可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型的服務(wù)擴(kuò)展能力分析

吉祖勤，沈軍，丁德林，崔效瑋

（1. 東南大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 南京 211189；2. 東南大學(xué)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和信息集成教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 211189；3. 鹽城師范學(xué)院信息科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002）

1 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展和各種新型應(yīng)用的大量涌現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的需求及形態(tài)不斷增加，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型實(shí)現(xiàn)服務(wù)可擴(kuò)展的能力呈現(xiàn)出不足[1-2]。網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)可擴(kuò)展能力是指在網(wǎng)絡(luò)性能不明顯下降的前提下，網(wǎng)絡(luò)提供新服務(wù)功能的能力。雖然傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的集成服務(wù)模型與區(qū)分服務(wù)模型通過添加協(xié)議補(bǔ)丁等方法實(shí)現(xiàn)了一定程度上的服務(wù)可擴(kuò)展，但隨著添加的新協(xié)議越來越多，這種方法的缺陷也越來越明顯，主要體現(xiàn)在以下方面：首先，新協(xié)議的開發(fā)和部署往往都需要很長的周期；其次，協(xié)議補(bǔ)丁的添加使網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)變得越發(fā)龐大復(fù)雜；此外，新協(xié)議實(shí)現(xiàn)的服務(wù)功能與已有服務(wù)之間往往存在一定的功能冗余性，從而影響網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的實(shí)際執(zhí)行性能，降低網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的處理效率。

為打破傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的僵化問題，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，眾多的研究機(jī)構(gòu)開始圍繞如何改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)展開研究，以解決服務(wù)可擴(kuò)展性問題。在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了一些具有代表性的研究成果。RBA（role-based architecture）[3]打破傳統(tǒng)的層次化結(jié)構(gòu)思想，以角色作為通信的實(shí)體，這種設(shè)計(jì)思想能夠避免傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型層次間功能的冗余，但沒有給出組織和管理角色功能的具體方法，因而服務(wù)可擴(kuò)展性難以較好實(shí)現(xiàn)。SILO（services integration, control and optimization for the future Internet）[4]也是非層次體系結(jié)構(gòu)，服務(wù)筒倉可以按需、自動(dòng)地被創(chuàng)建，用于自適應(yīng)控制以及以優(yōu)化行為為目的的交互機(jī)制被內(nèi)置到框架中。但服務(wù)筒倉的偏序關(guān)系界定困難，服務(wù)筒倉的定制添加難以實(shí)現(xiàn)，因此服務(wù)可擴(kuò)展性較弱。RNA（recursive network architecture）[5-6]提出了協(xié)議可以在層之間復(fù)用的思想，并提出了元協(xié)議的概念，即元協(xié)議部署在協(xié)議棧中，層數(shù)可以動(dòng)態(tài)變化，旨在消除傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的冗余服務(wù)，但是動(dòng)態(tài)棧難于實(shí)現(xiàn)，從而服務(wù)可擴(kuò)展性較弱。在服務(wù)元網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)（SUNA, service unit network architecture）[7-8]中，服務(wù)元之間相互獨(dú)立，沒有服務(wù)功能的交叉，有效地避免了功能的冗余性。但各類服務(wù)元間粒度不一致，且粒度較大，難以較好地實(shí)現(xiàn)服務(wù)擴(kuò)展。SDN（software defined network）架構(gòu)[9]主要包含數(shù)據(jù)平面、控制平面和應(yīng)用平面三層，每兩層之間通過統(tǒng)一的接口進(jìn)行通信（如OpenFlow[10]）。SDN提出的背景使對(duì)SDN的研究與應(yīng)用多局限在網(wǎng)絡(luò)層以下，上層網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的差異性使 SDN暫無統(tǒng)一的北向接口標(biāo)準(zhǔn)，并且OpenFlow作為SDN普遍使用的南向接口規(guī)范，其協(xié)議規(guī)則并不成熟，版本仍在更新[11]，這些問題嚴(yán)重影響了基于 SDN的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可擴(kuò)展性。可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型（ENSM, extensible network service model）[12-13]打破了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層次協(xié)議機(jī)制，顯式地給出服務(wù)模型。ENSM以原子服務(wù)組合的形式避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議逐層封裝所產(chǎn)生的功能冗余，以定制原子服務(wù)和原子服務(wù)組合的形式提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可擴(kuò)展性，從根本上解決了服務(wù)擴(kuò)展這一網(wǎng)絡(luò)核心問題，具有很好的服務(wù)擴(kuò)展能力。

