主动网络技术研究综述

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摘要:主动网络是一种新型的网络体系结构。首先介绍了传统网络存在的弊端引入了主动网络技术,对主动网络的体系结构做了分析研究,举例说明了主动网络在动态控制方面的应用,分析了其存在的优势。

关键词:主动网络;主动节点;主动报文;网络体系;主动应用

中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1009-3044(2009)24-6889-03

Research on Active Network Technology

YAO Xiao-yan1, LIU Wei2

(1.Shandong Foreign Trade Vocational College,Qingdao 266100,China;2.Qingdao High-tech Vocational School,Qingdao 266101,China)

Abstract: Active Network is a new type of network architecture. First introduced the existence of the drawbacks of traditional networks,then imported the active network technology .And made ananalysis of the active network architecture. Illustrated the application of dynamic control by some examples.Analyzed Its advantages.

Key words: active network; active node; active message; network system; active application

传统的网络体系,数据是被动地在系统之间传输数据信息的,用户数据的传输对网络是透明的,网络的传输操作与数据内容无关。数据分组中主要包含数据内容和数据分组的目标地址,网络节点只是根据已有的协议对分组头进行处理,简单地转发收到的数据分组,不能增加新的协议,而大部分计算功能都是在终端上完成的,这种网络的作用受到很大的限制,当已有的协议被更新时,就需要更新网络设备。此外,在传统网络中节点的功能是固定的,难以加入新的协议,也就难以增加新的服务类型。所以,随着计算机网络技术和应用的迅猛发展,这种网络体系渐渐难以满足一些新的要求,为了能适应逐渐产生的新功能、新技术,就要求未来的网络体系应是开放的、可编程的、可扩展的。于是提出了从传统网络中报文的存储―转发模型,到报文的存储―计算―转发模型,主动网络应运而生。

1 主动网络简介

主动网络是由美国国防部高级防御研究计划署[1](Defense Advanced Research Projects Agency,DARPA)的研究会于1995年,针对当时网络中存在的几个问题而提出的:

首先,把新的技术和标准引入现有的网络中的困难;

其次,由于几个网络协议层的冗余操作而使网络性能下降;

再次,在已存在的结构模块中加入新服务的困难。

“主动”意味着网络的节点可以进行计算,可以修改数据分组的内容,可以完成更复杂的任务,而且这个处理过程可以根据不同的用户、不同的应用进行定制。主动网络使得用户可以向网络节点注入定制的程序代码,以便修改、存储、重定向网络中的数据流。例如,用户可以向主动网络中的各个节点发送一个病毒扫描程序,并要求网络节点执行这个程序。

2 主动网络体系结构

主动网络是由网络上的主动节点以及一些传统节点构成的可编程网络[4]。在主动网络中传输的数据包被称为主动包或主动报文[2],它不仅能够携带用户的数据信息,还携带一段可执行的程序代码。主动网络中的节点通过执行主动包中的可执行代码实现网络基本结构的动态扩展和配置,同时用户还可通过编程来定制他们所需要的业务,如远程管理网络等。所以主动网络中的节点不仅具有传统网络的存储转发功能还具有计算功能。

主动节点和主动报文是构成主动网络体系结构的主要功能性实体,如图1。

2.1 主动节点

每个主动节点上运行一个节点操作系统(Node OS,Node Operation System)和一个或多个执行环境(EE,Execution Environments),主动应用(AA,Active Applications)在执行环境中运行,如图2。

其中,节点操作系统负责分配和安排节点的资源(链路带宽、CPU周期和存储),每个EE实现了一个虚拟机,解释到达节点的主动分组,不同的执行环境定义不同的虚拟机。用户通过AA从主动网络获得服务,用户应用的各种特定计算处理是 AA 利用 EE 所提供的网络应用编程接口实现的。EE 由主动分组中所包含的可执行代码控制,负责对到达主动节点的主动包进行解释、处理,为用户提供端到端网络的服务接口,人们可以方便地在主动网络体系结构中开发新的技术和协议,而不需要复杂的标准化过程;普通用户也可以通过设计和开发自己的EE 来对网络进行编程,从而可以设置个性化网络。

节点操作系统(Node OS):提供了执行环境所需要的基本功能,管理主动节点的资源(包括带宽、CPU和存储资源),同时为执行环境EE提供了安全保障。节点操作系统有三种资源:通道、线程和缓存,线程和缓存的含义与传统操作系统一样,而创建通道是节点操作系统特有的功能。通道分为主动通道和直通通道,根据用户的数据包,若是主动包则通过主动通道传递到EE去执行,若是普通包则通过直通通道转发出去。可见,节点操作系统将执行环境从资源管理的细节和其他执行环境的行为影响中分离了出来。

