计算机网络新技术研究

计算机网络新技术研究[20191212165049]
摘 要
互联网是最大的计算机网络,它提供给我们通信与资源共享等基本功能。传统互联网缺乏灵活性,不利于网络协议的创新,并且随着网络上数据量的增长,传统网络的传输效率也越来越无法满足用户的需求,近年来关于下一代网络体系架构的研究开始备受人们关注。这些研究之中比较著名的有软件既定义网络(Software Defined Network,SDN)和数据命名网络(Named Data Network,NDN)。SDN提出了转发与控制分离的思想,试图让网络管理者有效地管理整个网络,而NDN通过对数据命名来引导一个以内容为中心的网络,建立适当的命名系统成为网络传输的核心环节。本文介绍了SDN与NDN的发展历史与研究现状,并比较分析了他们两者较传统互联网在架构、性能、安全等方面的优缺点。同时,还对SDN与NDN在受关注度和发展前景上的差异进行了比较分析,并探讨了他们两者之间的联系。
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关键字:软件既定义网络;数据命名网络;内容为中心网络;OpenFlow协议
目 录
摘要 I
ABSTRACT II
第1章 绪论 1
1.1 研究背景及选题意义 1
1.2 SDN与NDN理论的提出 2
1.2.1 下一代网络体系发展趋势 2
1.2.2 SDN的提出 3
1.2.3 NDN的提出 3
1.3软件既定义网络的发展历史 3
1.4数据命名网络的发展历史 5
1.5本文的主要工作简介 6
第二章 软件既定义网络与数据命名网络基本概述 7
2.1软件既定义网络SDN技术概述 7
2.1.1 SDN的框架模型 7
2.1.2 OpenFlow技术 7
2.1.3网络虚拟化 Flowvisor 9
2.1.4控制器 10
2.2 数据命名网络NDN技术概述 11
2.2.1 CCN模型 11
2.2.2 CCN转发节点工作原理 12
第3章 软件既定义网络和数据命名网络研究综述 14
3.1 软件既定义网络SDN研究综述 14
3.1.1 SDN性能优化方面的研究 14
3.1.2 SDN控制平面扩展性方面的研究 16
3.1.3 SDN安全性方面的研究 17
3.2数据命名网络研究综述 19
3.2.1 NDN网络的缓存路由策略研究 19
3.2.2 NDN网络安全隐私问题研究 20
第4章 SDN与NDN的比较与分析 23
4.1 SDN与NDN较传统网络的比较 23
4.1.1 基本架构比较 23
4.1.2 性能比较 24
4.1.3 安全性比较 24
4.2 SDN与NDN的差异与联系 26
4.2.1 SDN与NDN的差异 26
2.5.2 SDN与NDN的联系 28
第5章 SDN与NDN网络研究中待解决的问题 30
5.1 SDN控制逻辑一致性问题 30
5.2 NDN网络的隐私问题 31
结束语 32
参考文献 33
第1章 绪论
1.1 研究背景及选题意义
计算机网络的发展经历了多个阶段,20世纪60年代美国军方和高校共同创建的ARPAnet被认为是现代互联网的雏形。随后几年分组转发理论的出现使得计算机网络迈入了新的时代。TCPIP协议族的出现以及不断完善,使如今的计算机网络基本成型。然而我们可以发现,如今的计算机网络是建立在一个追求简约的分层模型上的。下层给予上层提供的是不可靠的、尽力而为的服务,对于服务质量的控制基本被集中到通信的两端上。这样就造成了互联网的核心部分极为简单,而外围则异常繁荣。随着互联网的用户群体越来越广泛,海量流媒体、移动终端接入、普适计算、分布式计算等新的应用,对互联网提出了更高的要求,在各种多元化的应用的击之下,现有的互联网己经不能满足需求,越来越多的弊端和设计之初所未能考虑周全的问题渐渐地暴露在人们的面前。这种核心部分的简单显得有些孱弱,而外围的繁荣则趋向繁杂。我国东南大学的学者杨鹏在其论文中提出,如今的网络正面临着三大问题的严峻考验[1]。一是缺乏高效的资源控制能力。二是互联网薄弱的服务定制能力也不能满足用户需求。三是在互联网无信用的环境中提供用户管理越来越困难。
