新互聯網體系下的普適服務機理及關鍵技術

摘要：隨著網絡用戶的增加，以及人們對網絡需求的個性化和多樣化，互聯網的原始設計架構已經無法滿足這種發展趨勢，暴露了很多缺陷和不足，例如：各種服務不斷涌現，端口號作為區分服務的機制存在不靈活、不安全等弊端；網絡資源與服務之間存在著密切的聯系，然而互聯網沒有很好地利用這一聯系，需要同時維護資源和服務兩套處理系統，浪費了用戶的上網時間，也增加了網絡資源的消耗；互聯網服務分級粒度不精細，無法體現用戶的個性化和多樣化需求，必須對其服務重新區分等級。針對以上問題，文章給出新互聯網體系下的普適服務機理及關鍵技術，重點闡述新互聯網體系下個性化、多樣化用戶服務的定義、分類和標識的設計。該設計能統一標識和處理各種網絡服務，深度挖掘服務和資源之間的聯系，并根據用戶的需要提供個性化、多樣化的服務。

關鍵詞：新互聯網；普適服務；服務標識；服務質量

Abstract: With more and more users and their individual and diverse demands for network， the Internet’s original design can not satisfy this trend. Many defects and shortcomings come up; the mechanism of using ports to distinguish services is not convenient and secure due to the rush of different services. There is a close relationship between data and service， but the Internet does not make use of this relationship well， leading to a waste of users’ time and network resources. The classification of network service is not accurate， not satisfying users’ individual and diverse demands. To solve these problems， the theory and key technologies of pervasive services based on the new generation Internet are suggested. A new definition， classification and identification of network services， which satisfies individual and diversified need， are also given. This new design can universally identify and process different kinds of network services， deeply dig the relationship between service and data， and provide users with individualized and diversified services.

Key words: new generation Internet; pervasive service; service identity; QoS

基金項目：國家重點基礎研究發展規劃項目(“973”計劃)(2007CB307100、2007CB307106)；教育部高等學校科技創新工程重大項目培育資金(706005)

隨著信息社會的發展，互聯網已經成為人們日常生活的一部分，取得了巨大的成功。然而由于其原始設計的限制，逐漸地開始無法滿足人們日益增長的個性化、多樣化的服務需求，互聯網在架構上迫切需要一場改變。

首先，當前互聯網沒有充分利用服務和資源的聯系。資源的獲取和服務的接入是當前互聯網最主要的兩種應用，幾乎所有的網絡活動都需要兩者的支持。但是在當前的互聯網架構之下，資源和服務并沒有統一的描述和處理機制；另一方面，互聯網中資源和服務之間又確實存在著很多必然聯系，它們并不是單獨存在的。如能更好地發掘出兩者之間的聯系，將為用戶提供更便利、一體的服務與資源處理機制，同時也減少了服務和資源兩套處理系統帶來的網絡資源浪費。然而，互聯網在這方面的研究和實現卻非常有限。

其次，互聯網缺乏對各種應用服務的統一描述，這一設計缺陷迫使一個簡單概念“端口號”脫離其原始用途而承擔了過多的功能[1]。端口號最初設計僅僅用來區分不同的數據流，但是隨著互聯網的飛速發展，各種服務不斷涌現，人們需要一個能夠描述不同服務的標識，于是端口號被賦予了第二重功能——標識互聯網服務。然而，端口號最初設計的無意義性與有意義的區分服務之間存在矛盾[2]：第一，端口號必須通過一一映射來完成對服務的標識；第二，針對端口號的攻擊成為網絡防范的重點；第三，運營商可以通過端口號限制應用[3]，扼殺了互聯網開放、靈活的特點。

另外，服務方式的不統一給互聯網資源和用戶帶來了極大的浪費。隨著信息網絡技術的飛速發展及人們對通信需求的日益增長，網絡服務更是如雨后春筍般不斷涌現。縱觀各種類型的服務，可以看出服務之間存在著實現方式不同、服務類型不同、服務面向終端不同等問題，導致網絡服務的兼容性差、可擴展性差、難于統一控制管理，造成了基礎設施的重復建設和資源的巨大浪費。

最后，當前互聯網的服務等級區分不夠精細。在當今的互聯網中，用戶對互聯網服務的要求越來越高，不同用戶對服務的要求是不一樣的，服務分等級成了新一代網絡的主要特點之一，不同的服務請求要通過不同的服務質量(QoS)等級來實現。

