層疊網資源分配問題的研究與實現

周卓鏞

（杭州師范大學錢江學院 計算機科學與技術系，浙江 杭州 310012）

根據多年來我們對網絡設備和相關協議軟件的研究經驗，對相關問題的解決，已經不能只孤立地從網絡層次考慮，必須把柵格服務的需求特點和當前網絡的現實狀況相結合，采用“跨層優化”的思想，通過在傳統網絡和柵格服務平臺間添加一個新網絡適配層次(層疊網絡)來解決。

1 層疊網體系結構和相關技術

1.1 層疊網體系

層疊網絡具有廣闊的市場應用前景，但是在傳統IP網絡和各種專用網絡中如何為層疊網絡提供有效支持，以及層疊網絡如何充分利用多種下層網絡提供的傳輸機制來提高應用性能和抗打擊的能力，實現網絡整體效能的最大化，都是需要解決的重要問題。其中最為關鍵的問題包括可感知網絡技術、開放可擴展網絡協議模型、應用層組播技術、應用層服務質量保證技術和大規模流媒體的層疊網技術。高效的層疊網絡需要下層網絡提供路由控制功能，感知下層網絡的拓撲信息，針對物理網絡拓撲進行優化。“可感知網絡”將網絡的部分服務對用戶開放，在端用戶擁有更多智能的假設條件下，為用戶提供更加靈活的傳輸服務，如主動路由控制(如進行顯式路由選擇)、主動策略路由、主動路徑特性感知(如路徑MTU發現，避免網絡傳輸中進行報文分段)等。典型研究項目有Berkeley大學的“ Routing as a Service”，允許用戶顯式地請求網絡的路由服務，獲取網絡的路由信息，用戶再根據自身的決策，主動選擇合適的傳輸路徑。

1.2 多服務層疊網

多服務層疊網它位于中間層，是由承載節點構建的一個Overlay網絡。其主要功能是:在傳統Internet和各種專用網絡上構建一個層疊網絡，屏蔽下層物理承載網絡的實現差異，避免傳統工P網絡中各種服務只能部署在網絡邊緣的問題，作為上層柵格計算環境的網絡服務基礎設施。

1.3 層疊網的設計原則

設計和建立新一代網絡體系結構一方面必須考慮到盡量保持當今網絡基礎設施不進行大幅度的修改;另一方面要迎合不斷變化和增長的外界需求。從而保持網絡發展的一致性和連貫性。所以說新一代網絡體系結構必須能夠適應多服務模型和復雜應用需求，既能夠屏蔽底層網絡通訊基礎設施的異構性，又能夠提供一個統一、開放、安全、可擴展、可管理的高性能服務平臺，從而支持快速的靈活的開發、集成、部署和定制各種網絡應用。借鑒融合互補原則、面向服務和開放性設計原則，才能把握下一代網絡作為人類社會信息基礎設施的本質特征和網絡研究重點正在從通信向服務進行躍遷的發展趨勢，我們把已經在新型網絡體系結構研究方面所取得的成果進一步引向深入并且參考其他現有新型網絡體系結構和應用體系結構研究的思路并且結合特定的應用需求我們提出一種結構分層、功能分塊、面向多服務的新一代網絡體系結構一面向多服務的新型網絡模型。

2 層疊網資源分配的設計方案和實現

2.1 應用層組播的算法思想

應用層組播的基本思想是屏蔽底層物理網絡的拓撲細節，將組成員節點直接自組織成一個邏輯覆蓋網絡，并在應用層提供組播路由協議來構建和維護該網絡，為數據傳輸提供高效、可靠服務。應用層組播將所有組播功能完全集中在主機，由應用層軟件具體實現。從部署位置上來看，應用層組播試圖將組播功能推向應用上層。應用層組播功能實現于終端主機中，組成員的動態性對組播有很大影響。應用層組播協議不僅要提供有效的數據組播分發樹，還要針對節點的動態性提供可靠的組管理算法。協議設計強調在動態網絡環境下維持網絡的穩定性。應用層組播路由協議設計面臨的主要問題是，如何在廣域環境下，針對節點的動態性，在節點上建立必要的狀態信息，并根據這些信息構建優化的組播路由協議。

2.2 配置算法工作流程

在下圖中我們描述了對層疊網絡進行資源分配的工作流程，即系統圖。如圖所示，系統對底層網絡周期性地進行檢測，獲取底層網絡在CPU可利用率和網絡鏈路可用帶寬的信息之后，將獲得的這些原始數據進行初步處理轉換成為系統可識別的格式，以待進行下一步的處理。這一過程的核心任務是把得到的網絡數據根據用戶提交的資源請求進行預處理，預處理之后，再根據資源分配算法進行資源分配，得到用戶需要的資源集合。

3 原型系統測試與分析

3.1 原型系統測試環境

硬件系統配置:CPU:Pentium (R)4 2.66GHz、內存:VDATA SDRAM 512M、網卡:Intel(R)PRO/1000 MT Network Connection、硬盤:Maxtor 6V 160E0 1606、交換機:TP-LINK TL-SF 1008+。軟件系統配置:操作系統:Linux Fedora 4、虛擬機:VMware Workstation 6。

3.2 原型系統實現

3.2.1 資源分配的系統模型

原型系統它由3個部分組成：一個底層網絡，這個底層網絡是為上層用戶提供公共服務的平臺，在我們的研究中，可以簡化為提供節點和節點間通信的鏈路。一個中心數據庫，負責存儲當前網絡的數據信息，包括節點CPU可利用率和鏈路可用帶寬。用戶提交的資源請求，用來配置滿足用戶要求的拓撲結構，在組播應用中，包括組播應用必須覆蓋的節點和對網絡資源的其它要求。

3.2.2 最短路徑算法的具體實現二

該算法采用經典的dijkstra最短路徑算法。

3.3 性能評估

將原型系統的資源分配結果同使用最小節點負載分配和隨機分配的結果進行對比，我們可以清楚地看到使用原型系統的分配方案顯著地提高了網絡的可用帶寬。特別需要指出的是，使用原型系統的分配方案能夠使超過%%的層疊網鏈路擁有大于60Mbps的可用帶寬。而與之相對的是，通過最小節點負載模式的分配結果有超過一半的層疊網鏈路可用帶寬低于60Mbps;而隨機選擇模式在鏈路性能方面比最小節點負載模式稍好，因為它將負載分攤給了所有的底層節點。但是，隨機分配方案的結果在鏈路性能上比原型系統還有很大差距。

層疊網的一個重要的用途是路由轉發，在路由轉發時，可用帶寬是一個重要的參考因素，因為數據會通過層疊網上有著最大帶寬的路徑從數據源發送到目的端。為了展示我們的分配方案能夠適應路由轉發的需求，我們搜集每對層疊網節點之間的最寬路徑。通過與其它兩種模式進行比較，我們發現，通過原型系統進行分配方案在效率上要遠遠地將其它兩種方案拋在腦后。

[1]李振宇，盧澤新，張曉哲，李海軍，基于層疊網的流媒體算法研究，中國科協年會，2007年.

[2]李國杰，關于下一代網絡體系結構，中國工程科學，2002年.