多網絡互聯中服務發現模型的研究

摘要:隨著通信技術的發展，誕生了許多新型的網絡類型，這些不同類型的網絡將來必將互聯在一起從而實現服務與資源的共享，將服務發現技術應用于多網絡互聯場景中，能夠實現資源與服務的自動配置與共享。然而傳統的集中式與分布式服務發現模型不適用于多網絡互聯的場景，在傳統模型的基礎上，新的混合服務發現模型能夠很好地適應多網絡互聯的需求。

關鍵詞:服務發現;OMNET;JINI;SLP;UPnP

中圖分類號:G301文獻標識碼:A文章編號:1009-3044(2010)01-26-03

Service Discovery Model for Multi-Networks

SHEN Yong

(Southeast University， Nanjing 210003， China)

Abstract: The recent technological developments in communication networks have results into a broad range of networks. These networks are to be connected with each other to share services and resources. In order to realize automatic configuration and discovery of service， it is very important to apply service discovery technologies in multi-networks scenarios. However， traditional centralized and distributed service discovery models are not suitable for these scenarios. New hybrid service discovery model which is developed from traditional models can meet the requirements.

Key words: service discovery; OMNET; JINI; SLP; UPnP

1 概述

1.1 服務發現技術

服務發現技術(Service Discovery[1])是隨著電子技術的不斷發展而產生的，越來越多的電子移動設備出現在人們的生活——手機，移動個人助理(PDA)，筆記本電腦，數字播放器(MP3)等等。并且這種增長趨勢愈演愈烈，擁有如此多的移動計算設備，人們面臨著如何自動并有效管理如此多的移動設備的難題，例如，如何使這些設備之間相互通信及共享數據，如何使用這些設備連接到外部網絡以獲取所需的服務，如何讓我們自己所擁有的服務能夠被他人知道并共享使用。服務發現技術就是用來解決這些難題的。一方面，通過服務發現，設備能夠自動發現服務提供商，并配置與其的連接和通信以獲得相關的服務;另一方面，設備能夠把自己提供的服務廣播給其他設備，能夠讓其他設備調用它提供的服務。在過去幾年中，很多商業和研究機構都提出了各自的服務發現技術，例如SUN公司的JINI技術，微軟的UPnP技術，IETF的SLP技術，這些技術在各自的應用范圍內都取得了不錯的效果，極大地便利了移動設備的管理和服務與資源的共享。

1.1.1 SLP

服務定位協議(Service Location Protocol [2])是由IETF的SvrLoc工作組開發的，是一種獨立于特定廠商的標準，SLP已經成功推出了兩個版本。SLPv1已經成功地運用于商業軟件中，例如惠普的JetSend技術，支持打印機，數碼相機，掃描儀，PDA等設備的自動發現和配置。SLPv2進一步完善了SLPv1，應用前景更加廣泛，已經被Solaris 8和惠普的Web JetAdmin所使用。

1.1.2 JINI

Jini[3]是由SUN Microsystems公司在1999年推出，它沿用了Java設計思想，用JAVA對象來抽象系統中的設備和服務，建立一個具有可擴展性的面向服務的分布式體系結構。Jini使各種設備可以非常簡單地連接到任意無準備的網絡上，從而簡化接入的新的網絡服務的過程。

1.1.3 UPnP

通用即插即用協議(UPnP[4])是由微軟公司領導的工業聯盟(www.upnp.org)開發的。UPnP是一種建立在TCP/IP和HTTP技術至上的分布式，開放的網絡結構，可在聯網的設備間傳遞控制和數據，目標是使具有網絡功能的設備彼此之間可以自動連接及協同工作，具有設備驅動程序無關性和零配置聯網的優點。UPnP不依賴于特定的操作系統，編程語言或物理媒體，適用于有線網或無線網，微軟的Windows系列產品已經加入了\"UPnP\"功能，可以自動檢測并配置新接入網絡的支持UPnP的設備。Intel，ARESCOM，Buffalo Technologies， D-Link Systems， Linksys Group和NetGear等各大廠商所開發的支持UPnP的路由器，網絡攝像機，網絡打印機等產品也相繼問世。用戶將新買回的支持UPnP的打印機聯入局域網后，局域網上的其他用戶就可以檢測到該打印機并且自動設置為可以使用。

