主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究

何煒 沈金龍

南京郵電學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系

　　摘 要 主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提出了一種允許配置更為高級(jí)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的新型通信體系結(jié)構(gòu)，在主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，經(jīng)過(guò)其路由結(jié)點(diǎn)的分組可以在這些結(jié)點(diǎn)上運(yùn)行由用戶(hù)定制的服務(wù)代碼，改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)只能在端系統(tǒng)執(zhí)行服務(wù)運(yùn)算的特點(diǎn)。利用主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提供的編程環(huán)境，我們更易于優(yōu)化和擴(kuò)展現(xiàn)有的協(xié)議，開(kāi)發(fā)新的協(xié)議。本文描述了主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)框架以及兩種主要實(shí)現(xiàn)方式，回顧并比較了現(xiàn)今已提出的幾種主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)。


　　關(guān)鍵詞 主動(dòng)網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)代碼 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)



1 引言


　　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展正強(qiáng)烈影響并深刻改變著人們生活的方方面面，然而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的功能單一而封閉，對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部結(jié)點(diǎn)的功能開(kāi)發(fā)很少，服務(wù)只能在端系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，使現(xiàn)有服務(wù)的優(yōu)化和擴(kuò)展、新服務(wù)的開(kāi)發(fā)等受到很大的限制。


　　主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)是一種區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)被動(dòng)傳輸數(shù)據(jù)的全新網(wǎng)絡(luò)計(jì)算模型，它的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)能夠編程，即網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)能夠執(zhí)行數(shù)據(jù)的計(jì)算功能，允許用戶(hù)向網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)插入定制的程序以便修改、存儲(chǔ)或重定向網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流。主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)在IP或其他標(biāo)準(zhǔn)化的層次上獲得更大的靈活性，極大地改善了現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的能力，適應(yīng)新應(yīng)用的能力和對(duì)異常事件的反應(yīng)能力。


　　一般來(lái)說(shuō)，主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)從以下兩方面體現(xiàn)它的“主動(dòng)性”。首先，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)能夠在用戶(hù)數(shù)據(jù)上執(zhí)行計(jì)算操作；其次，網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)能夠由具體用戶(hù)根據(jù)具體要求來(lái)實(shí)現(xiàn)主動(dòng)程序的定制。例如，對(duì)于一段視頻多播會(huì)話，可以根據(jù)不同結(jié)點(diǎn)的帶寬資源由主動(dòng)結(jié)點(diǎn)決定相應(yīng)的視頻壓縮算法，當(dāng)接收端的接收帶寬有限時(shí)，位于接收端上級(jí)的主動(dòng)路由器就根據(jù)相應(yīng)的信息選擇使用高壓縮比的壓縮算法。


2 主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)概述


2.1 體系結(jié)構(gòu)


　　主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由結(jié)點(diǎn)組成，結(jié)點(diǎn)間通過(guò)各種低層網(wǎng)絡(luò)技術(shù)（如Ethernet、ATM、SDH、DWDM等）連接，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)（路由器、交換機(jī)等）與主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)一起工作在主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中。主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)盡量兼容傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，主動(dòng)結(jié)點(diǎn)也不是對(duì)所有經(jīng)過(guò)它的包都進(jìn)行“主動(dòng)”處理，而只是根據(jù)一些特征來(lái)處理主動(dòng)包，使主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的處理代價(jià)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)具有可比性。


2.2 結(jié)點(diǎn)模型


　　主動(dòng)結(jié)點(diǎn)由路由器升級(jí)而成。每個(gè)主動(dòng)結(jié)點(diǎn)主要包含一個(gè)結(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)（Node Operation System，NodeOS），一個(gè)或多個(gè)執(zhí)行環(huán)境（Execution Environment，EE）。


