节点so域名

收稿日期:2004-10-29基金项目:国家自然科学基金项目(60373063)资助.
作者简介:宋莹,女,1979年生,博士研究生,主要研究领域为互联网络,并行处理,服务器技术;刘方爱,男,1962年生,教授,博士生导师,主要研究领域为并行处理,互联网络.
在超立方互联网络中实现anycast通信模式的算法分析宋莹1,2,刘方爱31(中国科学院计算技术研究所,北京100080)2(中国科学院研究生院,北京100049)3(山东师范大学信息管理学院,山东济南250014)E-mail:sssongying@126.
com摘要:Anycast是网络中一种新的通信方式,是IPv6的一个新特性.
它要求数据包被路由到具有相同Anycast地址的一组网络节点中距离用户"最近"的一个节点.
通过对anycast这一新型通信模式研究发现,Anycast通信的应用空间非常广阔,不仅可以满足大量地理位置分散的用户的需要,而且在互联网络中也有重要的应用.
因此,anycast被引入到互联网络中,提出在超立方互联网络结构中实现anycast通信的有效算法,并对该算法的效率进行分析,结果表明该算法需O(3n-2k+2)个时间步即可实现anycast通信.
通过模拟实验,得到在某一超立方互联网络中实现anycast通信时链路缓冲区个数与丢包率间的关系,为网络设计提供理论指导;同时,通过对比实验结果得到,在超立方互联网络中引入anycast通信能够有效地提高网络性能.
关键词:互联网络;选播;超立方;路由算法中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:1000-1220(2006)03-0422-06RoutingAlgorithmforAnycastCommunicationintheHypercubeSONGYing1,2,LIUFang-ai31(InstituteofComputingTechnology,ChineseAcademyofSciences,Beijing100080,China)2(GraduateUniversityofChineseAcademyofSciences,Beijing100049,China)3(DepartmentofComputerScience,ShandongNormalUniversity,Ji'nan250014,China)Abstract:Anycastisanewcommunicationmodeinthenetworks.
ItisanewcharacteristicofIPv6.
Ananycastmessageistheonethatshouldbedeliveredtothe'nearest'memberinagroupofdesignatedrecipients.
Throughthestudyofanycast,itcanbefindthatanycasthasnumerouspotentialapplicationsanditnotonlyhastheabilitytomeetthedemandsofalargenumberofgeographicallywide-spreadusersbutalsohasimportantapplicationsintheinterconnectionnetworks.
So,anycastisintroducedintotheinterconnection.
Aneffectivealgorithmwasproposedtoimplementtheanycastcommunicationinafamiliarinterconnectionnetwork-Hypercube.
Theefficiencyofthealgorithmisanalyzed.
ItneedO(3n-2k+2)stepstoimplementanycastcommunication.
Bysimulativeexperiment,therelationshipbetweenthenumberoflinkbufferandtheratiooflosingdatapacketstoimplementanycastinhypercubeisobtained.
Itwillprovidethetheoreticalguidancefordesigningnetworks.
Atthesametime,throughcomparingtheresultofsimulations,itisobtainedthatintroducinganycastintohypercubewillimprovetheperformanceofthenetwork.
Keywords:interconnectionnetworks;anycast;hypercube;routealgorithm1Anycast通信模式简介Anycast(选播)是一种新型的网络服务,是IPv6的一个新特性.
Anycast这一概念在[1]中被提出,它是点对多点中的一点的通信.
与组播类似,Anycast也是多个节点共享同一地址,不同的是组播中同一组播地址的每个节点都期待接收发给该组播地址的数据包,而Anycast数据包将被投递到离这组主机中最近的任意一台.
传统的单播通信也可以看作是接收组大小为一的Anycast通信的一个特例.
Anycast的含义是客户想与一组提供某一特定服务或应用的服务器中的任意一个进行通信,但客户并不需考虑究竟是由哪个服务器为自己提供服务[2].
为了实现这一通信,Anycast组中的服务器被指定单一的Anycast地址.
客户通过在发送数据包的头部设定Anycast地址将数据包发送到某一Anycast服务器上.
网络将试图把数据包传送给与anycast地址匹配的某一较优服务器.
图1说明anycast通信模式.
图1Anycast通信模式Anycast是一种非常有用的服务,在许多应用领域发挥着重要的作用.
它不仅可以用在Internet中最优服务器的选第27卷第3期2006年3月小型微型计算机系统MINI-MICROSYSTEMSVol.
27No.
3Mar.