执行环境(EE):它是主动节点和核心,作用是管理和执行主动代码,处理主动报文和普通报文。EE定义了一个虚拟机VM和基于主动技术的网络用户可编程接口,提供了最基本的网络功能和资源管理、代码和节点安全机制。

主动应用(AA):由一段移动代码和与主动代码相关的数据、状态参数等组成,通过EE对AA的调用和执行可以实现用户定制的网络服务。

2.2 主动报文

网络上的任何一方都可以开发新的网络服务并使它在网络上广泛使用,开发的第一步就是编写一组新的转发程序,实现所需的功能,该程序被封装在数据包中,这个数据包就是主动报文。主动报文与传统网络数据报文的区别就是主动报文包含可执行代码。为了使主动节点能够识别主动报文,并在收到时确定处理它们的EE,以及能够安全地传递它们,主动报文须采用一定的封装格式。目前,常用的封装格式有两种:主动网络封装协议ANEP和主动IP信包。

DARPA主动网络工作组定义了主动网络封装协议(ANEP,Active Network Encapsulation Protocol),该协议详细描述了主动报文的格式。该格式是一种通用的、可扩展的,适合于各种主动网络执行环境的可互操作的包格式,如图3。

从ANEP报文格式可以看出其主要特点是:寻址方便和错误控制及时。主动节点接收到的数据包可以快速地判定要在哪个执行环境中执行计算,同时当指定EE不存在时,如何处理该包将由ANEP头部信息决定。

主动 IP 信包方法是通过扩展 IP 数据包的选项域来实现主动包,即提供了一种在传统 IP 报文中携带程序代码的机制。主动报文中源地址和目的地址都可以是IP地址。IP选项部分用于网络测试和排错,包含主动类型、长度、代码三部分,主动类型有四种(00:数据报控制; 01:保留; 10:排错和管理; 11:保留)。版本号表示主动网络的版本,它决定了其余字段的定义。类型字段识别一个相关的转发程序,以及相关的代码组和协议。前地址用于表示一个先前经过的网络结点的地址,用于在网络中传递主动代码。其他字段的数量和长度都取决于主动报文的类型。主动报文的载荷中包含高层信息,对网络内部是透明的。

主动IP信包的主要优点在于与传统的数据包是完全兼容的,就是在传统数据包中携带一定的程序代码,这对于主动网络与传统网路兼容非常有利。

3 主动网络的应用

Internet的新型服务项目包括远程教学、电子商务、IP电话和各种娱乐广播等。人们很难预料今后在Internet上还会出现什么样的新型服务项目,因而很难将目前的网络优化成支持未来的网络服务。而当新的服务项目出现时,它应当能够利用现有的网络资源。所以网络资源应当是逐步更新的,兼容传统的服务,同时支持新型服务。

主动网络的应用主要表现在它的动态控制功能方面,这使得当前许多受网络条件限制的应用性能得到大幅度提高。下面介绍几种主动网络的典型应用。

3.1 Web-caching

Web提供用户透明的服务并对Web页面进行缓存。主动网的Web能够对大量的Web页面进行动态计算,而不仅仅是进行被动地缓存,这使得Web能够进行主动缓存,存储并执行生成页面的程序。

Web-caching是一种能使web流量增长,同时又避免使网络产生阻塞的行为,它能够大大减少网络负载。在Web缓存方面,进一步研究热点是网络上各个缓存之间的信息共享。一个核心问题是:如何通过搜索缓存来定位文档的一个副本,以及如何将文档传输到缓存中,使其适合于未来的访问。一种直接而有效的方法是把网络查询的路由与缓存行为结合起来。在将一个查询从客户端传递到服务器时,首先查询附近的缓存,当文档从服务器传输到客户端时,同时也放入缓存。这样就可以避免文档的重复传输。

3.2 主动可靠的组播

在 TCP/IP 协议中,IP 层不保证数据的可靠性,这使多播通信遇到了很多问题,如反馈风暴等。在主动网络中,主动节点能及时处理流经它的反馈包,保存发送者的信息,当同样的包经过时,节点将直接丢弃它,从而减少反馈风暴的发生;每个网络节点可以与邻近节点建立联系,当一个网络节点收到的数据有问题时,它可以从邻近节点获取正确数据,而不用要求发送端重传,减少了延迟;此外可以在主动包中包含处理可靠性的程序,发送者、接收者和主动节点通过执行这些程序,实现可靠处理工作。