綜上所述，必須研究支持普適服務的新互聯網體系，以解決這些問題。文獻[4]給出了一種新的網絡體系——“一體化網絡與普適服務”，文獻[5]對這種網絡體系下的普適服務進行定義和描述，設計了圖1所示一體化網絡與普適服務的“服務層”總體模型。新模型引入虛擬服務模塊和虛擬連接模塊，以及服務標識解析映射和連接標識解析映射。虛擬服務模塊是實現普適服務的基礎，用于解決統一的服務對象調度，提供服務的可控可管，為支持多種服務提供可能；虛擬連接模塊引入連接標識，實現服務層對移動性和安全性的較好支持，以及適合語音、視頻等實時網絡應用的新傳輸協議。

本文則在文獻[5]的基礎上，進一步研究新互聯網體系下的普適服務機理與關鍵技術，重點闡述“服務層”中虛擬服務模塊的原理、機理與具體技術。虛擬服務模塊是實現普適服務的基礎，深度挖掘網絡服務和數據的聯系，定義服務標識，統一標識和處理各種網絡服務，并引入服務標識“支持QoS”的設計理念，實現用戶服務的個性化和多樣化。

1 服務和資源統一描述

要對互聯網的服務進行標識，首先要研究互聯網服務的特點，對互聯網上的用戶服務進行定義和分類。在互聯網中，資源分為數據和服務兩類。數據的獲得和服務的接入已成為當前互聯網的最主要的應用[6]。未來的互聯網將以數據為中心，服務是獲取數據的方式。隨著互聯網的發展和用戶需求的不斷提高，資源和服務的方式也如雨后春筍般不斷涌現。但是，數據和服務并不是單獨存在，它們之間存在千絲萬縷的聯系，比如人們要查找背景音樂Hotel California，對應于數據Hotel California，人們可能想得到不同的服務，比如通過ftp下載音樂，在線點播音樂，網上購買帶有該音樂的CD，當前的互聯網的資源發現機制僅局限于關鍵字匹配，并不關注資源和數據之間的關系。在一體化網絡服務體系中，本文將創新性地深度挖掘數據和服務之間的關系，將用戶服務的定義和分類與數據本身緊密聯系起來。

一體化服務體系的服務將創建服務本體[7-8]，建立數據、服務、數據屬性和服務屬性的聯系，將現有的網絡服務分成交互和非交互的兩大類，如圖2所示。交互的服務是指用戶與人之間的交互，例如VoIP和聊天服務；非交互的服務是指用戶與服務器之間的交互。交互型服務又可以根據交互內容的不同來進行劃分，包括即時消息、文件、語音、視頻等幾類。非交互型的服務可以以服務器的類型來劃分子類，包括http、ftp、mail等幾類，這些子類隨著互聯網的發展不斷擴充。

用戶服務的定義與分類的流程分4個步驟。

步驟1：定義本體類的層次。

●定義網絡服務和資源的父類，包括互聯網所有資源的父類network_data，互聯網所有服務的父類network_service和代表QoS的父類network_service_QoS。

●定義network_data的子類。包括video， voice， file， message等幾類，并且增加為服務做索引的類service_index。

●定義network_service的子類。根據服務的交互與非交互的特點先將服務劃分為兩大類，interactive和noninteractive。

●定義network_service_QoS的子類。預先定義一個具有代表性的transmission_speed。

●定義network_service下interactive的子類。對于交互型服務而言，根據客戶之間交互服務的內容來劃分。其子類包括：inter_video， inter_instant_message， inter_file， inter_voice等幾類。

●定義network_service下noninteractive的子類。對于非交互型服務而言，根據客戶與什么類型的服務器進行交互來劃分類別。其子類包括：noninter_http， noninter_mail， noninter_ftp等幾類。

●可以根據noninter_http的特點將其子類定義為：noninter_http_video， noninter_http_voice， noninter_http_webservice等幾類。

●可以根據network_data下video的特點將其子類定義為：video_section， movie， mv， trans_video等幾類。

步驟2：定義本體的屬性。

●定義屬性via， via屬性用來表示數據通過哪種服務方式進行提供。其定義域是是network_data，其值域是network_service。

●定義其他屬性，根據服務的特性添加has_QoS_speed屬性，用來表示服務的傳輸速率的等級。其定義域是network_service，其值域是transmission_speed。