　　結(jié)點(diǎn)操作系統(tǒng)NodeOS工作在底層的物理資源（傳輸帶寬、處理器、存儲(chǔ)器等）和執(zhí)行環(huán)境之間，主要進(jìn)行資源管理、存取控制等，還負(fù)責(zé)基本的網(wǎng)絡(luò)功能、代碼或結(jié)點(diǎn)的安全等。NodeOS管理EE提出的訪問(wèn)請(qǐng)求，為EE屏蔽了底層的資源分配細(xì)節(jié)，也消除了EE之間的相互影響。


　　執(zhí)行環(huán)境EE類(lèi)似于一般計(jì)算系統(tǒng)中的“Shell”程序，提供相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可編程接口或虛擬機(jī)。EE主要完成主動(dòng)報(bào)文的解釋執(zhí)行，各個(gè)EE之間相互獨(dú)立。EE可以根據(jù)用戶(hù)的參數(shù)提供與狀態(tài)無(wú)關(guān)的簡(jiǎn)單服務(wù)，也可以實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的、與狀態(tài)有關(guān)的程序語(yǔ)言的解釋?zhuān)�或是介乎兩者之間。


　　主動(dòng)應(yīng)用（Active Application，AA）用于裝載和執(zhí)行嵌入代碼，用戶(hù)是通過(guò)AA向主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)提出業(yè)務(wù)要求的。AA是一段程序，由主動(dòng)結(jié)點(diǎn)上某特定的EE執(zhí)行它，實(shí)現(xiàn)端到端的服務(wù)。


　　NodeOS中的安全策略數(shù)據(jù)庫(kù)（Security Policy Database）和安全執(zhí)行引擎（Security Enforcement Engine）保障了結(jié)點(diǎn)的安全。當(dāng)應(yīng)用或者EE中的實(shí)體需要NodeOS提供服務(wù)時(shí)，EE向NodeOS發(fā)出請(qǐng)求消息，該請(qǐng)求消息中帶有主體標(biāo)識(shí)符用以指明請(qǐng)求的生成者。NodeOS收到消息后，將它提交給安全執(zhí)行引擎，若通過(guò)了身份驗(yàn)證，再檢查安全策略數(shù)據(jù)庫(kù)，最后執(zhí)行相應(yīng)操作完成EE所請(qǐng)求的服務(wù)。


　　此外, 每個(gè)結(jié)點(diǎn)上還有管理執(zhí)行環(huán)境（Manage-
ment Execution Enviroment，MgmtEE），用來(lái)控制結(jié)點(diǎn)的配置，維護(hù)結(jié)點(diǎn)的安全策略庫(kù)。通常，MgmtEE在NodeOS中實(shí)現(xiàn)，特殊情況下也可以作為普通EE的一部分，但需要經(jīng)過(guò)授權(quán)。


2.3 實(shí)現(xiàn)方式


　　主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)可分為離散型和集成型。


　　離散型是將主動(dòng)程序的處理與數(shù)據(jù)代碼的分發(fā)作為兩種獨(dú)立的機(jī)制。這里，主動(dòng)程序?qū)⒎謩e插入可編程的主動(dòng)結(jié)點(diǎn)，與實(shí)際的數(shù)據(jù)包相分離，并可以在網(wǎng)絡(luò)中傳輸。用戶(hù)可以將程序發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)（交換機(jī)、路由器），在結(jié)點(diǎn)中被存儲(chǔ)，然后當(dāng)數(shù)據(jù)抵達(dá)結(jié)點(diǎn)時(shí)執(zhí)行程序，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)中包含引導(dǎo)結(jié)點(diǎn)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(shù)據(jù)組成一個(gè)封裝體，然后發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)這些包到達(dá)主動(dòng)結(jié)點(diǎn)時(shí)，主動(dòng)結(jié)點(diǎn)將解釋這些程序，然后處理包內(nèi)的數(shù)據(jù)。


　　當(dāng)然，也有將這兩種實(shí)現(xiàn)方式相結(jié)合的方法，目前已被賓夕法尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)編程語(yǔ)言（Programming Language for Active Network，PLAN）采用。


