计算机论文：计算机网络的发展现状及网络体系结构涵义分析

    摘　要　自身存在种种缺陷与不足的传统网络体系结构,已不再适宜用来指导现今互联网向下一代网络的演进。有必要在正确认识当前计算机网络发展现状和重新审视网络体系结构涵义的基础上,展开对满足下一代网络发展需求的新一代网络体系结构的研究。为此,本文专门对以互联网为代表的计算机网络所面临的发展现状以及近年来计算机网络演进与发展的主要趋势进行了总结和分析,并重点对网络体系结构的涵义进行了全方位、多角度的深入剖析。
　　主张在综合考虑网络体系结构的普适性、特指性、抽象性和过程性等特征的基础上,运用发展的眼光和系统的观点来全面认识和把握其本质,并提出了合理的"网络体系结构认知框架"。本文研究结论对新一代网络体系结构的研究有重要的参考价值和指导意义。
　　关键词　计算机网络,互联网,网络体系结构,网络体系结构认知框架
　1　当前计算机网络所面临的主要问题考虑到今天的互联网不仅具有规模巨大、用户众多、影响深远和应用基本成功等诸多优点,而且它也是目前唯一的一个可供参考的、覆盖全球的、成功运行的、现实的计算机网络,因此本文对于当前计算机网络所面临现状的讨论主要以互联网作为研究对象(同时也兼顾考虑了OSI/RM等较具代表性的网络体系结构参考模型)。如果从Klernrock在1961年首次发表论及"分组交换"理论的博士论文算起,互联网已经走过了40余年的研究、建设和发展历程。互联网之所以能够取得成功,除了在其发展过程中所采取的一系列重大决策的正确与及时,以及其管理机构的相对健全和运营机制的比较合理等非技术因素以外,一个非常重要的原因就是得益于其体系结构的支持:灵活的分组交换技术、简单的分层模型和开放的协议标准等。这些特点较好地适应了在互联网发展初期主要以传送离散型正文数据为基础的各种简单应用的需求,因而有效地支持和促进了E2mail、Telnet、FTP等传统互联网应用类型的快速发展和广泛普及。然而,自从20世纪90年代初WWW技术的出现,以及美国NSF解除互联网上的商·1·业限制以后,互联网便进入了应用与服务的蓬勃发展阶段,而传统网络体系结构的缺陷与不足也随之逐渐显露出来。
　　1.1　缺乏高效的资源控制能力已成为互联网性能的瓶颈现有的互联网体系结构在20世纪70、80年代就已基本建立和大体成型,主要采用的是以"统计复用"(statisticalmultiplexing)和"存储2转发"(store and forward)为基础的分组交换技术,网络本身只提供"尽力而为"的数据传输服务,而把差错处理、拥塞控制等复杂功能放到网络端系统上去实现。在网络资源的控制和管理方面,传统互联网体系结构并没有引起高度重视,也没有建立起在全网范围内实施高效资源控制的可行方案和技术,因此它能够为上层应用提供的服务质量支持相当有限,也非常简单。然而,近年来由于人们日益增长的多样化应用需求的驱动,在线点播、视频会议、远程教育等实时多媒体应用迅速发展,这就要求网络必须能够为这些实时多媒体应用系统提供在带宽、时延、抖动和差错等方面的QoS保证,这时传统互联网就显得越来越难以胜任。尽管人们先后提出了IntServ模型、DiffServ模型、流量工程(TrafficEngineering)等服务质量保证方案,并且展开了关于资源预留、接纳控制、拥塞控制、流量整形、QoS路由、主动队列管理AQM等多种服务质量实现机制的研究,然而这些在理论上看似非常完美、在试验床上运行良好的方案,在互联网广域范围内的实际部署却并没有像人们所预期的那样完全取得成功,离真正解决传统互联网因缺乏高效资源控制能力而导致的服务质量问题尚有差距。
