下一代互聯(lián)網(wǎng)中名系統(tǒng)的研究

在當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用中，命名和相對(duì)應(yīng)名字的解析映射起著極為重要的作用。有了對(duì)資源的命名，它在網(wǎng)絡(luò)上的注冊(cè)才成為可能；有了名字的解析映射，資源的查詢才成為可能。目前，命名采用域名的方式，而名字解析采用域名解析系統(tǒng)(DNS)來實(shí)現(xiàn)。DNS初始設(shè)計(jì)的目的是將不容易記憶的IP地址映射為更容易記憶的帶有語義的字符串，以方便用戶。在應(yīng)用初期，DNS的優(yōu)勢(shì)得到了很好的體現(xiàn)，迅速成為了全球最大的域名解析系統(tǒng)。然而由于其設(shè)計(jì)初期考慮的比較簡單，所以在當(dāng)今應(yīng)用中出現(xiàn)了很多問題。具體表現(xiàn)在：

(1)DNS根服務(wù)器作用重大，所有本地DNS服務(wù)器無法解析的域名解析請(qǐng)求都要直接送到DNS根服務(wù)器中，而這些DNS根服務(wù)器的最終管理權(quán)與控制權(quán)在美國政府手里，美國可以對(duì)DNS根服務(wù)器中的ROOTZONE文件記錄進(jìn)行修改，從而使得一些國家從互聯(lián)網(wǎng)世界中消失。

(2)域名帶有語義，不可避免地涉及到所有權(quán)歸屬問題，從而帶來不必要的法律糾紛。

(3)DNS面向主機(jī)，當(dāng)主機(jī)中的數(shù)據(jù)移動(dòng)或復(fù)制后，DNS則無法再次為該數(shù)據(jù)提供服務(wù)。

(4)在DNS服務(wù)器中，由于業(yè)務(wù)需，要，負(fù)責(zé).com域名解析的服務(wù)器比負(fù)責(zé).org等域名解析的服務(wù)器負(fù)載重很多，沒有相互協(xié)調(diào)充分利用網(wǎng)絡(luò)資源。

1學(xué)術(shù)界提出的新名系統(tǒng)

針對(duì)以上DNS名系統(tǒng)中的缺點(diǎn)，學(xué)術(shù)界提出了新的名系統(tǒng)，主要代表是文獻(xiàn)。下面介紹這套系統(tǒng)的工作方式。

名字的生成采用Hash方式，其過程為：提取資源的元信息；Hash元信息生成一個(gè)字符串，用這個(gè)字符串來標(biāo)識(shí)資源。由于名字的生成過程是基于資源的元信息，所以名字不會(huì)隨資源的移動(dòng)或復(fù)制而改變，對(duì)用戶來說是透明的，可以用始終如一的名字查找到資源。這樣可以很好地解決現(xiàn)有命名方式中存在的不足。

名字解析映射系統(tǒng)采用分布式哈希表(DHT)結(jié)構(gòu)，而DHT提供一種操作：給定一個(gè)關(guān)鍵字，把這個(gè)關(guān)鍵字經(jīng)Hash映射到系統(tǒng)的某個(gè)唯一節(jié)點(diǎn)上。在文獻(xiàn)[6]中，將DHT中的節(jié)點(diǎn)看成解析映射服務(wù)器。在名字注冊(cè)時(shí)，將元信息當(dāng)作關(guān)鍵字經(jīng)Hash產(chǎn)生的名字注冊(cè)到DHT上；在名字解析時(shí)，利用元信息生成的名字在DHT上解析返回連接信息。由于DHT的扁平狀結(jié)構(gòu)，當(dāng)解析映射系統(tǒng)受到DoS攻擊時(shí)，癱瘓的只是被攻擊的那臺(tái)服務(wù)器，其他服務(wù)器的并沒有受到影響。所以，在同樣的DoS攻擊下，這種系統(tǒng)的魯棒性要強(qiáng)于DNS。但是對(duì)于DHT來說，解析一個(gè)名字所花費(fèi)的最大時(shí)延為logⅣ(以Chord為例)，其中Ⅳ為系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)數(shù)。對(duì)于一個(gè)全球系統(tǒng)來說，Ⅳ的值會(huì)在百萬級(jí)，這時(shí)解析時(shí)延太大不適實(shí)際環(huán)境的使用。