3 主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案概述


　　主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)建立在對(duì)主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)框架和主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)使能技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，目前已有數(shù)所大學(xué)研究并實(shí)現(xiàn)了不同的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，并開(kāi)發(fā)出了能夠成功運(yùn)行主動(dòng)應(yīng)用程序的NodeOS和EE。還有些大學(xué)利用已開(kāi)發(fā)出的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)來(lái)測(cè)試并實(shí)現(xiàn)了新的主動(dòng)程序。


3.1 體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展


3.1.1 ANTS與PAN


　　ANTS（Active Node Transport System）工具包是由麻省理工大學(xué)在封裝囊（Capsule）模型的基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)出來(lái)的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)工具。每個(gè)封裝囊包含一個(gè)以字節(jié)編碼的Java程序和用戶(hù)數(shù)據(jù)凈荷。ANTS的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序接口包含一個(gè)擴(kuò)充了ANTS類(lèi)的Java虛擬機(jī)，執(zhí)行對(duì)密封囊進(jìn)行譯碼和解釋的功能。


　　首先，包識(shí)別出它們的類(lèi)型和協(xié)議，當(dāng)包抵達(dá)結(jié)點(diǎn)時(shí)，它檢查自己的緩存，觀察所需的代碼是否出現(xiàn)。如果沒(méi)有出現(xiàn)，則要求上一個(gè)結(jié)點(diǎn)為當(dāng)前結(jié)點(diǎn)發(fā)送代碼。當(dāng)上一個(gè)結(jié)點(diǎn)收到它可以響應(yīng)的負(fù)載請(qǐng)求時(shí)，它將馬上發(fā)送。當(dāng)前的結(jié)點(diǎn)收到負(fù)載請(qǐng)求時(shí)，它將這些負(fù)載加載到自己的緩存中，然后對(duì)等待的包執(zhí)行所需的操作。這是一種有效的具有魯棒性的機(jī)制，從而使結(jié)點(diǎn)能充分利用主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點(diǎn)。


　　最近，麻省理工大學(xué)又開(kāi)發(fā)出了PAN（Practi-
cal Active Network）主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)可實(shí)際使用的基于封裝囊的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。PAN的體系結(jié)構(gòu)與ANTS非常類(lèi)似，但它的性能更適于實(shí)際的應(yīng)用。PAN的體系結(jié)構(gòu)可以支持多種移動(dòng)代碼系統(tǒng)。用主動(dòng)結(jié)點(diǎn)內(nèi)核執(zhí)行本地代碼以轉(zhuǎn)發(fā)封裝囊的試驗(yàn)表明，其發(fā)送1500字節(jié)的數(shù)據(jù)包時(shí)的速度可以使100Mbit/s的快速以太網(wǎng)達(dá)到飽和，而只比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)處理每個(gè)數(shù)據(jù)包的時(shí)間多出13%。


3.1.2 Switch Ware項(xiàng)目


　　賓夕法尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的Switch Ware項(xiàng)目是另一個(gè)主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)原型，它向用戶(hù)提供了兩層編程接口。下面一層是主動(dòng)分組層，主動(dòng)分組與ANTS中的封裝囊相類(lèi)似，它們攜帶著少量程序代碼用以激活由上一層，即主動(dòng)擴(kuò)展機(jī)制層所支持的駐留結(jié)點(diǎn)的服務(wù)例程。主動(dòng)擴(kuò)展機(jī)制層常駐結(jié)點(diǎn)內(nèi)部，是由系統(tǒng)管理員或授權(quán)用戶(hù)安裝的。主動(dòng)分組層是用PLAN和Calm語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的，而主動(dòng)擴(kuò)展機(jī)制層是由Calm語(yǔ)言開(kāi)發(fā)。Calm程序能夠被動(dòng)態(tài)載入（按照需要從網(wǎng)絡(luò)上或從本地磁盤(pán)安裝）到Switch Ware主動(dòng)結(jié)點(diǎn)。