问题的存在亟待解决,这就是网络技术出现的驱动力。从九十年代开始,随着个人电脑的不断普及,互联网应用和服务开始以惊人的速度增长。IETF先后提出集成服务模型(IntServ)和区分服务模型(DiffServ)[2]。IntServ模型根据RSVP(资源预留协议)对每个网络节点的流资源预留状态进行管理,通过接纳控制,决定链路或网络节点的资源是否满足应用的QoS需求,依据传输控制把IP分组区分成流并对基于不同流的分组实施QoS路由。Diffserv模型在网络的边界将数据进行分类,并非像IntServ那样将每个业务流进行QoS参数配置。为解决IPv4地址短缺的问题,提出NAT技术;为应对IPv4向IPv6过渡的需要,提出了IPv4/IPv6共存的技术等等。为了解决网络延迟和阻塞等问题,人们提出了QoS(Quality of Service)服务质量,这一网络安全机制。当网络过载或拥塞时,QoS 能确保重要业务量不受延迟或丢弃,同时保证网络的高效运行。正是由于计算机网络技术的不断涌现,才使得计算机网络在上个世纪60年代至今几十年的时间里从无到有、从简单到复杂。互联网作为计算机网络的典型代表, 已经呈现出一种多元、异构、开放的网络互联格局。随着经济全球化以及电子商务的发展,各国的经济、科技、文化和政治都受到其深刻的影响。因此对于计算机网络新技术的研究,无论在于提高自身修养还是帮助国,家建设发展都具有十分重大的现实意义。
1.2 SDN与NDN理论的提出
1.2.1 下一代网络体系发展趋势
计算机网络是建立在分层模型上的,第一层是物理层,在这一层面上更多的是关于通信介质以及数据传输形式的问题,从同轴电缆到光纤从有线网络到无线通信、降低信噪比来减小传输过程中信息的衰减可以归为这一层面的技术。第二层是链路层,主要是控制端到端通信质量,这方面更多是要在链路层协议里反应,如PPP协议以及HDLC协议都可视之存在于这层的技术。三层四层则是最为核心的网络层和传输层,ipv6、nat等协议都是依附于这一层。在上层的应用层,则是面向用户的各种服务集中存在的层面,smtp、http等技术都是这一层面的典型代表。我们在学习这些知识时,自然会知道这样的分层结构具有很多的优势。他的设计思想有这些特点:服务是不可靠的尽力而为的、层与层之间相互隔离、整个网络是自组织的、端之间实现透明传输、全局的名字规则、分组交换。不过由此带来的问题也不少,比如可管理性、移动性和安全问题等[3]。
IP代表着主机的身份与位置,这种双重身份致使传统网络架构无法良好地支持主机和IP地址的动态绑定和主机迁移的问题。层与层之间的低耦合性给层间通信交流带来了非常多的不方便,整个网络的性能由此而下降,网络跨层机制研究一直是研究热点,不过如何提高网络性能仿佛是这些研究的共同重点,然后这样的跃层方案又与互联网设计之处的理念有所矛盾。
上述问题与矛盾在传统的网络架构下解决的希望正随着自身复杂度的增加变得越来越渺茫。人们也不得不开始对现有网络架构的合理性产生新的思考。学者们的声音普遍被分为了两类。同历史上任何事物的发展过程一样,一类是所谓的改良派,力求保持现有架构,只是对其进行修补,并逐渐演变。还有一类就是革命派,他们致力于研究推行新的网络架构,从而彻底跨入新的网络体系[4]。
2003 年,NSF(美国科学基金会)启动Clean Slate项目。2005 年,NSF 又启动GENI[5] (全球网络创新环境)项目。06年,NSF再次启动Clean Slate Design for The Internet项目旨在彻底改变网络基础设施服务。同年日本开始了AKARI项目,重新设计网络架构使其目标。2007年,FIRE[6]计划在欧洲启动,它也是一个针对未来网络研究的实验平台。随着这些项目的发展,各种各样的对于下一代网络设计的思想被提出。
1.2.2 SDN的提出
GENI参考clean slate项目的OpenFlow提出了软件既定义网络SDN[7]的概念。传统因特网把控制逻辑和数据转发紧耦合在网络设备上,导致网络控制平面管理的复杂化,也使得网络控制层面新技术的更新和发展很难直接部署在现有网络上,灵活性和扩展性很难适应网络的飞速发展,网络的控制和转发分离的思想就由此提出了。SDN 是一种新型的网络架构,设计的思想是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离, 在此基础上满足可编程化设计的需求。
