Web Service分布式網(wǎng)絡測量的研究和實現(xiàn)

譚海波，馬宗萼，2＋，李曉風

（1.中國科學院 合肥物質(zhì)科學研究院信息中心，安徽 合肥230031；2.中國科學院研究生院，北京100049）

0 引 言

互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)絡應用承載著信息社會最重要的數(shù)據(jù)，這些應用的性能必須得到保證，由此產(chǎn)生對網(wǎng)絡應用監(jiān)測非常迫切的要求［1］。目前得到廣泛應用的SNMP［2］集中式測量系統(tǒng)根據(jù)豐富可擴展的MIB信息庫，在單一自治域范圍內(nèi)能夠很好地完成網(wǎng)絡測量工作［3］，但是在執(zhí)行跨域網(wǎng)絡測量時，其輪詢機制會消耗大量寶貴的帶寬，降低了測量精度。同時在設備不斷增加的情況下，越來越消耗系統(tǒng)和網(wǎng)絡資源的測量工作將導致測量服務器難堪重負。

以往為了分析鏈路的端到端性能，管理員通常在所轄網(wǎng)域內(nèi)部署各類網(wǎng)絡測量工具，常見的如Sniffer、Iperf、OWAMP［4］等，而端到端鏈路很可能跨越多個自治域，域間硬件和軟件系統(tǒng)一般都是異構的，采用的網(wǎng)絡測量工具和手段也大都不一樣。如果能夠有效地整合各個域內(nèi)的測量資源，建立完備的網(wǎng)絡性能視圖［5］，不僅有利于快速定位已發(fā)生的網(wǎng)絡故障，還可以通過對歷史性能視圖的分析，及時發(fā)現(xiàn)并排除潛在的性能和安全隱患，優(yōu)化網(wǎng)絡運行。

如今以松耦合方式實現(xiàn)現(xiàn)有測量工具的集成和協(xié)作、域間測量信息的共享［6］成為網(wǎng)絡測量系統(tǒng)新的需求，也是未來的發(fā)展趨勢［7－9］。由于 Web Service技術能夠在異構系統(tǒng)上構建通用、跨平臺、面向服務的體系結構，因此能夠為解決網(wǎng)絡中的分布式測量和資源共享問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡測量服務的動態(tài)描述、發(fā)布、發(fā)現(xiàn)和調(diào)用提供解決方案［10－11］。

1 perfSONAR網(wǎng)絡測量框架

perfSONAR［12］（performance focused service－oriented network monitoring architecture）是一個基于 Web Service技術，支持網(wǎng)絡性能數(shù)據(jù)采集、存檔和發(fā)布服務的框架。它由Internet2、Geant2等共同提出，用于對歐洲科研網(wǎng)絡GEANT2和歐洲國家研究教育網(wǎng)絡NRENs實施精確的網(wǎng)絡測量和監(jiān)控。為了統(tǒng)一分布在各自治域的網(wǎng)絡測量資源，解決多自治域范圍內(nèi)服務注冊和發(fā)現(xiàn)問題，perfSONAR引入了SOA技術，使得各域中的測量服務能夠以通用接入策略整合到框架中。perfSONAR協(xié)議和框架實現(xiàn)［13］中最具代表性的perfSONAR－PS由Internet2開發(fā)［14］，同時提供若干具有高可用性的網(wǎng)絡性能監(jiān)控服務組件。

perfSONAR服務間通信遵循NMWG規(guī)范，把測量數(shù)據(jù)劃分為METADATA和DATA兩部分，METADATA描述測量數(shù)據(jù)類型及基本參數(shù)，DATA是由時間戳或數(shù)值組成的向量。NMWG消息封裝于SOAP消息中，加上HTTP頭形成Web請求，其協(xié)議棧如圖1所示。

圖1 NMWG消息協(xié)議棧

perfSONAR體系結構中將測量系統(tǒng)分為測量層、服務層和用戶接口層，測量層包含不同自治域內(nèi)功能各異的測量節(jié)點；服務層由測量服務構成，服務為 Web Service形式，彼此間可以跨域通信；用戶接口通過與服務層請求從而獲得所需的測量信息，如圖2所示。

圖2 perfSONAR體系結構［15］

下面在對perfSONAR協(xié)議和框架研究的基礎上，設計提供服務發(fā)布和發(fā)現(xiàn)功能的管理中心，對現(xiàn)有測量工具進行面向服務封裝，同時開發(fā)Web Service代理實現(xiàn)測量服務與管理中心間的交互，構建能夠?qū)Υ笠?guī)模網(wǎng)絡進行分析和診斷的分布式測量系統(tǒng)。

