主動網絡技術研究

2019-11-03 09:28:30

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供稿：網友

何煒沈金龍
南京郵電學院計算機科學與技術系　　摘要主動網絡提出了一種允許配置更為高級的網絡服務的新型通信體系結構，在主動網絡中，經過其路由結點的分組可以在這些結點上運行由用戶定制的服務代碼，改變了傳統網絡只能在端系統執行服務運算的特點。利用主動網絡提供的編程環境，我們更易于優化和擴展現有的協議，開發新的協議。本文描述了主動網絡的體系結構框架以及兩種主要實現方式，回顧并比較了現今已提出的幾種主動網絡的實驗性設計實現。

　　關鍵詞主動網絡移動代碼網絡服務

1 引言

　　網絡技術的飛速發展正強烈影響并深刻改變著人們生活的方方面面，然而傳統網絡的功能單一而封閉，對網絡內部結點的功能開發很少，服務只能在端系統實現，使現有服務的優化和擴展、新服務的開發等受到很大的限制。

　　主動網絡是一種區別于傳統網絡被動傳輸數據的全新網絡計算模型，它的網絡基礎結構能夠編程，即網絡結點能夠執行數據的計算功能，允許用戶向網絡結點插入定制的程序以便修改、存儲或重定向網絡中的數據流。主動網絡在ip或其他標準化的層次上獲得更大的靈活性，極大地改善了現有網絡提供網絡服務的能力，適應新應用的能力和對異常事件的反應能力。

　　一般來說，主動網絡從以下兩方面體現它的“主動性”。首先，網絡中的結點能夠在用戶數據上執行計算操作；其次，網絡中的結點能夠由具體用戶根據具體要求來實現主動程序的定制。例如，對于一段視頻多播會話，可以根據不同結點的帶寬資源由主動結點決定相應的視頻壓縮算法，當接收端的接收帶寬有限時，位于接收端上級的主動路由器就根據相應的信息選擇使用高壓縮比的壓縮算法。

2 主動網絡概述

2.1 體系結構

　　主動網絡由結點組成，結點間通過各種低層網絡技術（如Ethernet、ATM、SDH、DWDM等）連接，傳統的網絡結點（路由器、交換機等）與主動網絡結點一起工作在主動網絡中。主動網絡盡量兼容傳統網絡，主動結點也不是對所有經過它的包都進行“主動”處理，而只是根據一些特征來處理主動包，使主動網絡的處理代價與傳統網絡具有可比性。

2.2 結點模型

　　主動結點由路由器升級而成。每個主動結點主要包含一個結點操作系統（Node Operation System，NodeOS），一個或多個執行環境（Execution Environment，EE）。

　　結點操作系統NodeOS工作在底層的物理資源（傳輸帶寬、處理器、存儲器等）和執行環境之間，主要進行資源管理、存取控制等，還負責基本的網絡功能、代碼或結點的安全等。NodeOS管理EE提出的訪問請求，為EE屏蔽了底層的資源分配細節，也消除了EE之間的相互影響。

　　執行環境EE類似于一般計算系統中的“Shell”程序，提供相應網絡服務的可編程接口或虛擬機。EE主要完成主動報文的解釋執行，各個EE之間相互獨立。EE可以根據用戶的參數提供與狀態無關的簡單服務，也可以實現強大的、與狀態有關的程序語言的解釋，或是介乎兩者之間。

　　主動應用（Active application，AA）用于裝載和執行嵌入代碼，用戶是通過AA向主動網絡提出業務要求的。AA是一段程序，由主動結點上某特定的EE執行它，實現端到端的服務。

　　NodeOS中的安全策略數據庫（Security Policy Database）和安全執行引擎（Security Enforcement Engine）保障了結點的安全。當應用或者EE中的實體需要NodeOS提供服務時，EE向NodeOS發出請求消息，該請求消息中帶有主體標識符用以指明請求的生成者。NodeOS收到消息后，將它提交給安全執行引擎，若通過了身份驗證，再檢查安全策略數據庫，最后執行相應操作完成EE所請求的服務。

　　此外, 每個結點上還有管理執行環境（Manage-ment Execution Enviroment，MgmtEE），用來控制結點的配置，維護結點的安全策略庫。通常，MgmtEE在NodeOS中實現，特殊情況下也可以作為普通EE的一部分，但需要經過授權。