文獻(xiàn)[13]雖然分析論證了ENSM具有服務(wù)可擴(kuò)展性（即能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)態(tài)、按需和優(yōu)性能的擴(kuò)展服務(wù)），但是沒有對(duì)其服務(wù)擴(kuò)展能力的程度進(jìn)行分析評(píng)價(jià)。ENSM旨在提供良好的服務(wù)擴(kuò)展能力，為了驗(yàn)證ENSM模型思想的有效性，本文深入地分析了衡量ENSM的服務(wù)擴(kuò)展能力。此處，本文還介紹了ENSM的基本原理，對(duì)ENSM的服務(wù)擴(kuò)展能力進(jìn)行了定性分析；使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)擴(kuò)展能力分析方法對(duì)ENSM的服務(wù)擴(kuò)展能力的進(jìn)行了定量分析；由定性分析和定量分析結(jié)果可知，ENSM具有很好的服務(wù)擴(kuò)展能力。

2 ENSM簡介

本文對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的各層網(wǎng)絡(luò)協(xié)議功能進(jìn)行拆分、歸納和抽象，得出一個(gè)初始的功能粒度很小的原子服務(wù)集合和原子服務(wù)間的關(guān)系集合（如原子服務(wù)間的依賴關(guān)系、交互關(guān)系等），這2個(gè)集合隨著應(yīng)用需求的增加而不斷變大?；谠臃?wù)集合和原子服務(wù)間的關(guān)系集合這2個(gè)集合，ENSM實(shí)現(xiàn)了服務(wù)的動(dòng)態(tài)、按需擴(kuò)展，即動(dòng)態(tài)按需地向原子服務(wù)集合中添加新定制的原子服務(wù)、動(dòng)態(tài)按需地選擇所需原子服務(wù)并進(jìn)行服務(wù)組合。因此，ENSM以原子服務(wù)組合的形式避免了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中協(xié)議逐層封裝所產(chǎn)生的功能冗余，以定制原子服務(wù)和原子服務(wù)組合的形式提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可擴(kuò)展性。

ENSM位于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用之下、網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施之上，包括 4個(gè)功能模塊（服務(wù)組合管理模塊、用戶需求解析模塊、服務(wù)執(zhí)行控制引擎、原子服務(wù)管理模塊）和 2個(gè)服務(wù)庫（原子服務(wù)庫和常用服務(wù)實(shí)例庫）。ENSM的工作原理如圖1所示，具體工作過程如下：1) 在使用ENSM前，管理用戶將原子服務(wù)庫和常用服務(wù)實(shí)例庫部署到網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，并更新服務(wù)信息；2) 業(yè)務(wù)用戶根據(jù)自身的個(gè)性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)化需求從網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層提交服務(wù)請(qǐng)求；3) 需求解析模塊將用戶需求解析表達(dá)后發(fā)送到服務(wù)組合管理模塊；4) 服務(wù)組合管理模塊根據(jù)需求解析結(jié)果，先從常用服務(wù)實(shí)例庫查找組合方案，若沒有找到方案，再從原子服務(wù)庫中選擇出相應(yīng)的原子服務(wù)（若原子服務(wù)庫中沒有所需原子服務(wù)，則由原子服務(wù)管理模塊按需定制原子服務(wù)并添加到原子服務(wù)庫中），并生成服務(wù)組合方案，原子服務(wù)庫和服務(wù)實(shí)例庫在被訪問調(diào)用的過程中從網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)施讀取參數(shù)信息，最后將組合方案發(fā)送至服務(wù)執(zhí)行控制引擎；5) 服務(wù)執(zhí)行控制引擎接收到組合方案和生成服務(wù)實(shí)例的請(qǐng)求，根據(jù)組合方案生成滿足用戶需求的服務(wù)實(shí)例并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層。