2006择、支持主机自动配置、分摊网络中不同链路的负载等;也可用于无线网络中为服务定位;同时在互联网络中它也具有重要的应用,如提高并行计算的性能、改善多播通信的效率等.
1.
1anycast在Internet中的应用1.
1.
1最优服务器的选择随着网络应用的发展,人们对网络服务质量QoS(QualityofService)提出了越来越高的要求.
为提高网络的服务质量和平衡网络负载,网络中常设有多个能满足同样服务要求的服务站点.
当用户提出服务要求时,网络可以通过其中任意站点来为其服务.
当前网络上的服务如www的"mirror"站点、SOCK服务器、FTP服务等都属于此类结构.
Anycast通信正是为研究此类网络通信而提出的一种通信模式[3].
1.
1.
2支持主机自动配置Anycast可应用在主机的自动配置中,比较典型的是用于域名服务器(DNS)的解析[3].
如果没有Anycast通信服务,一个域名客户机必须记住所有相关的域名服务器的IP地址.
有了Anycast服务,一个anycast查询请求可以很容易的定位到一组可用服务器中的某个适用服务器上,用户在进行DNS解析时只要向全球的某个代表DNS的知名Anycast地址发送查询请求即可得到地址解析的结果.
这样可以简化客户机的配置,即使主机移动到一个新的网络也不用重新配置本地DNS服务器的地址.
1.
2无线网服务移动无线网比起传统的网络具有更大的动态性和更多的带宽限制[6].
已有不少学者对无线网中的anycast通信进行了研究[6,14].
网络中的服务节点在某段时间内是固定的,而请求服务的节点是随时间而无规则变化的.
这就给服务节点提供服务带来了较大的困难.
如何使这些动态的节点无论运动到网络中的哪个位置,都能得到最好的服务Anycast通信模式正是解决了这一问题,当某一请求服务的节点从一个服务域转移到另一个服务域时,网络会自动改变为其提供服务的服务节点,并为二者建立连接,而这一过程对用户是透明的,即不需用户的任何干预.
1.
3在互联网络中的应用通过对Anycast通信模式这一IPv6新特性的研究,我们发现:Anycast除了可用于上述Internet网络及无线网络中,它还可以应用于并行互联网络中,如提高并行计算的性能和改善并行互联网络中组播通信的效率等.
不难预测,IPv6会逐步走进并行互联网络,Anycast也将服务于并行互联网络.
1.
3.
1anycast应用于互联网络的高性能并行计算中医学、军事、生物计算、能源勘探等领域对计算提出了极高的具有挑战性的要求,为满足这些要求,一方面需提高高性能并行系统中单个节点的运算速度,另一方面则要增大并行节点的数量,改进其拓扑结构.
随着计算规模的增大,高性能并行系统中计算和服务节点的数量也在增加.
在机群系统中[8],为解决某一实际问题往往需要使用大量处理器节点.
这些节点一般分为计算节点和服务节点,计算节点主要用于执行用户提交的任务,而服务节点则主要用于支持用户作业在计算节点上的运行,如提供各种应用服务、管理系统数据库等.
随着系统规模的增大和对机群系统效率要求的提高,在机群系统中往往需要采用多个服务节点提供同一服务以降低对某一服务节点的负载、提高运算效率.
在计算过程中,对某一个计算节点而言,究竟采用哪个服务节点为其提供服务,会影响到整个计算的效率.
将Anycast通信引入到并行系统中来,可以进行服务节点选择,为计算节点选择负载最小或距离它最近的服务节点,而计算节点不需关心是哪个服务节点为它提供服务.
在不同的网络环境下,可能会有不同的服务节点为同一计算节点提供同一服务.
而我们真正关心的是网络计算的效率,此时,可通过实现anycast通信模式解决服务节点选择问题,以此提高机群系统中高性能计算的整体效率.
1.
3.
2Anycast(选播)对并行互联网络中组播通信效率的改善组播通信是并行互联网络中最重要的通信模式之一,有着广泛的应用.
它也是目前互联网络研究的热点问题,文献[9,11]中提出了一些组播的解决方案.
而随着对anycast通信的研究,有许多学者提出将anycast通信应用于组播通信中以改善组播通信的效率[7,10,12,13].
WeijiaJiaandPui-OnAu在[7]中提出使用anycast和分层树来实现组播路由的协议.
该方法用于将所有树根构建到一个anycast组中,这样组播包能被选播到所有共享树中距离它最近的共享树的根节点来为组播包获取最好的路由服务.
他们证明,这种利用anycast通信实现组播的方法是一个能够实现低延迟、高吞吐量和高资源利用率的有效组播通信的路由协议.
