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GENI的研究与设计

2021-02-03 来源:步旅网
维普资讯 http://www.cqvip.com R h…St‘ 。 ……一 G E N_的研究与设计 刘家俊西安电子科技大学计算机学院硕士研究生 王琨西安电子科技大学计算机学院讲师 王长山 西安电子科技大学计算机学院副教授 摘要:随着网络业务和分布式系统的发展,现行 Internet已无法满足用户的业务需求。为满足用 经过整整20年的发展,基于IPv4的Internet无论从规 户在安全性、健壮性、可靠性、可扩展等方面的 需求,全球网络调研环境(GENI,Global Environment for Network Investigations)应运而 模、用户数方面来说,都取得了空前的成功。但是随着用户 业务类型的转变、新技术的发展和新需求的出现,传统的 Internet已无法满足现行业务对服务质量(QoS)、安全性等 生。GENI是由美国国家科学基金会(NSF)提出 的下一代网络项目行动计划,它具有当今网络 所无法比拟的安全性和健壮性。虽然GENI的 方面的要求。为解决传统网络在可靠性、安全性和可管理性 方面的不足,NSF提出了GENI。GENI采用全新的系统结构 设计,充分考虑用户和业务的各方面需求,使系统能够更好 的适应当前和未来的发展。 研究还处于起步阶段,但其已经成为下一代互 联网(NGI,Next Generation Internet)的研究热 点。通过分析当代网络缺陷和NGI技术走向, 对GENI关键技术,特别是GENI的项目研究 与设计作详细介绍。 关键词:Internet,NGI,GENI,设计,研究 Abstract:With the development of network services and distributed systems,the existing Internet cannot satisfy the demands of users The 目前GENI刚刚起步,很多还处于理论预研阶段。对 GENI研究所做的主要工作是为GENI建设作好理论铺垫。 研究组通过网络发布相关GENI技术文档(如:需求说明、 规格说明、执行参考等),指明GENI相关技术的发展方向, 为GENI的研究提供指导。 GENI (global environment for network investigations)was set up to find ways to meet the demands of users in security,robustness, reliability and scalability GENI is an action plan or the Next Generatifon Internet Program 1当代Internet缺陷 随着互联网应用的日益广泛、网络需求的增加和高科 技的发展,现有互联网网络的弊端日益显现。主要表现如 下: organized by the NSF (National Science Foundation)of the US,which are supposed to be more secure and robust than current Internet. Although in its starting stage,GENI has already (1)IPv4地址紧缺。传统IPv4理论上最多支持232个 不同的网络地址。但由于地址分配的原因,实际可用的IP 地址不到232个;另外IP地址分配严重不均衡,绝大部分 become a hot topic in NGI(Next Generation Internet).By analyzing the defects in current network and the technical trend of NGI,This paper gives a detailed intoductiron to the key technologies of GENI,especially its research and design. IP地址掌握在为数不多的几个发达国家;新领域的新业务 使用户对为数不多的IP需求激增;这些原因必然导致IPv4 地址的紧缺。 (2)缺乏QoS保障。基于IPv4的互联网提供的是“尽力 而为之(best—effort service)”的服务。由于路由调度是基于 Key Words:Internet,NGI,GENI,Design of GENI,Research of GENI MSTr Februaw,2008 维普资讯 http://www.cqvip.com …………………一M ㈣ MM 。 公平机制的,所以QoS理论上说是没有保障的。