圖1 ENSM的工作原理

3 ENSM服務(wù)擴(kuò)展能力定性分析

在ENSM中，本文將基于協(xié)議數(shù)量決定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的一維策略方法拓展為基于原子服務(wù)集合和定制、組合機(jī)制共同決定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力的二維策略方法，這樣有利于靈活、可控地對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行擴(kuò)展?；?ENSM 的服務(wù)提供與擴(kuò)展機(jī)制可以對(duì)ENSM的服務(wù)擴(kuò)展能力進(jìn)行定性分析。

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與ENSM提供服務(wù)的模式對(duì)比如圖2所示，圖中虛線表示存在邏輯關(guān)系，實(shí)線表示存在信息交互。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過一層或幾層協(xié)議來提供服務(wù)，一般一個(gè)協(xié)議只能提供一種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，m個(gè)協(xié)議只能提供m種網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，且在進(jìn)行服務(wù)擴(kuò)展時(shí)需要開發(fā)部署網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。因此，協(xié)議數(shù)目與提供服務(wù)的種類基本以 1:1的趨勢增長。而ENSM則是通過定制原子服務(wù)和服務(wù)組合來提供服務(wù)，ENSM能夠提供服務(wù)的種類是由原子服務(wù)個(gè)數(shù)和原子服務(wù)間的組合關(guān)系決定的。在 ENSM中，原子服務(wù)的功能粒度遠(yuǎn)小于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議功能粒度，定制一個(gè)原子服務(wù)即是提供了一種服務(wù)，而一組原子服務(wù)使用不同組合方式即可提供多種不同的服務(wù)。因此，原子服務(wù)的數(shù)目與提供服務(wù)的種類以m:n(n≥m)的趨勢增長。由此可知，隨著模型中原子服務(wù)數(shù)量以及原子服務(wù)間組合關(guān)系的增加，可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型的服務(wù)擴(kuò)展能力將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。

圖2 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)與ENSM提供服務(wù)的模式對(duì)比

ENSM的工作機(jī)理可形式化表示為

其中，xServ表示可擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模型，AS表示服務(wù)模型中的原子服務(wù)集合，SR表示原子服務(wù)間的組合運(yùn)算集合[13]。本質(zhì)上，任何一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)都是 xServ的一個(gè)實(shí)例，SR就是該服務(wù)實(shí)例的應(yīng)用控制邏輯。由式(1)可知，ENSM中服務(wù)的提供與擴(kuò)展基于2個(gè)因素，即AS和SR；基于同一個(gè)原子服務(wù)集合 AS，使用不同的組合運(yùn)算集合 SR，可以提供多種不同的服務(wù)；向一個(gè)原子服務(wù)集合AS中按需定制、添加原子服務(wù)，并使用所需組合運(yùn)算集合 SR，可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的按需動(dòng)態(tài)擴(kuò)展。因此，ENSM能夠較好地實(shí)現(xiàn)服務(wù)的擴(kuò)展。

通過對(duì) ENSM 的服務(wù)擴(kuò)展定性分析可知，ENSM能夠靈活地實(shí)現(xiàn)按需定制服務(wù)與組合服務(wù)，具有很好的服務(wù)擴(kuò)展能力。

4 ENSM服務(wù)擴(kuò)展能力定量分析

網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)可擴(kuò)展性研究實(shí)質(zhì)上是基于服務(wù)以及服務(wù)之間關(guān)系對(duì)網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)能力的探究。文獻(xiàn)[14-15]把握住這一實(shí)質(zhì)關(guān)系，在此基礎(chǔ)上提出了網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)可擴(kuò)展性的分析方法。本文使用文獻(xiàn)[14-15]提出的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)擴(kuò)展能力分析方法來定量分析ENSM的服務(wù)擴(kuò)展能力。