[10]中提出将组播和选播消息整合的路由协议,它在下述两个方面通过应用anycast通信对较为成熟的共享树方法进行了改进:(1)Off-tree路由选播配置:组播源点为了避免拥塞或网络中出现的错误使用选播路由来选择一条从源节点到组中任一个路由器的较好的路径.
(2)On-tree路由选播配置:将共享树中的节点构成一个虚拟的选播组,利用选播技术和共享树方法相结合进行共享树上的路由配置.
他们通过模拟实验得到:使用anycast技术实现组播路由可提高组播的性能和可靠性.
不难看出,Anycast(选播)对改善互联网络中组播通信效率起到了重要作用.
Anycast通信是通过一个anycast地址就能使用户访问到该地址所表示的一组服务器中对用户来说性能最优(距离最近)的一个服务器.
目前世界上对选播(anycast)通信模型有2种不同的研究模式:一种是对网络在应用层进行网络选播通信的研究,包括对选播通信模型的研究和对选取目标站点策略的研究;另一种是对网络在网络层进行选播通信的研究,主要有对选播路由通信中的路由表构造及路由算法的研究.
本文主要在网络层对anycast通信进行研究.
不难预测,Ipv6会逐步走进并行互联网络,对互联网络不同拓扑结构下实现anycast这一通信模式的研究势在必行.
2在超立方中实现anycast通信模式的算法我们知道,超立方优良的拓扑特性使得多数互联网络能有效的嵌入到超立方网络中,同时可以将在超立方网络中实3243期宋莹等:在超立方互联网络中实现anycast通信模式的算法分析现各种通信模式的算法很容易地移植到其它互联网络中.
由此,超立方互联网络已成为并行计算机通信系统中最受青睐的网络拓扑结构之一.
在对anycast通信模式和超立方网络研究的基础上,我们提出了在超立方互联网络中实现anycast通信模式的算法.
本文借鉴[4]和[5]中将广域网分成多个域的思想,提出在超立方互联网络中实现anycast通信模式的算法,将n维超立方进行了分域,同时对实现anycast通信模式时的具体问题提出了解决方案.
图2anycast过程一个n维超立方网络包含2n个节点,并且每个节点与n条边相连.
每一节点用唯一的n位二进制地址来标识,两个节点是互联的当且仅当它们的二进制地址中仅有一位不同.
Anycast地址可以用m位二进制来标识(其中,m是与n不同的整数).
超立方网络拓扑是并行计算中最重要的多处理机互联结构之一.
我们主要利用其结构的递归性这一特性提出实现anycast通信模式的算法.
n维超立方体可以看作两个n-1维超立方体的互联,而每个n-1维超立方体又可看作两个n-2维超立方体的互联,….
因此,一个n维超立方体可以分解成2n-k个k维子立方体(k=n-k)ifai=1thenSend(a1a2…ai-110…0,a1a2…an-kan-k+1…ai-10…0,packet)endifendfor//该域路由器a1a2…an-k0…0首先遍历自己的路由表,如发现有相应的anycast和unicast地址映射表项,则把unicast地址返回给请求节点a1a2…an,如没有相应的路由表项,则将该请求传递给其相邻域的域路由器nodea1a2…an-k0…0testit'sanycast-route-tableifthereisapair(anycast,unicast)intheanycast-route-tablesend(a1a2…an-k0…0,a1a2…an,replypacket)//replypacket中含有unicast地址和该节点的忙闲状态参数等elsenodea1a2…an-k0…0sendsthepackettoeachnodeb1b2…bn-k0…0,b1b2…bn-kanda1a2…an-konlyhasonebitdifference//对各个域中的域路由器,接收到请求后先将TTL减1,若TTL为0,将请求包丢弃,否则,查看器路由表:Foreachnodeb1b2…bn-k0…0,havingreceivedthepacketdoTTL=TTL-1IfTTL=0thenDiscardthispacketelseTestit'sanycast-route-tableIfthereisapair(anycast,unicast)intheanycast-route-tablesend(b1b2…bn-k0…0,a1a2…an,replypacket)elseb1b2…bn-k0…0sendsthepackettoit'sneighbork-subcubes,namelyeachnodec1c2…cn-k0…0//如果找到相应的表项,将replypacket发送回请求节点,否则,将请求包继续传递给其邻域路由器endifendifendforAlgorithmanycast-phrase2//节点a1a2…an将接收到的addr(unicast)进行比较,选择一个最合适的unicast地址.
然后,基于超立方网络中的点到点路由算法(如沿最短路径),找到节点a1a2…an与选定的unicast节点间的最佳路径.
