曹艷明-OverlayNetworks教案詳解

覆蓋網(wǎng)（Overlay

network）覆蓋網(wǎng)的出現(xiàn)

因特網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)是一種分層的結(jié)構(gòu)，其最上一層是應(yīng)用層，它利用傳輸層提供的服務(wù)完成相應(yīng)的應(yīng)用功能，如Web瀏覽、電子郵件服務(wù)、FTP服務(wù)等。

但這種傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)不能很好地滿足越來越復(fù)雜的應(yīng)用需求。例如，多媒體應(yīng)用的發(fā)展迫切要求網(wǎng)絡(luò)能夠支持組播功能，而目前的因特網(wǎng)尚不能完全支持組播。什么是覆蓋網(wǎng)

覆蓋網(wǎng)是建立在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)之上獨立的虛擬網(wǎng)；是面向應(yīng)用層的，不考慮或者很少考慮網(wǎng)絡(luò)層和物理層。邏輯位置

覆蓋網(wǎng)存在于因特網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用程序之間，利用ISP提供的服務(wù)來向其用戶提供更加優(yōu)化的服務(wù)?？梢哉J為，覆蓋網(wǎng)絡(luò)是分布在因特網(wǎng)上的一組提供服務(wù)的主機的集合，它們?yōu)橐粋€或多個應(yīng)用程序提供下層的基礎(chǔ)設(shè)施，在某種程度上轉(zhuǎn)發(fā)和處理應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)。它不是當前因特網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的一部分。覆蓋網(wǎng)示意圖

覆蓋節(jié)點通常具有路由，數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)保存等功能，而邏輯鏈路(即覆蓋鏈路)通常對應(yīng)底層一條或多條物理路徑，對數(shù)據(jù)進行傳輸。

利用覆蓋網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不需要大規(guī)模改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就能提供更為可靠、容錯性更好的服務(wù)，可以方便地通過針對特定應(yīng)用的覆蓋網(wǎng)絡(luò)提供在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)層基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中難以提供的新業(yè)務(wù)，通過采用更好地利用網(wǎng)絡(luò)資源信息的算法來提高現(xiàn)有Internet已有的業(yè)務(wù)性能。

目前，比較流行的覆蓋網(wǎng)絡(luò)大致可以分為三類：路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容傳送網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用層組播路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)

路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)的作用是為了控制或改善網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)傳送的路徑，在一個路由覆蓋網(wǎng)絡(luò)中，通信雙方的端結(jié)點并不改變，改變的是其分組可能經(jīng)過的路由。

因特網(wǎng)由很多個自治系統(tǒng)組成，自治系統(tǒng)之間運行邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（Border

Gateway

Protocol），BGP允許每個ISP設(shè)定關(guān)于接收、轉(zhuǎn)發(fā)分組的控

制策略，然后通過分布式計算來確定一條從源結(jié)點到目的結(jié)點的“最佳”的路徑。路由覆蓋網(wǎng)

但是由于每一個ISP側(cè)重的目標不一致。因此，這種所謂的“最佳”路徑對于用戶來說很大程度上并不是最佳的。因特網(wǎng)本身的路由機制，完全由ISP決定，端用戶和應(yīng)用程序無法參與，這種

路由機制對于端用戶和應(yīng)用程序來說是不精確的，它僅反映了ISP對開銷和運行效率的考慮，而不

顧用戶和應(yīng)用程序的真正需求。

針對這種現(xiàn)狀而提出了，旨在改善路由選擇，并與應(yīng)用程序緊密聯(lián)系的一種覆蓋網(wǎng)絡(luò)——彈性覆蓋網(wǎng)絡(luò)（RON）。彈性覆蓋網(wǎng)

彈性覆蓋網(wǎng)，是由David

Andresen在2001年其碩士論文中提出的。后來他又撰寫了《Resililent

Overlay

Networks》，《The

Case

for

Resilient

Overlay

Networks》。介紹了彈性覆蓋網(wǎng)的模型并且對彈性覆蓋網(wǎng)進行了仿真。彈性覆蓋網(wǎng)(RON)

彈性覆蓋網(wǎng)絡(luò)是一種分布式覆蓋網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

分布于因特網(wǎng)上的RON結(jié)點可以僅用數(shù)秒的時間檢測到鏈路的失效和周期性的性能惡化，并快速恢復(fù)