為此我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種新的名系統(tǒng)，在保留文獻(xiàn)[6]系統(tǒng)優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上，解決解析時(shí)延太大的問題。命名為基于One-hopDHT的名系統(tǒng)，重疊化名系統(tǒng)。

2設(shè)計(jì)基于Ono—hop DHT的名系統(tǒng)

基于One-hop DHT的名系統(tǒng)，有一個(gè)重疊結(jié)構(gòu)并主要由3層組成(如圖1所示)：中繼層、實(shí)現(xiàn)層和維護(hù)層。其中，中繼層的主要功能是控制用戶的接入，及處理用戶注冊(cè)或查詢資源名字的請(qǐng)求；實(shí)現(xiàn)層和維護(hù)層聯(lián)合工作，實(shí)現(xiàn)各種資源名字的注冊(cè)與查找，其中實(shí)現(xiàn)層維護(hù)一個(gè)Chord系統(tǒng)，而維護(hù)層維護(hù)一個(gè)向量空間(向量空間是指某一個(gè)服務(wù)器知道該層其它服務(wù)器的所有信息)。

2.1新名系統(tǒng)具體的實(shí)現(xiàn)方案

中繼層上各節(jié)點(diǎn)分別與實(shí)現(xiàn)層上1-3個(gè)節(jié)點(diǎn)相連，通過這些相連的節(jié)點(diǎn)進(jìn)入系統(tǒng)注冊(cè)或獲取服務(wù)所需的連接信息。實(shí)現(xiàn)層維護(hù)一個(gè)Chord環(huán)，該層中的各節(jié)點(diǎn)維護(hù)兩組表項(xiàng)：父節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)和路由表項(xiàng)。其中，路由表項(xiàng)與原Chord算法中實(shí)現(xiàn)方式一致(由文獻(xiàn)[7]給出)，而父節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)內(nèi)容為管理該節(jié)點(diǎn)的維護(hù)層節(jié)點(diǎn)ID。維護(hù)層維護(hù)兩組表項(xiàng)：區(qū)域表項(xiàng)和管理表項(xiàng)。區(qū)域表項(xiàng)是用于維護(hù)實(shí)現(xiàn)層的一部分連續(xù)區(qū)域，而管理表項(xiàng)則用于指示在這個(gè)區(qū)域內(nèi)有哪幾個(gè)節(jié)點(diǎn)存活。

下面用一個(gè)例子簡要說明該映射系統(tǒng)的整個(gè)工作過程。如圖2所示，在這個(gè)映射系統(tǒng)中，維護(hù)層有4個(gè)維護(hù)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)層有11個(gè)節(jié)點(diǎn)，中繼節(jié)點(diǎn)有2個(gè)，具體連接方式如圖2所示。圖3中列舉了幾個(gè)具有代表性的表項(xiàng)：M。的區(qū)域表項(xiàng)和管理表項(xiàng)，C。的父節(jié)點(diǎn)表項(xiàng)。

2.1.1資源的注冊(cè)：

(1)將此請(qǐng)求發(fā)送到一個(gè)中繼點(diǎn)(中繼點(diǎn)1)。

(2)中繼點(diǎn)提取此項(xiàng)服務(wù)的元信息，經(jīng)過Hash元信息生成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)名字fsIDl=3)。

(3)通過實(shí)現(xiàn)層接入點(diǎn)Chord節(jié)點(diǎn)c，并利用Chord算法直接將該名字注冊(cè)到Chord環(huán)上，即將這項(xiàng)服務(wù)的名字應(yīng)用于建立連接的信息并入節(jié)點(diǎn)c。

