互联网体系结构评估模型

第35卷计算机学报Vol.352013年12月CHINESEJOURNALOFCOMPUTERSDec.20131互联网体系结构评估模型、机制及方法研究综述徐恪朱敏林闯1（清华大学计算机科学与技术系北京100084）摘要互联网体系结构评估模型是推动互联网体系结构持续发展的理论支撑，它可以为运营商提供网络体系结构设计的相关建议，从而使运营商可选取最适合的协议或机制构建符合各种应用需求的互联网体系结构．随着互联网应用日趋多样化，互联网的安全性、稳定性、移动性等面临越来越大的挑战．互联网体系结构的演进已经成为学术界和工业界的共识，面向现有体系结构问题的修补策略以及革命式的体系结构方案不断被提出，借鉴前者的稳定性和后者的创新性，我们提出了一种基于演进式的互联网体系结构发展思路．为了更好地了解各种互联网体系结构发展方案，近年来，研究人员分别从协议、框架等不同方面对体系结构的服务能力、发展能力和安全能力进行了评估，互联网体系结构评估方法已经成为未来互联网体系结构研究的一大热点．文中介绍了与互联网体系结构发展密切相关的五种特性的基本评估模型，包括可服务性、可扩展性、可部署性、可演化性和可信性评估模型；归纳了用于构造互联网体系结构评估模型的机制，重点讨论了效用机制在这五类基本评估模型中的应用；并对用于实现互联网体系结构评估的若干方法进行了总结．基于上述讨论，文中最后从互联网体系结构的内在特性和外在特性出发，提出了一种基于适应能力的互联网体系结构可演进性评估系统，并对互联网体系结构评估领域的发展进行了展望．关键词互联网体系结构；评估模型；效用；可演进性中图法分类号TP393DOI号：10.3724/SP.J.1016.2012.019InternetArchitectureEvaluationModels，MechanismsandMethodsXUKeZHUMinLINChuang1(DepartmentofTsinghua,University,100084,China)AbstractInternetarchitectureassessmentmodelistopromotethesustainabledevelopmentoftheInternetarchitecturetosupportthetheory,itcanprovidenetworkarchitecturedesignrecommendationsforoperators,sothatoperatorscanselectthemostsuitablemechanismtobuildagreementormeettheneedsofvariousInternetapplicationsarchitecture.WiththegrowingdiversityofInternetapplications,Internetsecurity,stability,mobility,etc.facingincreasingchallenges.EvolutionoftheInternetarchitecturehasbecometheconsensusofacademiaandindustry,repairstrategiesandrevolutionaryarchitecturesolutionsforexistingstructuralproblemsofthesystemcontinuetobemade,drawingthelatter'sformerstabilityandinnovation,weproposeanevolutionoftheInternetarchitecturestylebasedonthedevelopmentofideas.InordertobetterunderstandthevariousInternetarchitecturedevelopmentprograms,inrecentyears,researchersfromdifferentaspectsoftheagreement,theserviceframeworks,capacitydevelopmentandsecuritycapabilitieswereevaluatedarchitecture,structuralassessmentmethodshavebecomethenextInternetsystemstructureofahotInternetsystem.ThispaperintroducesthebasicassessmentmodelandstructureofthesystemiscloselyrelatedtothedevelopmentoftheInternetoffiveproperties,includingserviceability,scalability,deployability,evolvabilityandcredibilityassessmentmodels;summeduptheInternetarchitectureforconstructingmechanismsforevaluationmodel,focusingontheutilityofthemechanismusedinthesefivebasicassessmentmodel;Internetarchitectureandevaluateseveralmethodsforachievingsummarized.Basedontheabovediscussion,thefinaltextfromthe10期互联网体系结构评估模型、机制及方法研究综述20132intrinsicpropertiesandextrinsiccharacteristicsoftheInternetarchitecture,thispaperpresentstheevolutionoftheInternetarchitecturecanassesssystembasedonabilitytoadapt,andevaluatethedevelopmentoftheInternetsysteminthefieldofarchitecturewerediscussed.KeywordsInternetarchitecture;evaluationmodel;utility;evolutionary１引言互联网的飞速发展促进了社会的进步和人类生活方式的改变[错误!