǎn)也一樣。除非探測(cè)到途徑中某條虛鏈接發(fā)生重大問(wèn)題，不再合適傳輸該類型的分組，相應(yīng)的結(jié)點(diǎn)才重新查找轉(zhuǎn)發(fā)表從另一條虛鏈接轉(zhuǎn)發(fā)。因?yàn)殒溌窢顟B(tài)信息的獲取非常及時(shí)，所以一旦發(fā)生故障結(jié)點(diǎn)可以迅速改變轉(zhuǎn)發(fā)途徑，

9、這是傳統(tǒng)的BGP協(xié)議無(wú)法做到的。分組轉(zhuǎn)發(fā)的機(jī)制是這樣的，圖3為RN的路由表構(gòu)造。RN結(jié)點(diǎn)分三步完成一個(gè)完好的查找過(guò)程，第一步查找該分組的路由策略的類型，第二步針對(duì)分組的特點(diǎn)選擇不同的途徑因子，第三步才是查找分組的下一跳?？梢钥闯?，查找路由表是比擬復(fù)雜的工作，因此只有在第一個(gè)分組到達(dá)或鏈路狀態(tài)發(fā)生重大變化時(shí)才查找路由表。圖3DN的構(gòu)架示意圖3.2內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)DN3.2.1介紹內(nèi)容傳送是當(dāng)前比擬熱門的話題之一，而且占用Internet帶寬的很大一局部。對(duì)于因特網(wǎng)內(nèi)容提供者InternetntentPrvider來(lái)說(shuō)，假如采用傳統(tǒng)的中央網(wǎng)站式的內(nèi)容傳送，會(huì)有主干網(wǎng)帶寬浪費(fèi)及使用者下載內(nèi)容時(shí)間過(guò)長(zhǎng)等問(wèn)

10、題。DN是這樣一種覆蓋網(wǎng)絡(luò)，它將內(nèi)容和效勞動(dòng)態(tài)地緩存在分布在因特網(wǎng)各處的結(jié)點(diǎn)上，用戶不需集中訪問(wèn)原始的效勞器，而只需訪問(wèn)物理上或邏輯上“較近的效勞器的鏡像，這樣可以大大縮短延遲，同時(shí)減少主干網(wǎng)的帶寬消耗。3.2.2DN的構(gòu)架從技術(shù)角度講，DN由許多分布在因特網(wǎng)上的緩存效勞器組成，這些緩存效勞器向用戶提供內(nèi)容和效勞，其上緩存IP發(fā)布的效勞和內(nèi)容。最重要的問(wèn)題是如何在覆蓋網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)展用戶懇求的重定向以實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。當(dāng)接收到一個(gè)用戶懇求時(shí)，如何為其選擇一個(gè)適宜的緩存效勞器取決于多個(gè)因素，主要包括：網(wǎng)絡(luò)上的間隔 主要是由路由選擇決定、物理上的間隔 、響應(yīng)時(shí)間、效勞器負(fù)載等。用戶訪問(wèn)的根本流程如下：1)用

11、戶在自己的閱讀器中輸入要訪問(wèn)的網(wǎng)站的域名；2)閱讀器向本地DNS懇求對(duì)該域名的解析；3)本地DNS將懇求發(fā)到網(wǎng)站的主DNS，主DNS再將域名解析懇求轉(zhuǎn)發(fā)到重定向DNS；4)重定向DNS根據(jù)一系列的策略確定當(dāng)時(shí)最適當(dāng)?shù)腄N節(jié)點(diǎn)，并將解析的結(jié)果IP地址發(fā)給用戶；5)用戶向給定的DN節(jié)點(diǎn)懇求相應(yīng)網(wǎng)站的內(nèi)容；6)DN節(jié)點(diǎn)中的效勞器負(fù)責(zé)響應(yīng)用戶的懇求提供所需的內(nèi)容。目前較為常見的商業(yè)性DN網(wǎng)絡(luò)有Akaai、DigitalIsland等。最大的商業(yè)DNAkaai自己聲稱，其占用eb流量的15%。DN正日益受到內(nèi)容提供者和用戶的青睞，市場(chǎng)前景較為廣闊。3.3應(yīng)用層組播3.3.1組播介紹Deering很早就提

12、出了IP組播體系構(gòu)造，設(shè)想組播功能在網(wǎng)絡(luò)層實(shí)現(xiàn)，但是實(shí)際中卻遇到了很多問(wèn)題。技術(shù)上的原因是IP組播需要每個(gè)路由器維護(hù)每個(gè)組播組的狀態(tài)，路由器的路由表也需要為每個(gè)組播組維護(hù)一個(gè)地址項(xiàng)，這在如今的因特網(wǎng)上是很難實(shí)現(xiàn)的；而且IP組播中擁塞控制也太復(fù)雜。這些因素使IP組播無(wú)法得到廣泛應(yīng)用。而近年對(duì)組播的越來(lái)越多的需求使人們重新考慮這一問(wèn)題，新的解決方案也就應(yīng)運(yùn)而生了，這就是應(yīng)用層組播。應(yīng)用層組播是使用覆蓋網(wǎng)絡(luò)進(jìn)展組播的一種組播形式，下一節(jié)將以verast這種較有代表性的體系構(gòu)造來(lái)介紹使用覆蓋網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用層組播。3.3.2verast：使用覆蓋網(wǎng)絡(luò)的可靠組播verast被設(shè)計(jì)用于單源組播，一個(gè)verast

