基于多層次的虛擬網絡創建技術

摘要：該文分析了基于多層次的虛擬網絡創建技術。該技術對網絡資源和資源管理節點進行分層組織管理，實現所需虛擬網的創建，從而可以統一利用網絡資源并能更集中地提供QoS服務質量。

關鍵詞：虛擬專用網；分層網絡；服務質量保證；可擴展性

中圖分類號：TP393文獻標識碼：A文章編號：1009-3044(2008)34-1571-02

The Technique of Creating Virtual Networks Based on Multi-hierarchy

TENG En-qi

(Department of Computer Science and Technology， Tongji University， Shanghai 201804， China)

Abstract: This paper describes the technique of creating virtual networks based on multi-hierarchy. This technique relies on a hierarchical organization of network resources and their managers， with which it realizes the creation of virtual network we need. This results in uniform utilization of network resources and better collective capabilities to provision QoS.

Key words: VPN; hierarchical networks; QoS; scalability

1 引言

隨著計算機及通信技術的飛速發展，計算機網絡已經滲透到社會經濟的各個領域，人類開始進入了信息社會。互聯網已經發展成為一種必備的基礎設施，廣泛用于科學和企業計算，以及視頻會議等等。通常我們會建立一條高速、穩定、安全的虛擬專用網絡（VPN）來進行上述的科學應用。

虛擬專用網被定義為通過一個公用網絡（通常是因特網）建立一個臨時的、安全的連接，是一條穿過混亂的公用網絡的安全、穩定的隧道。虛擬專用網是對企業內部網的擴展。虛擬專用網可以幫助遠程用戶、公司分支機構、商業伙伴及供應商同公司的內部網建立可信的安全連接，并保證數據的安全傳輸。

但是怎樣建立一個安全、高效并提供QoS保證的廣域虛擬網，仍然面臨著不小的挑戰。同時現在還要求我們必須提供一條具有可擴展性的虛擬網路經，并要使該路徑避免網絡擁塞，這同樣也并不是一件容易的任務，它要求我們優化網絡資源的利用率，并能夠監測到整個網絡范圍內的資源狀態。下面我們就來介紹利用虛擬網分層創建協議，實現可以滿足擴展性和提供QoS路徑要求的虛擬網的創建。

2 相關概念和結構

2.1 網絡的體系結構和相關概念

為了加強所提供的網絡服務的性能，提出了一個兩層的網絡資源管理體系（圖1）。在兩層虛擬網絡的體系結構中，物理節點處于第一層，被組織成多個相互連接的子網。這些子網就稱為域(domain)，即自治系統(AS，Autonomous System)。

在這些域的上一層，我們可以為每一個域架設一個帶寬代理(BB，Bandwidth Broker)，用來管理這些域和域內的物理節點，如帶寬代理1管理域1，帶寬代理2管理域2。帶寬代理收集網絡的拓撲和節點及鏈路狀態信息，管理網絡資源，并且結合策略服務器規定的策略進行接納控制。同時，帶寬管理還負責管理域之間的通信，他們通過與相鄰的域中的帶寬代理進行通信，來實現跨域之間的QoS。我們還可以作進一步的擴展，即鋪設第三層網絡，并在第三層上也架設一些帶寬代理來分別管理第二層中的域。同理，根據網絡的實際大小，可以一直向上做域的劃分和網絡的鋪設，直到某個帶寬代理包含所有的物理節點信息為止。該網絡體系的存在也是本文所要闡述的分層創建虛擬網的前提條件。

2.2 分層網絡的拓撲結構

分層路由通常都用于解決網絡的擴展性問題。圖2顯示了分層網絡的一個例子。

該圖顯示在分層創建虛擬網后得到的一個分層網絡。最終在第一層的所要求節點（黑點所示）之間建立了一個虛擬網（黑色粗線所示）。

虛擬網包括了一組端到端的路徑，每條路徑都連接了一個源端（入口）和目的端（出口），并且每條路徑都有相應的QoS要求。分層結構中第一層虛擬網的物理路徑和高層的各個抽象虛擬網的拓撲結構都是相對應的。一個虛擬網可以有不同的拓撲結構，比如，星型，環行和網狀結構。整個分層結構就是由第一層的虛擬網和高層的抽象虛擬網所構成。抽象虛擬網可以看作分層網絡中高層對其下一層虛擬網的一個抽象，它由高層網絡中的一組抽象路徑所構成。

