一种网络服务可扩展性分析方法研究

黄津津　汤克明　曹莹莹　吉祖勤

(盐城师范学院信息科学与技术学院　江苏 盐城 224002)



一种网络服务可扩展性分析方法研究

黄津津汤克明曹莹莹吉祖勤

(盐城师范学院信息科学与技术学院江苏 盐城 224002)

服务可扩展性是网络研究中一种非常重要的属性，它的优劣决定着网络系统未来的可用性。综合现有的网络服务可扩展性及其分析方法所面临的问题，用统一的描述方式将不同的网络系统的服务行为抽象为服务拓扑模型，用统一的评价模型进行服务可扩展性分析，以便能够对不同的网络系统进行比较全面而正确的可扩展性评价。利用该可扩展性分析方法对网络路由系统进行实验建模，使用NS2对实验模型进行仿真实验，验证其适用性和优越性，为进一步研究新型网络及其扩展性提供可靠依据。

网络服务拓扑可扩展性模型

0　引　言

在互联网的飞速发展中，传统TCP/IP固定层次互联网的体系结构和设计理念等严重不足的问题越来越受到挑战[1,2]，如何进一步创新和完善互联网体系结构以很好地适应发展的需求，已经引起各国学术界的广泛关注[3,4]。纵观国内外的研究，众多的研究者都把目光投向了对可扩展性的要求，可见在网络研究中可扩展性研究的必要性和重要性。

可扩展性是对网络体系结构在扩展能力的一种衡量，可扩展性分析方法是可扩展性研究的关键工具，但是由于网络系统本身的复杂性和体系结构的多样性，可扩展性研究仍然缺少比较系统性的分析方法支持。文献[5]中从系统规模变化的角度出发给出可扩展性定义，即可扩展性指用户和系统资源的增加不会导致系统性能的明显下降以及管理的复杂性。对于网络体系结构，这样的可扩展性定义不够全面，对网络体系结构的可扩展性特征还不能够准确表达。在文献[6]中提出的多维可扩展性分析方法，从约束条件的个数、评价指标的个数及评价指标的不同表达方式上建立抽象的评价模型。但这样的分析方式并没有从其体系结构本身的特征的出发，在模型中缺少了网络体系结构本身特征的表达。文献[7]中提出了网络完全可扩展性、优化可扩展性和弱扩展性的概念，可以看作是网络变化对整体性能的影响能力的定义。这是从可扩展的能力上来进行分类，可以有效地用在不同系统的扩展性的比较中，但这种分析并不能深入解释体系结构可扩展性优劣的影响因素。由于采用的侧重点、描述方式和评价策略不同，在可扩展性优劣的比较中对不同的网络系统往往不能从根本上说明其差异性。

本文以网络服务实体为基本单元，提出一种网络服务可扩展性的分析方法。该方法将不同的网络系统行为用统一的描述方式抽象出服务拓扑模型，并通过统一的评价模型对不同的可扩展性评价测度进行分析，以便对比并能正确分析出不同网络系统的服务可扩展性差异及其影响因素，其分析流程如图1所示。分析对象是需要进行分析的网络系统的服务行为，确定分析对象是服务可扩展性分析的起点；服务拓扑模型是将网络模型的服务行为抽象而出的，是可扩展性分析的基本模型；评价模型是对服务模型选择用于可扩展性的描述特征和计算方式，对不同网络系统进行服务可扩展性评价和测试。该分析方法可以用于分析由于网络体系结构、网络拓扑结构、组网技术、网络互连等的不同而导致的服务可扩展性的差异，为网络服务扩展性分析提供了一个具有通用性的工具。

图1　网络服务可扩展性分析方法

1　网络服务拓扑模型

服务拓扑模型是网络系统服务行为的抽象描述，由服务和关系这两种基本元素构建成。服务是服务拓扑模型的基本单元，是对在网络系统中能够完成某种功能的交互主体的抽象。服务之间最基本的关系是依赖关系和交互关系。依赖关系是服务之间存在交互的相互关联方式的描述；交互关系是对网络系统上应用的描述。服务拓扑元素关系如图2所示。

