主動網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的探討及應用研究

朱　亮

[摘要]描述一種新型的可編程網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)主動網(wǎng)絡。它可以根據(jù)網(wǎng)絡應用和服務的要求，對網(wǎng)絡進行編程，因而大大加快了新網(wǎng)絡應用和服務的實現(xiàn)。介紹主動網(wǎng)絡的概念和體系結(jié)構(gòu)，探討了三種有代表性的主動網(wǎng)絡方案以及主動網(wǎng)絡的應用研究。

[關(guān)鍵詞]主動網(wǎng)絡 體系結(jié)構(gòu)

中圖分類號：TP3文獻標識碼：A文章編號：1671－7597（2009）0520070－02

一、問題的提出

隨著計算機網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，層出不窮的各種新型應用向計算機網(wǎng)絡提出了新的挑戰(zhàn)。新的應用對網(wǎng)絡業(yè)務提出了更高的要求，不僅要求更好的服務質(zhì)量，同時要求新的網(wǎng)絡

業(yè)務的出現(xiàn)。一些網(wǎng)絡業(yè)務可以以現(xiàn)有的網(wǎng)絡體系為基礎(chǔ)，在端系統(tǒng)中實現(xiàn)，但大量的一些新的網(wǎng)絡應用對網(wǎng)絡層功能提出了更高的要求，如多媒體應用所需的IP多播業(yè)務和RSVP業(yè)務。按照IP網(wǎng)絡的分層體系結(jié)構(gòu)，鏈路層和應用層由于影響范圍的有限，可以迅速地采用新技術(shù)和引進新的應用。而網(wǎng)絡層是不同鏈路層技術(shù)以及高層應用之間相互交互的基礎(chǔ)，一個新的網(wǎng)絡協(xié)議從制定到大規(guī)模使用需要經(jīng)歷一個漫長的標準化和實施過程。同時IP包的固定格式使其很難滿足不同網(wǎng)絡應用對不同網(wǎng)絡業(yè)務定制的要求，缺乏必要的靈活性。因此，網(wǎng)絡層成為網(wǎng)絡

新業(yè)務實現(xiàn)的瓶頸。

二、主動網(wǎng)絡概述

主動網(wǎng)絡（ActiveNetwork）概念是由美國國防部高級防御研究計劃管理局（DARPA）在1995年提出的作為一種新型網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，它賦予網(wǎng)絡中間節(jié)點一定的可編程能力，使用戶可以根據(jù)需要定制網(wǎng)絡，與傳統(tǒng)的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)相比，主動網(wǎng)絡更加靈活，它可以為網(wǎng)絡協(xié)議、網(wǎng)絡服務的快速升級和部署提供簡單的網(wǎng)絡平臺。主動網(wǎng)絡中包含許多由各種可能的網(wǎng)絡技術(shù)連接起來的網(wǎng)絡節(jié)點，這些網(wǎng)絡節(jié)點并不一定都是主動節(jié)點。

主動網(wǎng)絡的主動性體現(xiàn)在兩個方面：一是被稱為主動節(jié)點的網(wǎng)絡中間節(jié)點（如路由器、交換機等），在每一個主動節(jié)點上都運行有節(jié)點操作系統(tǒng)（NodeoperatingSystem）和一個或多個執(zhí)行環(huán)境（ExecutionEnvironme