主动可靠的组播要求对每一个组播的数据分组进行握手应答,其在组播树中嵌入主动路由器,这些路由器在处理分组的丢失和恢复方面与传统路由器不同,他可以利用自己的计算和存储能力提高组播的性能。这种丢失恢复处理功能的主要特点是使用双重的NACK过滤,使用尽力而为的组播数据缓存以备恢复时重传,以及在重传过程中使用局部组播以减少数据重传所需的带宽。这种组播方式不要求每个结点是主动的,在丢失恢复过程中没有“必须”存在的路由器,所以它是一个健壮的可扩展系统,可以减少恢复数据所需的网络带宽。

3.3 主动拥塞控制

传统的网络拥塞控制中,拥塞的检测和控制是在端到端的基础上由源端通过各种隐含信号推测出来并进行控制的,而不是由发生拥塞的网络节点及时和主动的进行的。这不但延缓了对网络拥塞的检测和控制,还有可能造成更严重的网络拥塞。

主动拥塞控制(ACC,Active Congestion Control)将网络中的拥塞控制算法分布到各个结点,使其能够对拥塞现象做出立即反应。在一般的网络中,结点可以停止向发生拥塞得结点发出分组以避免冲突。主动网络的可编程性使得网络中可以实现各种不同的拥塞信息反馈控制算法。例如,在视频信息传输中,主动网络可以根据网络拥塞的情况来决定数据压缩的比例。

在主动网络中,拥塞可以在路由器结点中进行检测并做出反应,而不需要在终点做出反应。路由器可以立即对已经进入网络的分组采取措施比如数据压缩,这样可以消除反馈的时间延迟,使网络系统的稳定性得到提高。主动节点能够监控可用带宽,控制数据流的传输率,必要时在主动节点缓存报文解决拥塞问题。

4 主动网络的优势

主动网络的发展源于在网络中引入了可编程性,从而增强了网络结构的灵活性。这种灵活性使得用户可以通过向网络插入程序来对网络编程,因此主动网络能快速升级网络服务和部署原来不可能的服务在传统的存储转发网络中,路由器检查包的目的地址,根据路由表把它转发到目的地。在主动网络系统中,路由器可能执行支持某种应用的插入程序。

主动网络是采用基于“存储-计算-转发”的网络传输模式,它改变了传统网络的体系结构,其优势主要表现在:

1) 可编程性:主动网络的最大特色就是可编程性。主动网络的报文、服务等可以用一种或多种语言描述,其功能远比传统网络“存储-转发”的功能强,用户通过构建封装在主动包中的程序代码对网络进行编程。

2) 可移动性:主动网络能够传送携带程序代码的主动包,主动包能在不同的平台间移动,流经的主动节点可以获取主动包中的代码并执行。

3) 可扩展性:主动网络具有灵活扩展功能的能力,因为它的网络节点是可编程的,所以用户或服务开发商、服务供应商等可以很容易将服务代码注入到网络节点中,对其功能进行扩展。这样一来加速了网络革新的步伐,从传统的面向供应商驱动的网络服务向面向用户驱动的网络服务转变。

5 小结

互联网的蓬勃发展产生了许多新的网络服务要求,网络应用是不断变化的,这就要求能够在现有网络中方便地增加新的网络服务和协议,并且要求能够根据需要定制这些服务而不需要通过漫长的标准化过程。现有的IP网络不能真正实现某种应用的可定制性,这种可定制性的缺乏和难于变化的特性推动了主动网络的研究和发展。

为了使主动网络成为一种实用的网络体系结构,对主动网络各个方面,例如体系结构、应用问题、安全方面还需进一步加强研究。

参考文献:

[1] David L.Tennenhouse and David J.Wetherall, Towards an Active Network Architecture, Computer Communication Review,Vol.26, No.2, April 1996.

[2] Calvert K L, Bhatmcharjee, Directions in Active Networks[J], IEEECommunication Magazine, 1998,36(1),72-78.

[3] 邱航,主动网络技术研究[J].计算机应用,2003,23(8):93-96.

[4] 任丰源,任勇,山秀明.主动网络的研究与进展[J].软件学报,2001,12(11):1614-1622.

[5] 邹显春,张伟群.一种主动网络管理系统结构的分析与研究[J].计算机科学,2006,33(10):58-60.