4.1 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)擴(kuò)展能力分析方法簡介

文獻(xiàn)[14-15]提出的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)擴(kuò)展能力分析方法由描述模型和服務(wù)評(píng)價(jià)模型兩部分組成。網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)可擴(kuò)展性的分析步驟如圖3所示，具體介紹如下：1) 待評(píng)價(jià)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例使用描述模型，來抽象服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例中服務(wù)及服務(wù)間的關(guān)系，并設(shè)置動(dòng)態(tài)擴(kuò)展規(guī)則；2) 對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的描述使用服務(wù)評(píng)價(jià)模型選擇評(píng)價(jià)指標(biāo)并確定評(píng)價(jià)策略；3)經(jīng)計(jì)算與分析得出評(píng)價(jià)結(jié)果。

圖3 網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)可擴(kuò)展性的分析步驟

4.1.1 描述模型

描述模型用于抽象網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例服務(wù)、服務(wù)間關(guān)系以及服務(wù)擴(kuò)展時(shí)的擴(kuò)展規(guī)則。用S={A,c}來描述服務(wù)，其中，A表示服務(wù)的性能屬性向量，c表示按服務(wù)功能分類的服務(wù)類型。本文中，J表示服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的擴(kuò)展規(guī)則；f表示服務(wù)到服務(wù)的映射關(guān)系，描述模型中服務(wù)映射關(guān)系有多種，最基本的有依賴關(guān)系、交互關(guān)系等。依賴關(guān)系是指服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例中服務(wù)間的一方對(duì)另一方性能、功能方面的依賴，其中，R={＜c1,c2＞,r?,v}表示服務(wù)間的依賴關(guān)系；＜c1,c2＞表示發(fā)生依賴關(guān)系的2個(gè)服務(wù)種類必須符合的約束條件；r?表示依賴關(guān)系規(guī)則向量，用于對(duì)依賴關(guān)系進(jìn)行邏輯描述；v表示依賴關(guān)系代價(jià)，即發(fā)生依賴關(guān)系時(shí)在某性能上的代價(jià)。交互關(guān)系是指服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例中服務(wù)間具有功能方面的交互，用服務(wù)集合E={S1,S2,…,Sm}表示服務(wù)間的交互關(guān)系。

S_set(t)表示t時(shí)刻的服務(wù)集合，J(t)表示t時(shí)刻的服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的擴(kuò)展規(guī)則集合，f(t)表示t時(shí)刻服務(wù)到服務(wù)的映射關(guān)系集合，則t時(shí)刻的描述模型可以表示為M(t)={S_set(t),f(t),J(t),t}。

4.1.2 服務(wù)評(píng)價(jià)模型

由于網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例可能存在多個(gè)益害性不同的評(píng)價(jià)指標(biāo)，因此將網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)擴(kuò)展能力細(xì)分為性能特征維持能力（Keep_ability）和性能特征演進(jìn)能力（Evo_ability）。假設(shè)在初始狀態(tài)下，原服務(wù)為T，評(píng)價(jià)指標(biāo)數(shù)量為i，第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)為Fi(t)。經(jīng)過j次動(dòng)態(tài)變化，T變成T′，F(xiàn)i(t)變成Fi′(t)。diff表示動(dòng)態(tài)變化的平均變化系數(shù)，如式(2)所示。

其中，αi表示第i個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)的權(quán)值，n表示變化的次數(shù)。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的某些性能隨著網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的服務(wù)擴(kuò)展而降低時(shí)（無論是有害指標(biāo)的增大還是有益指標(biāo)值的減?。枰?jì)算的是網(wǎng)絡(luò)的性能特征維持能力。性能特征維持能力計(jì)算值始終小于或等于1，其值越接近1則表示性能特征維持得越好，計(jì)算式如式(3)所示。