1.2 多網絡互聯服務發現

隨著通訊技術的快速發展，各式各樣的網絡種類不斷涌現——WIFI，移動自組織網絡，3G和其他蜂窩網絡，無線傳感器網絡，藍牙網絡等等。在這些通訊網絡中，又有許多服務供應商提供不同的服務，例如蜂窩網絡提供的語音服務，傳感器網絡提供的溫度監控測量服務，移動自組織網絡提供的安全警報服務。現有的服務發現技術能夠很好的解決單種類型網絡中的資源與服務的共享，但是還沒有一種服務發現技術能夠實現多網絡互聯的服務發現。我們可以預計，在不遠的將來，這些形形色色的網絡必將完全互聯在一起，帶來服務與資源的大范圍共享，極大地提高各種服務和資源的利用率，因此，多網絡互聯中的服務發現技術有很大的應用前景。

2 多網絡互聯的服務發現模型

2.1 問題描述

隨著現代通信技術的迅猛發展，誕生了各式各樣的網絡，例如WIFI，移動自組織網絡(MANET)，3G和其他蜂窩網絡，無線傳感器網絡，藍牙網絡等等，這些不同的網絡提供各式各樣不同的服務與資源。在單個網絡中，可以應用現有的商業版本的服務發現技術完成服務的自動配置與發現。但是，目前還沒有一種適當的服務發現框架適用于橫跨網絡的服務發現。圖1展現的就是多網絡互聯共享場景，三種不同類型的通信網絡通過網關連接到充當網絡基礎設施的WIFI網絡中，其中選取網絡穩定，并且傳輸距離長的WIFI網絡作為網絡基礎設施層，其它的通信子網，通過協作網關連接到穩定的網絡基礎設施層，從而實現了各種不同類型通信網絡的互聯。在如此場景中，現有的服務發現技術只能配置單個網絡，不能完成跨多網絡的服務與設備的自動配置與共享，必須研究出新的服務發現模型，來實現多網絡互聯的服務發現技術。

多網絡互聯中的服務發現技術模型的基本需求如下:

① 相互協作性:用戶能夠橫跨各個通信子網發現其所需的服務，各個通信子網協作完成服務與資源共享。

② 魯棒性:由于多個網絡總體節點數目巨大，必須避免單個服務器損壞引起的整個服務發現系統的癱瘓。

③ 可伸展性:隨著通信網絡的不斷發展，網絡類型會不斷增多，網絡中節點數目會不斷增長，服務發現系統必須具備可伸展性來應對這種變化。

2.2 現有服務發現模型

對現有若干種服務發現協議的歸納總結，將其分為“集中型”與“分布型”兩種模型。在服務發現協議中存在三類主體，分別是:

用戶——服務請求的發起者。

服務提供商——服務的提供者。

目錄服務器——向客戶提供目錄服務，向服務提供商提供注冊服務。

集中型服務發現模型:在網絡中有一個目錄服務器維護整個網絡的服務信息。目錄服務期定期向整個網絡廣播其存在，服務提供商收到廣播以后，把自己所提供的服務通過單播注冊到目錄服務器，當用戶需要服務時，向目錄服務器單播服務要求信息，目錄服務器查找注冊的服務，并返回查找結果給用戶。SUN公司的JINI就采用了集中型服務發現模型，SLP也包含了集中型版本。

分布型服務發現模型:網絡中沒有目錄服務器，分為兩種分布式模型，第一種是主動式，第二種是被動式，在主動式服務發現模型中，用戶需要服務時向整個網絡廣播服務要求消息，服務提供商監聽網絡，如果能匹配服務要求，就單播服務回復消息給客戶。在被動式服務發現模型中，服務提供商定期向網絡廣播服務信息，用戶收到服務信息，如果需要該服務，則向服務提供商單播服務要求消息。最典型的分布型模型的便是SLP的分布型版本。