图2　服务拓扑元素关系

将服务S(Service)用S={A,c}描述。A是服务的属性向量，A={a1,a2,…,an}，ai表示服务的第i种属性；c是服务的类型，根据服务的功能的不同而分类的。

将交互关系定义为E={S1,S2,…,Sm}。E是一个服务集合，交互关系E中的各元素都参与了交互关系E。

静态服务拓扑是服务之间依赖关系的描述。如果用S_set表示服务的集合，R_set表示依赖关系的集合，E_set表示交互关系的集合，网络系统的静态服务拓扑(T)可以表示成T={S_set, R_Set, E_Set, f}，其中f:S_set×S_set定义为服务到服务的映射函数，其中依赖关系作为映射关系。动态服务拓扑是在静态服务拓扑定义的基础上增加时间t，可以表示为T(t)={S_set(t), R_Set(t), E_Set(t), f(t), J(t)} ，其中J(t)是服务拓扑的变化规则集合。

2　评价模型

服务评价指标是指能够体现网络结构特性的具有实际意义的指标量，是网络系统服务可扩展性评价的直观表达(比如一个网络系统的总负载量、网络系统的平均资源定位效率、传输延时等)。根据具体的需求分析，确定选择一个或多个评价指标。如果评价指标只有一个即v(t)，则可以直接用指标值的动态变化v(t+1)/v(t)来表示网络结构在此方面的服务可扩展性。如果选取了多个评价指标，并且这多个指标的益害性、成长规则相同，则需进行加权求和，用以表示网络结构在这若干个方向的综合可扩展性，即多维可扩展性。其计算分析公式如下所示：

(1)

其中αi表示指标vi在综合评价中的重要性权值，且有α1+α2+α3=1。

评价指标分为有益指标和有害指标，同时指标也会随着不同的成长规则增大或减小。如果多个服务评价指标益害性、成长规则不同，仅以此计算分析来体现评价指标与可扩展性的关系是不够的，可以通过分析网络系统的服务拓扑模型的特征维持能力和特征演进能力两个方面来评价网络服务可扩展性的优劣。使用式(2)可得出服务拓扑的变化系数，然后根据情形进行分析，当网络性能随着扩展变换而降低时，分析网络的特征维持能力；当网络性能随着扩展而得到优化时，分析网络的特征演进能力。

(2)

其中，原服务拓扑为T，经过n次动态变换后为T′ ，评价指标数量为i，diff表示平均每次动态变化导致服务拓扑发生变化的变化系数。

特征维持能力是表达能够维持原有特征的能力，特征演进能力可以看成是按照指定方向改进其特征的改变的能力。对于这两方面能力的区别主要是扩展的目标不同，如图3所示。

图3　可扩展性表达示意图

特征维持能力和特征演进能力是可扩展性表现的两种方式，不同的结构和不同的变换方式可以导致不同的结果，服务拓扑的可扩展性分析是基于这两种能力的分析，然后还需在仿真系统中进行验证。

3　实验建模

本实验分析的是不同变换规则下域内路由系统的服务可扩展性。对于路由系统的服务可扩展性关键在于路由系统的规模和效率，对域内路由系统的分析主要关注其服务拓扑在动态变换过程中可扩展性的变化。

将路由器(路由节点)抽象为服务，将路由之间的连接关系抽象为依赖关系。建立服务S={A,c},A=(time, table_len, id) ，Time是转发延时(即转发处理时间)，table_len是路由表长度，id是标志属性。依赖关系R={, delay}，将链路延时delay作为依赖的代价。所有依赖的延时设为相等，将链路延时初始化为delay=20ms，服务处理时间初始化为time=20 ms。对于路由系统初始状态的服务拓扑如下：

S={A,c};c=″router″；

A={time, table_len , id};

S_Set={S1,S2,S3,S4,S5,S6},Si.c=″router″(i=1,2,3,4,5,6)

R_Set={R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7}；

R1={,delay1};

