王一明，劉 穎，郜 帥

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

基于一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)的研究

王一明，劉 穎，郜 帥

(北京交通大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京 100044)

隨著大數(shù)據(jù)和云計(jì)算的快速發(fā)展，數(shù)據(jù)流管控在網(wǎng)絡(luò)性能方面有著舉足輕重的作用，研究網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流對(duì)于優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能至關(guān)重要。目前，一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)支持異常流量檢查、復(fù)雜映射模式和移動(dòng)性等功能，但是在數(shù)據(jù)流管控方面還缺少進(jìn)一步的研究。因此一個(gè)良好的數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)能夠優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，提升網(wǎng)絡(luò)性能，促進(jìn)一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的完善。設(shè)計(jì)了一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)，通過(guò)位于接入交換路由器的數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊以及位于映射服務(wù)器的數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊協(xié)同工作，計(jì)算數(shù)據(jù)流全網(wǎng)路徑的最小代價(jià)，優(yōu)化數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的細(xì)粒度控制。通過(guò)測(cè)試分析此機(jī)制的優(yōu)越性，證明在一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中部署該管控系統(tǒng)利于提高網(wǎng)絡(luò)性能。

一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)；流量檢測(cè)；數(shù)據(jù)流調(diào)度；細(xì)粒度控制

0 引 言

一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)[1]是根據(jù)身份與位置分離體系思想重新設(shè)計(jì)的一種新型網(wǎng)絡(luò)。該網(wǎng)絡(luò)通過(guò)引入接入標(biāo)識(shí)和路由標(biāo)識(shí)，有效地消除IP地址的二義性，提高網(wǎng)絡(luò)的性能、安全以及可擴(kuò)展性。標(biāo)識(shí)分離映射理論[2]是一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的核心理論，它在接入網(wǎng)中定義了接入標(biāo)識(shí)代表用戶身份信息，在核心網(wǎng)中定義了路由標(biāo)識(shí)代表用戶位置信息[3]，在接入交換路由器上實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的分離，在標(biāo)識(shí)映射服務(wù)器上存儲(chǔ)接入標(biāo)識(shí)和路由標(biāo)識(shí)的映射關(guān)系，完成對(duì)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)終端的身份信息與位置信息的分離。

目前，關(guān)于一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的研究越來(lái)越深刻，在數(shù)據(jù)流管控領(lǐng)域有一定的研究成果。在網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)方面[4]，提出了流量異常監(jiān)控系統(tǒng)。通過(guò)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)流量信息，對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，排除網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)安全。在映射方式方面[5]，提出了復(fù)雜映射系統(tǒng)[6]，包括多個(gè)接入標(biāo)識(shí)映射為一個(gè)路由標(biāo)識(shí)以及一個(gè)接入標(biāo)識(shí)映射為多個(gè)路由標(biāo)識(shí)的映射方式，可以通過(guò)協(xié)議類(lèi)型端口號(hào)等條件增加對(duì)數(shù)據(jù)映射的管理[7]。如何建立更為優(yōu)化的數(shù)據(jù)流管控機(jī)制是一體化網(wǎng)絡(luò)研究的重點(diǎn)。

對(duì)于分離映射機(jī)制而言，通過(guò)在接入交換路由器配置映射選項(xiàng)[8]的方式，開(kāi)啟映射模塊，可支持IPv4/IPv6[9-10]。在核心網(wǎng)默認(rèn)使用等值多路徑技術(shù)，對(duì)于存在多條不同鏈路到達(dá)同一目的地址的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使用ECMP技術(shù)可以在該網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下同時(shí)使用多條鏈路，不僅增加了傳輸帶寬，而且可以實(shí)現(xiàn)等值情況下，多路徑負(fù)載均衡的目的。然而，各路徑的帶寬、時(shí)延和可靠性等不一樣，讓代價(jià)值相同，不能很好地利用帶寬，尤其在路徑間差異較大時(shí)，嚴(yán)重影響了網(wǎng)絡(luò)性能。因此，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)流的感知、監(jiān)測(cè)和調(diào)度[11]，對(duì)于提高網(wǎng)絡(luò)性能，保證網(wǎng)絡(luò)安全[12]有著至關(guān)重要的作用。

