層疊網(wǎng)資源分配問題的研究與實(shí)現(xiàn)

周卓鏞

（杭州師范大學(xué)錢江學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，浙江 杭州 310012）

根據(jù)多年來我們對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和相關(guān)協(xié)議軟件的研究經(jīng)驗(yàn)，對(duì)相關(guān)問題的解決，已經(jīng)不能只孤立地從網(wǎng)絡(luò)層次考慮，必須把柵格服務(wù)的需求特點(diǎn)和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)實(shí)狀況相結(jié)合，采用“跨層優(yōu)化”的思想，通過在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和柵格服務(wù)平臺(tái)間添加一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)適配層次(層疊網(wǎng)絡(luò))來解決。

1 層疊網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)和相關(guān)技術(shù)

1.1 層疊網(wǎng)體系

層疊網(wǎng)絡(luò)具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景，但是在傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡(luò)和各種專用網(wǎng)絡(luò)中如何為層疊網(wǎng)絡(luò)提供有效支持，以及層疊網(wǎng)絡(luò)如何充分利用多種下層網(wǎng)絡(luò)提供的傳輸機(jī)制來提高應(yīng)用性能和抗打擊的能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)整體效能的最大化，都是需要解決的重要問題。其中最為關(guān)鍵的問題包括可感知網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、開放可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)協(xié)議模型、應(yīng)用層組播技術(shù)、應(yīng)用層服務(wù)質(zhì)量保證技術(shù)和大規(guī)模流媒體的層疊網(wǎng)技術(shù)。高效的層疊網(wǎng)絡(luò)需要下層網(wǎng)絡(luò)提供路由控制功能，感知下層網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)湫畔?，針?duì)物理網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥M(jìn)行優(yōu)化?！翱筛兄W(wǎng)絡(luò)”將網(wǎng)絡(luò)的部分服務(wù)對(duì)用戶開放，在端用戶擁有更多智能的假設(shè)條件下，為用戶提供更加靈活的傳輸服務(wù)，如主動(dòng)路由控制(如進(jìn)行顯式路由選擇)、主動(dòng)策略路由、主動(dòng)路徑特性感知(如路徑MTU發(fā)現(xiàn)，避免網(wǎng)絡(luò)傳輸中進(jìn)行報(bào)文分段)等。典型研究項(xiàng)目有Berkeley大學(xué)的“ Routing as a Service”，允許用戶顯式地請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)的路由服務(wù)，獲取網(wǎng)絡(luò)的路由信息，用戶再根據(jù)自身的決策，主動(dòng)選擇合適的傳輸路徑。

1.2 多服務(wù)層疊網(wǎng)

多服務(wù)層疊網(wǎng)它位于中間層，是由承載節(jié)點(diǎn)構(gòu)建的一個(gè)Overlay網(wǎng)絡(luò)。其主要功能是:在傳統(tǒng)Internet和各種專用網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建一個(gè)層疊網(wǎng)絡(luò)，屏蔽下層物理承載網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)差異，避免傳統(tǒng)工P網(wǎng)絡(luò)中各種服務(wù)只能部署在網(wǎng)絡(luò)邊緣的問題，作為上層?xùn)鸥裼?jì)算環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)基礎(chǔ)設(shè)施。

1.3 層疊網(wǎng)的設(shè)計(jì)原則

設(shè)計(jì)和建立新一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一方面必須考慮到盡量保持當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施不進(jìn)行大幅度的修改;另一方面要迎合不斷變化和增長(zhǎng)的外界需求。從而保持網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的一致性和連貫性。所以說新一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)必須能夠適應(yīng)多服務(wù)模型和復(fù)雜應(yīng)用需求，既能夠屏蔽底層網(wǎng)絡(luò)通訊基礎(chǔ)設(shè)施的異構(gòu)性，又能夠提供一個(gè)統(tǒng)一、開放、安全、可擴(kuò)展、可管理的高性能服務(wù)平臺(tái)，從而支持快速的靈活的開發(fā)、集成、部署和定制各種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用。借鑒融合互補(bǔ)原則、面向服務(wù)和開放性設(shè)計(jì)原則，才能把握下一代網(wǎng)絡(luò)作為人類社會(huì)信息基礎(chǔ)設(shè)施的本質(zhì)特征和網(wǎng)絡(luò)研究重點(diǎn)正在從通信向服務(wù)進(jìn)行躍遷的發(fā)展趨勢(shì)，我們把已經(jīng)在新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)研究方面所取得的成果進(jìn)一步引向深入并且參考其他現(xiàn)有新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和應(yīng)用體系結(jié)構(gòu)研究的思路并且結(jié)合特定的應(yīng)用需求我們提出一種結(jié)構(gòu)分層、功能分塊、面向多服務(wù)的新一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)一面向多服務(wù)的新型網(wǎng)絡(luò)模型。

2 層疊網(wǎng)資源分配的設(shè)計(jì)方案和實(shí)現(xiàn)