2.3 實現方式

　　主動網絡的實現可分為離散型和集成型。

　　離散型是將主動程序的處理與數據代碼的分發作為兩種獨立的機制。這里，主動程序將分別插入可編程的主動結點，與實際的數據包相分離，并可以在網絡中傳輸。用戶可以將程序發送至網絡結點（交換機、路由器），在結點中被存儲，然后當數據抵達結點時執行程序，對數據進行處理。數據中包含引導結點如何處理或處理哪些程序的信息。

　　集成型是將一段程序與數據組成一個封裝體，然后發送到網絡，當這些包到達主動結點時，主動結點將解釋這些程序，然后處理包內的數據。

　　當然，也有將這兩種實現方式相結合的方法，目前已被賓夕法尼亞大學開發的主動網絡編程語言（PRogramming Language for Active Network，PLAN）采用。

3 主動網絡實現方案概述

　　主動網絡的實現建立在對主動網絡體系結構框架和主動網絡使能技術的研究基礎上，目前已有數所大學研究并實現了不同的主動網絡體系結構，并開發出了能夠成功運行主動應用程序的NodeOS和EE。還有些大學利用已開發出的主動網絡基礎結構來測試并實現了新的主動程序。

3.1 體系結構的發展

3.1.1 ANTS與PAN

　　ANTS（Active Node Transport System）工具包是由麻省理工大學在封裝囊（Capsule）模型的基礎上開發出來的主動網絡工具。每個封裝囊包含一個以字節編碼的java程序和用戶數據凈荷。ANTS的網絡應用程序接口包含一個擴充了ANTS類的Java虛擬機，執行對密封囊進行譯碼和解釋的功能。

　　首先，包識別出它們的類型和協議，當包抵達結點時，它檢查自己的緩存，觀察所需的代碼是否出現。如果沒有出現，則要求上一個結點為當前結點發送代碼。當上一個結點收到它可以響應的負載請求時，它將馬上發送。當前的結點收到負載請求時，它將這些負載加載到自己的緩存中，然后對等待的包執行所需的操作。這是一種有效的具有魯棒性的機制，從而使結點能充分利用主動網絡的優點。

　　最近，麻省理工大學又開發出了PAN（Practi-cal Active Network）主動網絡系統，用于實現可實際使用的基于封裝囊的主動網絡。PAN的體系結構與ANTS非常類似，但它的性能更適于實際的應用。PAN的體系結構可以支持多種移動代碼系統。用主動結點內核執行本地代碼以轉發封裝囊的試驗表明，其發送1500字節的數據包時的速度可以使100Mbit/s的快速以太網達到飽和，而只比傳統網絡結點處理每個數據包的時間多出13%。

3.1.2 Switch Ware項目

　　賓夕法尼亞大學開發的Switch Ware項目是另一個主動網絡的實現原型，它向用戶提供了兩層編程接口。下面一層是主動分組層，主動分組與ANTS中的封裝囊相類似，它們攜帶著少量程序代碼用以激活由上一層，即主動擴展機制層所支持的駐留結點的服務例程。主動擴展機制層常駐結點內部，是由系統管理員或授權用戶安裝的。主動分組層是用PLAN和Calm語言開發的，而主動擴展機制層是由Calm語言開發。Calm程序能夠被動態載入（按照需要從網絡上或從本地磁盤安裝）到Switch Ware主動結點。

3.1.3 PLANet

　　PLAN語言是賓夕法尼亞大學開發的第一種主動分組語言，而后該大學又開發出了SNAP（Safe and Nimble Active Packets），這種語言被設計用來提高PLAN的靈活性、高效性及安全性。研究者旨在找到保護結點的整體性，并對結點提供保護及安全的資源控制的方法，以期建立第一個實際投入使用的主動分組系統。

　　該大學的主動網絡試驗床叫做PLANet，是一種以主動網絡為基礎的“主動互聯網”。它以100Mbit/s以太網為鏈路層，也可以用IP作為鏈路層。PLANet的早期開發使用PLAN語言，有相當大的延遲。智能包或網絡基礎結構中的額外代碼，和因此而帶來的計算開銷的增長造成了網絡性能的下降。與PLAN相比，SNAP則展示了其性能的優越性，在ping的延遲和吞吐量測量中與IP網絡相當。