基于一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)，在網(wǎng)絡(luò)流量監(jiān)測(cè)模塊的基礎(chǔ)上，提出了分離映射網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)[13]。該原型系統(tǒng)通過(guò)數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊檢測(cè)數(shù)據(jù)流信息，通過(guò)數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊管理網(wǎng)絡(luò)資源[14]，計(jì)算全網(wǎng)路徑的最小代價(jià)，并且控制數(shù)據(jù)流的分離映射路徑。這種集中管控的方式，針對(duì)大數(shù)據(jù)流[15]，能夠較大地提升一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能。

1 一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)

一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)是一種二層的網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，分為網(wǎng)通層和服務(wù)層。其中網(wǎng)通層是由OSI模型中的網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層、物理層組成，是一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中提供全網(wǎng)通信的基礎(chǔ)平臺(tái)和通信保障。服務(wù)層對(duì)應(yīng)OSI七層網(wǎng)絡(luò)模型的傳輸層、會(huì)話層、表示層和應(yīng)用層，負(fù)責(zé)各種服務(wù)、業(yè)務(wù)的連接、控制和管理功能。文中主要研究網(wǎng)通層的結(jié)構(gòu)和標(biāo)識(shí)分離映射理論以及實(shí)現(xiàn)，并且針對(duì)分離映射系統(tǒng)，提出新的數(shù)據(jù)流管控機(jī)制，能夠優(yōu)化數(shù)據(jù)流的調(diào)度，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

網(wǎng)通層是一體化網(wǎng)絡(luò)中各種服務(wù)、業(yè)務(wù)的支撐部分。主要完成兩方面的功能，一是提供多元化網(wǎng)絡(luò)的接入，二是為一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)終端提供一個(gè)網(wǎng)絡(luò)通信平臺(tái)。網(wǎng)通層將網(wǎng)絡(luò)分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)。接入網(wǎng)和核心網(wǎng)分別使用接入標(biāo)識(shí)和路由標(biāo)識(shí)，接入標(biāo)識(shí)(AID)代表身份信息，路由標(biāo)識(shí)(RID)代表位置信息。然后通過(guò)標(biāo)識(shí)分離映射理論，實(shí)現(xiàn)接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的分離，最終實(shí)現(xiàn)終端身份信息與位置信息的分離。標(biāo)識(shí)分離映射理論建立了接入管控機(jī)制和網(wǎng)絡(luò)行為控制機(jī)制，使一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)本質(zhì)上具備可信可控性。

根據(jù)分離映射理論，在一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中，接入網(wǎng)的終端通過(guò)一個(gè)或者多個(gè)接入交換路由器連接到核心網(wǎng)，核心網(wǎng)的路由器互相連接構(gòu)成全局路由網(wǎng)絡(luò)。接入網(wǎng)負(fù)責(zé)用戶的接入，核心網(wǎng)負(fù)責(zé)路由信息的管理。

分離映射工作主要在接入交換路由器上完成。接入交換路由器具備維護(hù)路由表，轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包以及接入標(biāo)識(shí)與路由標(biāo)識(shí)替換的功能。當(dāng)終端第一次發(fā)起數(shù)據(jù)請(qǐng)求，接入交換路由器從接入網(wǎng)收到數(shù)據(jù)包，并準(zhǔn)備向核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)時(shí)，把數(shù)據(jù)包首部中的接入標(biāo)識(shí)替換為路由標(biāo)識(shí)，分配新的映射關(guān)系，通告給映射服務(wù)器。當(dāng)對(duì)端接入交換路由器從核心網(wǎng)收到使用路由標(biāo)識(shí)的數(shù)據(jù)包后，在向接入網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)前，會(huì)首先查找自身映射表中是否存在相應(yīng)映射關(guān)系。如果存在，則將數(shù)據(jù)包首部中的路由標(biāo)識(shí)替換為接入標(biāo)識(shí)；如果不存在，則向映射服務(wù)器查詢(xún)相應(yīng)的映射關(guān)系，當(dāng)映射服務(wù)器返回結(jié)果后，將數(shù)據(jù)包頭部的路由標(biāo)識(shí)替換為接入標(biāo)識(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)到接入網(wǎng)，完成數(shù)據(jù)通信。如此，用戶的隱私、網(wǎng)絡(luò)安全性、可控可管性和移動(dòng)性在網(wǎng)絡(luò)部分得到很好的支持。

2 數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 設(shè)計(jì)思路

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)感知、系統(tǒng)資源的利用以及對(duì)于數(shù)據(jù)流的集中管控，數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)包括兩個(gè)模塊：數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊。在接入交換路由器上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊，在映射服務(wù)器上設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊。通過(guò)數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的區(qū)分與通告，利用數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)絡(luò)流量的管控與調(diào)度。兩個(gè)模塊協(xié)同工作，完成對(duì)一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)流的管控。