基 的出现弥补了传统Internet的不足,能够完全满足 用户当今需求,并能很好地扩展未来业务。GENI的 于IPv4的互联网也无法满足现代多媒体发展对带 宽、延迟等方面的要求,无法适应Internet的发展。 (3)地址复杂。IPv4地址虽有32位,但其只支 持单播地址,对其他类型支持度不足,这势必导致 IPv4地址复杂性增加。 (4)缺乏安全性。IPv4网络只提供应用层的安 出现必然引起计算机网络的一次革命。 文献[2]认为,GENI项目分为可控试验和试验 验证两个部分,研究人员通过可控试验对相关网络 试验进行设计和验证,并进行仿真,最后通过现实认 证检验其在现实的、复杂的网络环境下的运行性能。 全性,没有提供一套用于保护IP通信的IP安全机 制,从而在安全性方面对数据包的传输产生影响。 GENI允许科研人员在现有网络及其他设备的基础 上进行开发和功能、性能等方面的扩展,同时积极鼓 励科研人员进行创新,从根源上缓解当今网络所带 来的危机。 2 NGI 相比现有网络,NGI[-】具有更大、更快、更安全的 特点。NGI将逐步摒弃IPv4转而采用IPv6技术,在 3.1 GENI研究内容 GENI是一个开放性的项目,在拥有众多高校、 企业、机关参与的同时,也鼓励其他团体积极加入。 进一步提高网络端到端绝对速度的同时,充分考虑 安全、QoS等方面因素。NGI将完善甚至创新网络体 其研究范围和内容相当广泛,其中网络和分布式技 系结构,从体系结构角度研究网络安全,从而增加网 术研究是GENI项目的基石。GENI的主要研究内容 络安全的可控性和管理性。 有以下几方面: 作为下一代互联网的核心技术,IPv6从诞生起 就引起全球的广泛关注。而下一代互联网设计的关 键是网络体系结构的设计。 Internet2由美国政府于1996年10月提出。项 首先,对网络核心技术(如交换技术、寻址技术、 网络管理等)进行突破,开发出新的关键技术,使网 络技术获得突破性发展。 其次,提高网络性能。在逐步提高端到端绝对速 度的同时,解决网络安全和QoS等方面的问题。 再次,研究新的网络体系结构,并对网络进行全 目主要着眼于21世纪计算机信息网基础理论研究 和全新Internet结构的构造。 NewArch项目是由美国国防部提出,主要研究 新架构,以满足经济社会发展对网络技术的需求。 最后,在服务和应用方面,构建新的服务和应 用,创新服务体系,提供高层次网络服务。 3.2 GENI研究目标 下一代互联网体系结构。它在回顾当前Internet技 术的基础上提出了NGI的设计原则等。 FIND是NSFNETS的一个长期研究项目。项目 主要研究未来Internet的发展,关注未来网络及其 重构,并提出全新的设计方案。 GENI是由美国科学基金会提出,主要对网络架 构、服务、功能进行革命性设计以适应经济、社会增 长的需求。 GENI项目的目标是创建一个新的互联网和分 布式系统,其具体目标包括: (1)具备安全性和健壮性。GENI专家认为重新 考虑互联网设计的一个重要原因和动力是可以极大 地提高网络的安全性和健壮性。目前Internet网络 3 GENI研究 面对日益凸现的网络危机,设计一个全新的 NGI迫在眉睫。GENI是NGI的一个重要部分。GENI 对网络安全方面的支持较差,尽管存在许多安全机 制,但缺乏一个完整的安全体系结构,无法将这些安 全机制组合起来为用户提供全面良好的安全。 (2)实现普适计算,通过手机、无线技术和传感 现代电信科技2008隼2月第2期 维普资讯 http://www.cqvip.com

R 二 . :二.t ……一 继承现有网络技术中的优秀成果,利用现有网络基 器网络更好地连接虚拟和真实世界。 (3)控制并管理其它重要网络基础设施。 (4)具备可操作性和易用性。 (5)支持新型服务及应用。 础设施,以现有软件及相关技术为平台进行GENI 研究。这样,在降低项目投入的同时,也实现了同传 统网络的平滑过渡。 (9)GENI要有强大的隔离性,从而保证某些切 4 GENl设计 4.1 GENI设计原则嘲 片出现故障时,不对其他切片产生影响。在网络管理 方面,要求所有网络平台具有报错功能,能利用顶层 协议描述和配置所有网络区域。当网络故障时,能提 供诊断、反馈问题和报告错误的工具。 (10)GENI在广泛部署的前提下,能够利用一定 手段对GENI相关性能参数进行测量,并对其进行 量化研究。 GENI项目是一个规模庞大、结构复杂、需求多 变的工程。项目实施和完成,必须有一个好的设计原 则作支撑。好的设计原则为满足未来互联网对安全、 QoS等方面需求,提高GENI设计寿命提供重要保 障。为保证GENI对控制性试验和长期配置研究的 (11)从用户角度来说,GENI在提供易用性的同 也要保障资源不被攻击或窃取。 顺利进行以及满足大面积分布式计算的需求,GENI 时,此外,在实际运行中,要充分考虑用户需求和用 必须满足如下条件: (1)项目设计要有优秀的系统体系结构。