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的某些性能隨著網(wǎng)絡(luò)中服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的服務(wù)擴(kuò)展而得到優(yōu)化時(shí)（無論是有害指標(biāo)的減小還是有益指標(biāo)的增大），需要計(jì)算的是網(wǎng)絡(luò)的性能特征演進(jìn)能力。性能特征演進(jìn)能力計(jì)算值始終大于或等于 1，其值越大則表示演進(jìn)能力越好，計(jì)算式如式(4)所示。

4.2 服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的定量分析

從理論和網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用2個(gè)角度對(duì)ENSM的服務(wù)擴(kuò)展進(jìn)行舉例，并對(duì)其服務(wù)擴(kuò)展能力進(jìn)行定量分析。

4.2.1 理論角度服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的定量分析

從理論角度選用包含了ENSM服務(wù)組合基本流程的服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例作為分析實(shí)例，擴(kuò)展前后服務(wù)的SPN（stochastic petri net）模型[16]分別如圖4和圖5所示，使用SPN的P/T系統(tǒng)中的時(shí)間變遷ti（1≤i≤9）表示原子服務(wù)，使用SPN的P/T系統(tǒng)中的庫所在位置Pi（1≤i≤9）表示服務(wù)執(zhí)行所處的狀態(tài)。假設(shè)在圖 5所示的擴(kuò)展后的服務(wù)實(shí)例中，位置P6處的選擇概率為在位置P9處的循環(huán)概率為各服務(wù)的執(zhí)行速率為λ={λ1=14,λ2=7,λ3=4,λ4=8,λ5=28,λ6=42}，變遷速率單位為bit/s。

圖4 擴(kuò)展前服務(wù)的SPN模型

圖5 擴(kuò)展后服務(wù)的SPN模型

1) 服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的抽象與描述

使用文獻(xiàn)[14-15]方法中的描述模型對(duì)該服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例進(jìn)行描述和抽象。實(shí)例中服務(wù)間最基本的映射關(guān)系有依賴關(guān)系和交互關(guān)系。依賴關(guān)系R是指原子服務(wù)間存在著行為約束即傳輸依賴；交互關(guān)系Er是指原子服務(wù)間存在資源交互。由此，建立網(wǎng)絡(luò)描述如下。

其中，服務(wù)S的屬性向量A中，throughput表示該實(shí)例網(wǎng)絡(luò)的吞吐量，response time表示該實(shí)例網(wǎng)絡(luò)的響應(yīng)時(shí)間；服務(wù)類型c有 2種，即原子服務(wù) Si和組合服務(wù)Sci；在依賴關(guān)系R中，Sx與Sy表示2個(gè)不同的原子服務(wù)，Sx.c表示原子服務(wù)Sx的類型，Sy.c表示服務(wù)Sy的類型，代價(jià)v表示服務(wù)間一次交互所需付出的傳輸時(shí)間代價(jià)。

在該實(shí)例中，執(zhí)行每個(gè)原子服務(wù)時(shí)吞吐量和響應(yīng)時(shí)間不會(huì)變化，影響整個(gè)實(shí)例網(wǎng)絡(luò)變化的是新原子服務(wù)加入導(dǎo)致的網(wǎng)絡(luò)吞吐量和響應(yīng)時(shí)間的變化。所以在設(shè)定動(dòng)態(tài)變化規(guī)則時(shí)，主要考慮服務(wù)擴(kuò)展的方式，擴(kuò)展規(guī)則J設(shè)定如下。

規(guī)則r1：擴(kuò)展兩次，每次擴(kuò)展中增加2個(gè)服務(wù)，且服務(wù)類型是原子服務(wù)。

規(guī)則r2：增加原子服務(wù)時(shí)，服務(wù)的擴(kuò)展流程有順序、選擇、并列和循環(huán)。

2) 服務(wù)擴(kuò)展的計(jì)算與分析

使用文獻(xiàn)[14-15]方法中的服務(wù)評(píng)價(jià)模型對(duì)該服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的服務(wù)擴(kuò)展能力進(jìn)行計(jì)算與分析。在該實(shí)例中，服務(wù)組合后吞吐量增加是有益指標(biāo)，因此對(duì)其進(jìn)行特征演化分析；組合后響應(yīng)時(shí)間增加，是有害指標(biāo)，因此對(duì)其進(jìn)行特征維持分析。假設(shè)組合時(shí)權(quán)值