在圖2中，分為四層網絡，第一層虛擬網絡的拓撲結構為星型，它含有3條主干路徑，中心節點為2.4.2，它和節點4.2.2所組成的路徑在第二層所對應的，就是分別管理他們所在域的帶寬代理2.4和4.2所連接組成的抽象路徑。同理，其他的第一層路徑也分別對應第二層的抽象路徑，而所有這些抽象路徑連接起來，就構成了第二層的抽象虛擬網。

第二層的帶寬代理也根據所需都被分成各個不同的域，每個域也分別都被它第三層的帶寬代理所管理，第三層的這些帶寬代理就構成了該層的所有節點，如圖2所示，他們之間的連通性也是與第二層虛擬網絡相對應的。這個不斷分組帶寬代理成為邏輯域，以及將這些域交由上層帶寬代理管理的過程，一直持續到某個帶寬代理包含我們所要創建虛擬網的所有節點信息為止，即找到根帶寬代理（圖2中的BB*）。BB*也被用于指示該網絡體系的最高層帶寬代理。這樣就形成了一個帶寬代理的分層體系結構，再加上最底層的所有物理節點，便形成了整個網絡的一個物理拓撲結構。

3 虛擬網的分層創建

3.1 分層進行虛擬網的創建

通過協議進行分層虛擬網創建時，先發送創建信息到源節點，然后由源節點向上層父親帶寬代理節點發送一個尋找網絡根節點的信息Find_root，一直到找到最高層帶寬代理為止，然后采用從上往下的方法，一層層的創建對應的虛擬網絡，一直到最底層的所需物理虛擬網絡創建好為止，每一層的帶寬代理都用于規劃和引導下一層的路由計算，計算路由時只考慮被這些帶寬代理所直接管理的下層域，也就是說當第n層帶寬代理計算第n-1層的路由時，只考慮第n-1層中的域，不考慮n-1層以下的域。

現在我們要在圖3中第一層物理節點的基礎上創建一個虛擬網，即在第一層中的7個物理節點（黑點所示）之間創建虛擬網，其中源節點為4.2.2，目的節點為2.2.1和2.3.1。

具體創建過程如圖3所示（實線箭頭表示尋找根節點，虛線箭頭表示通知）。

首先向第一層的一個源節點4.2.2發送一個創建虛擬網的請求信息，這條信息包含了源、目的節點之間的連通性和帶寬要求，即QoS要求。該節點于是向它的父親帶寬代理4.2發送一條Find_root消息，用于尋找最高層帶寬代理節點BB*，這條Find_root消息也包含了所要創建的虛擬網的所有相關節點的信息。父親節點4.2對Find_root消息進行匹配后，發現自己并不包含所有的節點信息，于是它再向其父親帶寬代理節點4發送Find_root信息，按同理進行匹配，不相符則繼續向上傳送，一直到在第4層找到那個包含所有信息的最高層BB*為止，BB*將自己標記為RootBB。

根節點BB*首先根據所有創建虛擬網所需要的底層物理節點信息，識別出它的下層，也就是第三層中所需要的所有帶寬代理節點2和4，并計算出該層的一個抽象虛擬網路徑，根椐這些路徑將節點2和4連接起來構成第三層的抽象虛擬網絡。隨后它向節點2和4發送一個通知信息（虛箭頭），通知節點2和4進行第二層網絡的路由計算。通知信息有2個作用：第一，通知該層的帶寬代理節點檢查他們所管理的下層域的域內資源可用性；第二，通知該層抽象路徑中所有相鄰的2個帶寬代理節點協商由它們所管理的下層域的域間鏈路的資源分配。于是2號節點識別出它所管理的域2的域內帶寬代理節點2.2，2.3，2.4；4號節點識別出它所管理的域4的域內帶寬代理節點4.1，4.2。接著，2號與4號帶寬代理協商出一條域2到域4的域間路由，并根據此路由將2個域相連接。隨后，它們又分別開始通過域內路由算法計算域2和域4的域內路由。最后，將所有的路徑相連接，組成了第二層的抽象虛擬網絡。然后第三層的帶寬代理節點再向第二層的帶寬代理節點發送通知，進行第一層的路由計算。同理，各個帶寬代理節點依次協商出最優的域間和域內路由，并根據路由連接各個節點后便得到了所需要的第一層物理虛擬網絡。

