基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器跨層建模設(shè)計與應(yīng)用

鄒鵬飛，張持健，鄭奎昂，馬曉璐

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000）

基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器跨層建模設(shè)計與應(yīng)用

鄒鵬飛，張持健，鄭奎昂，馬曉璐

（安徽師范大學(xué) 物理與電子信息學(xué)院，安徽 蕪湖241000）

由于當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)復(fù)雜度的逐步增大，給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器性能帶來了嚴峻的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)擁塞以及服務(wù)器超載等問題亟待解決。為解決上述問題，本文在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了適用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的跨層網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，并通過權(quán)威的網(wǎng)絡(luò)仿真工具（OPNET）實現(xiàn)了跨層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型的構(gòu)建。實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的跨層網(wǎng)絡(luò)模型能夠很好地實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在性能上的優(yōu)化，具有可行性。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器；網(wǎng)絡(luò)層次架構(gòu)；跨層設(shè)計；OPNET

隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展和網(wǎng)絡(luò)用戶數(shù)量的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)信息量呈現(xiàn)幾何式增長，網(wǎng)絡(luò)擁塞以及服務(wù)器超載成為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器當(dāng)前面臨的嚴峻問題[1]，因此，我們要求網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器能夠在處理速率以及傳輸效率方面得到提升。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器是一類能在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下為用戶提供集中運算、信息收發(fā)及大數(shù)據(jù)管理等服務(wù)的專用計算機，然而在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)情況下，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器仍然存在較多問題，例如：負載均衡調(diào)度、服務(wù)器性能和高額的服務(wù)器成本等。所以，在綜合考慮上述問題的基礎(chǔ)上，怎樣盡可能地發(fā)揮服務(wù)器的作用，從而更好地提升服務(wù)器性能來滿足網(wǎng)絡(luò)用戶的需求已成為服務(wù)器性能研究的重難點[2]。

國內(nèi)外目前對于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器性能上的優(yōu)化主要集中于研究調(diào)度算法上，當(dāng)前常用的調(diào)度算法主要有：1998年由Colajamni M和Catdellini V.提出的最少連接法[3]，2004年由Katz E D提出的輪轉(zhuǎn)法、散列法[4]，還有2011年游小明提出的加權(quán)輪轉(zhuǎn)法[5]等，盡管算法的改進在一定程度上提升了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的性能，但是隨著網(wǎng)絡(luò)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日益復(fù)雜，使得服務(wù)器對數(shù)據(jù)的要求以及處理邏輯也大相徑庭，因此上述調(diào)度算法不具備適應(yīng)性，仍然存在一定缺陷。

為解決上述問題，文中在資源有限的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上進行設(shè)計優(yōu)化，首先對網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧各層進行精簡與改進，并通過跨層設(shè)計使層與層之間互聯(lián)更為密切，層間信息能夠及時共享，其次，還設(shè)計了適合在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器使用的傳輸協(xié)議，以達到快速調(diào)配，降低網(wǎng)絡(luò)擁塞，控制服務(wù)器超載等目的。

1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型主要包括我們所熟知的OSI/RM模型和TCP/IP模型，其對應(yīng)的層次關(guān)系如圖1所示。

OSI/RM（Open Systems Interconnection/Reference Model）模型是國際標準化組織（ISO）制定的一個用于計算機或通信系統(tǒng)間互聯(lián)的標準體系，它將網(wǎng)絡(luò)劃為以下7層：應(yīng)用層、表示層、會話層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層。OSI/RM模型自制定后作為一套全面的標準，被廣泛應(yīng)用于眾多協(xié)議中，但因為該模型過于細致且復(fù)雜，很多協(xié)議均對其進行優(yōu)化裁剪[6]。

圖1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的OSI/RM模型和TCP/IP模型

TCP/IP模型則簡化了復(fù)雜的七層網(wǎng)絡(luò)模型，提出了更為高效的4層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，即網(wǎng)絡(luò)接口層、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)層、傳輸層和應(yīng)用層。TCP/IP模型集合了OSI/RM七層模型的優(yōu)點并進行了合理的優(yōu)化與精簡，取消了原有模型中會話層與表示層，為現(xiàn)有模型提供了極大的操作性與靈活性，使其得到更為廣泛的普及與應(yīng)用。

2 跨層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的模型設(shè)計

2.1 模型設(shè)計與描述

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次架構(gòu)規(guī)定相鄰層之間的信息只能通過相鄰層之間的靜態(tài)接口進行交互，非相鄰層之間禁止直接交互[7]，這就導(dǎo)致層間信息交互過程復(fù)雜且信息難以及時共享，增加了信息的冗余以及設(shè)備開銷成本。