项目建 设要有选择性。 (2)项目所有设计必须是开放的。 4.2 GENI系统设计 户反馈。 (3)能通过虚拟化或分割(时分或空分)技术将 GENI资源分解成不同功能、相对独立的切片 (slice)。切片是指特定实验的资源子集。为保证不同 GENI设施的本质是能够快速、有效地嵌入到一 个大规模试验网络中,与其他设施和现有互联网相 连提供网络运行环境,并且研究者可以通过严格观 研究方向的研究团体能够共享GENI资源,需将 察、测量,记录下试验结果。实现这些功能需要 GENI资源划分为不同功能的资源子集,从而保证 GENI设施跨越各种现存和未来技术、网络架构、地 研究团体能够顺利开展工作。 (4)通用性是系统能够广泛应用的基础,同时系 统也要有较强的安全性和健壮性。 理延伸和应用领域。 整个GENI的体系结构 可分为三层。自上而下 分别是:用户服务层、用户管理核心(GMC)层和物 理层。GMC层通过设计可靠、可预测、安全的体系结 构,利用抽象、接口、命名空间同GENI体系结构绑 定起来。考虑到物理层和用户服务层具有动态变化 (5)GENI要有可访问性,能为用户提供同 GENI连通的物理连接,也能为用户的加入提供多 种连接机制。允许试验持续进行,也支持GENI同传 统网络的连接。 性,为快速、高效同其连接,GMC定义了一套瘦小机 (6)为满足当今和将来用户需求,GENI需在无 线技术、光技术、计算技术等方面取得发展和突破, 并利用这些新技术探索新的应用和系统,给用户带 来更方便、快捷的服务。 制,使其既能支持和适应物理层和用户服务层的发 展,同时也能独立发展,以适应GENI整体发展需 求。物理层通过提供物理链路,使用物理设备(如路 由器、处理器、链路、无线设备等)实现网络内部节点 之间的互联互通。用户服务层则通过提供服务访问 (7)GENI提供的功能必须同现实中的事务或功 能相吻合。 (8)GENI具有多样性和扩展性,能对未知网络 接口,实现用户对GENI的访问。同时用户服务层具 有可扩展性,能让服务在其生命周期内不断发展。 和网络新技术提供足够支持。同时也要有继承性。要 通过分析当今Internet体系结构,GENI体系结 MS1_r February.2008 维普资讯 http://www.cqvip.com

…………………一M N0 y0F耻c0MMUNIcAT10Ns 构就如同沙漏模型(如图l所示)。GMC对应IP层 层相连,为上层用户提供服务。GMC屏蔽了底层实 以及它的编址路由和服务模式,同GENI沙漏的腰 现细节,为服务层提供相关信息。抽象是GMC层的 部对应。高层的用户服务层同那些附加的用于将 关键,为屏蔽物理层细节提供了有效手段。GMC层 Internet系统完整化的功能(如:www、SKYPE等) 抽象分为组件、切片和聚合三种。组件是GENI的主 相对应。GENI底层对应着组成物理网络的计算设 要模块,包括物理资源、逻辑资源和同步资源。GMC 备和网络设备的集合。 通过组件管理器,采用一定的组件协议将资源分配 给用户。切片即相关GENI组件的微片(sliver)。 GENI通过运行切片来实现用户需求。切片有效地 保护GENI资源共享,保证了研究团体工作的顺利 开展,有效降低了开发和运营成本。聚合是为实现某 些组件和切片不能实现的特殊关系而出现的。对 图1 GENI三层体系结构 GENI来说,其是一个有效的补充。 4.2-3用户服务层 4.2.1物理层 用户服务层集中式地将模块组织起来,同物理 物理层是通过一定技术将一系列可扩展的组件 设备合并从而形成一个能够支持研究的单一分布设 组合起来以满足用户社区的需求。图2描述的是不 施,以满足不同用户群体的需求。 同组件连接而成的物理层。由图可知,物理层由可编 在物理层提供具体物理链路和GMC协调下, 程边界簇、可编程核心节点、可编程边界节点、客户 用户服务层主要完成的功能有: 端、全局光纤、微电路、多重网络交换节点、基于 允许拥有者为所控制的底层设备申请资源分配 802.11的城市无线子网、基于3G/WiMAX的无线子 和使用策略,并提供确保这些策略实施的保障机制。 网和自适应无线子网构成。 允许管理员对GENI底层进行管理。 尽管这些组件不能单独运行,但GENI通过这 允许研究人员创造和装配实验、分配资源并运 些组件的组合构成虚拟网络,为研究者提供所需的 行实验专用软件。 试验条件。 能将关于GENI底层的信息暴露给开发者。 4.2.2 GMC层 总之,GENI三层体系结构是一个有机整体,缺 GMC通过一系列抽象、接口和命名空间同物理 一不可。只有三层的有机组合和相互协作, 才能实现GENI的完整功能。 5 GENl面临的挑战 GENI项目是全新的。项目开发前景诱 人,但同样也面临着各种各样的风险。由于 GENI项目是一个“搭积木”的过程,项目是 通过对子系统的不断整合、集成而成的。