Onnodea1a2…an,dothefollowing:Basedonthestateparameterinthereplypackets,selectanaddr(unicast)amongallthereceivedreplypackets.
Wesupposetheselectednode'saddressisd1d2…dnFor(i=n,i-,i>=1)Ifai≠biSend(a1a2…aibi+1…bn,a1a2…bibi+1…bn,packet)endifUpdatetheroute-tableintherouterwhichalongpathofthepacket,thenthetwonodescommunicatewitheachotherthroughtheselectedpath.
使用上述算法,可以有效的在超立方网络中实现anycast通信模式,同时,该算法也可移植到其它互联网络中.
这为互联网络中的anycast应用提供了算法上的支持.
在提出该算法并对其进行分析的过程中我们得到以下结论.
定理1.
在n维超立方网络中相邻域的域路由器也相邻证明:由于我们选定的域路由器的地址满足*0…0(k个0),对于两相邻的域,其地址的前n-k位仅有一位不同,而对于这两个域的域路由器前n-k位仅有一位不同,后k位均为0.
也即,这两个域路由器的地址仅有一位不同.
所以它们相邻.
即相邻域的域路由器也相邻.
得证.
定义3.
在n维超立方体中,两k-子立方体间的距离是分别从这两个k-子立方体中各取一个节点,所构成所有节点对中节点间距离的最小值.
引理:在n维超立方体中,两k-子立方体的最远距离为n-k证明:在n维超立方体中,节点的地址可以分为两部分:前n-k位表明该节点所在的k-子立方体,后k位指出节点在k-子立方体内的位置.
我们知道:在n维超立方体中,两节点间的距离为它们地址中对应位取值不同的位数之和.
我们不妨设两个k-子立方体的地址分别为a1a2…an-k*和b1b2…bn-k*,我们计算两k-子立方体间的距离,就是要计算从这两个k-子立方体中分别取一个节点,所构成所有节点对中节点间距离的最小值.
我们不妨取这两个k-子立方体中的节点地址分别为a1a2…an-kan-k+1…an和b1b2…bn-kbn-k+1…bn,这两点间的距离为地址中对应位不同的个数,可见,它们间的最远距离为n.
而如果an-k+1…an与bn-k+1…bn对应位均相同,即两节点地址中后k位相同,则此时这两个节点是距离最近的一对节点,它们间距离不超过n-k.
不难看出,这两个k-子立方体间的最远距离为n-k,即在n维超立方体中,两k-子立方体间的最远距离为n-k.
得证.
定理2.
若请求包中的TTL初值设为n-k+1,则在网络正常连接且存在提供某一anycast服务的节点的情况下,在TTL值减为0之前,至少存在一个请求包它能找到该anycast服务节点所在域的域路由器.
证明:由引理可知:在n维超立方体中,两k-子立方体的最远距离为n-k,又因为在n维超立方网络中相邻域的域路由器也相邻,不难得出:在n维超立方体中,两域路由器间的最远距离为n-k.
域路由器将请求包以并发的方式同时传递给其邻域路由器,请求包每在相邻域路由器间传递一次,TTL值减1.
在不存在环路的情况下,某一请求包最多被传递n-k次.
可见,在网络正常连接且存在提供某一anycast服务节点的情况下,若请求包中的TTL初值设为n-k+1,在TTL值减为0之前,至少会有一个请求包能找到该anycast服务节点所在域5243期宋莹等:在超立方互联网络中实现anycast通信模式的算法分析的域路由器.
得证.
定理3.
该算法的时间复杂性是O(3n-2k+2)证明:由算法不难看出,其运行时间可分为两部分:第一部分是实现由anycast地址向unicast地址转变的时间,即找到提供某一anycast服务的节点且将它对应的unicast地址返回到请求节点的时间;第二部分是请求节点与得到的unicast节点间建立连接的时间.
容易得到,第一部分的时间复杂性为O(2TTL),由定理2可知即为O(2n-2k+2);而由算法的第二阶段可以得到,第二部分的时间复杂性为O(n).
所以,将这两部分合并,得到该算法的时间复杂性为O(3n-2k+2).
得证.
3模拟实验NS-2(NetworkSimulator)1是一个通用的网络模拟器.
利用NS-2,我们在4维超立方体和5维超立方体中对链路缓冲区个数与传输过程中数据包的丢包率进行了研究.
为了得到链路缓冲区个数与丢包率间的关系,我们模拟最极端的情况,即假设网络中所有节点同时提出同一anycast请求.