數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)分為三個(gè)步驟。首先在接入交換路由器上檢測(cè)指定數(shù)據(jù)流，然后匯集網(wǎng)絡(luò)信息，在映射服務(wù)器上計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑，最后下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)表，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)。

系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)流調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊位于接入交換路由器上，收集來(lái)自終端的數(shù)據(jù)流信息，包括數(shù)據(jù)流大小、網(wǎng)絡(luò)接口等網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。當(dāng)來(lái)自終端的數(shù)據(jù)流到達(dá)接入交換路由器時(shí)，位于接入路由器上的數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊，實(shí)時(shí)檢查數(shù)據(jù)流，分析網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，并把分析處理的結(jié)果發(fā)送到位于映射服務(wù)器上的數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊。

數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊位于映射服務(wù)器上，該模塊定時(shí)與數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊進(jìn)行通信，當(dāng)收到數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包信息時(shí)，數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊通過(guò)流量采集，網(wǎng)絡(luò)資源感知，計(jì)算合適的路徑，重新分配網(wǎng)絡(luò)資源，下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)消息到接入交換路由器，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流的路徑分配。

數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)模塊之間的通信過(guò)程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)通信流程

在整個(gè)系統(tǒng)中，接入交換路由器對(duì)數(shù)據(jù)流進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。周期性地發(fā)送數(shù)據(jù)流信息到映射服務(wù)器。當(dāng)映射服務(wù)器收到來(lái)自接入交換路由器的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)消息，立即回送網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息確認(rèn)，保證對(duì)數(shù)據(jù)流每次變化進(jìn)行回應(yīng)。數(shù)據(jù)流調(diào)度系統(tǒng)接收網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)信息，通過(guò)計(jì)算處理，獲取最優(yōu)路徑。由于計(jì)算處理需要一定的時(shí)間開(kāi)銷(xiāo)，稍作延遲下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)消息給接入交換路由器。一旦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流發(fā)生變化，系統(tǒng)會(huì)動(dòng)態(tài)更新相應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)路徑。這就是數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)中兩個(gè)核心模塊的通信過(guò)程。

在數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)中，定義數(shù)據(jù)流為源-目的相同的數(shù)據(jù)包的集合。在網(wǎng)絡(luò)中，充斥著各種數(shù)據(jù)流，其中大數(shù)據(jù)流是構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)流量的主要部分。因此，該系統(tǒng)重點(diǎn)解決在一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中大數(shù)據(jù)流的集中管控。

2.2 模塊設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)分為數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊和數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊。模塊具有高聚合、低耦合的特性，通過(guò)數(shù)據(jù)通信實(shí)現(xiàn)模塊之間的協(xié)同工作。

模塊設(shè)計(jì)如圖3所示。

1)數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊。

數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊用來(lái)檢測(cè)數(shù)據(jù)流，獲取網(wǎng)絡(luò)信息。具備數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)捕獲等功能。該模塊包括流量采集、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信四個(gè)子模塊。

圖3 數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

工作流程分為四步：

(1)流量采集，捕獲數(shù)據(jù)流，提取數(shù)據(jù)包信息；

(2)統(tǒng)計(jì)分析，解析數(shù)據(jù)包生成數(shù)據(jù)流信息摘要；

(3)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，在數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)數(shù)據(jù)流信息；

(4)數(shù)據(jù)通信，與數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊通信。

一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)終端位于接入網(wǎng)中，所有的用戶流量都是通過(guò)接入交換路由器接入網(wǎng)絡(luò)。然后在接入交換路由器進(jìn)行數(shù)據(jù)包的映射替換(AID-RID)和逆映射替換(RID-AID)。在核心網(wǎng)中使用路由標(biāo)識(shí)RID進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。分析數(shù)據(jù)包的AID能夠反映用戶的數(shù)據(jù)特性和行為特性。因此數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊位于接入交換路由器接入網(wǎng)端，用于捕獲源/目的接入標(biāo)識(shí)AID的原始流量信息。

2)數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊。

數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)制定數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)策略，具備網(wǎng)絡(luò)資源感知、數(shù)據(jù)通信和計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)等功能。該模塊包括網(wǎng)絡(luò)資源感知、數(shù)據(jù)通信、分析計(jì)算和資源分配四個(gè)子模塊。