3.1.3 PLANet


　　PLAN語(yǔ)言是賓夕法尼亞大學(xué)開(kāi)發(fā)的第一種主動(dòng)分組語(yǔ)言，而后該大學(xué)又開(kāi)發(fā)出了SNAP（Safe and Nimble Active Packets），這種語(yǔ)言被設(shè)計(jì)用來(lái)提高PLAN的靈活性、高效性及安全性。研究者旨在找到保護(hù)結(jié)點(diǎn)的整體性，并對(duì)結(jié)點(diǎn)提供保護(hù)及安全的資源控制的方法，以期建立第一個(gè)實(shí)際投入使用的主動(dòng)分組系統(tǒng)。


　　該大學(xué)的主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)試驗(yàn)床叫做PLANet，是一種以主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的“主動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)”。它以100Mbit/s以太網(wǎng)為鏈路層，也可以用IP作為鏈路層。PLANet的早期開(kāi)發(fā)使用PLAN語(yǔ)言，有相當(dāng)大的延遲。智能包或網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中的額外代碼，和因此而帶來(lái)的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)的增長(zhǎng)造成了網(wǎng)絡(luò)性能的下降。與PLAN相比，SNAP則展示了其性能的優(yōu)越性，在ping的延遲和吞吐量測(cè)量中與IP網(wǎng)絡(luò)相當(dāng)。


3.1.4 Bowman和CANE


　　喬治亞大學(xué)研究開(kāi)發(fā)出了Odyssey軟件包，由Bowman主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)和CANE執(zhí)行環(huán)境兩部分組成。Bowman建立在一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的傳統(tǒng)操作系統(tǒng)基礎(chǔ)上，作為實(shí)現(xiàn)CANE執(zhí)行環(huán)境的平臺(tái)。以插槽處理模型為基礎(chǔ)的CANE執(zhí)行環(huán)境包括兩部分：一部分是固定的承載程序，它是一個(gè)運(yùn)行時(shí)可重定位的模塊，由主動(dòng)結(jié)點(diǎn)管理器負(fù)責(zé)裝載。承載程序?yàn)榘�提供處理平臺(tái)，可以看作是一個(gè)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(hù)主動(dòng)代碼的定制。承載程序中供嵌入程序運(yùn)行的特定點(diǎn)叫做插槽（Slot），用戶(hù)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(jī)構(gòu)也參與了主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的研究。哥倫比亞大學(xué)研究開(kāi)發(fā)了NetScript。NetScri-
pt語(yǔ)言提供了一種處理分組流的腳本語(yǔ)言，NetScript代理能夠較容易地被發(fā)送到遠(yuǎn)端系統(tǒng)，比如路由器和交換機(jī)，來(lái)使這些結(jié)點(diǎn)可編程。


　　另外還有BBN技術(shù)組的智能包（Smart Packet），能夠利用主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以助于網(wǎng)絡(luò)的管理問(wèn)題。


　　在大多數(shù)情況下，主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)采用離散型實(shí)現(xiàn)機(jī)制，如ANTS和PAN。離散型機(jī)制的性能要優(yōu)于集成型機(jī)制，因?yàn)樵诰W(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)目刂菩畔⑦_(dá)到了最小化。PAN實(shí)現(xiàn)模型從本質(zhì)上講是ANTS實(shí)現(xiàn)模型的內(nèi)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�？梢赃@樣說(shuō)，要在主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)上同時(shí)具有較高的性能、安全性和互操作性，關(guān)鍵在于要有一種短小的、可嵌入的、高性能的移動(dòng)代碼系統(tǒng)。


3.2 主動(dòng)應(yīng)用程序的發(fā)展


　　主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)得以實(shí)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力，因?yàn)樗鼈兪腔�于軟件的，而且主�?dòng)程序可以下載到網(wǎng)絡(luò)結(jié)點(diǎn)中。