这样网络中肯定会出现数据包拥塞的情况,我们主要讨论在这种情况下某一具体网络中链路需要多少缓冲区才能使得数据不会丢失.
(a)4维超立方网络(b)5维超立方网络图4实现anycast通信时链路缓冲区个数与丢包率间的关系图假设网络中每个节点需向提供anycast服务的某一节点发送数据包是一随机过程,服从均值为0.
4mb/s的指数分布,每个数据包的大小是1000b,总共需发送800个数据包.
k值取3,即每个3子立方作为一个域.
在4维超立方体中,我们假设由两个节点(1101和1011)提供同一anycast服务,其余所有节点同时向这两个节点中的某一节点发送数据包.
在5维超立方体中,我们假设由三个节点(11101、11011和00011)提供同一anycast服务,其余所有节点同时向这三个节点中的某一节点发送数据包.
通过实验我们得到链路缓冲区个数与丢包率的关系如图4(a)(b)所示.
实验结果表明,在4维超立方体中,当链路缓冲区的个数达到27时,不会有数据包丢失;而在5维超立方体中,当链路缓冲区的个数达到28时,不会有数据包丢失.
从图4(a)和(b)可以看出,当链路缓冲区的个数较小时(本实验中小于等于6时),链路缓冲区个数的变化对丢包率影响较大;而当链路缓冲区的个数较大时,链路缓冲区个数的变化对丢包率的影响很小.
(a)4维超立方网络(b)5维超立方网络图5不引入anycast通信时链路缓冲区个数与丢包率间的关系图上述分析可以帮助我们根据不同的实际情况决定网络中链路缓冲区的大小,使得既在实际网络允许的范围内尽量减少数据包的丢失,又不会带来资源的浪费,以提高资源利用率.
可见上述模拟实验及其结果对实际网络的构建和维护具有重要的理论指导意义.
为了说明在超立方互联网络中引入anycast通信模式的必要性及我们算法的优越性,在不采用上述anycast算法的前提下,我们分别在4维超立方和5维超立方网络中实现与上述相同的通信(实验环境与参数设置均与上述实验相同).
因为没有anycast算法选择服务节点,我们需为每个节点预先指定服务节点.
在4维超立方中预先指定:3-子立方1***(每个*号代表一位二进制位)与节点1101通信,3-子立方0***与节点1011通信;在5维超立方中预先指定:3-子立方11***与节点11101通信,3-子立方10***与节点11011通信,4-子立方0****与节点00011通信.
通过仿1多协议网络模拟软件NS-2由美国DARPA支持的项目VINT(VirtualInterNetTestbed)开发,试图通过为网络研究者提供一套模拟工具,促进各种新网络协议的设计和实施.
网址:http://www-mash.
cs.
berkeley.
edu/ns/624小型微型计算机系统2006年真实验我们得到若不在超立方中引入anycast通信,链路缓冲区个数与丢包率的关系如图5(a)(b)所示.
实验结果表明,在不引入anycast通信条件下,在4维超立方体中,当链路缓冲区的个数达到32时,不会有数据包丢失;而在5维超立方体中,当链路缓冲区的个数达到399时,不会有数据包丢失.
将图4和图5所示的这两组模拟数据相比较,我们不难看出:在相同的网络环境及参数设置下,采用本文提出的算法将anycast引入超立方网络后所需缓冲区的个数较之引入前明显减少.
也就是说,我们将anycast引入超立方互联网络并提出其路由算法,对于提高网络性能具有重大的现实意义.
4结论Anycast是一种新型的网络服务,与unicast和multicast一样,它是IP的一种通信模式.
但是,它的实现还面临着许多问题.
现在,anycast研究者的注意力主要集中在路由协议、无状态服务问题、组管理协议、局域网通信、地址结构、安全问题、QoS保证以及可扩展性等方面.
随着网络新应用、新服务的不断涌现,对它的需求也在不断增长.
虽然有些方面已取得了一些进展,但是当前对anycast的研究才刚刚起步,在许多方面还存在着制约这种服务实施的问题,亟需研究人员解决.
关于anycast的一些协议和标准正在讨论中,但仍然没有达成共识.
不难预测,Ipv6会逐步走进并行互联网络,当前在不同拓扑结构下实现anycast这一通信模式的研究还很少.
本文是在超立方这一常见并行互联网络拓扑结构下,对实现anycast通信模式进行了探讨,并提出了在超立方网络中实现anycast通信模式的有效算法及对该算法进行了分析和模拟.
作为下一代Internet新兴的服务方式,anycast为我们展开了广阔的探索空间.
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