RON結(jié)點自動監(jiān)測連接它們的下層因特網(wǎng)鏈路的質(zhì)量，使用收集到的信息決定分組是直接由因特網(wǎng)鏈路轉(zhuǎn)發(fā)還是經(jīng)由另一RON結(jié)點，更加優(yōu)化應(yīng)用程序的路由選擇。RON的設(shè)計目標在20秒內(nèi)檢測到鏈路失效和恢復(fù)分組路由提供應(yīng)用區(qū)分服務(wù)，可按應(yīng)用要求選取合適的路徑進行路由選擇提供終端區(qū)分服務(wù)，可根據(jù)端主機或用戶進行靈活地定義路由策略在20秒內(nèi)檢測到鏈路失效和恢復(fù)分組路由當今基于BGP4的Internet路由系統(tǒng)，并不能很好

地處理網(wǎng)絡(luò)中的失效。從網(wǎng)絡(luò)角度看有兩種失效，鏈路失效和路徑失效。從應(yīng)用的角度看，也有兩

種失效一種是徹底失效，另一種是性能下降。

提供應(yīng)用區(qū)分服務(wù)，可按應(yīng)用要求選取合適的路徑進行路由選擇不同應(yīng)用對網(wǎng)絡(luò)性能降低的容忍程度是不同的。用戶可以定義失效和如何應(yīng)對失效的響應(yīng)提供終端區(qū)分服務(wù)，可根據(jù)端主機或用戶進行靈活地定義路由策略目前BGP還不能針對單個用戶或者主機定義路由策略，這樣就不能對不同的端用戶提供不同的路徑選擇。而由于RON節(jié)點本身就是運行在端系統(tǒng)上，因此RON可以針對終端主機定義靈活的路由策略。RON系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

RON

client：通過RON進行通信的應(yīng)用程序稱為RON客戶程序。策略路由

RON的策略路由允許RON客戶端定義在特定網(wǎng)絡(luò)連接上的數(shù)據(jù)流類別。RON把策略路由分成兩個部分：分類和路由表構(gòu)成(classification

and

routing

tableformation)分類和路由表構(gòu)成

分類：當一個包進入RON的時候，這個包被分類賦予一個策略標簽，這個策略標簽是用來在每個RON路由器中的路由表引導(dǎo)查詢的。路由表構(gòu)成：對于每一個策略，一個獨立的路由表集合是通過再次運行路由計算得到的，路由計算得到本RON節(jié)點到其他任何節(jié)點的最短路徑。策略分類器

在RON中通過策略分類器來進行分類和路由表構(gòu)成。

策略分類器提供了“permit”功能，用來確定給定策略是否能使用某條特定虛電路。

策略分類器提供了conduit數(shù)據(jù)分類器，用來幫助RON節(jié)點確定那個策略適合進來的

數(shù)據(jù)包。

目前有兩種策略機制：小圈子策略

(exclusive

cliques)和通用策略(generalpolicies)。

小圈子策略：只有在小圈子中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)和目的地是屬于小圈子的數(shù)據(jù)才能使用小圈子內(nèi)的鏈路。

通用策略：允許RON用戶創(chuàng)建他們自己的策略組合數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)

RON的forward實現(xiàn)數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)功能。管道

(Conduit)對數(shù)據(jù)包進行封裝和分類。在包上貼上了信息的標簽，這些信息決定了才用什么樣的度量。

RON一般不分割一個包，除非包超過了

MTU，返回ICMP信息，”must

fragment”RON報文頭RON報頭中的routing

flag和flow

ID是由

conduit所設(shè)置。Packet

type是發(fā)送數(shù)據(jù)包到合適的接收者(receiver)的conduit的關(guān)鍵.Policy

Tag是路由策略標簽。Routing

flag是路由優(yōu)先度量標簽，flowID指定下一跳。數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)

包到達RON節(jié)點的forwarder時候，檢測包的目的地址是本地還遠端。如果不是本地則進行三級查找，則需要講RON包頭傳遞給routing

table。三級路由查找

第一級查找基于策略類型，通過policy

tag知道此次的策略路由，然后找到相應(yīng)的參考路由表。

第二級查找基于路由優(yōu)先度，根據(jù)routingflag找到一個與數(shù)據(jù)包相一致的路由選擇度量。

第三級查找是基于目的地址的哈希查找，

forwarder將數(shù)據(jù)包送往下一個節(jié)點。RON引導(dǎo)協(xié)議和同伴管理

RON提供了兩種同伴管理機制：一種是從文件導(dǎo)入的靜態(tài)管理機制；一種是基于通告的動態(tài)的軟狀態(tài)同伴管理機制。

當一個新的節(jié)點加入RON的時候，新節(jié)點至少需要知道當前RON節(jié)點中的一個；新節(jié)點通過這個節(jié)點向RON中的其它節(jié)點宣布自己存在?？偨Y(jié)

覆蓋網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有的因特網(wǎng)上構(gòu)建一個完全位于應(yīng)用層的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

覆蓋網(wǎng)存在于因特網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施和應(yīng)用程序之間，利用ISP提供的服務(wù)