2.1 應(yīng)用層組播的算法思想

應(yīng)用層組播的基本思想是屏蔽底層物理網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼?xì)節(jié)，將組成員節(jié)點(diǎn)直接自組織成一個(gè)邏輯覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并在應(yīng)用層提供組播路由協(xié)議來構(gòu)建和維護(hù)該網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)傳輸提供高效、可靠服務(wù)。應(yīng)用層組播將所有組播功能完全集中在主機(jī)，由應(yīng)用層軟件具體實(shí)現(xiàn)。從部署位置上來看，應(yīng)用層組播試圖將組播功能推向應(yīng)用上層。應(yīng)用層組播功能實(shí)現(xiàn)于終端主機(jī)中，組成員的動(dòng)態(tài)性對(duì)組播有很大影響。應(yīng)用層組播協(xié)議不僅要提供有效的數(shù)據(jù)組播分發(fā)樹，還要針對(duì)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性提供可靠的組管理算法。協(xié)議設(shè)計(jì)強(qiáng)調(diào)在動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下維持網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。應(yīng)用層組播路由協(xié)議設(shè)計(jì)面臨的主要問題是，如何在廣域環(huán)境下，針對(duì)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)態(tài)性，在節(jié)點(diǎn)上建立必要的狀態(tài)信息，并根據(jù)這些信息構(gòu)建優(yōu)化的組播路由協(xié)議。

2.2 配置算法工作流程

在下圖中我們描述了對(duì)層疊網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源分配的工作流程，即系統(tǒng)圖。如圖所示，系統(tǒng)對(duì)底層網(wǎng)絡(luò)周期性地進(jìn)行檢測(cè)，獲取底層網(wǎng)絡(luò)在CPU可利用率和網(wǎng)絡(luò)鏈路可用帶寬的信息之后，將獲得的這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行初步處理轉(zhuǎn)換成為系統(tǒng)可識(shí)別的格式，以待進(jìn)行下一步的處理。這一過程的核心任務(wù)是把得到的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)根據(jù)用戶提交的資源請(qǐng)求進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理之后，再根據(jù)資源分配算法進(jìn)行資源分配，得到用戶需要的資源集合。

3 原型系統(tǒng)測(cè)試與分析

3.1 原型系統(tǒng)測(cè)試環(huán)境

硬件系統(tǒng)配置:CPU:Pentium (R)4 2.66GHz、內(nèi)存:VDATA SDRAM 512M、網(wǎng)卡:Intel(R)PRO/1000 MT Network Connection、硬盤:Maxtor 6V 160E0 1606、交換機(jī):TP-LINK TL-SF 1008+。軟件系統(tǒng)配置:操作系統(tǒng):Linux Fedora 4、虛擬機(jī):VMware Workstation 6。

3.2 原型系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.2.1 資源分配的系統(tǒng)模型

原型系統(tǒng)它由3個(gè)部分組成：一個(gè)底層網(wǎng)絡(luò)，這個(gè)底層網(wǎng)絡(luò)是為上層用戶提供公共服務(wù)的平臺(tái)，在我們的研究中，可以簡(jiǎn)化為提供節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)間通信的鏈路。一個(gè)中心數(shù)據(jù)庫，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)信息，包括節(jié)點(diǎn)CPU可利用率和鏈路可用帶寬。用戶提交的資源請(qǐng)求，用來配置滿足用戶要求的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在組播應(yīng)用中，包括組播應(yīng)用必須覆蓋的節(jié)點(diǎn)和對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的其它要求。

3.2.2 最短路徑算法的具體實(shí)現(xiàn)二

該算法采用經(jīng)典的dijkstra最短路徑算法。

3.3 性能評(píng)估

將原型系統(tǒng)的資源分配結(jié)果同使用最小節(jié)點(diǎn)負(fù)載分配和隨機(jī)分配的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，我們可以清楚地看到使用原型系統(tǒng)的分配方案顯著地提高了網(wǎng)絡(luò)的可用帶寬。特別需要指出的是，使用原型系統(tǒng)的分配方案能夠使超過%%的層疊網(wǎng)鏈路擁有大于60Mbps的可用帶寬。而與之相對(duì)的是，通過最小節(jié)點(diǎn)負(fù)載模式的分配結(jié)果有超過一半的層疊網(wǎng)鏈路可用帶寬低于60Mbps;而隨機(jī)選擇模式在鏈路性能方面比最小節(jié)點(diǎn)負(fù)載模式稍好，因?yàn)樗鼘⒇?fù)載分?jǐn)偨o了所有的底層節(jié)點(diǎn)。但是，隨機(jī)分配方案的結(jié)果在鏈路性能上比原型系統(tǒng)還有很大差距。

層疊網(wǎng)的一個(gè)重要的用途是路由轉(zhuǎn)發(fā)，在路由轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)，可用帶寬是一個(gè)重要的參考因素，因?yàn)閿?shù)據(jù)會(huì)通過層疊網(wǎng)上有著最大帶寬的路徑從數(shù)據(jù)源發(fā)送到目的端。為了展示我們的分配方案能夠適應(yīng)路由轉(zhuǎn)發(fā)的需求，我們搜集每對(duì)層疊網(wǎng)節(jié)點(diǎn)之間的最寬路徑。通過與其它兩種模式進(jìn)行比較，我們發(fā)現(xiàn)，通過原型系統(tǒng)進(jìn)行分配方案在效率上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)地將其它兩種方案拋在腦后。

[1]李振宇，盧澤新，張曉哲，李海軍，基于層疊網(wǎng)的流媒體算法研究，中國(guó)科協(xié)年會(huì)，2007年.

[2]李國(guó)杰，關(guān)于下一代網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，中國(guó)工程科學(xué)，2002年.