●定義其他需要的對象屬性和數據類型屬性。

步驟3：用戶向注冊中心注冊其能提供的數據和服務。

步驟4：用戶端對網絡資源進行查詢。

●典型的方式是通過資源的名稱來查找。

●當用戶并不知道資源的名稱時，可通過資源的屬性來查找資源。

●當用戶希望得到某種特定的服務質量時，可以由服務的has_QoS_speed屬性值的等級來查詢。

●在推理機中添加推理規則，通過一系列的邏輯和證明來完成推理過程。

●通過本體合并來實現更加復雜的推理。

通過服務和資源的屬性，建立服務和資源的緊密聯系，統一描述網絡服務和資源。當用戶查詢某種服務時，不再僅僅基于關鍵字進行搜索，服務和資源的統一描述機制將提供給用戶與其檢索內容相關的高使用頻率的服務信息，實現用戶的服務的方便化、語義化和智能化。

2 服務標識設計

網絡服務和資源的統一描述是服務標識的基礎，服務標識的設計是“一體化網絡與普適服務”，新網絡平臺實現服務的統一描述和為不同用戶提供不同QoS等級的核心。

2.1 服務標識設計原理

一體化網絡和普適服務的設計核心是支持不同類型的服務，因此服務之間的QoS[9-11]區分非常重要；另一方面，服務層最核心的工作是為網絡用戶提供友好、可用的服務，如何從復雜的網絡服務參數中提取出用戶最關心的、可以理解的接口參數是設計的核心，其可用性和鮮明的特色對服務層的設計非常重要。為此，新網絡使用“用戶可感知QoS”和“支持QoS傳遞的服務標識”兩個設計，如圖3所示，網絡層為服務層提供的QoS支持包括用戶感知QoS和服務本身QoS，而最終的QoS需要體現在服務標識中，并由服務標識傳遞到下層。

圖4是圖3的實例化映射關系圖，對各層需要的QoS支持進行實例化，服務標識的具體設計將以實現這些實例為目標。

2.2 服務標識設計依據

為了給出服務標識的精確定義，首先需要研究一體化網絡中服務標識的作用以及工作機制，這是服務標識設計的重要依據。

在虛擬服務模塊和虛擬連接模塊的基礎上，可歸納出圖5所示“服務層”基本工作原理，圖6為對應時序圖，并加入了移動環境下連接標識的作用，完整工作描述分4個階段：

(1)階段一：服務的注冊

用于服務注冊的主要結構可抽象為三元信息組(接入標識、服務標識、服務描述)。接入標識為一體化網絡“網通層”概念，是通信終端位置的標識；服務標識是通信終端的服務描述，用于建立服務連接；服務描述是面向用戶友好的服務描述，體現用戶對服務的偏好。提供服務的服務器向服務統一處理器提交相應的三元信息組完成服務注冊。

(2)階段二：服務的發現

服務發現包括：用戶向服務統一處理器提交所需服務描述；服務統一處理器從已注冊的服務中獲取相應三元信息；統一處理器將三元信息中的二元(接入標識，服務標識)返回給用戶。

(3)階段三：服務的建立

服務建立包括：服務提供方使用自己注冊的服務標識進行連接偵聽；服務獲取方使用相應的服務連接標識與服務提供方建立服務連接。

(4)階段四：服務的維持

服務維持主要是服務建立后，通信雙方對分組交換數據包的流整合。傳統互聯網在服務建立和服務維持階段都使用IP地址和端口號組成的接口，一體化網絡中引入連接標識，用于對數據包進行流區分，同時解決由于移動造成IP地址變化而使服務中斷的問題。

上述設計的主要創新點：引入第三方服務統一處理器，服務提供方可以隨時改變服務標識，只需重新注冊即可，克服了知名端口號的不足；引入本地獨立的隨機數連接標識，將服務連接與服務維持區分開；連接標識與主機身份分離，解決移動環境下服務連續性問題。

服務標識主要用于服務的注冊和連接。具體可分為服務統一處理器端、服務器端和客戶端3種情況分析。對于服務器端，主要使用該服務標識進行服務的偵聽，等待希望獲得該項服務的客戶端接入。該標識由服務器端生成，服務器根據服務對QoS的需求產生服務標識。

服務統一處理器端需要維護服務器注冊的三元組信息，其中包括服務標識，該服務標識的形式與服務器端使用的服務標識一致。

客戶端的情況較為復雜，客戶端從服務統一處理器上獲得的服務標識僅體現了服務本身對QoS的需求，同時客戶本身對QoS有一些簡單的、容易感知的請求。因此，客戶端需要對從服務統一處理器上獲得的服務標識進行處理，將服務本身對QoS的需求和客戶對QoS可感知的需求進行綜合，傳遞給下層以提供QoS支持。為了敘述方便，本文將這兩種服務標識分別稱為：服務器端服務標識和客戶端服務標識，其關系如圖7所示。