　　1.2　互联网薄弱的服务定制能力已不能满足用户的需求传统的计算机网络研究比较偏重于将计算机网络视为能够满足互连、互通和互操作的通信基础设施,研究的重点大多是围绕网络系统的连接、传输等相关的功能展开。但是,随着互联网自身发展步伐的逐渐加快,互联网在人类社会中所扮演的角色也正在逐渐发生改变,它已经超越了传统计算机网络单纯作为通信基础设施的原初意义,而变成了支撑人类社会全面信息化的一个重要载体。但现在互联网所能提供的少数几种固定不变的服务,已经不能满足人们日益增长的多样化应用和服务需求,人们迫切希望互联网能够按照他们的个性化需求快速、灵活、高效、动态地提供各种网络服务。但是,传统的互联网体系结构本身却存在着许多缺点和不足,比如:协议栈比较固定、应用和服务模式相对单一、难以根据用户的需求进行动态变化等,因而已经不能适应在商业化运营环境中的互联网发展要求。针对传统互联网体系结构在服务定制方面所存在的种种缺陷与不足,近年来研究人员们虽然已经开展了主动网、可编程网、Grid、Web Services等相关研究工作,但仍然还存在很多问题尚待解决。
　　1.3　在互联网无信用的环境中提供用户管理越来越困难早期的互联网(即ARPANET)是一个具有浓厚军方背景的科研性质的网络,其建设者和使用者多是一些高校或科研机构中受过良好教育的科研人员,彼此之间比较容易在信任关系、安全制度等方面达成共识和默契。因此在DARPA关于互联网的早期设计目标[6]中几乎没有考虑到关于用户管理的问题,也没有制定出合理的全局性网络安全保障方案。
　　但是,随着网络规模的不断扩大、用户人数的不断增多和应用领域的广泛普及,互联网的安全薄弱和信任缺失问题也日益彰显。在无信用约束且没有安全保障的现今互联网环境中,各种各样的问题(如垃圾邮件、网络病毒、不良信息等)都开始暴露无遗,严重影响和干扰了网络的正常运行。事实上,这些问题都与传统互联网体系结构本身所普遍存在的种种脆弱性有关。当互联网所仰赖的信任假设不再成立时,互联网在为人们带来越来越多便利的同时,也不可避免地面临着越来越大的安全性考验。尽管当前提出了RSA、DES、MD5、SHA等各种密码算法和加密技术,IPSec、SSL/TSL、S2HTTP等网络安全协议,以及防火墙、入侵检测(IDS)等网络安全检测和防御技术,但它们并没有为互联网中日益凸现的安全问题带来根本性的解决。如何在当前信用普遍丧失的互联网中重构完整的网络安全体系,以及如何建立起传统互联网中所欠缺的完备的用户管理体系,从而为网络安全、网络计费、个人移动管理等提供良好的支持,是当前计算机网络研究所面临的巨大挑战。
　　2　近年来计算机网络演进与发展的主要趋势网络三大难题(即资源控制、服务定制和用户管理)的长期困扰以及扭斗现象的日渐凸现,一直是近年来互联网在演进与发展之路上极不和谐的伴音。文[1]的研究表明,传统的网络体系结构参考模型(包括OSI/RM和TCP/IP)基本成型于上个世纪70、80年代,而由WWW技术所引发的计算机网络应用热潮却开始于上个世纪90年代,这必然导致传统网络体系结构在设计时所考虑的情况与具体的应用环境之间存在不一致性,这种不一致性恰恰是导致今天的互联网面临种种困境和挑战的根源所在。于是,研究人员在千方百计弥补传统网络体系结构的缺陷与不足的同时,也开始展望和着手研究一些新型网络体系结构。纵观近年来国际和国内网络研究界在改造传统网络体系结构和探索新型网络体系结构这两方面所做的种种努力,这些研究工作实质上已经反映出了当前关于互联网演进与发展的两个崭新趋势。