工作流程分為四步：

(1)資源感知，感知網(wǎng)絡(luò)資源，獲取路徑信息；

(2)數(shù)據(jù)通信，與數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊通信；

(3)分析計(jì)算，計(jì)算大數(shù)據(jù)流的最優(yōu)路徑；

(4)資源重分配，重路由，分配最優(yōu)路徑。

接入交換路由器分配映射關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊檢測(cè)數(shù)據(jù)流大小，針對(duì)大數(shù)據(jù)流，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)鏈路狀態(tài)，分配映射關(guān)系與轉(zhuǎn)發(fā)路徑。映射關(guān)系支持復(fù)雜映射策略，包括一對(duì)多、多對(duì)一映射。轉(zhuǎn)發(fā)路徑為網(wǎng)絡(luò)資源感知確定的數(shù)據(jù)流路徑或者ISP提供的高帶寬鏈路。因此數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊能夠提高一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)流的管控能力。

3 數(shù)據(jù)流調(diào)度系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

3.1 數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊

數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊包括流量采集、統(tǒng)計(jì)分析、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)通信子模塊。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，初始化四個(gè)進(jìn)程，各自獨(dú)立完成上述工作。

流量采集使用數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)，捕獲網(wǎng)絡(luò)上全部或者特定部分的數(shù)據(jù)包信息。通過(guò)監(jiān)聽(tīng)接入路由器網(wǎng)卡實(shí)時(shí)捕獲流經(jīng)端口的數(shù)據(jù)包。常見(jiàn)的捕獲技術(shù)有以下幾種：SOCKET_PACKET套接字，數(shù)據(jù)鏈路層接口(Data Link Provider Interface，DLPI)以及伯克利數(shù)據(jù)包過(guò)濾器(Berkeley Packet Filter,BPF)。目前主流的開(kāi)發(fā)庫(kù)LibPcap(Library of Packet Capture)基于BPF的捕獲機(jī)制，在Linux下的數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)多數(shù)基于LibPcap開(kāi)發(fā)庫(kù)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

為了提高數(shù)據(jù)捕獲能力以及軟件的并發(fā)性能,數(shù)據(jù)捕獲功能采用基于LibPcap函數(shù)庫(kù)的多線程設(shè)計(jì)方式，在主線程啟動(dòng)之后，激活捕獲子線程、掃描子線程和發(fā)送子線程。數(shù)據(jù)流檢測(cè)模塊內(nèi)核版本2.6.28。

數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，接收流量采集的數(shù)據(jù)包信息，然后按照指定的格式分析提取數(shù)據(jù)包數(shù)據(jù)部分的流摘要信息，將提取出來(lái)的每一條流摘要記錄存儲(chǔ)到本地?cái)?shù)據(jù)庫(kù)。數(shù)據(jù)庫(kù)中數(shù)據(jù)流格式包括流序號(hào)、類(lèi)型、約束條件、源地址、目的地址和說(shuō)明。數(shù)據(jù)庫(kù)中每一行代表一條流記錄信息。

統(tǒng)計(jì)分析，匯總存儲(chǔ)數(shù)據(jù)庫(kù)中的流量記錄，根據(jù)數(shù)據(jù)流量的大小，結(jié)合給定的閾值，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果。閾值是給定的有關(guān)數(shù)據(jù)流大小的參數(shù)，可以通過(guò)統(tǒng)計(jì)單位時(shí)間內(nèi)通過(guò)源-目的地址的數(shù)據(jù)包的個(gè)數(shù)確定。通過(guò)調(diào)節(jié)閾值實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)流大小的控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流不同程度的管控。

數(shù)據(jù)通信，負(fù)責(zé)與數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊進(jìn)行通信，建立客戶-服務(wù)器模型，建立TCP連接，在定時(shí)器的控制下，周期發(fā)送數(shù)據(jù)流統(tǒng)計(jì)分析的結(jié)果。

3.2 數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊

數(shù)據(jù)流調(diào)度模塊包括網(wǎng)絡(luò)資源感知、數(shù)據(jù)通信、分析計(jì)算和資源分配四個(gè)子模塊。該模塊初始化三個(gè)進(jìn)程，對(duì)應(yīng)前三項(xiàng)功能，當(dāng)計(jì)算分析完成，建立新的進(jìn)程實(shí)現(xiàn)資源分配。