13、覆蓋網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)源效勞器為了應(yīng)付可能出現(xiàn)的故障一般會(huì)有備份、任意數(shù)目分布在因特網(wǎng)上的verast中間結(jié)點(diǎn)和標(biāo)準(zhǔn)的HTTP客戶端構(gòu)成。verast使用一個(gè)簡(jiǎn)單的建樹協(xié)議tree-buildingprtl將中間結(jié)點(diǎn)組織成一棵轉(zhuǎn)發(fā)樹，使用一種叫做“上/下行協(xié)議Up/Dnprtl的協(xié)議來(lái)有效地維護(hù)verast網(wǎng)絡(luò)的全局狀態(tài)。結(jié)點(diǎn)之間的虛擬鏈接是建立在下層的因特網(wǎng)上的，因此轉(zhuǎn)發(fā)樹的構(gòu)造對(duì)于覆蓋網(wǎng)絡(luò)的性能有很大的影響。在verast中建立轉(zhuǎn)發(fā)樹的原那么是盡量增大從根結(jié)點(diǎn)源效勞器到所有中間結(jié)點(diǎn)的帶寬。當(dāng)一個(gè)新的結(jié)點(diǎn)參加覆蓋網(wǎng)絡(luò)時(shí)，建樹協(xié)議便開場(chǎng)工作了。新結(jié)點(diǎn)要連接根結(jié)點(diǎn)，根結(jié)點(diǎn)如今就被看作“當(dāng)前結(jié)點(diǎn)urren

14、tnde，接著這個(gè)新結(jié)點(diǎn)便開場(chǎng)一次次地試探，在不犧牲到根結(jié)點(diǎn)的帶寬的前提下盡量將自己定位到遠(yuǎn)離根結(jié)點(diǎn)的結(jié)點(diǎn)上，成為其孩子結(jié)點(diǎn)。每次試探中新結(jié)點(diǎn)都檢測(cè)其到“當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的帶寬和到“當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的每一個(gè)孩子結(jié)點(diǎn)的帶寬，假如到一些孩子結(jié)點(diǎn)的帶寬和到“當(dāng)前結(jié)點(diǎn)的帶寬一樣高，那么其中間隔 該新結(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)間隔 最短跳數(shù)最少的一個(gè)孩子結(jié)點(diǎn)成為“當(dāng)前結(jié)點(diǎn)，新的一次試探開場(chǎng)。這就是verast建樹協(xié)議的根本思想。為了讓客戶快速方便地參加，verast網(wǎng)絡(luò)必須實(shí)時(shí)掌握verast結(jié)點(diǎn)的狀態(tài)，這就需要用到“上/下行協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)結(jié)點(diǎn)，包括根結(jié)點(diǎn)，都維護(hù)一張信息表，記錄所有在樹的層次構(gòu)造中低于自己的結(jié)點(diǎn)，并保存網(wǎng)絡(luò)變更的日

15、志。協(xié)議的根底是每一個(gè)結(jié)點(diǎn)周期性地向其直接父結(jié)點(diǎn)報(bào)告自己的存在，假如一個(gè)孩子結(jié)點(diǎn)在一定的時(shí)間間隔內(nèi)沒(méi)有報(bào)告，那么父結(jié)點(diǎn)認(rèn)為該孩子結(jié)點(diǎn)“死了。有可能是結(jié)點(diǎn)自身的故障、鏈路故障或該孩子改變了父結(jié)點(diǎn)。當(dāng)一個(gè)客戶想要參加組播組時(shí)，它使用一個(gè)組的URL來(lái)發(fā)送HTTPGET懇求，根結(jié)點(diǎn)根據(jù)結(jié)點(diǎn)的位置和組播樹的狀態(tài)來(lái)決定該用戶應(yīng)連接到哪一個(gè)結(jié)點(diǎn)上去。組播樹的狀態(tài)信息可以實(shí)時(shí)傳到根結(jié)點(diǎn)，所以根結(jié)點(diǎn)可以很快做出決定，這就實(shí)現(xiàn)了快速參加。覆蓋網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)由應(yīng)用推動(dòng)的研究領(lǐng)域。人們對(duì)因特網(wǎng)的諸多新的需求促使很多研究人員開場(chǎng)關(guān)注這一領(lǐng)域，并業(yè)已獲得顯著效果，許多覆蓋網(wǎng)絡(luò)已由實(shí)驗(yàn)室走向因特網(wǎng)，為人們提供了更為方便的效勞。

16、本文只介紹了三種最受關(guān)注的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，實(shí)際上還有很多功能各異的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，限于篇幅，本文沒(méi)有再作介紹。覆蓋網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)新興的研究領(lǐng)域，有著很高的應(yīng)用價(jià)值和商業(yè)價(jià)值，開展前景非常廣闊，值得廣闊研究人員繼續(xù)深化研究。1DavidAndersen，HariBalakrishnan，F(xiàn)ransKaashek，andRbertrris，ITLabratryfrputerSiene，ResilientverlayNetrks2JhnJanntti，DavidK.Giffrd，KirkL.Jhnsn，.FransKaashek，Jaes.Tle，Jr.，isSystes，verast:Reliableultias

17、tingithanverlayNetrk3FrederiThuinandarkJ.ates，DepartentfEletrialandputerEngineering，GillUniversity，ARevienntentDeliveryNetrk4StefanSariu，KrishnaP.Guadi，RihardJ.Dunn，StevenD.Gribble，andHenry.Levy，DepartentfputerSieneEngineering，Universityfashingtn，AnAnalysisfInternetntentDeliverySystes5徐恪，熊勇強(qiáng)，清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系吳建平，微軟亞洲研究院對(duì)等網(wǎng)絡(luò)研究綜述6FieldSeurityperatinsDefenseInfratinSystesAgeny，VieverInternetPrtl(VIP)SeurityT