R2={,delay2};

⋮

R7={,delay7};

根据路由系统的应用需求，本实验中将任意两个服务之间的最小传输延时作为评价指标。路由系统服务拓扑变换具体步骤如图4所示。

图4　路由系统服务拓扑变换步骤

本实验中为路由系统的规模增长建立以下变换规则，其中涉及到的参数有：服务数量x、依赖关系数量y、服务数量的最大值max。

规则1在服务数与依赖数的比值不变的前提下，每次向服务拓扑中增加x个服务和y条依赖关系，在确保服务拓扑图是联通的基础上，随机添加依赖关系，直到服务数达到max值。

规则2在服务数与依赖数的比值不变的前提下，每次向服务拓扑中增加x个服务和y条依赖关系，在确保服务拓扑图是联通的并且没有自循环的基础上，服务的依赖度数越高依赖连接的概率就越高(服务Si依赖连接的概率为p=ki/2m，其中ki为服务Si的度数，m为服务拓扑中的依赖关系数量)，直到服务数达到max值。

由规则1和规则2变换得到服务拓扑T2和T3，再依照规则3和规则4对T2和T3进行变换。

规则3在依赖关系的平均延时不变的前提下，减少依赖度数较高的服务节点之间的依赖关系的延时，增加依赖度数较低的节点之间的依赖关系的延时。算法具体描述如下：

(1) 随机选择两个依赖关系Ri和Rj，计算其两端服务的依赖度数之和ki和kj。

(2) 若ki>kj，且ki>x，则将Ri的延时减去x，Rj的延时加上x；反之则将Ri的延时加上x，Rj的延时减去x。

(3) 重复上述步骤(1)和(2)n次。

规则4在服务属性中的平均转发时延不变的前提下，减少依赖度数较高的服务节点的转发时延，增加依赖度数较低的节点的转发时延。算法具体描述如下：

(1) 随机选择两个服务Si和Sj，其依赖度数分别为ki和kj。

(2) 若ki>kj，且Si的转发延时大于x，则将Si的转发延时减去x，Sj的转发延时增加x；反之则Si的转发延时加上x，Sj的转发延时减去x。

(3) 重复上述步骤(1)和(2)n次。

规则1和规则2是对网络系统规模的增长规则，规则3和规则4是对路由系统的优化变换规则。依据变换规则和评价指标，在规则1和规则2变换之下的服务拓扑模型的服务可扩展性体现在特征维持能力，随着服务拓扑模型规模的增大，路由系统期望依然能够保持小规模时的传输能力。在规则3和规则4变化之下的服务拓扑模型的可扩展性体现在特征演进能力，路由系统期望能够最大限度的演进最小传输延时。

4　实验仿真与分析

本实验选择使用网络仿真软件NS2[8-10]，模拟的区域是1000 m×1000 m的方形区域，服务节点的总数为550个，随机分布在模拟区域内。对本文提出的方法中服务拓扑模型涉及到的参数设定如下：将路由服务数据处理延时参数设置为20 ms，依赖代价延时参数设置为20 ms，每五次变换进行一次记录一次分析结果。仿真结果中，将随机选择20个服务之间发送1 MB数据所需时间作为仿真结果评价值。

由图5仿真结果比较可知，经过规则2的变换后服务路由系统的平均延时的上升幅度明显比规则1变换后路由系统的慢，但是随着服务数量的增加，两者的上升变化都趋于稳定。这是因为规则2使用偏好连接方式进行变换，产生的结构具有更好的链路效用，比规则1具有更强的特征维持能力。

图5　规则1和规则2变换下链路平均延时仿真结果

由图6仿真结果比较可知，服务拓扑T2和T3经过规则3和规则4的变换，其平均延时都在下降。同一种变换下，T3要比T2延时小。这是因为T3在优化过程中性能比T2略强一些，T3的特征演进能力略优于T2的特征演进能力。