分層創建好后，進行信息的更新操作。每層的帶寬代理節點必須根據新鏈路的利用率信息進行更新操作。第一層的每一個節點都向它的上層父親帶寬代理節點發送一個更新消息，更新各個域的域間和域內的鏈接情況和節點的狀態信息，同理，第二層的這些帶寬代理也向它們的父親帶寬代理節點發送更新消息，只到更新到最高層的BB*為止。BB*更新完之后，將向發起創建虛擬網消息的第一層節點4.2.2發送一個成功創建虛擬網的消息，自此，整個虛擬網絡的創建過程就全部完成了。

以上的創建過程是在最好的情況下進行的，即假定創建沒有任何錯誤，并且具有足夠的可用網絡資源。但是，當發生例外情況時，協議可能會使用一個重路由程序來控制操作。重路由消息會發送到層次結構中的高層節點，從而造成這些節點重新應用虛擬網分層創建算法來計算出新的可用路由。同時，在創建路由選擇上，選擇利用率低的路徑，避免使用利用率高的路徑，不選擇利用率較高的域中的路徑。

3.2 路由算法和協議

在創建過程中，有2種路由計算。其中，使用Dijkstra算法進行域內的QoS路由計算；而域間路由計算則通過帶寬代理之間的協

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商來進行，協商的目的就是為了避免選擇高利用率的域間鏈路。每對相互進行協商的帶寬代理根椐對應的底層結構確定出一條指定鏈路來輸送流量，并保證滿足QoS要求。底層的任務是分配物理網絡資源以計算路徑。我們假設第一層和第二層的帶寬代理之間進行的狀態信息的交換采用的是標準的開放最短路徑優先算法（OSPF），并且假設高層的層與層之間的信息交換也是采用相同的方法。

分層網絡具有2個分層路由協議，私有網間接口協議和分層的分布式路由算法。

私有網間接口協議（ATM PNNI）主要用于擴展大型網絡，它將端到端的路由計算分布于域內的邊界節點，每個邊界節點都具備詳細的域內狀態信息和該域與其他域之間抽象的連通性信息，這使得他們能夠在域內計算出一條路由段，在域外能計算出到任一目的節點的抽象路由，將這些路由連接起來就得到了一條端到端的所需路由。

分層的分布式路由算法（H-DRA）則結合了分布式路由和分層路由的優點。它使用消息泛洪方法來選擇整條所需路徑要經過的域。探測消息只發往事先被選擇好的各個域，從而減少了信息的開銷，這也是分布式的一個特點。由于這個算法沒有集中式路由計算，所以它和PNNI相比，消除了邊界路由器的性能瓶頸，但這些優點也是以增加消息開銷為代價的。H-DRA更適合創建大數據流量的高帶寬路徑。

4 結論

從虛擬網分層創建的過程，我們可以看到它是通過對網絡資源和資源管理節點進行分層組織管理來實現的。虛擬網分層結構可以在它的網絡高層對其整個網絡范圍內的資源進行廣域監控，通過網絡的域和資源之間通過工作流量的負載平衡來實現流量工程，并且增強了整個網絡范圍內的管理策略，這使得網絡資源具有統一的利用率并能更好的提供集中式的QoS。同時該技術也在重新配置和失效恢復等方面提供了更加靈活和動態的管理策略，并可以對網絡資源進行分布式的管理，從而能夠有效的管理所創建的每一個虛擬網絡。與標準的虛擬網絡創建方法相比，虛擬網分層創建的這些優點都是以更多的虛擬網創建時間、更大的通信開銷和信息存儲開銷為代價的。所以它更適合于創建長期使用的高帶寬虛擬網絡，比如ESNet(能源科學網)所要求的虛擬網或者其他的復雜虛擬網。因為對于長時間使用的虛擬網來說，虛擬網分層創建的時間相對于它的生命周期來說是微不足道的。

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