數(shù)據(jù)通信子模塊，建立客戶-服務(wù)器模型。主流的I/O模型有阻塞/非阻塞，I/O復(fù)用以及進(jìn)程線程模型等。為保證集中處理的效率，該子模塊使用多線程模型。當(dāng)程序開(kāi)始時(shí)，初始化數(shù)據(jù)通信模塊，創(chuàng)建兩個(gè)子線程(接收線程和處理線程)，分別完成數(shù)據(jù)包的接收和信息提取存儲(chǔ)功能。接收到數(shù)據(jù)包的同時(shí)，會(huì)觸發(fā)相應(yīng)處理操作。

考慮到系統(tǒng)擴(kuò)展問(wèn)題，當(dāng)映射服務(wù)器管理更多的接入交換路由器時(shí)，要考慮TCP連接并發(fā)性問(wèn)題。使用epoll模型處理，相比較傳統(tǒng)的select模型，該模型無(wú)最大并發(fā)數(shù)限制，通過(guò)內(nèi)存拷貝技術(shù)提高內(nèi)核層與應(yīng)用層的傳輸效率。

網(wǎng)絡(luò)感知子模塊，感知獲取網(wǎng)絡(luò)資源。獲取鏈路信息、帶寬、時(shí)延、鏈路負(fù)載、鏈路利用率等參數(shù)，發(fā)送到分析子模塊。由分析子模塊分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，確定網(wǎng)絡(luò)中路徑的代價(jià)，比如高帶寬、高延遲的路徑。通過(guò)計(jì)算子模塊加權(quán)計(jì)算不同路徑的代價(jià)，求出針對(duì)大數(shù)據(jù)流總代價(jià)的最小值。由資源分配子模塊重新分配網(wǎng)絡(luò)路徑，并且將最優(yōu)化的路徑下發(fā)的接入交換路由器，實(shí)現(xiàn)大數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，控制數(shù)據(jù)流的調(diào)度。

針對(duì)大數(shù)據(jù)流，首先查找ISP是否提供了高帶寬路徑，轉(zhuǎn)發(fā)大數(shù)據(jù)流的路由標(biāo)識(shí)，如果提供了此類(lèi)路由標(biāo)識(shí)，直接替換原有的路由標(biāo)識(shí)，采用新的路由標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有ISP提供的高帶寬路徑，則通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源感知獲取網(wǎng)絡(luò)中高帶寬路徑。網(wǎng)絡(luò)中存在多條路徑，每條路徑的鏈路狀態(tài)不同，有的支持大數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)，有的負(fù)載過(guò)重，不宜轉(zhuǎn)發(fā)大數(shù)據(jù)流路徑。

4 測(cè)試分析

搭建測(cè)試環(huán)境，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D4所示。

圖4 測(cè)試環(huán)境

終端A向終端B發(fā)起請(qǐng)求，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源感知，該網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浯嬖趦蓷l網(wǎng)絡(luò)路徑：路徑1為接入交換路由器A-接入交換路由器B，路徑2為接入交換路由器A-路由器C-路由器D-接入交換路由器B。

通過(guò)限制網(wǎng)卡速率使得路徑2支持10 M帶寬，路徑1支持百兆速率。終端A向終端B發(fā)起視頻業(yè)務(wù)的請(qǐng)求，視頻流為大數(shù)據(jù)流業(yè)務(wù)。使用ECMP技術(shù)，路徑1和路徑2實(shí)現(xiàn)等值多路徑，相當(dāng)于利用帶寬20 M，但是對(duì)于路徑1而言，利用率僅僅為10%，效率低下。當(dāng)開(kāi)啟大數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)控制之后，使得大數(shù)據(jù)流通過(guò)路徑1轉(zhuǎn)發(fā)，充分利用網(wǎng)絡(luò)資源，提高效率。

在映射服務(wù)器上，觀察分配的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)流分配表項(xiàng)

該表項(xiàng)顯示的是數(shù)據(jù)流調(diào)度系統(tǒng)針對(duì)大數(shù)據(jù)流的調(diào)度策略，其中Flow為所調(diào)度的大數(shù)據(jù)流的序列號(hào)，Src為源地址，Dst為目的地址，Route為接入路由器的ID，默認(rèn)使用路由器最大地址，Interface為轉(zhuǎn)發(fā)接口，Path為Path路徑集合中的序號(hào)。

因此，數(shù)據(jù)流的源地址為2001:250::3，目的地址為2001:350::2，位于接入交換路由器3ffe:2ffe::3上，轉(zhuǎn)發(fā)接口為eth1。該拓?fù)涔灿?jì)算兩條路徑(路徑1和路徑2)，轉(zhuǎn)發(fā)路徑為集合中的路徑1。