Nts）。節(jié)點操作系統(tǒng)負責分配和調(diào)度節(jié)點的資源，包括鏈路帶寬、周期ＣＰＵ和存儲器等。每一個執(zhí)行環(huán)境實現(xiàn)了一個虛擬機來解釋到達本節(jié)點的主動分組，不同的執(zhí)行環(huán)境實現(xiàn)的是不同的虛擬機。用戶通過主動應用（ActiveApplications）來獲得主動網(wǎng)絡提供的服務，主動應用通過對執(zhí)行環(huán)境提供的虛擬機進行編程定制提供端到端的服務。它們不僅完成存儲轉(zhuǎn)發(fā)等網(wǎng)絡級的功能，而且可以對包含數(shù)據(jù)和程序的所謂主動包進行計算；具有計算能力的網(wǎng)絡節(jié)點從數(shù)據(jù)包接收后執(zhí)行相應的程序，對該數(shù)據(jù)包進行處理（如路由選擇、數(shù)據(jù)合并、數(shù)據(jù)解包等），然后將數(shù)據(jù)包發(fā)送給其他網(wǎng)絡節(jié)點；二是用戶根據(jù)網(wǎng)絡應用和服務的要求可以對網(wǎng)絡進行編程以完成這些計算?？删幊痰木W(wǎng)絡為今后的應用提供了更多的新途徑，而這對傳統(tǒng)網(wǎng)絡來說是不可想象的。簡單地說，主動網(wǎng)絡是一種可編程的分組交換網(wǎng)絡，通過各種主動技術(shù)和移動計算技術(shù)，使傳統(tǒng)網(wǎng)絡從被動的字節(jié)傳送模式向更一般化的網(wǎng)絡計算模式轉(zhuǎn)換，提高網(wǎng)絡傳輸速度、動態(tài)定制及網(wǎng)絡新服務的能力。

三、主動網(wǎng)絡的體系結(jié)構(gòu)

DARPA定義了一個通用的主動網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)，它包括一組通過不同網(wǎng)絡技術(shù)連接的主動網(wǎng)絡節(jié)點，每個主動節(jié)點運行一個節(jié)點操作系統(tǒng)和多個執(zhí)行環(huán)境。

主動網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于主動節(jié)點（AN，ActiveNede）的體系結(jié)構(gòu)，因為主動分組的執(zhí)行都是在主動節(jié)點上進行的。DARPA所提出的主動節(jié)點體系結(jié)構(gòu)對數(shù)據(jù)包的處理流程進行了描述。在這當中，用戶可以根據(jù)主動網(wǎng)絡提供的服務按照自己的需要來進行定制。主動網(wǎng)絡工作組提出的主動節(jié)點的邏輯體系結(jié)構(gòu)包括三個部分：即主動應用AA（Aetive Applieatio

n），執(zhí)行環(huán)境EE（Exeeutive Environment）和節(jié)點操作系統(tǒng)Nodeos困odeOperatinnSystem）。節(jié)點操作系統(tǒng)類似于一般操作系統(tǒng)的內(nèi)核，通過固定的端口，提供資源，為執(zhí)行環(huán)境進行服務。執(zhí)行環(huán)境實際上是一個與平臺無關(guān)的可編程空間，多個執(zhí)行環(huán)境可以運行在同一個主動節(jié)點上。執(zhí)行環(huán)境為上層應用提供了各種各樣的網(wǎng)絡編程接口，用戶通過執(zhí)行環(huán)境訪問節(jié)點資源。主動應用是一系列用戶定義的程序，在主動節(jié)點上運行，來完成相應的功能。主動節(jié)點的體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

節(jié)點操作系統(tǒng)（Node0S）Node0S提供了執(zhí)行環(huán)境所賴以生存的基本功能，它管理主動節(jié)點的資源（如傳輸、計算、存儲等），并且在資源之間進行協(xié)調(diào)。

執(zhí)行環(huán)境（EE）包括兩部分：支持主動代碼運行的虛擬機和主動網(wǎng)絡用戶可訪問的編程接口。在通常情況下，主動代碼的執(zhí)行都會帶來執(zhí)行環(huán)境和主動節(jié)點的狀態(tài)改變，也可能會導致執(zhí)行環(huán)境發(fā)出其它包。

主動應用（AA）是在特定EE中運行的，實現(xiàn)某種特定用戶業(yè)務的可執(zhí)行代碼。一個主動應用AA由一段程序代碼（主動代碼）和與主動代碼相關(guān)的數(shù)據(jù)、狀態(tài)參數(shù)等組成。通過EE對AA的調(diào)用和執(zhí)行可以實現(xiàn)用戶定制的網(wǎng)絡服務。

