下一代互聯網中名系統的研究

在當前互聯網應用中，命名和相對應名字的解析映射起著極為重要的作用。有了對資源的命名，它在網絡上的注冊才成為可能；有了名字的解析映射，資源的查詢才成為可能。目前，命名采用域名的方式，而名字解析采用域名解析系統(DNS)來實現。DNS初始設計的目的是將不容易記憶的IP地址映射為更容易記憶的帶有語義的字符串，以方便用戶。在應用初期，DNS的優勢得到了很好的體現，迅速成為了全球最大的域名解析系統。然而由于其設計初期考慮的比較簡單，所以在當今應用中出現了很多問題。具體表現在：

(1)DNS根服務器作用重大，所有本地DNS服務器無法解析的域名解析請求都要直接送到DNS根服務器中，而這些DNS根服務器的最終管理權與控制權在美國政府手里，美國可以對DNS根服務器中的ROOTZONE文件記錄進行修改，從而使得一些國家從互聯網世界中消失。

(2)域名帶有語義，不可避免地涉及到所有權歸屬問題，從而帶來不必要的法律糾紛。

(3)DNS面向主機，當主機中的數據移動或復制后，DNS則無法再次為該數據提供服務。

(4)在DNS服務器中，由于業務需，要，負責.com域名解析的服務器比負責.org等域名解析的服務器負載重很多，沒有相互協調充分利用網絡資源。

1學術界提出的新名系統

針對以上DNS名系統中的缺點，學術界提出了新的名系統，主要代表是文獻。下面介紹這套系統的工作方式。

名字的生成采用Hash方式，其過程為：提取資源的元信息；Hash元信息生成一個字符串，用這個字符串來標識資源。由于名字的生成過程是基于資源的元信息，所以名字不會隨資源的移動或復制而改變，對用戶來說是透明的，可以用始終如一的名字查找到資源。這樣可以很好地解決現有命名方式中存在的不足。

名字解析映射系統采用分布式哈希表(DHT)結構，而DHT提供一種操作：給定一個關鍵字，把這個關鍵字經Hash映射到系統的某個唯一節點上。在文獻[6]中，將DHT中的節點看成解析映射服務器。在名字注冊時，將元信息當作關鍵字經Hash產生的名字注冊到DHT上；在名字解析時，利用元信息生成的名字在DHT上解析返回連接信息。由于DHT的扁平狀結構，當解析映射系統受到DoS攻擊時，癱瘓的只是被攻擊的那臺服務器，其他服務器的并沒有受到影響。所以，在同樣的DoS攻擊下，這種系統的魯棒性要強于DNS。但是對于DHT來說，解析一個名字所花費的最大時延為logⅣ(以Chord為例)，其中Ⅳ為系統中節點數。對于一個全球系統來說，Ⅳ的值會在百萬級，這時解析時延太大不適實際環境的使用。

為此我們設計了兩種新的名系統，在保留文獻[6]系統優勢的基礎上，解決解析時延太大的問題。命名為基于One-hopDHT的名系統，重疊化名系統。

2設計基于Ono—hop DHT的名系統

基于One-hop DHT的名系統，有一個重疊結構并主要由3層組成(如圖1所示)：中繼層、實現層和維護層。其中，中繼層的主要功能是控制用戶的接入，及處理用戶注冊或查詢資源名字的請求；實現層和維護層聯合工作，實現各種資源名字的注冊與查找，其中實現層維護一個Chord系統，而維護層維護一個向量空間(向量空間是指某一個服務器知道該層其它服務器的所有信息)。

2.1新名系統具體的實現方案

中繼層上各節點分別與實現層上1-3個節點相連，通過這些相連的節點進入系統注冊或獲取服務所需的連接信息。實現層維護一個Chord環，該層中的各節點維護兩組表項：父節點表項和路由表項。其中，路由表項與原Chord算法中實現方式一致(由文獻[7]給出)，而父節點表項內容為管理該節點的維護層節點ID。維護層維護兩組表項：區域表項和管理表項。區域表項是用于維護實現層的一部分連續區域，而管理表項則用于指示在這個區域內有哪幾個節點存活。

下面用一個例子簡要說明該映射系統的整個工作過程。如圖2所示，在這個映射系統中，維護層有4個維護節點，實現層有11個節點，中繼節點有2個，具體連接方式如圖2所示。圖3中列舉了幾個具有代表性的表項：M。的區域表項和管理表項，C。的父節點表項。