2 分布式網(wǎng)絡測量框架設計

設計網(wǎng)絡測量系統(tǒng)框架如圖3所示，框架中的服務主要劃分為如下類型：

（1）測量服務

測量服務位于系統(tǒng)底層，其本質(zhì)上是各類網(wǎng)絡測量工具，負責執(zhí)行提供性能測量結果或提取存檔數(shù)據(jù)，當這些工具封裝為 Web Service并向管理中心注冊后，就成為系統(tǒng)組件。

圖3 網(wǎng)絡測量系統(tǒng)框架

（2）存檔服務

存檔服務通常是數(shù)據(jù)庫服務的Web Service形式，它收集測量服務所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)，存檔到數(shù)據(jù)庫并對外提供高效的訪問接口，但是它不能產(chǎn)生新的數(shù)據(jù)或者承擔數(shù)據(jù)處理的任務。

（3）服務管理中心

服務管理中心是系統(tǒng)的核心部分，它負責接收和處理其他服務的注冊、更新、查詢、撤銷等請求，維護已注冊服務的功能描述和位置信息列表，使得每個獨立的服務成為系統(tǒng)的可視部分，規(guī)范框架內(nèi)服務的行為，同時提供服務的發(fā)布和發(fā)現(xiàn)功能。

測量系統(tǒng)中所有的網(wǎng)絡性能指標和服務描述都使用NMWG規(guī)范的XML定義，這些信息在框架內(nèi)可以通過XQuery查詢。通過嚴格定義的服務接口，框架中的各服務之間能夠使用定義良好的協(xié)議實現(xiàn)域內(nèi)或域間服務的發(fā)布和發(fā)現(xiàn)、測量數(shù)據(jù)的存儲和檢索等功能。

3 分布式測量系統(tǒng)組件設計與實現(xiàn)

3.1 服務管理中心

根據(jù)在測量系統(tǒng)框架中所處的角色，服務管理中心維護一個其所轄管理域內(nèi)的注冊服務列表，如圖4所示，它的主要任務如下：

（1）注冊/發(fā)布服務：時刻監(jiān)聽注冊服務請求，將完整描述的合法服務添加到注冊服務列表，賦予一個服務key，便于查詢和定位；對不滿足條件的服務返回詳細的注冊失敗信息。

（2）查詢/定位服務：時刻監(jiān)聽服務查詢請求，根據(jù)查詢條件搜索注冊服務列表，如果查找成功，則返回服務所注冊的描述信息。

（3）更新服務信息：維護注冊服務列表，列表中每個服務有對應的過期時間，到期仍未提交刷新請求的服務將被移出列表；同時根據(jù)服務提交的更新請求更新列表內(nèi)的服務信息。

圖4 服務管理中心

3.2 測量和存檔服務

測量服務即封裝測量功能的 Web Service，例如Iperf Client、SNMP Agent等。測量服務首先檢測測量請求中命令和參數(shù)的合法性，檢測通過后，構造完整的本地可執(zhí)行命令字符串，然后調(diào)用所封裝的測量命令，執(zhí)行完成后對命令的輸出進行分析和處理，得到本次測量所需的結果數(shù)據(jù)，最后將測量數(shù)據(jù)封裝為NMWG規(guī)范形式，通過SOAP管道返回給調(diào)用它的客戶程序。測量服務的Web Service處理流程如圖5所示。

存檔服務即封裝數(shù)據(jù)庫服務的 Web Service，例如MySQL、Oracle、RRD等。存檔服務分析存檔請求，使用客戶端傳遞過來的數(shù)據(jù)庫連接參數(shù)與DBMS建立連接，同時將操作數(shù)據(jù)庫的語句提交到DBMS完成執(zhí)行，將DBMS的反饋結果進行處理和分析后返回，如果操作失敗則返回錯誤信息。存檔服務的Web Service處理流程如圖6所示。

3.3 Web Service代理

Web Service代理通過調(diào)用服務管理中心提供的接口與之通信，負責Web Service的注冊、更新、查詢等工作。首先它執(zhí)行registerRequest提交注冊請求，管理中心將新注冊的Web Service服務信息保存到它的服務列表中，并確定列表中該服務條目的有效期。已注冊的服務信息可以通過registerUpdateRequest對服務信息進行修改，此外，代理程序周期性執(zhí)行keepaliveRequest刷新自己在注冊列表中的條目，保證其在系統(tǒng)框架內(nèi)的有效性。