四、有代表性的主動網(wǎng)絡方案探討

（一）ANTS

ANTS是1996年由MIT的David發(fā)展起來的。它是基于PC硬件，在Linux、Solaris操作系統(tǒng)平臺上開發(fā)的，執(zhí)行環(huán)境（EE）采用了JDKI.2，ANTS單元和ANTS代碼使用JAVA語言。ANTS以移動代碼、動態(tài)載入和緩存技術(shù)為基礎(chǔ)，是構(gòu)建和動態(tài)部署網(wǎng)絡協(xié)議的工具。實現(xiàn)該系統(tǒng)的三個主要構(gòu)件包括膠囊（主動分組）、主動節(jié)點和代碼分配機制。

ANTS主動網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，為了避免重新為相關(guān)分組裝載代碼，ANTS節(jié)點Cache緩存最近使用的代碼。在ANTS中，分組被稱為一個單元，該單元傳輸和代碼相關(guān)的參數(shù)。如果一個含有相關(guān)代碼的分組通過節(jié)點時，節(jié)點先用分組的參數(shù)值初始化代碼，然后再執(zhí)行這些代碼。反之，如果這些代碼不在這個節(jié)點上，這個節(jié)點將向最近的上游節(jié)點請求代碼。ANTS設(shè)計的目的是革新網(wǎng)絡協(xié)議，它比現(xiàn)有的網(wǎng)絡更有靈活的革新形式，具體體現(xiàn)在：（1）網(wǎng)絡節(jié)點必須同時支持提供各種服務的網(wǎng)絡協(xié)議。（2）結(jié)構(gòu)必須支持動態(tài)布置新的協(xié)議，不會因為給節(jié)點配置新協(xié)議而必須離線操作。（3）只要雙方同意，則不同的應用可將其特定的協(xié)議引入到網(wǎng)絡層，從而將本應端節(jié)點完成的處理推入到網(wǎng)絡由中間節(jié)點處理，這樣用戶可定制自己的網(wǎng)絡環(huán)境，可網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)進行編程，而不像在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡環(huán)境下需要經(jīng)過協(xié)議標準化、產(chǎn)品化、整個網(wǎng)絡用戶配置這樣一個漫長的過程。

（二）PAN

在ANTS之后，麻省理工大學又開發(fā)出了PAN（Practical Active Network）主動網(wǎng)絡系統(tǒng)，用于實現(xiàn)可實際使用的基于膠囊的主動網(wǎng)絡。PAN的體系結(jié)構(gòu)與ANTS非常類似，但它的性能更適于實際的應用。PAN為建立實際主動網(wǎng)絡提供了一個基礎(chǔ)，PAN目標是提供一個執(zhí)行移動代碼的執(zhí)行環(huán)境并取得與傳統(tǒng)網(wǎng)絡可以相媲美的性能。PAN通過四種方法取得性能；在內(nèi)核中處理單元；減少數(shù)據(jù)復制；緩存代碼為立即執(zhí)行；為單元提供靈活執(zhí)行環(huán)境。PAN的體系結(jié)構(gòu)可以支持多種移動代碼系統(tǒng)。處理單元在內(nèi)核，而不是在用戶層，一個PAN節(jié)點避免復制數(shù)據(jù)在內(nèi)核空間與用戶空間之間。提供一致內(nèi)存管理系統(tǒng)，PAN試用一種與ANTS相似的主動網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，一個膠囊含有要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)和指向代碼對象的指針，代碼分配機制和ANTS一樣。