根據(jù)文獻(xiàn)[16]中性能等價(jià)化簡分析，響應(yīng)時(shí)間組合運(yùn)算后可得用式(3)對(duì)該實(shí)例的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行特征維持能力分析。由于選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)只有一個(gè)（即響應(yīng)時(shí)間），因此服務(wù)組合時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值根據(jù)式(2)可知

代入式(3)，可得

由上述計(jì)算可知，隨著原子服務(wù)數(shù)量的增加，特征維持能力的計(jì)算值小于1且越來越接近1，即該實(shí)例在服務(wù)擴(kuò)展中具有較好的特征維持能力。

根據(jù)文獻(xiàn)[16]中性能等價(jià)化簡分析和式(5)可得，吞吐量

其中，R(t,s)表示變遷的標(biāo)記流速，W(t,s)表示變遷t到狀態(tài)s的權(quán)值，U(t)表示變遷利用率，λ表示變遷速率。

用式(4)對(duì)該實(shí)例的吞吐量進(jìn)行演化能力分析，由于選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)只有一個(gè)（即吞吐量），因此服務(wù)組合時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值根據(jù)式(2)可知

代入式(4)，可得

由上述計(jì)算可知，隨著原子服務(wù)數(shù)量的增加，特征演化能力的計(jì)算值大于1且越來越遠(yuǎn)離1，即該實(shí)例在服務(wù)擴(kuò)展中具有較好的特征演化能力。

4.2.2 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用角度服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的定量分析

從網(wǎng)絡(luò)實(shí)際應(yīng)用角度，選用數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)擴(kuò)展作為分析實(shí)例。圖6是帶有窗口流控功能數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的 SHLPN（stochastic high-level petri net）模型[16]，涉及的原子服務(wù)類別有系統(tǒng)類、報(bào)文類、安全類等。用位置表示執(zhí)行狀態(tài)，變遷表示原子服務(wù)，符號(hào)說明如下：A為數(shù)據(jù)緩沖器，B為報(bào)文緩沖器，C為報(bào)文處理緩沖器，D為報(bào)文輸出緩沖器，E為報(bào)文發(fā)送接口，F(xiàn)為報(bào)文檢驗(yàn)緩沖器，G為報(bào)文接受緩沖器，H為報(bào)文重組緩沖器，I為應(yīng)答報(bào)文緩沖器，J為應(yīng)答報(bào)文處理緩沖器，K為窗口計(jì)數(shù)器，L為應(yīng)答報(bào)文接受接口，M 為應(yīng)答報(bào)文檢驗(yàn)緩沖器， S為發(fā)送序號(hào)產(chǎn)生器，R為接收序號(hào)產(chǎn)生器，T1為構(gòu)造報(bào)文，T2為報(bào)文加校驗(yàn)和，T3為報(bào)文分片，T4為發(fā)送報(bào)文，T6為檢驗(yàn)報(bào)文校驗(yàn)和，T7為錯(cuò)誤報(bào)文處理，T8為接受報(bào)文，T9為分片報(bào)文的重組，T10為產(chǎn)生應(yīng)答報(bào)文，T11為應(yīng)答報(bào)文加校驗(yàn)和，T12為發(fā)送應(yīng)答報(bào)文，T13為檢驗(yàn)應(yīng)答報(bào)文的校驗(yàn)和，T14為接受應(yīng)答報(bào)文。