2.1.1資源的注冊：

(1)將此請求發送到一個中繼點(中繼點1)。

(2)中繼點提取此項服務的元信息，經過Hash元信息生成一個新的網絡名字fsIDl=3)。

(3)通過實現層接入點Chord節點c，并利用Chord算法直接將該名字注冊到Chord環上，即將這項服務的名字應用于建立連接的信息并入節點c。

2.1.2資源的解析：

(1)Hash服務的元信息生成網絡名字(SIDl=3)。

(2)發送到一個中繼點(例如中繼點2)。

(3)中繼點通過它在實現層的接入點c1或c12將該網絡名字送往上層(假設此處選擇C31)。

(4)節點c32收到該服務請求后直接遞交給它的父節點M4，不做任何其他處理。

(5)節點M4查詢其區域表項，發現新網絡名字3在維護節點M1管理的區域內，將該請求發送到節點M1。

(6)節點M1收到該服務請求后，查詢其管理表項并將發現的新網絡名字為3的信息存儲在節點C4上面，于是M1與節點c4建立連接，取得獲取此項服務所需的連接信息按原路返回給用戶。

(7)用戶利用返回的連接信息與服務提供商建立連接獲取服務。

在整個實現過程中，我們在注冊過程中沒有使用維護層，只在查詢過程中使用了維護層。我們認為在網絡應用中主要的瓶頸在于查詢端，這樣做可以提高查詢效率。因為維護節點只需要處理查詢請求，而不用對注冊請求作處理。 一般情況下，維護層節點會有熱備份，并且魯棒性較強。如果有故障產生，查詢消息則不再發往維護層節點，而是直接在實現層利用Chord算法進行路由，以便在系統正常工作的基礎上對護層節點進行修復。這樣做在一定程度上提高了整個系統的魯棒性。

One-hop DHT的名系統在一次名字解析時，最大跳數為3，降低了查詢時延；但該系統只適合小范圍的應用，其瓶頸在于維護層服務器的處理能力。為此，我們又設計了重疊化名系統。

3重疊化名系統

3，1重疊化名系統中名字的設計

新網絡名字將名字分為兩部分：前綴部分和資源標識部分，如圖4所示。前綴部分用兩個字節標識，又可分為兩部分：前9個bit用于標識地理位置信息(以國家和地區為單位)，后7個bit用于攜帶服務質量(Qos)信息或備用。因為目前全世界有200多個國家和地區，9個bit足以唯一標識任何一個國家；后7個比特可以帶一些QoS信息或做擴展服務等。資源標識部分用于標識資源，它產生于資源的元信息。元信息經過Hash運算后生成一個160 bit的字符串來唯一標識所描述的資源。

由于名字的資源標識部分的生成過程是基于資源的元信息，所以與文獻一樣，名字不會隨著資源的移動或復制而改變，用戶可以用始終如一的名字查找到資源。這樣的操作方法很好地解決了數據的移動和復制問題。

我們定義的名字結構中，包含了地理位置部分，可以縮小資源解析范圍；而QoS部分，可以使得網絡名字帶有QoS信息，方便用戶選擇符合自己要求的資源。

3.2重疊化名系統中解析映射系統的設計

我們設計的名字解析映射系統主要分為兩層，如圖5所示。頂層具有全球性，并采用DHT結構，主要作用是維護和管理全球的名字；下層具有局域性，可以以國家為單位，采用DHT結構作為路由形式，主要用于處理本域內的名字解析，以及與上層、其它域的交互。在下層網絡中，主要有兩類服務器：平常服務器和網關服務器。對于平常服務器，其名字注冊和解析方式與本身DHT算法保持一致；對于網關服務器，在維持原來路由表的基礎上，增加了兩個路由表：一個用于指向上層服務器；另一個用于指向其它域內的網關服務器。

3.2.1資源的注冊

資源注冊過程就是生成名字并注冊到名字解析系統的過程，主要有以下幾個步驟：

(1)提取資源的元信息。

(2)將提取到的元信息Hash生成名字的資源標識部分。

(3)將所在國家代碼填人地理位置部分。

(4)將自己所在的區域信息或QoS信息等填入備用或國內自定義段(備用時可以不填)。到此為止已生成了一個合法的名字，下面將名字注冊到名字解析系統中。

(5)根據本身域內的算法將名字和連接信息注冊到域內某個平常服務器上。

(6)經過距離自己最近的網關服務器將名字及連接信息注冊到上層DHT上。

下面用一個例子說明這個過程，如圖6所示。中國一家服務提供商需要注冊《數字通信原理》這本書。首先提取它的元信息，如“數字通信原理”；Hash元信息生成一個160 bit的字符串101010101111…001；提取“中國”的代碼111000100；填入QoS信息，如QoS等級為3--0000111；合并到一起生成一個合法名字1110001000000111101010…001。

3.2.2 資源的解析

資源的解析過程就是通過網絡名字獲取連接信息的過程。這個過程中可能包含兩種情況：資源請求者知道所請求資源的存儲地；資源請求者不知道所請求資源的存儲地。對于第一種情況又可以分為兩類：資源存儲地在本國和本國外的其它國家時。下面分別介紹各種解析方式，如圖7所示。

(1)當請求的資源在本國時：Hash資源的元信息生成名字的資源標識部分，此時將國家信息填人地理位置部分，將QoS信息填入QoS或備用部分，即可生成一個合法的名字；在平常服務器接人點，利用生成的資源標識部分，在本國所采用的DHT結構中可以找到該資源所對應的連接信息。