3.1.4 Bowman和CANE

　　喬治亞大學研究開發出了Odyssey軟件包，由Bowman主動網絡操作系統和CANE執行環境兩部分組成。Bowman建立在一個標準的傳統操作系統基礎上，作為實現CANE執行環境的平臺。以插槽處理模型為基礎的CANE執行環境包括兩部分：一部分是固定的承載程序，它是一個運行時可重定位的模塊，由主動結點管理器負責裝載。承載程序為包提供處理平臺，可以看作是一個全局操作的模板；另一部分是可變的嵌入程序，嵌入程序支持用戶主動代碼的定制。承載程序中供嵌入程序運行的特定點叫做插槽（Slot），用戶將定制程序與這些插槽相連接。

3.1.5 其他

　　除此之外，還有一些機構也參與了主動網絡的研究。哥倫比亞大學研究開發了NetScript。NetScri-pt語言提供了一種處理分組流的腳本語言，NetScript代理能夠較容易地被發送到遠端系統，比如路由器和交換機，來使這些結點可編程。

　　另外還有BBN技術組的智能包（Smart Packet），能夠利用主動網絡技術以助于網絡的管理問題。

　　在大多數情況下，主動網絡的實現采用離散型實現機制，如ANTS和PAN。離散型機制的性能要優于集成型機制，因為在網絡中傳輸的控制信息達到了最小化。PAN實現模型從本質上講是ANTS實現模型的內核，它使用了本地代碼，有較高的性能，但在資源管理和安全上卻比較薄弱。可以這樣說，要在主動網絡上同時具有較高的性能、安全性和互操作性，關鍵在于要有一種短小的、可嵌入的、高性能的移動代碼系統。

3.2 主動應用程序的發展

　　主動網絡得以實現新的網絡服務能力，因為它們是基于軟件的，而且主動程序可以下載到網絡結點中。

　　麻省理工學院在多播樹中的主動路由器中實現了主動可靠多播（ARM）協議。路由器盡力而為地緩沖經過它的多播數據，通過在重傳中進行本地多播，對NACK報文進行抑制。麻省理工大學還提出了一個用以提高在線拍賣服務性能的主動協議，這一主動解決方案通過在主動結點中嵌入代碼，來實現過濾低價競標價的功能。

　　TASC和馬薩諸塞州聯合研制開發出了PANAMA（Protocol for Active Networking with Adap-tive Multicast Application）項目，該項目已被證明其所提供的主動服務具有較高的網絡性能。這些主動服務包括差錯恢復和分組匯聚，從而能夠降低修復延遲，節省網絡帶寬。

　　類似地，喬治亞大學利用CANEs實現了AER（Active Error Recovery）。AER利用一個安裝在網絡中的修復服務器來緩存包以響應重傳請求，在接收端抑制冗余的NACK報文，檢測分組丟失等。

　　BBN技術組正在研究通過輔以智能包（Smart Packet）的主動技術來提高大型復雜網絡的性能。利用主動網絡的技術優勢，管理決策點能夠被移動到更靠近被管理結點，反饋信息也能夠按照需要被控制和管理。

　　在哥倫比亞大學，NetScript已經被建議使用在網絡管理應用方面的研究開發中，比如遠程網絡監控，它使一個機構能夠從遠程終端監控網絡及協議的性能與狀態。NetScript還能夠用來構造SNMP代理，或在ATM網絡中增加可編程能力以便于發送信號。

　　在肯塔基大學，與多播服務在邏輯上相反的匯聚播（Concast）服務，和允許客戶端按照特定程序的設置約束來動態識別一個或多個服務器的任意播（Anycast）服務已經被研究開發。

4 結束語

　　主動網絡作為一種動態的運行環境，它支持大量的網絡服務，同時也允許在網絡體系結構中加入新設計的服務。主動網絡技術的研究得到了許多關注，同時它在安全、路由、資源分配、網絡管理服務以及移動性等方面還有待進一步地研究，且有許多研究成果已經被運用到主動網絡的演示中，雖然目前主動網絡尚在研究試驗階段，未曾有實際網絡投入使用，但主動網絡技術的可行性已經開始改變我們對計算機網絡的概念，它對未來技術的形成起到重要的推動作用。

　　何煒，南京郵電學院科學與技術系計算機應用技術專業2001級研究生，研究方向為計算機通信與網間互連。

　　沈金龍，南京郵電學院科學與技術系計算機應用技術專業教授，研究方向為計算機通信與網間互連、多媒體通信。

摘自《中國數據通信》