2.1.2資源的解析：

(1)Hash服務(wù)的元信息生成網(wǎng)絡(luò)名字(SIDl=3)。

(2)發(fā)送到一個(gè)中繼點(diǎn)(例如中繼點(diǎn)2)。

(3)中繼點(diǎn)通過它在實(shí)現(xiàn)層的接入點(diǎn)c1或c12將該網(wǎng)絡(luò)名字送往上層(假設(shè)此處選擇C31)。

(4)節(jié)點(diǎn)c32收到該服務(wù)請(qǐng)求后直接遞交給它的父節(jié)點(diǎn)M4，不做任何其他處理。

(5)節(jié)點(diǎn)M4查詢其區(qū)域表項(xiàng)，發(fā)現(xiàn)新網(wǎng)絡(luò)名字3在維護(hù)節(jié)點(diǎn)M1管理的區(qū)域內(nèi)，將該請(qǐng)求發(fā)送到節(jié)點(diǎn)M1。

(6)節(jié)點(diǎn)M1收到該服務(wù)請(qǐng)求后，查詢其管理表項(xiàng)并將發(fā)現(xiàn)的新網(wǎng)絡(luò)名字為3的信息存儲(chǔ)在節(jié)點(diǎn)C4上面，于是M1與節(jié)點(diǎn)c4建立連接，取得獲取此項(xiàng)服務(wù)所需的連接信息按原路返回給用戶。

(7)用戶利用返回的連接信息與服務(wù)提供商建立連接獲取服務(wù)。

在整個(gè)實(shí)現(xiàn)過程中，我們?cè)谧?cè)過程中沒有使用維護(hù)層，只在查詢過程中使用了維護(hù)層。我們認(rèn)為在網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中主要的瓶頸在于查詢端，這樣做可以提高查詢效率。因?yàn)榫S護(hù)節(jié)點(diǎn)只需要處理查詢請(qǐng)求，而不用對(duì)注冊(cè)請(qǐng)求作處理。 一般情況下，維護(hù)層節(jié)點(diǎn)會(huì)有熱備份，并且魯棒性較強(qiáng)。如果有故障產(chǎn)生，查詢消息則不再發(fā)往維護(hù)層節(jié)點(diǎn)，而是直接在實(shí)現(xiàn)層利用Chord算法進(jìn)行路由，以便在系統(tǒng)正常工作的基礎(chǔ)上對(duì)護(hù)層節(jié)點(diǎn)進(jìn)行修復(fù)。這樣做在一定程度上提高了整個(gè)系統(tǒng)的魯棒性。

One-hop DHT的名系統(tǒng)在一次名字解析時(shí)，最大跳數(shù)為3，降低了查詢時(shí)延；但該系統(tǒng)只適合小范圍的應(yīng)用，其瓶頸在于維護(hù)層服務(wù)器的處理能力。為此，我們又設(shè)計(jì)了重疊化名系統(tǒng)。

3重疊化名系統(tǒng)

3，1重疊化名系統(tǒng)中名字的設(shè)計(jì)

新網(wǎng)絡(luò)名字將名字分為兩部分：前綴部分和資源標(biāo)識(shí)部分，如圖4所示。前綴部分用兩個(gè)字節(jié)標(biāo)識(shí)，又可分為兩部分：前9個(gè)bit用于標(biāo)識(shí)地理位置信息(以國家和地區(qū)為單位)，后7個(gè)bit用于攜帶服務(wù)質(zhì)量(Qos)信息或備用。因?yàn)槟壳叭澜缬?00多個(gè)國家和地區(qū)，9個(gè)bit足以唯一標(biāo)識(shí)任何一個(gè)國家；后7個(gè)比特可以帶一些QoS信息或做擴(kuò)展服務(wù)等。資源標(biāo)識(shí)部分用于標(biāo)識(shí)資源，它產(chǎn)生于資源的元信息。元信息經(jīng)過Hash運(yùn)算后生成一個(gè)160 bit的字符串來唯一標(biāo)識(shí)所描述的資源。