　　麻省理工學(xué)院在多播樹(shù)中的主動(dòng)路由器中實(shí)現(xiàn)了主動(dòng)可靠多播（ARM）協(xié)議。路由器盡力而為地緩沖經(jīng)過(guò)它的多播數(shù)據(jù)，通過(guò)在重傳中進(jìn)行本地多播，對(duì)NACK報(bào)文進(jìn)行抑制。麻省理工大學(xué)還提出了一個(gè)用以提高在線拍賣(mài)服務(wù)性能的主動(dòng)協(xié)議，這一主動(dòng)解決方案通過(guò)在主動(dòng)結(jié)點(diǎn)中嵌入代碼，來(lái)實(shí)現(xiàn)過(guò)濾低價(jià)競(jìng)標(biāo)價(jià)的功能。


　　TASC和馬薩諸塞州聯(lián)合研制開(kāi)發(fā)出了PANAMA（Protocol for Active Networking with Adap-
tive Multicast Application）項(xiàng)目，該項(xiàng)目已被證明其所提供的主動(dòng)服務(wù)具有較高的網(wǎng)絡(luò)性能。這些主動(dòng)服務(wù)包括差錯(cuò)恢復(fù)和分組匯聚，從而能夠降低修復(fù)延遲，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬。


　　類(lèi)似地，喬治亞大學(xué)利用CANEs實(shí)現(xiàn)了AER（Active Error Recovery）。AER利用一個(gè)安裝在網(wǎng)絡(luò)中的修復(fù)服務(wù)器來(lái)緩存包以響應(yīng)重傳請(qǐng)求，在接收端抑制冗余的NACK報(bào)文，檢測(cè)分組丟失等。


　　BBN技術(shù)組正在研究通過(guò)輔以智能包（Smart Packet）的主動(dòng)技術(shù)來(lái)提高大型復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的性能。利用主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，管理決策點(diǎn)能夠被移動(dòng)到更靠近被管理結(jié)點(diǎn)，反饋信息也能夠按照需要被控制和管理。


　　在哥倫比亞大學(xué)，NetScript已經(jīng)被建議使用在網(wǎng)絡(luò)管理應(yīng)用方面的研究開(kāi)發(fā)中，比如遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，它使一個(gè)機(jī)構(gòu)能夠從遠(yuǎn)程終端監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)及協(xié)議的性能與狀態(tài)。NetScript還能夠用來(lái)構(gòu)造SNMP代理，或在ATM網(wǎng)絡(luò)中增加可編程能力以便于發(fā)送信號(hào)。


　　在肯塔基大學(xué)，與多播服務(wù)在邏輯上相反的匯聚播（Concast）服務(wù)，和允許客戶(hù)端按照特定程序的設(shè)置約束來(lái)動(dòng)態(tài)識(shí)別一個(gè)或多個(gè)服務(wù)器的任意播（Anycast）服務(wù)已經(jīng)被研究開(kāi)發(fā)。


4 結(jié)束語(yǔ)


　　主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)作為一種動(dòng)態(tài)的運(yùn)行環(huán)境，它支持大量的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，同時(shí)也允許在網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)中加入新設(shè)計(jì)的服務(wù)。主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的研究得到了許多關(guān)注，同時(shí)它在安全、路由、資源分配、網(wǎng)絡(luò)管理服務(wù)以及移動(dòng)性等方面還有待進(jìn)一步地研究，且有許多研究成果已經(jīng)被運(yùn)用到主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的演示中，雖然目前主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)尚在研究試驗(yàn)階段，未曾有實(shí)際網(wǎng)絡(luò)投入使用，但主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的可行性已經(jīng)開(kāi)始改變我們對(duì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)的概念，它對(duì)未來(lái)技術(shù)的形成起到重要的推動(dòng)作用。


　　何 煒，南京郵電學(xué)院科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)2001級(jí)研究生，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)通信與網(wǎng)間互連。


　　沈金龍，南京郵電學(xué)院科學(xué)與技術(shù)系計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)專(zhuān)業(yè)教授，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)通信與網(wǎng)間互連、多媒體通信。


摘自《中國(guó)數(shù)據(jù)通信》