通過(guò)測(cè)試，可以觀察到數(shù)據(jù)流調(diào)度系統(tǒng)能夠?yàn)榇髷?shù)據(jù)分配轉(zhuǎn)發(fā)的路徑，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率。與之相對(duì)的，該系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)消耗了部分網(wǎng)絡(luò)資源，計(jì)算轉(zhuǎn)發(fā)路徑也會(huì)帶來(lái)一定程度的延遲，但是對(duì)連續(xù)的大數(shù)據(jù)流帶來(lái)的性能上的提升是顯而易見(jiàn)的。

5 結(jié)束語(yǔ)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流的細(xì)粒度管理，提升一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)的性能，提出了一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流管控系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的收集，分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，計(jì)算大數(shù)據(jù)流路徑，并相應(yīng)地重新配置網(wǎng)絡(luò)資源。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該管控系統(tǒng)可以顯著提高網(wǎng)絡(luò)的利用率，但需要為此付出額外的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)和一定程度的時(shí)間延遲。

[1] 王 上.一體化網(wǎng)絡(luò)接入交換路由器分離映射的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué),2008.

[2] 董 平,秦雅娟,張宏科.支持普適服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)研究[J].電子學(xué)報(bào),2007,35(4)：599-606.

[3] 楊 冬,周華春,張宏科.基于一體化網(wǎng)絡(luò)的普適服務(wù)研究[J].電子學(xué)報(bào),2007,35(4)：607-613.

[4] 杭靜文.一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)流量異常監(jiān)測(cè)技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué),2013.

[5] 李曉倩.一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)身份與位置映射關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京：北京交通大學(xué),2013.

[6] 王培新.標(biāo)識(shí)分離映射網(wǎng)絡(luò)動(dòng)態(tài)映射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京交通大學(xué),2011.

[7] 劉蕭一.一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)下變長(zhǎng)標(biāo)識(shí)復(fù)雜映射系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

[8] 崔錫鑫.一體化標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)下分布式映射服務(wù)系統(tǒng)研究[D].北京：北京交通大學(xué),2015.

[9] Postel J.Internetwork protocol[S].[s.l.]:[s.n.],1981.

[10] Deering S,Hinden R.Internet Protocol,Version 6 (IPv6) specification[S].[s.l.]:[s.n.],1998.

[11] 張宏科,蘇 偉.新網(wǎng)絡(luò)體系基礎(chǔ)研究—一體化網(wǎng)絡(luò)與普適服務(wù)[J].電子學(xué)報(bào),2007,35(4):593-598.

[12] 萬(wàn) 明.身份與位置分離體系映射安全關(guān)鍵技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2012.

[13] 唐建強(qiáng).標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)攻擊防御與安全移動(dòng)性管理技術(shù)研究[D].北京:北京交通大學(xué),2014.

[14] Menth M,Hartmann M,Holing M.FIRMS:a future internet mapping system[J].IEEE Journal of Selected Areas in Communications,2010,28(8):1326-1331.

[15] Liu J,Li J,Shou G,et al.SDN based load balancing mechanism for elephant flow in data center networks[C]//International symposium on wireless personal multimedia communications.[s.l.]:IEEE,2014:486-490.

Research on Traffic Management and Control System Based on Universal Identifier Network

WANG Yi-ming,LIU Ying,GAO Shuai

(School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University, Beijing 100044,China)

With the rapid development of big data and cloud computing,management and control of data flow plays an important role in the performance of universal identifier network.Recently,universal identifier network supports abnormal traffic monitor,complex mapping system and mobile network.However,there needs further study to research in data flow control.A traffic management and control system in universal identifier network is benefit for the performance of network.An optimal data flow management system is presented with minimum cost of source-destination path.By data detection module in the access router and data scheduling module in the mapping server,this system can get an optimal solution when it comes to data flow.The system prototype is implemented in identifier network.The results show that this scheduling system can significantly enhance the performance of the network by improving the network management and link utilization.

universal network;traffic detection;data flow scheduling;fine-grained control

2015-12-10

2016-05-11

時(shí)間：2017-01-10

中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金(2015JBM008)

王一明(1990-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)橄乱淮ヂ?lián)網(wǎng)；劉 穎，副教授，研究方向?yàn)樾畔⒕W(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全；郜 帥，副教授，研究方向?yàn)樾畔⒕W(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全。

http://www.cnki.net/kcms/detail/61.1450.TP.20170110.0941.010.html

TP302

A

1673-629X(2017)02-0158-05

10.3969/j.issn.1673-629X.2017.02.036