由于名字的資源標(biāo)識(shí)部分的生成過程是基于資源的元信息，所以與文獻(xiàn)一樣，名字不會(huì)隨著資源的移動(dòng)或復(fù)制而改變，用戶可以用始終如一的名字查找到資源。這樣的操作方法很好地解決了數(shù)據(jù)的移動(dòng)和復(fù)制問題。

我們定義的名字結(jié)構(gòu)中，包含了地理位置部分，可以縮小資源解析范圍；而QoS部分，可以使得網(wǎng)絡(luò)名字帶有QoS信息，方便用戶選擇符合自己要求的資源。

3.2重疊化名系統(tǒng)中解析映射系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

我們?cè)O(shè)計(jì)的名字解析映射系統(tǒng)主要分為兩層，如圖5所示。頂層具有全球性，并采用DHT結(jié)構(gòu)，主要作用是維護(hù)和管理全球的名字；下層具有局域性，可以以國家為單位，采用DHT結(jié)構(gòu)作為路由形式，主要用于處理本域內(nèi)的名字解析，以及與上層、其它域的交互。在下層網(wǎng)絡(luò)中，主要有兩類服務(wù)器：平常服務(wù)器和網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。對(duì)于平常服務(wù)器，其名字注冊(cè)和解析方式與本身DHT算法保持一致；對(duì)于網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，在維持原來路由表的基礎(chǔ)上，增加了兩個(gè)路由表：一個(gè)用于指向上層服務(wù)器；另一個(gè)用于指向其它域內(nèi)的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。

3.2.1資源的注冊(cè)

資源注冊(cè)過程就是生成名字并注冊(cè)到名字解析系統(tǒng)的過程，主要有以下幾個(gè)步驟：

(1)提取資源的元信息。

(2)將提取到的元信息Hash生成名字的資源標(biāo)識(shí)部分。

(3)將所在國家代碼填人地理位置部分。

(4)將自己所在的區(qū)域信息或QoS信息等填入備用或國內(nèi)自定義段(備用時(shí)可以不填)。到此為止已生成了一個(gè)合法的名字，下面將名字注冊(cè)到名字解析系統(tǒng)中。

(5)根據(jù)本身域內(nèi)的算法將名字和連接信息注冊(cè)到域內(nèi)某個(gè)平常服務(wù)器上。

(6)經(jīng)過距離自己最近的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將名字及連接信息注冊(cè)到上層DHT上。

下面用一個(gè)例子說明這個(gè)過程，如圖6所示。中國一家服務(wù)提供商需要注冊(cè)《數(shù)字通信原理》這本書。首先提取它的元信息，如“數(shù)字通信原理”；Hash元信息生成一個(gè)160 bit的字符串101010101111…001；提取“中國”的代碼111000100；填入QoS信息，如QoS等級(jí)為3--0000111；合并到一起生成一個(gè)合法名字1110001000000111101010…001。

3.2.2 資源的解析

資源的解析過程就是通過網(wǎng)絡(luò)名字獲取連接信息的過程。這個(gè)過程中可能包含兩種情況：資源請(qǐng)求者知道所請(qǐng)求資源的存儲(chǔ)地；資源請(qǐng)求者不知道所請(qǐng)求資源的存儲(chǔ)地。對(duì)于第一種情況又可以分為兩類：資源存儲(chǔ)地在本國和本國外的其它國家時(shí)。下面分別介紹各種解析方式，如圖7所示。

(1)當(dāng)請(qǐng)求的資源在本國時(shí)：Hash資源的元信息生成名字的資源標(biāo)識(shí)部分，此時(shí)將國家信息填人地理位置部分，將QoS信息填入QoS或備用部分，即可生成一個(gè)合法的名字；在平常服務(wù)器接人點(diǎn)，利用生成的資源標(biāo)識(shí)部分，在本國所采用的DHT結(jié)構(gòu)中可以找到該資源所對(duì)應(yīng)的連接信息。