如果需要與其他服務協(xié)作，可通過代理發(fā)出queryRequest請求，管理中心將檢索本地服務列表，必要時向外域管理中心轉發(fā)請求以返回協(xié)作服務的信息。如果服務不再提供向系統(tǒng)其部分或全部功能，則調(diào)用deregisterRequest撤銷。Web Service代理的設計如圖7所示。

在構造好測量服務和存檔服務的Web Service后，可以通過代理向服務管理中心完成注冊，從而成為網(wǎng)絡測量系統(tǒng)的一個組件，注冊時需要得知管理中心的URI，以及本地注冊服務的基本信息，下面是將封裝Iperf Client的Web Service注冊為測量服務的代碼段：

可以看到系統(tǒng)服務組件的4個基本屬性：serviceName、accessPoint、serviceType、serviceDescription，分別代表服務的名稱、接入點、類型、描述，其中accessPoint使用URI對服務的進行定位，服務屬性信息保存在NMWG消息的METADATA部分。rdata為注冊服務接口詳細的XML描述，保存在NMWG消息的DATA部分，供服務管理中心發(fā)布和檢索。

圖7 Web Service代理

4 分布式網(wǎng)絡測量結果

在系統(tǒng)框架內(nèi)，服務通過Web Service實施互操作，彼此之間相互獨立，僅當需要進行協(xié)作時才向其他服務發(fā)送請求獲取所需測量資源，從而形成松耦合的體系結構。

為了測試測量系統(tǒng)的分布式網(wǎng)絡測量功能，搭建了如圖8所示的分布式網(wǎng)絡測量實驗平臺。自治域A中的Cacti通過SNMP協(xié)議對域內(nèi)的主機實施性能監(jiān)控；自治域B中將Iperf和OWAMP測量工具向管理中心注冊，分別封裝成Iperf服務和OWAMP服務，用于實施BC之間網(wǎng)絡鏈路的吞吐量和延遲測量。測量服務采集的數(shù)據(jù)由各自域內(nèi)的存檔服務管理。

圖8 分布式測量網(wǎng)絡

當位于自治域A的網(wǎng)絡管理員收到Cacti的警告信息，提示某個廣域網(wǎng)鏈路交換機接口的流量出現(xiàn)異常狀況，但這只是域內(nèi)被動測量的結果，由于已知這條鏈路經(jīng)過自治域B和C，管理員希望獲取BC鏈路的更多性能信息，則可以根據(jù)管理中心的URI和服務描述信息，通過Web Service代理向NMS SCA發(fā)出查詢網(wǎng)絡帶寬測量服務的請求：

NMS SCA向NMS SCB轉發(fā)請求，向請求者返回自治域B中帶寬測量服務信息如下：

隨后管理員可以像調(diào)用本地應用一樣向B中的服務提交相應的測量請求，獲得BC之間鏈路的性能數(shù)據(jù)，同樣的方法可獲得網(wǎng)絡上已注冊的其他測量資源，從而獲取整條網(wǎng)絡鏈路上所有監(jiān)測點的可用數(shù)據(jù)?？梢娀赪eb Service的分布式網(wǎng)絡測量系統(tǒng)有效地整合網(wǎng)絡上可利用的資源，為管理員呈現(xiàn)完備的全網(wǎng)性能視圖，有助于找出異常發(fā)生的時間并準確定位故障點，從而為大規(guī)模分布式網(wǎng)絡的性能分析和故障診斷提供了較為理想的解決方案。

5 結束語

本文通過研究國外大規(guī)模網(wǎng)絡測量基礎設施perfSONAR，采用Web Service及其相關的SOAP、XML等技術，設計一個實現(xiàn)服務發(fā)布和發(fā)現(xiàn)功能的管理中心，將現(xiàn)有的測量工具封裝成為面向服務的組件，同時設計Web Service代理負責將測量服務向管理中心注冊成為系統(tǒng)組件，系統(tǒng)服務組件間能夠通過明確定義的協(xié)議進行通信和協(xié)作，從而整合成為一個功能完備的網(wǎng)絡測量系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有開放、靈活、可擴展性強等優(yōu)點。下一步的工作將考慮實現(xiàn)perfSONAR框架內(nèi)更多類型的服務，同時完善測量數(shù)據(jù)分析模型實現(xiàn)對網(wǎng)絡性能的評估及異常檢測，并優(yōu)化管理中心的調(diào)度行為，以盡可能小的代價實現(xiàn)服務協(xié)作。

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