集中型服務發現模型，由于用戶及服務提供商對目錄服務器都采用單播的通訊方式，系統中的通信量相對較少，適合于節點較多的網絡，并且具有良好的可伸展性，缺點是一旦目錄服務器不能工作，整個系統也就癱瘓，系統缺乏魯棒性。

分布型服務發現模型，由于不需要中央目錄服務器，單個節點的損壞并不影響整個系統的正常運行，系統有較好的魯棒性，但是，由于用戶與服務提供商之間采用廣播的通訊方式，所以隨著節點數目的增長，通訊量呈指數級別增長，不適用于節點較多的網絡。

兩種協議框架有各自的局限，都不能直接應用到我們所提出的跨網絡服務發現之中;也有一些關于新型服務發現模型的論文，提出了Konark[5]，DEAPspace[6]，GLOSERV[7]等，但都不能適用于跨網絡的服務發現。需要在這些模型研究的基礎上，結合跨網絡服務發現的特定需求，研究出新的服務發現模型。

2.3 新型混合型服務發現模型

2.3.1 概述

結合傳統的兩種服務發現框架以及跨網絡服務發現應用的特點，可以將網絡劃分為“網絡頂層”與“通信子網”兩層。初期，由于互聯到網絡基礎設施層的通信子網數目較少，網絡基礎設施層的結點數目較少，網絡基礎設施層即可作為“網絡頂層”;隨著子網數量的增多，網絡基礎設施層的結點數目也會增長，當結點數目增長到一定數量時，分布式服務發現框架就不適用了，此時我們可以將網絡基礎設施層劃分為若干塊區域，在每個區域中設置一個網關用于和其他區域的網關通信。每個區域就類似于之前的“通信子網”，而新增加的網關組成了新的“網絡頂層”。這種“通信子網”—“網絡頂層”的模式是一種層次狀的模型結構，具有很好的伸展性。采用新型的混合服務發現模型，在節點較少的網絡頂層采用分布式服務發現模型，在網絡節點較多的各種類型通信子網中采用集中式服務發現模型，并通過設計協作網關來實現兩種不同服務發現模型的融合。

2.3.2 網絡頂層

在網絡頂層中應用分布式服務發現模型，由于不需要中央目錄服務器，所以單個節點的損壞并不影響整個系統的工作，給系統提供了魯棒性。同時由于節點數目較少，服務發現的延遲和網絡通信量也相對較少。

2.3.3 通信子網

在通信子網中，節點數量往往比較巨大，采用集中式模型，引入中央目錄服務器，能夠使服務發現性能不會隨著節點數目的增長而產生巨大的變化，為系統提供了可伸展性。

2.3.4 協作網關

各個通信子網的相互協作是通過協作網關達成的，通信子網通過協作網關連接到網絡基礎設施層，由于在通信子網以及網絡頂層采用不同的服務發現框架，為各個通信子網提供相互協作性就是通過協作網關的設計，轉換兩種不同的服務發現協議框架。傳統的集中式及分布式框架都已成型，所以在選定好服務發現整體框架后，重點就是在協作網關的設計上。

2.3.5 具體方案

分布式與集中式服務發現框架，在現有的服務發現協議中，已經有完備的框架體系。接下來的重點是通過協議網關來融合這兩種不同的框架。由于在協議網關兩側是不同的框架體系，而兩種不同框架體系的消息處理流程截然不同，簡單地在協議網關上并行運行不同的服務框架并不能融合兩種框架。所以必須結合兩種框架的基本思想來設計協議網關，根據面對的不同用戶和服務提供商，協議網關必須有不同的接口。具體來說，有四個接口，分別對應于通信子網的用戶，服務提供商以及網絡基礎設施層的用戶，服務提供商。協作網關在通信子網中扮演著目錄服務器的角色，這要求它維護一個服務信息目錄，并且處理來自于通信子網的用戶的服務要求和 服務提供商的服務注冊;同時，它在網絡基礎設施層又同時扮演著用戶和服務提供商的角色，作為用戶，它要把它所屬通信子網中的不能匹配的服務要求消息轉發到網絡設施層，作為服務提供商，它要監聽網絡基礎設施層的服務要求消息，并返回匹配的服務信息給相關用戶。結合不同的消息類型和來源，協議網關采用不同的處理流程，把來自于協議網關兩端的用戶和服務提供商聯系起來，以便能達到不同網絡間的資源和服務共享。協作網關維護了一個本地目錄用于提供所屬通信子網的目錄服務，還有一個外部快存用于存儲在網絡頂層中的歷史服務發現記錄以提高服務發現性能。圖2就是協作網關的基本框架。