圖6 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

增加位置Q（重發(fā)隊(duì)列）、N（錯(cuò)誤報(bào)文接受緩沖器）、O（錯(cuò)誤報(bào)文應(yīng)答緩沖器），增加變遷T5（重發(fā)報(bào)文）、T15（錯(cuò)誤報(bào)文應(yīng)答的產(chǎn)生）和T16（錯(cuò)誤報(bào)文應(yīng)答加校驗(yàn)和）后，數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)被擴(kuò)展成帶有錯(cuò)誤重傳功能的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，其SHLPN模型如圖7所示。

圖7 帶有錯(cuò)誤重傳功能的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)

隨機(jī) Petri網(wǎng)仿真的工具有 SPNP（stochastic petri net package）[17]、GreatSPN1.5、UltraSAN2.0、DSPNexpress1.3等。SPNP是C語言的一個(gè)擴(kuò)充，附加了 SPN模型的描述和性能參數(shù)測試函數(shù)，一些重要的SPN模型特性都可以在SPNP中規(guī)定和應(yīng)用。由于SPNP功能強(qiáng)大、使用方便，因此本文選用SPNP作為仿真工具。設(shè)定在2個(gè)服務(wù)的SHLPN模型中，發(fā)送窗口的大小用w表示，傳輸?shù)腻e(cuò)誤率為 0.05。ENSM 數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)實(shí)例模型中的控制報(bào)文長度為128 bit，數(shù)據(jù)報(bào)文長度為1 024 bit，一共傳輸60個(gè)數(shù)據(jù)報(bào)文。圖 6服務(wù)實(shí)例模型中設(shè)定變遷速率為{λ1=100.0,λ2=100.0,λ3=100.0,λ4=9.0,λ6=100.0,λ7=5.0,λ8=95.0,λ9=100.0,λ10=100.0,λ11=100.0,λ12=100.0,λ13=100.0,λ14=100.0}。圖7中新增的原子服務(wù)變遷速率為{λ5= 100.0,λ15=100.0,λ16=100.0}。變遷速率單位為bit/s。

使用文獻(xiàn)[14-15]提出的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)擴(kuò)展能力分析方法對(duì)該服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例進(jìn)行抽象描述和計(jì)算分析。該服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的抽象描述與4.2.1節(jié)中闡述的“理論角度服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例”的抽象描述類似。該實(shí)例的服務(wù)擴(kuò)展規(guī)則J設(shè)定如下。

規(guī)則r1：擴(kuò)展兩次，第一次擴(kuò)展中增加1個(gè)原子服務(wù)，第二次擴(kuò)展中增加2個(gè)原子服務(wù)。

規(guī)則r2：增加原子服務(wù)時(shí)，服務(wù)的擴(kuò)展流程有順序和選擇。

只實(shí)現(xiàn)了一次服務(wù)于擴(kuò)展操作，即一次性新增2個(gè)原子服務(wù)。新增原子服務(wù)時(shí)會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的吞吐量和響應(yīng)時(shí)間發(fā)生變化。在該實(shí)例中，服務(wù)組合后吞吐量變大是有益指標(biāo)，因此對(duì)其進(jìn)行特征演化分析；組合后響應(yīng)時(shí)間變大，是有害指標(biāo)，因此對(duì)其進(jìn)行特征維持分析。假設(shè)組合時(shí)權(quán)值

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)可得，增加原子服務(wù)之前響應(yīng)時(shí)間為13.685 s，第一次擴(kuò)展增加T5這個(gè)原子服務(wù)后的響應(yīng)時(shí)間為13.714 s，第二次擴(kuò)展增加T15和T16這2個(gè)原子服務(wù)后的響應(yīng)時(shí)間為13.925 s。使用式(3)對(duì)該實(shí)例的響應(yīng)時(shí)間進(jìn)行特征維持能力分析。由于選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)只有一個(gè)（即響應(yīng)時(shí)間），因此服務(wù)組合時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值根據(jù)式(2)可知

代入式(3)，可得

由上述計(jì)算可知，隨著原子服務(wù)的數(shù)量的增加，特征維持能力的計(jì)算值小于1且越來越接近1，即該實(shí)例在服務(wù)擴(kuò)展中具有較好的特征維持能力。