(2)當(dāng)請(qǐng)求的資源在其它國家時(shí)：Hash資源的元信息生成名字的資源標(biāo)識(shí)部分，此時(shí)將國家信息填入地理位置部分，將QoS信息填人QoS或備用部分，即可生成一個(gè)合法的名字；在平常服務(wù)器接人點(diǎn)，將該名字遞交給最近的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器利用地理位置部分解析該名字所在國家的一個(gè)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，并將此請(qǐng)求遞交給它；收到請(qǐng)求的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器采用自己域內(nèi)的DHT路由形式找到這個(gè)資源所對(duì)應(yīng)的連接信息。

(3)當(dāng)不清楚資源存儲(chǔ)地時(shí)：Hash資源的元信息生成名字的資源標(biāo)識(shí)部分，此時(shí)將地理位置部分填入000000000，QoS信息填入QoS或備用部分，則會(huì)生成一個(gè)合法的名字；在平常服務(wù)器接人點(diǎn)，將該名字遞交給最近的網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，網(wǎng)關(guān)服務(wù)器將該請(qǐng)求發(fā)送到上層DHT上，上層DHT利用自己的路由算法，將資源標(biāo)識(shí)部分解析為連接信息。

3.3時(shí)延分析

本節(jié)將分析各種情況下的網(wǎng)絡(luò)解析時(shí)延，在文獻(xiàn)[8]中提到網(wǎng)絡(luò)時(shí)延主要是由跳數(shù)引起的。下面將以跳數(shù)為度量單位研究我們?cè)O(shè)計(jì)的名字解析映射系統(tǒng)的時(shí)延性能。在該系統(tǒng)中，一次解析時(shí)延可以分為3種情況：

(1)域內(nèi)解析：名字解析請(qǐng)求只需要在本域內(nèi)解析。所需最大跳數(shù)為logN1(以域內(nèi)服務(wù)器組織形式為Chord為例)，其中N代表的是域內(nèi)服務(wù)器數(shù)量。

(2)域間解析：名字解析請(qǐng)求發(fā)送到本域網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再轉(zhuǎn)發(fā)到相對(duì)應(yīng)鄰域的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，鄰域網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)解析該名字。所需最大跳數(shù)為2+log N，其中N2為領(lǐng)域內(nèi)服務(wù)器數(shù)量。

(3)路由到頂域解析：名字解析請(qǐng)求發(fā)到本域網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)再利用頂域路由表進(jìn)行名字解析。所需要的最大跳數(shù)為log N1，其中N1為頂域服務(wù)器數(shù)量。假設(shè)上述3種情況的比例為P1、P2、p3則該系統(tǒng)解析時(shí)所需最大跳數(shù)為：

參數(shù)設(shè)置：為了方便分析，假設(shè)全世界每個(gè)國家所需要處理的名字一樣多。每個(gè)國家可設(shè)置50個(gè)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器，貢獻(xiàn)50臺(tái)頂域服務(wù)器，則頂層DHT系統(tǒng)由1萬個(gè)服務(wù)器組成。3種名字解析方式——域內(nèi)解析、域間解析和頂層解析，假設(shè)其所對(duì)應(yīng)的比例為98％、1％、1％。

4 設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)

上述兩種名系統(tǒng)主要有以下幾方面的好處：

(1)消除了某個(gè)國家對(duì)解析系統(tǒng)的完全控制，使得各個(gè)國家都能和平利用該網(wǎng)絡(luò)資源。一方面映射系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)可以至少在每個(gè)國家部署一個(gè)。整個(gè)系統(tǒng)為全球用戶共同服務(wù)；另一方面注冊(cè)到名字映射系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)名字是一個(gè)沒有語義的字符串，從中不能顯示出任何實(shí)際意義，從根本上消除了某個(gè)國家對(duì)解析系統(tǒng)的完全控制，因此將政治因素從網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中剝離出去。

