层叠网资源分配问题的研究与实现

周卓镛

（杭州师范大学钱江学院 计算机科学与技术系，浙江 杭州 310012）

根据多年来我们对网络设备和相关协议软件的研究经验，对相关问题的解决，已经不能只孤立地从网络层次考虑，必须把栅格服务的需求特点和当前网络的现实状况相结合，采用“跨层优化”的思想，通过在传统网络和栅格服务平台间添加一个新网络适配层次(层叠网络)来解决。

1 层叠网体系结构和相关技术

1.1 层叠网体系

层叠网络具有广阔的市场应用前景，但是在传统IP网络和各种专用网络中如何为层叠网络提供有效支持，以及层叠网络如何充分利用多种下层网络提供的传输机制来提高应用性能和抗打击的能力，实现网络整体效能的最大化，都是需要解决的重要问题。其中最为关键的问题包括可感知网络技术、开放可扩展网络协议模型、应用层组播技术、应用层服务质量保证技术和大规模流媒体的层叠网技术。高效的层叠网络需要下层网络提供路由控制功能，感知下层网络的拓扑信息，针对物理网络拓扑进行优化。“可感知网络”将网络的部分服务对用户开放，在端用户拥有更多智能的假设条件下，为用户提供更加灵活的传输服务，如主动路由控制(如进行显式路由选择)、主动策略路由、主动路径特性感知(如路径MTU发现，避免网络传输中进行报文分段)等。典型研究项目有Berkeley大学的“ Routing as a Service”，允许用户显式地请求网络的路由服务，获取网络的路由信息，用户再根据自身的决策，主动选择合适的传输路径。

1.2 多服务层叠网

多服务层叠网它位于中间层，是由承载节点构建的一个Overlay网络。其主要功能是:在传统Internet和各种专用网络上构建一个层叠网络，屏蔽下层物理承载网络的实现差异，避免传统工P网络中各种服务只能部署在网络边缘的问题，作为上层栅格计算环境的网络服务基础设施。

1.3 层叠网的设计原则

设计和建立新一代网络体系结构一方面必须考虑到尽量保持当今网络基础设施不进行大幅度的修改;另一方面要迎合不断变化和增长的外界需求。从而保持网络发展的一致性和连贯性。所以说新一代网络体系结构必须能够适应多服务模型和复杂应用需求，既能够屏蔽底层网络通讯基础设施的异构性，又能够提供一个统一、开放、安全、可扩展、可管理的高性能服务平台，从而支持快速的灵活的开发、集成、部署和定制各种网络应用。借鉴融合互补原则、面向服务和开放性设计原则，才能把握下一代网络作为人类社会信息基础设施的本质特征和网络研究重点正在从通信向服务进行跃迁的发展趋势，我们把已经在新型网络体系结构研究方面所取得的成果进一步引向深入并且参考其他现有新型网络体系结构和应用体系结构研究的思路并且结合特定的应用需求我们提出一种结构分层、功能分块、面向多服务的新一代网络体系结构一面向多服务的新型网络模型。

2 层叠网资源分配的设计方案和实现

2.1 应用层组播的算法思想

应用层组播的基本思想是屏蔽底层物理网络的拓扑细节，将组成员节点直接自组织成一个逻辑覆盖网络，并在应用层提供组播路由协议来构建和维护该网络，为数据传输提供高效、可靠服务。应用层组播将所有组播功能完全集中在主机，由应用层软件具体实现。从部署位置上来看，应用层组播试图将组播功能推向应用上层。应用层组播功能实现于终端主机中，组成员的动态性对组播有很大影响。应用层组播协议不仅要提供有效的数据组播分发树，还要针对节点的动态性提供可靠的组管理算法。协议设计强调在动态网络环境下维持网络的稳定性。应用层组播路由协议设计面临的主要问题是，如何在广域环境下，针对节点的动态性，在节点上建立必要的状态信息，并根据这些信息构建优化的组播路由协议。

2.2 配置算法工作流程

在下图中我们描述了对层叠网络进行资源分配的工作流程，即系统图。如图所示，系统对底层网络周期性地进行检测，获取底层网络在CPU可利用率和网络链路可用带宽的信息之后，将获得的这些原始数据进行初步处理转换成为系统可识别的格式，以待进行下一步的处理。这一过程的核心任务是把得到的网络数据根据用户提交的资源请求进行预处理，预处理之后，再根据资源分配算法进行资源分配，得到用户需要的资源集合。

3 原型系统测试与分析

3.1 原型系统测试环境

硬件系统配置:CPU:Pentium (R)4 2.66GHz、内存:VDATA SDRAM 512M、网卡:Intel(R)PRO/1000 MT Network Connection、硬盘:Maxtor 6V 160E0 1606、交换机:TP-LINK TL-SF 1008+。软件系统配置:操作系统:Linux Fedora 4、虚拟机:VMware Workstation 6。

3.2 原型系统实现

3.2.1 资源分配的系统模型

原型系统它由3个部分组成：一个底层网络，这个底层网络是为上层用户提供公共服务的平台，在我们的研究中，可以简化为提供节点和节点间通信的链路。一个中心数据库，负责存储当前网络的数据信息，包括节点CPU可利用率和链路可用带宽。用户提交的资源请求，用来配置满足用户要求的拓扑结构，在组播应用中，包括组播应用必须覆盖的节点和对网络资源的其它要求。

3.2.2 最短路径算法的具体实现二

该算法采用经典的dijkstra最短路径算法。

3.3 性能评估

将原型系统的资源分配结果同使用最小节点负载分配和随机分配的结果进行对比，我们可以清楚地看到使用原型系统的分配方案显著地提高了网络的可用带宽。特别需要指出的是，使用原型系统的分配方案能够使超过%%的层叠网链路拥有大于60Mbps的可用带宽。而与之相对的是，通过最小节点负载模式的分配结果有超过一半的层叠网链路可用带宽低于60Mbps;而随机选择模式在链路性能方面比最小节点负载模式稍好，因为它将负载分摊给了所有的底层节点。但是，随机分配方案的结果在链路性能上比原型系统还有很大差距。

层叠网的一个重要的用途是路由转发，在路由转发时，可用带宽是一个重要的参考因素，因为数据会通过层叠网上有着最大带宽的路径从数据源发送到目的端。为了展示我们的分配方案能够适应路由转发的需求，我们搜集每对层叠网节点之间的最宽路径。通过与其它两种模式进行比较，我们发现，通过原型系统进行分配方案在效率上要远远地将其它两种方案抛在脑后。

[1]李振宇，卢泽新，张晓哲，李海军，基于层叠网的流媒体算法研究，中国科协年会，2007年.

[2]李国杰，关于下一代网络体系结构，中国工程科学，2002年.