根據(jù)仿真實(shí)驗(yàn)可得，增加原子服務(wù)之前吞吐量為4.384 kbit/s，第一次擴(kuò)展增加T5這個(gè)原子服務(wù)后的吞吐量為4.390 kbit/s，第二次擴(kuò)展增加T15和T16這2個(gè)原子服務(wù)后的吞吐量為4.401 kbit/s。使用式(4)對(duì)該實(shí)例的吞吐量進(jìn)行演化能力分析。由于選擇的評(píng)價(jià)指標(biāo)只有一個(gè)（即吞吐量），因此服務(wù)組合時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)值根據(jù)式(2)可知

代入式(4)，可得

由上述計(jì)算可知，隨著原子服務(wù)的數(shù)量的增加，特征演化能力的計(jì)算值大于1且越來越遠(yuǎn)離1，即該實(shí)例在服務(wù)擴(kuò)展中具有較好的特征演化能力。

通過對(duì)ENSM中2種服務(wù)擴(kuò)展實(shí)例的服務(wù)擴(kuò)展能力定量分析可知，ENSM能夠根據(jù)需求靈活定制或組合出某一服務(wù)功能，實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能種類的增加；ENSM在實(shí)現(xiàn)服務(wù)擴(kuò)展時(shí)具有較好的性能特征維持能力和性能特征演化能力，具有很好的服務(wù)擴(kuò)展能力。

綜上所述，ENSM可以按需定制、添加原子服務(wù)，并且能夠根據(jù)應(yīng)用需求進(jìn)行服務(wù)組合操作，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的按需動(dòng)態(tài)優(yōu)性能地?cái)U(kuò)展；隨著ENSM中原子服務(wù)數(shù)量上的增加以及原子服務(wù)間組合關(guān)系的增多，ENSM服務(wù)擴(kuò)展所實(shí)現(xiàn)服務(wù)的功能不斷增加，其服務(wù)擴(kuò)展能力將遠(yuǎn)超傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)；ENSM在實(shí)現(xiàn)服務(wù)擴(kuò)展時(shí)具有交互的性能特征維持能力與演化能力，具有很好的服務(wù)擴(kuò)展能力。

5 結(jié)束語

在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中，提供服務(wù)是通過開發(fā)、部署和運(yùn)作網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的方式來實(shí)現(xiàn)的。隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，各種新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和用戶應(yīng)用需求層出不窮[18]，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)在服務(wù)的定制和擴(kuò)展能力上的問題也隨之逐漸突顯，協(xié)議的針對(duì)性開發(fā)部署、協(xié)議之間過多的功能性冗余、過高的協(xié)議開發(fā)部署成本等都制約著服務(wù)定制的能力。如何實(shí)現(xiàn)提供穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并具備良好的服務(wù)定制和擴(kuò)展能力一直是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)研究的熱點(diǎn)之一。

本文提出了ENSM，ENSM是對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)提供服務(wù)方式和能力的一種探索；介紹了ENSM的基本原理，對(duì)ENSM的服務(wù)擴(kuò)展能力進(jìn)行了定性分析；使用網(wǎng)絡(luò)服務(wù)可擴(kuò)展能力分析方法對(duì) ENSM 的服務(wù)擴(kuò)展能力進(jìn)行了定量分析。由定性分析和定量分析可知，ENSM具有很好的服務(wù)擴(kuò)展能力。

ENSM可按需動(dòng)態(tài)部署，能很好地實(shí)現(xiàn)服務(wù)可擴(kuò)展的特性，從而能夠提供遞歸的服務(wù)能力。為了以后更好地設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)與推廣使用ENSM，還需要更多的理論分析與論證工作作為堅(jiān)實(shí)地基。下一步的研究工作將對(duì) ENSM 的服務(wù)組合運(yùn)算和 ENSM的性質(zhì)等進(jìn)行理論分析與論證。