　　2.1　传统互联网中过于简单的网络核心功能应该得到适当增强随着分组交换技术基础地位的确立及TCP/IP协议的设计成功和广泛实现,早期互联网便基本上奠定了"核心简单,边缘智能"的体系结构格局。尤其是20世纪80年代初"端到端原则"(End2to2End Argument)的提出,进一步强化了"互联网的核心应该尽量保持简单,而把复杂的处理都放到端系统上去实现"的观念。但是,随着20世纪90年代初以来各种网络应用和服务的蓬勃发展,传统互联网中核心网络功能过于简单的缺陷也开始逐渐引起人们的关注,近年来的许多研究工作实质上都在围绕这一问题而展开。比如在InterServ/RSVP模型中增设了确保服务(guaranteed service)和负载受控服务(controlled2load service)两种QoS保证服务,它们都需要在网络中间结点引入接纳控制、分组调度、流量整形等更多复杂的处理机制;主动网的研究则将移动代码、主动控制和动态计算等技术引入到了核心网络中,大大增加了路由器、交换机等网络中间结点的计算能力和可编程能力;本世纪初Clark等人展开了关于端到端原则的重新反思并提出了Knowl2edge Plane[9]的概念,不但将更多的管理和控制功能纳入到了互联网中,而且指明未来的互联网应该具有更多的智能认知能力。
　　然而,应该引起注意的是,试图仅仅通过改造核心网络来直接满足所有网络上层应用需求的做法,已被实践证明并不可行。由于应用的需求多种多样、千变万化,因此网络中不太可能存在"one2size2fit2all"的技术。另外,还应该注意到,如果所采取的措施不恰当或眼光不够长远,则不但不太可能解决眼前所遇到的问题,而且可能妨碍到网络将来的发展,进而影响到整个互联网演进过程的持续性和连贯性。例如近年来针对中间盒(middlebox)问题所展开的诸多讨论就表·2·明:在今天的互联网中大量涌现出来的中介设备,虽然在一定程度上暂时缓解了传统互联网体系结构在功能和性能方面的某些紧张状况,但同时随之而来引发了许多新的问题和矛盾。
　　2.2　从服务角度来研究下一代网络为互联网带来新的发展契机像互联网这样规模十分庞大的分布式系统,将不可避免地面临异构性、开放性、安全性、并发性、可缩放性等方面的诸多挑战,因此从位于核心网络之上且分布于网络边缘的互联网端系统入手,致力于研究互联网如何为用户提供各种各样的服务,以及如何用这些服务来支持和开发各种特定网络应用的分布计算技术,便逐渐成为了互联网研究中的一个重要分支和领域。在过去的二三十年中,逐步发展起来了诸如进程间通信、远程调用、分布式命名、分布式文件系统、容错和备份、分布式事务处理等一系列与分布式系统有关的理论和技术,从而大大增强了互联网的服务能力和丰富了互联网的服务类型。从早期互联网在端系统所提供的最基本的网络传输服务(如Socket和XTI这类网络API),到其后应运而生的中间件(middleware)技术(其早期代表是RPC和DCE),再到20世纪80年代后期开始出现的分布对象计算DOC(Dis2tributied Object Computing)技术(其主流有CORBA、COM/DCOM、Java RMI等),它们不但使互联网的服务类型、服务方式得到了充分扩展,而且使互联网的服务提供、服务定制和服务集成能力也得到了显着增强。
　　随着分布计算领域研究的逐渐深入以及相关支持技术的日趋成熟,网络研究人员继续沿着从网络端系统入手来增强互联网服务提供能力的思路,将研究视野和研究方法进行了更加充分地拓展,相关研究工作基本上涵盖了近年来计算机网络领域一些重要的研究热点,包括覆盖网(Overlay Net2works)[13]、Grid、Web Services等。比如:覆盖网主要采取以Overlay组网的方式,由网络端系统在下层核心网络之上构建一个能够提供各种特定服务的虚拟网络;网格试图将地理上分布的大量有用资源(包括各种计算资源、通信资源、信息资源等)通过互联网进行高效整合,并以网络服务的方式透明地提供给网络用户使用;而Web Services则关注了互联网的服务本质,着力研究通过标准的网络协议和数据格式来描述、发布、定位和调用网络服务等。上述这些研究工作实际上已经表明,现代计算机网络研究的重点正在从通信向服务进行跃迁,从服务角度来研究下一代网络已经为互联网带来了新的发展契机。