（三）Switchware

Switchware系統(tǒng)是Pennsylvania大學研究和發(fā)展起來的。它是通過離散方式來實現(xiàn)主動網(wǎng)絡的技術(shù)，該技術(shù)是一種將數(shù)據(jù)和程序分別獨立的注入到主動節(jié)點上的傳輸法。用戶先把定制好的處理程序代碼注入到主動節(jié)點中。然后向傳統(tǒng)網(wǎng)絡一樣去傳輸數(shù)據(jù)包；當數(shù)據(jù)包到達主動節(jié)點，節(jié)點對包頭進行檢查；如果分組是屬于程序代碼的類型，則節(jié)點經(jīng)過安全檢查后接收這個程序，將其存儲起來；如果報文屬于數(shù)據(jù)類型，則根據(jù)頭部信息來選擇相應

的已經(jīng)駐留在節(jié)點中的程序來進行處理。Switchware實現(xiàn)主動網(wǎng)絡的方法采用三層結(jié)構(gòu)：主動報文（是一種含有移動代碼報文，代替了傳統(tǒng)的報文）、主動擴展（提供網(wǎng)絡上的向量服務，這能被動態(tài)裝載）、主路由設(shè)施。

四、主動網(wǎng)絡應用

主動網(wǎng)絡的應用，一類是針對現(xiàn)有網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)下未圓滿解決的技術(shù)難題，另一類是新穎別致的網(wǎng)絡應用。屬于前者的主要應用包括利用主動網(wǎng)絡實現(xiàn)可靠的組播業(yè)務、主動擁塞控制、主動橋、主動差錯恢復技術(shù)、用主動業(yè)務抵御拒絕性服務攻擊等；屬于后者的實例有Ｗｅｂ緩存、主動虛擬網(wǎng)絡管理、主動存儲、實時多媒體編碼中的主動業(yè)務、分布式仿真中的主動網(wǎng)絡等。主動網(wǎng)絡應用也可在傳統(tǒng)的被動網(wǎng)絡中用一般技術(shù)實現(xiàn)，但是ＩＰ技術(shù)最初的設(shè)計理念是把智能化的功能放置在通信的兩個端點處，而負責傳遞信息的路由器只需要簡單地根據(jù)路由表將數(shù)據(jù)包送入相應的隊列中進行轉(zhuǎn)發(fā)，相對而言被動網(wǎng)絡將花費很長的時間和巨大的人力物力資源，主動網(wǎng)絡使的新應用、新標準、新技術(shù)的采用變得迅速而簡單，所具有的動態(tài)可控性為原來的網(wǎng)絡應用帶來了極大的性能提升空間。下面以組播、服務質(zhì)量、流量緩存等為例簡單介紹其應用。

（一）組播

網(wǎng)絡必須處理多種應用程序流，諸如音頻、視頻、電話會議等。這些應用程序很多本質(zhì)上就需要應用組播 ，傳統(tǒng)的ＩＰ組播服務中，網(wǎng)絡路由的拓撲、接收者的數(shù)量和位置這些細節(jié)信息對于用戶都是透明的，如果只要求不可靠的組播，這種傳統(tǒng)方法還可以滿足條件。如果必須嚴格保證所有接收者都能夠可靠地接收到組播數(shù)據(jù)，傳統(tǒng)的組播方法就難以勝任。問題主要出在差錯恢復方面。在組播過程中，只要數(shù)據(jù)在某點發(fā)生了問題，則組播樹上位于該點下游的所有接收者收到的數(shù)據(jù)都存在問題，必須進行重傳來糾正差錯。傳統(tǒng)的處理方式是所有接到錯誤數(shù)據(jù)的節(jié)點向發(fā)送端提出請求，由發(fā)送端分別進行重傳。這種方法極大的浪費了網(wǎng)絡資源，導致網(wǎng)絡狀況惡化，很容易引發(fā)更多的傳輸錯誤。在主動網(wǎng)絡中，每個網(wǎng)絡節(jié)點可以同其附近的節(jié)點建立聯(lián)系，當一個網(wǎng)絡節(jié)點收到的數(shù)據(jù)有問題時，它可以和同組的臨近節(jié)點通信。如果臨近節(jié)點收到的數(shù)據(jù)是正確的，它就直接從臨近節(jié)點取得正確數(shù)據(jù)，而不必要求發(fā)送端重傳數(shù)據(jù)。將主動網(wǎng)絡技術(shù)應用于多播領(lǐng)域已被證明是行之有效的，具有主動性的內(nèi)節(jié)點可以很好的解決目前存在于組播領(lǐng)域的諸多問題。研究人員已經(jīng)提出了一種稱為ARM（ActiveReliableMulticast）的差錯恢復方案，它利用主動網(wǎng)絡技術(shù)進行差錯恢復，比較好的解決上述問題。ARM的主要內(nèi)容是：利用主動技術(shù)的中間路由器來保護發(fā)送者和帶寬免受不必要重復的NAK和重傳數(shù)據(jù)的干擾，避免NAK阻塞；采用基于主動路由器的本地恢復方案，用于減少端到端廣域網(wǎng)重傳延時，并且將重傳的任務分散到多個路由器，減少發(fā)送者的負擔。特別地，ARM路由器能自動調(diào)整緩存狀態(tài)，盡最大努力緩存數(shù)據(jù)；ARM路由器采用部分組播的方式限制數(shù)據(jù)重傳的范圍，從而減少網(wǎng)絡帶寬資源占用。