2.3 客戶端服務標識生成過程

客戶端服務標識由服務器端服務標識和用戶需求共同決定，以下敘述其生成過程。

新網絡使用“用戶可感知QoS”和“支持QoS傳遞的服務標識”兩個設計，如圖3所示，網絡層為服務層提供的QoS支持包括用戶感知QoS和服務本身QoS兩種，而最終的QoS需要體現在服務標識中，并由服務標識傳遞到下層。

3 服務標識QoS模型

下一代互聯網即一體化網絡中的服務與現有互聯網中的服務之間存在著很大的差異，原因是前者的服務具有服務質量(QoS)等級。一體化網絡的一個顯著特點就是不同的服務擁有不同的QoS等級，最終實現用戶服務的個性化和多樣化。

與現有互聯網平臺相比，“一體化網絡與普適服務”新網絡平臺最大優點就是根據不同的用戶請求提供不同的服務等級，并最終實現用戶服務的個性化和多樣化。

本文給出了service profile模型，如圖8所示，可實現服務標識設計中的服務等級理念。

在service profile模型中，從網絡的角度出發，本文對QoS定義以下幾種屬性：時延、可靠性、QoS譜、可擴展性和容量。

時延表示從提交服務請求到請求被處理之間的時間間隔。它分為3個等級：

●時延≤5 s (適用于交互式服務)

●5 s<時延≤60 s (適用于反映式服務)

●時延>60 s (適用于對延時不敏感的服務)

可靠性表示服務在給定時間內，給定條件下完成其功能的能力。根據閾值τ，可以將可靠性分為3類：

●可靠性遠小于τ

●可靠性近似于τ

●可靠性遠大于τ

QoS譜包括加速轉發，保證轉發和盡力而為轉發。

可擴展性表示服務在給定時間內處理操作的數目。

容量表示服務可以同時處理的請求的數目。

以上屬性均是從網絡的角度進行定義的，對于用戶來說，很難理解或使用這些屬性。因此，表1給出從網絡角度到用戶角度的映射關系，這種映射提供了從用戶查詢到網絡供給的映射關系。

service profile模型將QoS區分為請求方QoS和提供方QoS，前者是用戶對服務等級要求的描述，后者則是網絡中從服務提供方獲得的QoS描述信息。

提供方QoS有3種數據類型屬性：時延、可靠性和QoS譜。時延和可靠性的屬性值分別為時延大小和可靠度；QoS譜的屬性值為：加速轉發、保證轉發和盡力而為轉發。

請求方QoS也有3種數據類型屬性：連接性、可靠性和可信性。連接性的屬性值為優、良和差；可靠性和可信性的屬性值為高、中和低。如圖8所示，service profile提供了一種區分QoS等級的有效模型，為實現用戶服務的個性化和多樣化提供了基礎。

4 結束語

當前互聯網飛速發展，服務類型不斷涌現，端口號臨時性、偶然性地作為了區分服務的標識，帶來諸如安全性、應用限制等的種種弊端。“一體化網絡與普適服務”這種全新的網絡體系，有效地解決了互聯網上的普適服務問題。本文著重對普適服務的機理和關鍵技術做了介紹和描述，對互聯網上的各種服務進行統一標識，創建了服務標識的概念，并對服務標識進行服務端服務標識和客戶端服務標識的區分，為不同的用戶提供不同的服務質量，模型service profile驗證了引入支持QoS的服務標識的可行性。

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收稿日期：2007-11-15

作者簡介

張宏科，北京交通大學電子與信息工程學院教授，博士生導師。近年來，承擔多項國家高技術研究發展計劃資助項目(“863”計劃)、國家自然科學基金項目、國家攻關項目等國家級科研項目，取得了一系列重要的科研成果。目前主要從事下一代信息網絡關鍵理論與技術的研究工作，作為首席科學家主持國家重點基礎研究發展規劃項目(“973”計劃)“一體化網絡與普適服務體系基礎研究”的研究工作。

楊冬，北京交通大學電子與信息工程學院在讀博士研究生。主要研究方向為網絡體系結構、路由及網絡安全技術。目前作為主要成員參與國家重點基礎研究發展規劃項目(“973”計劃) “一體化網絡與普適服務體系基礎研究”項目的研究。

董平，北京交通大學電子與信息工程學院在讀博士研究生。主要研究方向為新一代網絡體系結構，交換路由理論及組播技術。目前作為主要成員參與國家重點基礎研究發展規劃項目(“973”計劃)“一體化可信網絡與普適服務體系基礎研究”項目的研究。