因 此,项目的异构性、复杂性和开放性必然对 GENI项目开发带来影响。 总体上来说,GENI受到技术、进程和 图2物理层结构 社区三方面挑战。 (下转第57页) 现代电信科技2008军2月第2期 47 维普资讯 http://www.cqvip.com …………………1 。 8 6 4 叫 2 O 。 M N0L0GY0fTELEc0MM UN IcAT10Ns 1l_70UEs l l l・-・100UEs f " ̄"80UEs ‘60UEs l 9ouEs(上接第47贞) _≯ 譬 j,::- " gOa*/ I. . .技术风险主要源于复杂的软件集约设计。开发 者希望通过集约设计,使系统关键部件满足当前系 统需求,为整个系统结构提供足够的模块并隔离个 人系统独立开发和配置的功能。 。 . I / ‘’ GENI的进程风险是多样的。主要包括开发资源 h・mnll||H 一不足、软件开发策略不可信、在GENI复杂环境中软 一2O 一1O O 1O 2O 5O—40 —3O 件配置失败、GENI设计者错误的传递域设计、契约 无法构建和支持一定的原型输入等。 GENI社区风险主要包括GENI项目无法满足用 户社区的需求、项目无法公平地对社区开放以便社区 实现相应的目标、不成功的开发导致怀疑的增加和社 UE功率 图6 UE的功率分布 度算法将有望比NodeB调度算法获得更多的增 益。 区支持度的流失、项目无法同社区进行沟通等。 技术风险、进程风险与社区风险显示出如何寻 求三者之间的平衡是至关重要的。如何识别和发现 这些平衡是管理GENI风险的基础。 总之,如何在技术飞速发展的今天开发出性能 优越,能满足用户需求的GENI是一个艰巨的任务。 5结语 通过对半解析方法预测和系统标准仿真的研 究,已对VolP中引入HSUPA的系统性能作了介 绍。半解析方法的分析结果表明,与Re1.99标准 中DCH下的12.2 kbit/s相比,增益相当明显。而 6总结与展望 GENI的提出,满足了当今网络业务可靠性、安 全性和可管理性等方面需求,是一种全新的网络架 构。文章通过对现有网络的研究,指出了当今 Internet的不足和NGI设计目标,最后提出GENI,并 且预测结果与系统标准仿真结果大体达成一致。 另一方面,如结果所示,采用非调度算法的HSU— PA中VolP的上行链路容量有赖于时延预算及可 用的UE功率。HARQ和软切换技术有益于降低 所需UE功率,从而提高容量。为了实现HSUPA 中VolP容量的最优化,可以考虑在HARQ最大 重传值和时延预算间取一个折中。 圈 对GENI相关技术进行介绍。虽然GENI项目现在还 处于规划阶段,。GENI试验环境的定义将在未来几 收稿日期:2008一叭一04 年内,甚至在构建以后都处于不断改进中,但其提出 受到了越来越多人的重视,GENI产业化进程将日益 参考文献 1朱红梅.HSUPA引爆移动VolP.每周电脑报,2006年,36期 2郑肠,黄佩伟.HSUPA基于NodeB的快速调度解析.电信快 报,2006年,07期 3 ITU—TRcommendationG.114.Onewaytransmissiontime 4 3GPP TS 25.309,FDD Enhanced Uplink;Overall description;Stage 2 加速,并必将引起计算机网络的一次革命。 晌 收稿日期:2008一叭一02 参考文献 l Jian-Ping Wu,Ke Xu.Research on next generation Internet rehitaeeture. JOURNAL OF COMPUTER SCIENCE AND TECHNOLOGY.2006 f211: 723~731 5 H.Holma,A.Toskala(Editom).WCDMA for UMTS—Radio Acess orf Third Generation Mobile C0mmunicati0nsJ0hn Wiley and Sons,Third Edition,2004 2雷震洲.GENI的启示.电信工程技术与标准化,2006(7):1~4 3 Aaron Falk.GENI System Requirements Document(SRD).GENI Design Doeument.2007 4 Peterson.John Wroclawski(Eds).Overview of the GENI Arehitee— 6 3GPPTS 25.214.Physicallayerprocedures(FDD) ture.GENI Desin Documentg O6—1 1.2006 现代电信科技2008年2月第2期 57 

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