1.2.3 NDN的提出
2010年NSF设立的FIA计划,资助了命名数据网络NDN[8]项目,与其他类似的研究项目如名字中心网络CCN[9],面向数据网络DONA[10]等一同归结为NDN网络体系之中。NDN网络体系架构就是要弱化IP在网络中的概念,转而由内容成为网络的核心部分。由于用户在使用网络时,关心的只是内容和数据而不会去考虑服务器的位置,而原来的网络必须在指定的服务器上才能享受服务,这无疑对网络造成了不必要的开销,试想我想获得的东西或许就在我家附近,我何必再坐着火车到其它城市去买呢?就是基于这种思想,NDN网络得到了许多研究者的肯定。
1.3软件既定义网络的发展历史
软件既定义网络概念的形成经过了四至五年的时间,从IETF早期的项目ForCES,到OpenFlow的出现。这种控制与转发数据分离的思想才在整个业界产生巨大的影响力,从普遍意义上说,目前人们研究的SDN网络大多是基于OpenFlow技术的。
2004年,IETF(互联网工程任务组,全球互联网最具权威的技术标准化组织) 在文献[11]提出了ForCES(forwarding and control element separation)。ForCES把网络中的要素分成两类,一类是控制件(control element,简称CE),还有一类是转发件(forwarding element,简称FE)。为了有效地管理和控制网络,增强灵活性。控制件与转发件之间的协同交互通过ForCES 协议来实现。ForCES实际上是一个理论性的项目,目的在于提出相关理论和建立一些模型来说明,目前为止虽已提交RFC标准草案多项,但实际并无在现实网络部署的意向。可以说是ForCES是关于SDN研究的开端。
Greenberg等人在2005年发表的论文[12]中提出了4D体系架构.目的是为了解决决策平面和分布式设备过度的紧密结合这一问题。网络控制的集中式管理方式是4D 体系结构的关键所在。控制管理决策的负责人是4D架构中的集中式决策单元(DE,Decision Element)。4D架构分为四个平面[13],如下图所示。从上到下分别是Decision平面,由多个集中式决策单元构成,能够直接控制数据平面,其决策依据是网级目标和视图;Dissemination平面,网络设备与DE的接口,传送控制信息数据信息。Discovery平面,发现网络中的物理设备;Date平面,进行数据的转发。
图 1.1 4D架构
2005年,Caesar等人提出了RCP[14],即路由控制平台。RCP是一个中央逻辑平台,它基于自治域结构。RCP实际上就是运用一台服务器来帮助自治域内部做决策。我们十分熟悉iBGP内部网关协议,它的作用是在一个自治域中帮助路由决策。但它有很多问题,比如说无法扩展以及容易造成链路的不稳定。现在我们在自治域放上一台RCP服务器,它负责收集网络拓扑信息并作出决策。可以良好地管理AS内部的网络,并作为AS的代言人与其他AS通过外部网关协议进行交流。
2006年,Martin Casado等来自斯坦福和伯克利的研究者们提出了一个面向企业网络的安全框架SANE[15]。它的工作原理是在IP层与链路层之间设置一个保护层,该保护层是一台中央服务器控制企业网络流量的接口。SANE面向的是企业网络,安全控制的理念大于路由决策。因此,没有得到广泛的部署和应用。2007年,这些研究者们在原来的基础上扩展了SANE的功能。中央控制器能够实现细粒度的转发决策,这边是Ethane[16]项目。Ethane实现了交换机傻瓜式数据转发,中央控制器决策流表的思想。是OpenFlow[17]技术的原型。
终于在2007年,Ethnane项目的负责人们创立了Nicira[18]公司,这是一个从理论研究到实际产品的突破。第二年,这些斯坦福以及普林斯顿等大学的教授们发表了“OpenFlow: EnablingInnovation in Campus Networks”,首次提出OpenFlow的概念。2011 年,ONF成立,其成立的目的是推进SDN 标准化,开放网络基金会(ONF)希望基于OpenFlow的SDN发展为新网络标准。

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好棒文