（二）服務質(zhì)量

傳統(tǒng)網(wǎng)絡一般采用標準TCP協(xié)議的消息反饋式擁塞控制機制，但由于這種機制增加了總量分離擁塞點和端點的工作量，所以它仍不能很好地適應網(wǎng)絡帶寬和延遲時間的要求。網(wǎng)絡延遲越大，則端點對網(wǎng)絡是否擁塞作出正確判斷所需時間也就越長。網(wǎng)絡帶寬越高，端點在檢測擁塞是否發(fā)生的時間內(nèi)向擁塞網(wǎng)絡送出的數(shù)據(jù)包就越多。網(wǎng)絡組件的帶寬和延遲性能將直接影響擁塞現(xiàn)象持續(xù)時間。主動網(wǎng)絡提出的通過數(shù)據(jù)包對路由器進行再編程的思想，在很大程度上克服了反饋式擁塞控制的缺點。首先，主動節(jié)點可以監(jiān)視可用帶寬，并利用其具有大容量緩沖區(qū)的優(yōu)勢，控制通道內(nèi)數(shù)據(jù)流的傳輸速率，以盡量減少擁塞現(xiàn)象的發(fā)生。其次，主動網(wǎng)絡在檢測到擁塞現(xiàn)象時，網(wǎng)絡擁塞控制機制能夠自動的、有選擇地丟棄某些相對不重要的消息單元體、數(shù)據(jù)包或信元，這一措施也能有效地降低發(fā)生擁塞現(xiàn)象的可能性，并防止擁塞發(fā)生范圍的擴大。第三，對于具有不同傳輸優(yōu)先級別的數(shù)據(jù)流，主動節(jié)點不僅能夠從總體上控制它們的整體流速，甚至還能細化到控制每條數(shù)據(jù)流的流速，且控制限額速率還能隨時進行動態(tài)調(diào)整。最后，在網(wǎng)絡的擁塞發(fā)生點，通過執(zhí)行主動程序能夠進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換（如壓縮數(shù)據(jù)格式，改變數(shù)據(jù)傳輸路由等），從而避免擁塞向整個網(wǎng)絡范圍內(nèi)擴大。