為了使網(wǎng)絡(luò)性能（如擁塞大小、延遲率等）得到進一步優(yōu)化，在參照傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型協(xié)議結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本文設(shè)計的跨層網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，如圖2所示。設(shè)計打破嚴格的層間界限，允許協(xié)議棧各層之間相互傳遞、共享特定的訊息，來管理、統(tǒng)籌各層的工作過程，以達到提升網(wǎng)絡(luò)整體性能的最終目的。

模型設(shè)計主要包括以下方面：

1）添加抽象實體（AE）及層間系統(tǒng)

圖2 跨層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型結(jié)構(gòu)

如圖2所示，本文提出的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的跨層網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)中，協(xié)議實體（PE）模塊，是由OSI/RM參考模型所定義用于處理各層中的協(xié)議，相鄰層的協(xié)議實體通過服務(wù)接入點（SAP）進行數(shù)據(jù)交換。為了實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)跨層設(shè)計，本文提出了抽象實體（AE）及層間系統(tǒng)，抽象實體附著每一層的協(xié)議實體，用于把特定協(xié)議的控制信息抽象成獨立于協(xié)議的信息，以便于在層間交換，而層間系統(tǒng)則垂直穿透模型中所有層，負責(zé)整個跨層通信的控制與調(diào)度。

2）對原有傳輸層的優(yōu)化

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)通信、均衡調(diào)度以及邏輯處理的功能，當(dāng)面臨用戶數(shù)量大、用戶數(shù)據(jù)種類多的情況，服務(wù)器在處理過程中會導(dǎo)致數(shù)據(jù)處理的效率降低，必然會對服務(wù)器性能造成影響，因此需要針對應(yīng)用設(shè)計適合在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中使用的傳輸層協(xié)議。

當(dāng)n+1層與n-1層進行跨層合作，首先，n+1層通過抽象實體將請求發(fā)送給層間系統(tǒng)，經(jīng)由層間系統(tǒng)傳遞至目標層（即n-1層）的抽象實體，其次，抽象實體對請求進行解釋處理并寄存至請求表中，目標層通過反向路徑向請求層回復(fù)確認，最后，當(dāng)目標層請求事件發(fā)生以后，目標層根據(jù)指令在請求表中搜尋事件條目，找到以后通過抽象信息告知請求層，至此，整個流程結(jié)束。

2.2 OPNET Modeler下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型設(shè)計

OPNET是網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域權(quán)威的仿真工具，擁有豐富的模型數(shù)據(jù)資源，其層次化的建模機制以及面向?qū)ο蟮慕７绞?，更加符合設(shè)計人員對于網(wǎng)絡(luò)模型構(gòu)建的需求，此外，OPNET Modeler采用有限狀態(tài)機和C++以及其自身提供的400多個核心函數(shù)可實現(xiàn)自定義設(shè)備、添加和修改源代碼等，這為我們設(shè)計提供了極大的便利[8]。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的特性，以及之前所述的跨層網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，我們基于OPNET設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型如圖3所示。

圖3 OPNET下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型設(shè)計

其中物理層為模型最底層，模塊1_0、2_0是針對以太網(wǎng)和令牌環(huán)網(wǎng)情況下設(shè)計的收發(fā)模塊，采用全雙工收發(fā)，模塊3_0、4_0則適用于點到點連接，采用單雙工收發(fā)；網(wǎng)絡(luò)通信層的目的主要在于數(shù)據(jù)打包、接收和發(fā)送，本文參考了OSI/RM模型層次協(xié)議，并在設(shè)計模型中增加了隨機退避機制，以減少任務(wù)等待時間；網(wǎng)絡(luò)通信層的上層為均衡調(diào)度層，該層負責(zé)對接收到的用戶訊息進行相應(yīng)處置；最上層包括應(yīng)用層節(jié)點模型以及跨層處理模塊（SYSTEM）。

3 模型功能檢驗

3.1 檢驗方法設(shè)計

為了驗證跨層模型的可靠性，本文設(shè)計了一個終端對終端的傳輸網(wǎng)絡(luò)，實驗?zāi)Ｐ凸?jié)點部分配置如

表1 模型主要配置

基于OPNET的網(wǎng)絡(luò)實驗場景如圖4所示，根據(jù)實驗需要，文中通過應(yīng)用定義（Application definition）及業(yè)務(wù)規(guī)格定義 （Profile definition）為網(wǎng)絡(luò)配置業(yè)務(wù)，由于設(shè)置業(yè)務(wù)涉及的內(nèi)容較多，本文不做詳細描述。在實驗場景中，我們在圖中放置了兩個通信子網(wǎng)，子網(wǎng)中包含了名為ethernet4_slip8_gtwy的網(wǎng)絡(luò)路由和我們所設(shè)計的跨層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，除此之外，在圖中我們還放置了一個IP云（ip32_cloud）模型，它具有可選的數(shù)據(jù)傳輸速率，支持高達32個串行線路接口，到達任意接口的IP數(shù)據(jù)包根據(jù)其目的地址被發(fā)送到相應(yīng)的輸出接口。