(2)當請求的資源在其它國家時：Hash資源的元信息生成名字的資源標識部分，此時將國家信息填入地理位置部分，將QoS信息填人QoS或備用部分，即可生成一個合法的名字；在平常服務器接人點，將該名字遞交給最近的網關服務器，網關服務器利用地理位置部分解析該名字所在國家的一個網關服務器，并將此請求遞交給它；收到請求的網關服務器采用自己域內的DHT路由形式找到這個資源所對應的連接信息。

(3)當不清楚資源存儲地時：Hash資源的元信息生成名字的資源標識部分，此時將地理位置部分填入000000000，QoS信息填入QoS或備用部分，則會生成一個合法的名字；在平常服務器接人點，將該名字遞交給最近的網關服務器，網關服務器將該請求發送到上層DHT上，上層DHT利用自己的路由算法，將資源標識部分解析為連接信息。

3.3時延分析

本節將分析各種情況下的網絡解析時延，在文獻[8]中提到網絡時延主要是由跳數引起的。下面將以跳數為度量單位研究我們設計的名字解析映射系統的時延性能。在該系統中，一次解析時延可以分為3種情況：

(1)域內解析：名字解析請求只需要在本域內解析。所需最大跳數為logN1(以域內服務器組織形式為Chord為例)，其中N代表的是域內服務器數量。

(2)域間解析：名字解析請求發送到本域網關節點，網關節點再轉發到相對應鄰域的網關節點上，鄰域網關節點負責解析該名字。所需最大跳數為2+log N，其中N2為領域內服務器數量。

(3)路由到頂域解析：名字解析請求發到本域網關節點，網關節點再利用頂域路由表進行名字解析。所需要的最大跳數為log N1，其中N1為頂域服務器數量。假設上述3種情況的比例為P1、P2、p3則該系統解析時所需最大跳數為：

參數設置：為了方便分析，假設全世界每個國家所需要處理的名字一樣多。每個國家可設置50個網關服務器，貢獻50臺頂域服務器，則頂層DHT系統由1萬個服務器組成。3種名字解析方式——域內解析、域間解析和頂層解析，假設其所對應的比例為98％、1％、1％。

4 設計優勢

上述兩種名系統主要有以下幾方面的好處：

(1)消除了某個國家對解析系統的完全控制，使得各個國家都能和平利用該網絡資源。一方面映射系統節點可以至少在每個國家部署一個。整個系統為全球用戶共同服務；另一方面注冊到名字映射系統中的網絡名字是一個沒有語義的字符串，從中不能顯示出任何實際意義，從根本上消除了某個國家對解析系統的完全控制，因此將政治因素從網絡應用中剝離出去。

(2)該映射系統是以一個元信息Hash生成的值作為新網絡名字在系統中注冊與查詢。從這方面看，主要有兩個好處：新服務可以提取自己的元信息生成新的網絡名字，在服務映射系統中注冊與查找。可以說該解析系統為新服務的接入提供了恰當的接口，新的網絡名字是一個沒有實際意義的Hash值，不帶有語義，所以就不會產生所有權歸屬糾紛。

(3)在現有網絡應用中，數據的復制和移動是不可避免的，而現行網絡技術不能很好地解決該問題。當一個數據移動后，再重新注冊它，則必然得到的全新的域名。對于用戶來說需要很長時間才能獲得此全新的域名，因此上網時常會出現“Http404錯誤”。于是研究者設計了Http重定向，它可以解決數據在一個域內的移動問題，然而對于域間的移動沒有很好的解決方案。在我們設計的映射系統中，新的網絡名字是用數據的同一個元信息生成的。所以，當數據移動后對該數據重新注冊，所用的新網絡名字是仍然是原來的。對于用戶端來說，過程完全是透明的，不會感覺到數據已經發生移動或復制，應用原來的網絡名字進行解析映射就可以獲得此項服務的連接信息。

5結束語

文章首先介紹了現有名系統DNS存在，如：含有語義信息、不支持數據的移動和復制、動態負載不均衡等。針對以上缺點，學術界提出采用結構化DHT來做名系統，它很好地消除了這些缺點。但是帶來了一個新的問題：一次解析時延太大，不適合于實際應用。為此我們設計了兩種新的方案來綜合DNS名系統以及DHT名系統的優點——基于One-hopDHT的名系統，重疊化名系統。

基于One-hop DHT的名系統采用三層環結構，分別實現用戶接入的控制、資源名字的注冊與資源名字的解析。由于該名系統上層極少節點負責整個查詢，因此，只能適應于小環境應用。重疊化名系統采用分域處理，可以在全球范圍內應用，在每一個國家維護一個DHT名系統的基礎上，全球維護一個大DHT系統。這兩套系統一方面可以消除DNS名系統存在的缺陷，如不支持數據的移動和復制等；另一方面又降低了DHT名系統解析時延太大的缺點。最后通過理論分析證明這兩套系統適于實際環境應用。