（三）流量緩存

Internet網(wǎng)絡通信量的很大一部分都是C/S模式的網(wǎng)絡應用中從服務器端送到客戶端的信息，增強網(wǎng)絡主機的Cache能力是減少網(wǎng)絡通信量和延遲時間的有效措施。傳統(tǒng)網(wǎng)絡一般將大容量Cache建立在“特殊”的網(wǎng)絡節(jié)點上，如網(wǎng)絡邊緣主機或網(wǎng)絡內(nèi)部關(guān)鍵的中轉(zhuǎn)節(jié)點，以及與之相連接的樁（stub）節(jié)點等。如何盡可能地將信息緩存在靠近客戶的位置是減少網(wǎng)絡流量、提高響應速度的關(guān)鍵。在主動網(wǎng)絡中可以將各個主動節(jié)點上的小規(guī)模的緩存器聯(lián)合起來，根據(jù)實際情況自動作出調(diào)整，提供更有效的服務。為了減小數(shù)據(jù)傳輸時延，在傳統(tǒng)的廣域網(wǎng)絡中常采用的技術(shù)就是網(wǎng)絡緩存。具體講，就是在一些網(wǎng)絡關(guān)鍵節(jié)點緩存一些用戶最近用過的數(shù)據(jù)，使得用戶再訪問這些數(shù)據(jù)時不需要再從遠端的數(shù)據(jù)源獲取數(shù)據(jù)，而從距自己較近的節(jié)點就能獲取數(shù)據(jù)，從而減小數(shù)據(jù)傳輸時延及網(wǎng)絡負荷。然而，這種網(wǎng)絡緩存技術(shù)對于實時性應用的性能優(yōu)化幾乎起不到什么作用，在某種程度上講，由于緩存了一些過時的信息，反而會降低應用的性能。一般地，通過Web頁面緩存機制可以減小用戶訪問Web服務器的時延從而提高性能。但是，普通緩存技術(shù)在該系統(tǒng)中卻不能起到什么作用。首先，普通Web頁面緩存無法保證數(shù)據(jù)的實時性，因為各條信息更新周期不確定：第二，普通緩存技術(shù)無法動態(tài)調(diào)整數(shù)據(jù)緩存的大小和緩存數(shù)據(jù)的范圍；第三，普通緩存沒有考慮最佳緩存點問題，基本都是靜態(tài)配置，這將會消耗過多的網(wǎng)絡資源或影響網(wǎng)絡整體性能。利用主動網(wǎng)絡技術(shù)，可以使得網(wǎng)絡具有自組織性。將不同的緩存策略注入到網(wǎng)絡節(jié)點中去，通過分析統(tǒng)計通過該節(jié)點的數(shù)據(jù)特性，從而動態(tài)地調(diào)整緩存策略，如選置緩存點、確定緩存數(shù)據(jù)、設(shè)置緩存范圍及大小，甚至變“拉”為“推”。

五、結(jié)束語

隨著網(wǎng)絡技術(shù)的不斷發(fā)展和人類對網(wǎng)絡的需求不斷增加，網(wǎng)絡快速適應各種變化的必要性顯得越來越重要，未來的網(wǎng)絡將必然需要網(wǎng)絡設(shè)備和網(wǎng)絡體系具有整體可延展性。由于受到傳統(tǒng)發(fā)展中諸如標準一體化等各種因素的限制，Internet現(xiàn)有的體系結(jié)構(gòu)不能達到這種發(fā)展要求。主動網(wǎng)絡提出的初衷正是為了適應未來網(wǎng)絡高度靈活性和動態(tài)擴展性的需要，同時還能在系統(tǒng)性能、安全性和互操作性等方面達到或超過現(xiàn)有網(wǎng)絡的水平。如何將主動網(wǎng)絡各方面的研究結(jié)合起來，在Internet上廣泛應用，還是一個尚未攻破的難題。因為要將實驗系統(tǒng)轉(zhuǎn)換成為實際可應用的網(wǎng)絡，不僅需要解決網(wǎng)絡本身結(jié)構(gòu)設(shè)計中存在的問題，還應考慮到網(wǎng)絡的應用、專用

設(shè)備的設(shè)計等一系列相關(guān)的問題；同時還需要制定必需的規(guī)范標準。因此，面對主動網(wǎng)絡提出的挑戰(zhàn)，我們還必須作出不斷的努力。

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作者簡介：

朱亮（1980-），女，江蘇太倉人，蘇州大學計算機科學與技術(shù)學院碩士生，蘇州工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院信息工程系教師。