2.4 性能評測

對于這種混合型服務發現模型的性能評測，我準備從網絡通信流量，服務發現延遲這兩個主要方面進行評測。網絡通信流量反映了系統運行的網絡流暢程度，服務發現延遲就是用戶從發出服務請求到收到回復之間的時間。這兩個指標能很好的反映了服務發現協議的性能。我選取了兩種服務發現框架進行比對性能測試，一種是完全集中型模型，是在網絡基礎設施層和通信子網均采用集中型架構，另一種是完全分布型模型，在協作網關兩側均采用分布型模型，通過性能評測，突出新型混合型模型的優勢。

整個模型的建立及評測均基于離散事件網絡模擬平臺OMNET++，由于城市協作網目前還停留在研究階段，所以只能通過網絡模擬來建立服務發現的模型及評測性能。網絡模擬是指采用計算機軟件對網絡協議、網絡拓撲、網絡性能進行模擬分析的一種研究手段。它使得很多研究人員能夠在硬件條件不具備的情況下研究大規模網絡以及在設計、學習新協議新算法時能夠快速地設計、實現、分析進而改進協議或算法的設計。此外，它還可以在各種新老系統和算法之間進行比較而不必花費巨資去建立多個實際系統。因此，網絡模擬是網絡通信研究中一種非常重要的方法。通過網絡模擬來評價我所提出的城市協作網絡中服務發現協議模型的性能，并與現有的模型進行對比，就能發現我所提出模型的優缺點。

下面是模擬的結果:

模擬平臺為 OMNET++ Version 4[8]。

圖3為服務發現網絡通信量比較。

完全分布式模型的網絡通信量隨著網絡結點數目的增長呈現出指數級別的增長。而在完全集中型模型以及混合模型中，網絡通信量僅僅隨著結點數目的增長顯示出非常溫和的線性增長?；旌闲湍Ｐ捅韧耆行途W絡流量略多的原因是混合型模型在網絡基礎設施層采用的分布型模型提高了網絡通信量。但是也正是因為網絡基礎設施層采用的分布型模型，大大提高了整個服務發現系統的魯棒性，整個系統不會因為單個結點的損壞而趨于崩潰，這點恰恰是完全集中型所不具備的。

圖4為服務發現延遲比較。

當引入一個，兩個，三個通信子網時，服務發現延遲呈現一個劇烈的增長，這是因為通信子網的信道延遲要遠高于網絡基礎設施層，當初期網絡規模較小時，引入通信子網會大大提高平均的信道延遲。從圖中可以發現，當網絡規模不斷增大時，此時平均信道延遲的增長并不明顯，然后完全分布型模型的服務發現延遲出現了非常劇烈的增長而完全集中型模型與混合模型的服務發現延遲幾乎保持在一個較低的穩定水平。

3 結論

隨著通信網絡的發展，各種類型的網絡層出不窮，各種類型的網絡互聯必將是未來的趨勢，傳統的商用服務發現模型已經不能適應多網絡互聯服務發現的需求。本文提出的混合型服務發現模型在傳統的服務發現模型的基礎上，繼承了分布型模型和集中型模型的優點，回避了兩者的缺點，在實現了多網絡互聯中服務發現的相互協作性的基礎上，顯示出良好的可伸展性并且具備了系統魯棒性。在服務發現技術這個領域，模型的提出僅僅是一個開始，一個框架，許多細節方面需要不斷深入研究。

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