图6　规则3和规则4的动态仿真结果

由实验仿真与分析，可以得出结论：由于路由系统的结构与变换规则不同导致其可扩展性的不同，偏好连接的动态拓扑路

由系统具有较优的可扩展能力。进而可以验证，所提出的网络服务可扩展性分析方法在分析网络服务系统的可扩展性方面具有适用性和优越性。

5　结　语

网络系统的服务可扩展性不仅在技术研究中被作为评价网络体系结构优劣的重要指标，而且在理论研究中也被用来作为理论分析的重要依据。本文提出的一种网络服务可扩展性分析方法，将不同的网络系统行为用统一的描述方式抽象出服务拓扑模型，并通过统一的评价模型对其进行可扩展性分析，以便对比并能正确分析出不同网络系统的可扩展性差异及其影响因素。实验仿真与理论分析的结果基本吻合，为网络服务扩展性分析提供了一个具有通用性的工具，对进一步研究新型网络及其扩展性具有一定的指导意义。但是由于网络系统本身的复杂性和体系结构的多样性，下一步的研究将从服务拓扑模型这一基本理论出发，找出服务拓扑本身更多的更加准确的可用在可扩展性分析方面的性质和特征，研究新型网络体系结构其他方面的特性，如安全性，移动性和易管理等。

[1] Jian R.Internet 3.0:Ten Problems with Current Internet Architecture and Solutions for the Next Generation[C]//Proceedings of IEEE Military Communications Conference(Milcom 2006). Washington, DC:IEEE Press,2006:1-9.

[2] Clark D,Wroclawski J,Sollins k,et al.Tussle in Cyberspace:Defining Tomorrow’s Internet[C]//Proceedings of ACM SIGCOMM,2002:347-356.

[3] Pan J,Paul S,Jain R.A survey of the research on future internet architectures[J].Communications Magazine,IEEE,2011,49(7):26-36.

[4] 刘韵洁.三网融合与未来网络的发展[J].重庆邮电大学学报:自然科学版,2010,22(6):693-697.

[5] Neuman B C.Scale in Distributed Systems[M].Readings in Distributed Computing System.Los Alamitos:IEEE Computer Society Press,1994:463-489.

[6] Xu K,Xu M W,Li Q,et al.Analysis and Case Study on Multi-dimensional Scalability of Internet Architecture[J].Science in China Series F:Information Sciences,2008,51(11):1661-1680.

[7] Arpacioglu O,Small T,Haas Z J.Notes on scalability of wireless ad hoc networks[S].Internet draft,work in progress,2003.

[8] Fall K,Varadhan K.The NS Manual[EB/OL].http://www.isi.edu/nsnam/ns/doc/index/html.

[9] The network simulator NS-2:Documentation[DB/OL].http://www.isi.edu/nsnam/ns/ns-documentation/html.

[10] 陈筠翰,秦贵和,叶晨思,等.基于NS2的控制器局域网网络管理模拟系统[J].南京理工大学学报,2013,37(1):44-51.

RESEARCH ON A SCALABILITY ANALYSIS METHOD FOR NETWORK SERVICES

Huang JinjinTang KemingCao YingyingJi Zuqin

(CollegeofInformationScienceandTechnology,YanchengTeachersUniversity,Yancheng224002,Jiangsu,China)

Service scalability is a very important attribute in network research. The quality of service scalability determines the availability of network in the future. This paper colligates the problems encountered by current scalabilities of network services and their analyses methods, uses uniform description means to abstract the service behaviours of different network systems as the service topology models, and then analyses the services scalability by unified evaluation model, so as to carry out rather comprehensive and correct evaluation on the scalabilities of different network systems. Moreover this scalability analysis method is used in experimental modelling of network routing system, and the NS2 is employed to carry out simulation experiment on experimental model to verify its applicability and superiority. This provides the reliable basis for the further research of novel networks and their scalability.

Network serviceTopologyScalabilityModel

2015-05-09。国家自然科学基金项目(61379064)。黄津津，副教授，主研领域：计算机网络，信息技术教育。汤克明，教授。曹莹莹，副教授。吉祖勤，讲师。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.08.006