(2)該映射系統(tǒng)是以一個(gè)元信息Hash生成的值作為新網(wǎng)絡(luò)名字在系統(tǒng)中注冊(cè)與查詢。從這方面看，主要有兩個(gè)好處：新服務(wù)可以提取自己的元信息生成新的網(wǎng)絡(luò)名字，在服務(wù)映射系統(tǒng)中注冊(cè)與查找。可以說該解析系統(tǒng)為新服務(wù)的接入提供了恰當(dāng)?shù)慕涌冢碌木W(wǎng)絡(luò)名字是一個(gè)沒有實(shí)際意義的Hash值，不帶有語義，所以就不會(huì)產(chǎn)生所有權(quán)歸屬糾紛。

(3)在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中，數(shù)據(jù)的復(fù)制和移動(dòng)是不可避免的，而現(xiàn)行網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不能很好地解決該問題。當(dāng)一個(gè)數(shù)據(jù)移動(dòng)后，再重新注冊(cè)它，則必然得到的全新的域名。對(duì)于用戶來說需要很長時(shí)間才能獲得此全新的域名，因此上網(wǎng)時(shí)常會(huì)出現(xiàn)“Http404錯(cuò)誤”。于是研究者設(shè)計(jì)了Http重定向，它可以解決數(shù)據(jù)在一個(gè)域內(nèi)的移動(dòng)問題，然而對(duì)于域間的移動(dòng)沒有很好的解決方案。在我們?cè)O(shè)計(jì)的映射系統(tǒng)中，新的網(wǎng)絡(luò)名字是用數(shù)據(jù)的同一個(gè)元信息生成的。所以，當(dāng)數(shù)據(jù)移動(dòng)后對(duì)該數(shù)據(jù)重新注冊(cè)，所用的新網(wǎng)絡(luò)名字是仍然是原來的。對(duì)于用戶端來說，過程完全是透明的，不會(huì)感覺到數(shù)據(jù)已經(jīng)發(fā)生移動(dòng)或復(fù)制，應(yīng)用原來的網(wǎng)絡(luò)名字進(jìn)行解析映射就可以獲得此項(xiàng)服務(wù)的連接信息。

5結(jié)束語

文章首先介紹了現(xiàn)有名系統(tǒng)DNS存在，如：含有語義信息、不支持?jǐn)?shù)據(jù)的移動(dòng)和復(fù)制、動(dòng)態(tài)負(fù)載不均衡等。針對(duì)以上缺點(diǎn)，學(xué)術(shù)界提出采用結(jié)構(gòu)化DHT來做名系統(tǒng)，它很好地消除了這些缺點(diǎn)。但是帶來了一個(gè)新的問題：一次解析時(shí)延太大，不適合于實(shí)際應(yīng)用。為此我們?cè)O(shè)計(jì)了兩種新的方案來綜合DNS名系統(tǒng)以及DHT名系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)——基于One-hopDHT的名系統(tǒng)，重疊化名系統(tǒng)。

基于One-hop DHT的名系統(tǒng)采用三層環(huán)結(jié)構(gòu)，分別實(shí)現(xiàn)用戶接入的控制、資源名字的注冊(cè)與資源名字的解析。由于該名系統(tǒng)上層極少節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)查詢，因此，只能適應(yīng)于小環(huán)境應(yīng)用。重疊化名系統(tǒng)采用分域處理，可以在全球范圍內(nèi)應(yīng)用，在每一個(gè)國家維護(hù)一個(gè)DHT名系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，全球維護(hù)一個(gè)大DHT系統(tǒng)。這兩套系統(tǒng)一方面可以消除DNS名系統(tǒng)存在的缺陷，如不支持?jǐn)?shù)據(jù)的移動(dòng)和復(fù)制等；另一方面又降低了DHT名系統(tǒng)解析時(shí)延太大的缺點(diǎn)。最后通過理論分析證明這兩套系統(tǒng)適于實(shí)際環(huán)境應(yīng)用。