未找到引用源。]，与此同时创新应用和新型计算模式的不断涌现，也加速了互联网前进的步伐和角色的转变，尤其是近来，P2P等多媒体应用和云计算得到大规模发展，互联网的功能开始由传统的“通信信道”向“数据处理平台”转变。然而，在规模爆炸式增长，应用频繁更新，无线移动通信技术不断发展的影响下，现有互联网体系结构与不断变化的应用环境之间的矛盾日益尖锐。未来互联网体系结构的发展问题已经成为学术界和工业界关心的焦点[错误!未找到引用源。]。目前，相关的研究思路可以分为三类，如图片1所示。图片1互联网体系结构发展思路针对如何解决现有互联网体系结构的不足以及未来互联网体系结构如何发展的问题，世界各地的研究者们也开展了大量研究项目并发表了大批研究论文，提出了相关建议。从互联网体系结构的定义可以看出互联网体系结构是一个囊括了协议、算法、机制、框架各层次元素的系统。因此，针对互联网体系结构的评估也相当复杂，从互联网体系结构协议、算法、机制到互联网框架的功能和性能评估，从体系结构完整性到安全性的评估，相关的研究成果层出不穷。用户、运营商、内容提供商通过参考体系结构相关的评估结果，如各种性能参数，可以解决哪些发展方案可取、各种方案并存下的发展趋势等问题。此外，互联网体系结构评估工作也为互联网中决策者的选择乃至国家的互联网政策走向提供了参考、借鉴和指导依据。本文从评估模型、机制、方法三个角度对互联网体系结构评估工作目前的研究现状进行了综述，重点对与互联网体系结构发展密切相关的体系结构服务能力（可服务性）、发展能力（包括可部署性、可扩展性、可演化性）和安全能力（主要指可信性）的评估工作进行了总结，并从适应性的角度提出了一种全新的互联网体系结构可演进性评估思路，以期为未来互联网体系结构的研究和评估提供参考。2互联网体系结构评估工作现状2.1基于定性分析比较的互联网体系结构评估文献内容描述[错误!未找到引用源。]对互联网体系结构面临的挑战、如何使用革命式路线解决这些挑战以及如何评估这解决方案进行分析。第35卷计算机学报Vol.352013年12月CHINESEJOURNALOFCOMPUTERSDec.20133文献内容描述[错误!未找到引用源。]对计算机网络体系结构发展与生物遗传学之间的相似性进行了对比分析并提出了互联网体系结构发展的基本原则。表格1基于定性分析比较的互联网体系结构评估示结合理论的定性分析通过抽象思维和对比来揭示事物的本质和内在联系，在各学科的研一直扮演着重要的角色，它也是互联网体系结构评估的主要手段之一。例如表格1中的相关文献就使用了定性分析和比较的方法揭示互联网体系结构的一些本质特性。2.2基于模型的互联网体系结构评估模型是对现实世界中各种事物本质特性的抽象表示，它将现实问题归结为相应的数学、物理学、经济学等科学问题，并利用相关学科的方法和理论对问题进行深入研究，是分析、构造、开发各种系统必不可少的工具。对于复杂的互联网体系结构而言，建立有效的模型可以对体系结构给予定性和定量的评价，因此，模型是目前用于互联网体系结构评估最主要的手段。3互联网体系结构评估模型研究3.1互联网体系结构可服务性评估模型目前，针对互联网体系结构可服务性的评估工作已经很成熟。通常，研究者们会从测量和模型两个方面着手对体系结构的可服务性进行评估。文献［错误!未找到引用源。］就通过马尔可夫链、进程代数或Petri网等模型对各种网络系统的各种服务性能进行了评估。本节将对其中Petri网的应用进行简介。Petri网是用于分析异步、并发的计算机系统的有效模型。它通过严格的数学表述和直观图形表达方式来描述和分析系统，林闯对随机Petri网理论及其分析技术、建模方法、模型的分解和压缩、性能界限求解技术等进行了介绍，并详细讨论了随机Petri网在1990计算机学报2012年通信协议性能建模、ATM网络性能建模以及计算机系统和软件系统性能评价中的应用［错误!未找到引用源。]。Zaitserv等人通过一个有色Petri网参数模型对基于交换的以太网的吞吐率、帧传输时间等性能进行了评。Tan等人使用随机Petri网对资源共享系统的性能进行了评估。此外，还有许多通过Petri网建立的用于评估体系结构可靠性、正确性等性能的评估工具。3.2互联网体系结构可扩展性评估模型对互联网体系结构进行可扩展性研究和分析，首先需要理解可扩展性的概念。Neuman对系统可扩展性给出了如下的定义：可扩展性指用户和系统资源的增加不会导致系统性能的明显下降，也不会增加管理的复杂性。当此系统专指互联网体系结构时，其良好的可扩展性就是指当网络规模扩大后（主要是节点和链10期互联网体系结构评估模型、机制及方法研究综述20134路数量的增加），不会使该网络体系的各项性能指标参数发生明显下降。文献［错误!未找到引用源。］中，作者将互联网体系结构中可控制的因素，如报文发送速率、链路带宽等定义为约束条件，即X＝｛1x，2x…，nx｝，而约束条件变化的范围称为约束空间，需要考查的互联网体系结构特性，如吞吐量、稳定性、网络成本等称为评价指标，Y＝｛1y，2y，…，ny｝为评价指标集合．文中定义多维可扩展性即多约束多目标的可扩展，即综合考虑多个评价指标随着多个约束条件变化而具有的可扩展性．由此，作者提出了互联网体多约束一维的静态可扩展性评价模型如公式1：XxxxfXfySniiii},,,,{)(21公式1其中，if即是评价指标iy随着约