圖4 OPNET下的實驗場景

OPNET下的實驗網(wǎng)絡(luò)拓撲搭建好以后，我們考慮到設(shè)計模型的目的性，即在面對多用戶，大數(shù)據(jù)情況下，跨層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器能夠在性能方面有所優(yōu)化，因此首先我們設(shè)置了數(shù)據(jù)包請求間隔、包大小和丟包率等參數(shù)，其次我們選擇兩個對象統(tǒng)計量：Congestion Window Size（擁塞窗口大?。┖蚐ent Segment Sequence Number（發(fā)送段序列號），以此來驗證本設(shè)計的有效性及可靠性。

3.2 仿真結(jié)果

在試驗場景中，我們?nèi)藶樵O(shè)置了3種情景進行比較：NO_Drop（無丟包率的理想情況）；Drop_NoSystem（有丟包率無跨層模型）；Drop_System （有丟包率有跨層模型），并設(shè)定仿真時間為10分鐘，參數(shù)設(shè)定如圖5所示。

圖5 情景設(shè)定及參數(shù)設(shè)置

仿真過后，我們可以在OPNET中得到節(jié)點擁塞窗口大小統(tǒng)計及發(fā)送段序列號曲線對比，分別如圖6、圖7所示。

圖6 節(jié)點的擁塞窗口大小

我們知道，擁塞窗口的大小取決于網(wǎng)絡(luò)的擁塞程度，當(dāng)擁塞程度增大，擁塞窗口應(yīng)當(dāng)減小以控制流量從而避免發(fā)生網(wǎng)絡(luò)擁塞，在本文中我們通過在試驗中設(shè)置丟包率來制造網(wǎng)絡(luò)擁塞。從圖6可以看出，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)由于層間信息傳遞較慢，造成控制信息傳輸延遲，在幾次控制以后就顯得力不從心，最終失去了對擁塞窗口大小的控制，最終造成信息的急劇擁塞，相反，跨層設(shè)計在應(yīng)對這種情況時就發(fā)揮了較大的優(yōu)勢，能夠快速對擁塞窗口大小進行調(diào)節(jié)，降低發(fā)生擁塞的可能性。

圖7 發(fā)送段序列號

在本文中，由于我們設(shè)置了0.05%的傳輸丟包率，根據(jù)節(jié)點的傳輸協(xié)議，發(fā)送端需要對丟失的數(shù)據(jù)包進行重新傳送，因此這就需要網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器能夠?qū)崿F(xiàn)數(shù)據(jù)的快速重傳，避免數(shù)據(jù)包發(fā)送的延遲或中斷，發(fā)送段序列號就能夠反映系統(tǒng)的傳輸質(zhì)量。從圖7可以看出，相對于傳統(tǒng)設(shè)計，跨層設(shè)計更趨向于理想情況，這也就說明了跨層設(shè)計在數(shù)據(jù)重傳方面的速度優(yōu)于傳統(tǒng)設(shè)計。

4 結(jié)束語

文中在對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型進行總結(jié)分析的基礎(chǔ)上，提出了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的跨層模型設(shè)計理念，并結(jié)合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器本身相關(guān)特性，以傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型作為參考，設(shè)計了適用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的跨層網(wǎng)絡(luò)模型。為了驗證網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型設(shè)計的可靠性和有效性，本文采用OPNET網(wǎng)絡(luò)仿真工具，為設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型搭建實驗平臺，對模型進行權(quán)威的驗證。實驗表明，在面對大數(shù)據(jù)，多用戶的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，跨層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模型相較于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，在處理網(wǎng)絡(luò)擁塞、服務(wù)超載等方面具有明顯的優(yōu)勢，實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器性能上的優(yōu)化。

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Cross-layer modeling and application in network server based on OPNET

ZOU Peng-fei，ZHANG Chi-jian，ZHENG Kui-ang，MA Xiao-lu
（College of Physics and Electronic Information，Anhui Normal University，Wuhu 241000，China）

Because of the gradual increase in the current network size and complexity of the network data，it brings network congestion and server overload issues.To solve these problems，we put forward cross-layer design for web server based on the traditional network architecture，and by the authoritative network simulation tool（OPNET） to achieve the construction of cross-layer network server model.Result show that cross-layer network model in this paper can achieve a obviously optimization in performance.

network server； network hierarchy； cross-layer design； OPNET

TN915

A

1674－6236（2017）17-0168-04

2016-08-30稿件編號：201608228

鄒鵬飛（1991—），男，安徽六安人，碩士。研究方向：智能計算與測控技術(shù)。