一種網絡服務可擴展性分析方法研究

黃津津　湯克明　曹瑩瑩　吉祖勤

(鹽城師范學院信息科學與技術學院　江蘇 鹽城 224002)

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一種網絡服務可擴展性分析方法研究

黃津津湯克明曹瑩瑩吉祖勤

(鹽城師范學院信息科學與技術學院江蘇 鹽城 224002)

服務可擴展性是網絡研究中一種非常重要的屬性，它的優劣決定著網絡系統未來的可用性。綜合現有的網絡服務可擴展性及其分析方法所面臨的問題，用統一的描述方式將不同的網絡系統的服務行為抽象為服務拓撲模型，用統一的評價模型進行服務可擴展性分析，以便能夠對不同的網絡系統進行比較全面而正確的可擴展性評價。利用該可擴展性分析方法對網絡路由系統進行實驗建模，使用NS2對實驗模型進行仿真實驗，驗證其適用性和優越性，為進一步研究新型網絡及其擴展性提供可靠依據。

網絡服務拓撲可擴展性模型

0　引　言

在互聯網的飛速發展中，傳統TCP/IP固定層次互聯網的體系結構和設計理念等嚴重不足的問題越來越受到挑戰[1,2]，如何進一步創新和完善互聯網體系結構以很好地適應發展的需求，已經引起各國學術界的廣泛關注[3,4]?？v觀國內外的研究，眾多的研究者都把目光投向了對可擴展性的要求，可見在網絡研究中可擴展性研究的必要性和重要性。

可擴展性是對網絡體系結構在擴展能力的一種衡量，可擴展性分析方法是可擴展性研究的關鍵工具，但是由于網絡系統本身的復雜性和體系結構的多樣性，可擴展性研究仍然缺少比較系統性的分析方法支持。文獻[5]中從系統規模變化的角度出發給出可擴展性定義，即可擴展性指用戶和系統資源的增加不會導致系統性能的明顯下降以及管理的復雜性。對于網絡體系結構，這樣的可擴展性定義不夠全面，對網絡體系結構的可擴展性特征還不能夠準確表達。在文獻[6]中提出的多維可擴展性分析方法，從約束條件的個數、評價指標的個數及評價指標的不同表達方式上建立抽象的評價模型。但這樣的分析方式并沒有從其體系結構本身的特征的出發，在模型中缺少了網絡體系結構本身特征的表達。文獻[7]中提出了網絡完全可擴展性、優化可擴展性和弱擴展性的概念，可以看作是網絡變化對整體性能的影響能力的定義。這是從可擴展的能力上來進行分類，可以有效地用在不同系統的擴展性的比較中，但這種分析并不能深入解釋體系結構可擴展性優劣的影響因素。由于采用的側重點、描述方式和評價策略不同，在可擴展性優劣的比較中對不同的網絡系統往往不能從根本上說明其差異性。

本文以網絡服務實體為基本單元，提出一種網絡服務可擴展性的分析方法。該方法將不同的網絡系統行為用統一的描述方式抽象出服務拓撲模型，并通過統一的評價模型對不同的可擴展性評價測度進行分析，以便對比并能正確分析出不同網絡系統的服務可擴展性差異及其影響因素，其分析流程如圖1所示。分析對象是需要進行分析的網絡系統的服務行為，確定分析對象是服務可擴展性分析的起點；服務拓撲模型是將網絡模型的服務行為抽象而出的，是可擴展性分析的基本模型；評價模型是對服務模型選擇用于可擴展性的描述特征和計算方式，對不同網絡系統進行服務可擴展性評價和測試。該分析方法可以用于分析由于網絡體系結構、網絡拓撲結構、組網技術、網絡互連等的不同而導致的服務可擴展性的差異，為網絡服務擴展性分析提供了一個具有通用性的工具。

圖1　網絡服務可擴展性分析方法

1　網絡服務拓撲模型

服務拓撲模型是網絡系統服務行為的抽象描述，由服務和關系這兩種基本元素構建成。服務是服務拓撲模型的基本單元，是對在網絡系統中能夠完成某種功能的交互主體的抽象。服務之間最基本的關系是依賴關系和交互關系。依賴關系是服務之間存在交互的相互關聯方式的描述；交互關系是對網絡系統上應用的描述。服務拓撲元素關系如圖2所示。

圖2　服務拓撲元素關系

將服務S(Service)用S={A,c}描述。A是服務的屬性向量，A={a1,a2,…,an}，ai表示服務的第i種屬性；c是服務的類型，根據服務的功能的不同而分類的。

將交互關系定義為E={S1,S2,…,Sm}。E是一個服務集合，交互關系E中的各元素都參與了交互關系E。

靜態服務拓撲是服務之間依賴關系的描述。如果用S_set表示服務的集合，R_set表示依賴關系的集合，E_set表示交互關系的集合，網絡系統的靜態服務拓撲(T)可以表示成T={S_set, R_Set, E_Set, f}，其中f:S_set×S_set定義為服務到服務的映射函數，其中依賴關系作為映射關系。動態服務拓撲是在靜態服務拓撲定義的基礎上增加時間t，可以表示為T(t)={S_set(t), R_Set(t), E_Set(t), f(t), J(t)} ，其中J(t)是服務拓撲的變化規則集合。

2　評價模型

服務評價指標是指能夠體現網絡結構特性的具有實際意義的指標量，是網絡系統服務可擴展性評價的直觀表達(比如一個網絡系統的總負載量、網絡系統的平均資源定位效率、傳輸延時等)。根據具體的需求分析，確定選擇一個或多個評價指標。如果評價指標只有一個即v(t)，則可以直接用指標值的動態變化v(t+1)/v(t)來表示網絡結構在此方面的服務可擴展性。如果選取了多個評價指標，并且這多個指標的益害性、成長規則相同，則需進行加權求和，用以表示網絡結構在這若干個方向的綜合可擴展性，即多維可擴展性。其計算分析公式如下所示：

(1)

其中αi表示指標vi在綜合評價中的重要性權值，且有α1+α2+α3=1。

評價指標分為有益指標和有害指標，同時指標也會隨著不同的成長規則增大或減小。如果多個服務評價指標益害性、成長規則不同，僅以此計算分析來體現評價指標與可擴展性的關系是不夠的，可以通過分析網絡系統的服務拓撲模型的特征維持能力和特征演進能力兩個方面來評價網絡服務可擴展性的優劣。使用式(2)可得出服務拓撲的變化系數，然后根據情形進行分析，當網絡性能隨著擴展變換而降低時，分析網絡的特征維持能力；當網絡性能隨著擴展而得到優化時，分析網絡的特征演進能力。

(2)

其中，原服務拓撲為T，經過n次動態變換后為T′ ，評價指標數量為i，diff表示平均每次動態變化導致服務拓撲發生變化的變化系數。

特征維持能力是表達能夠維持原有特征的能力，特征演進能力可以看成是按照指定方向改進其特征的改變的能力。對于這兩方面能力的區別主要是擴展的目標不同，如圖3所示。

圖3　可擴展性表達示意圖

特征維持能力和特征演進能力是可擴展性表現的兩種方式，不同的結構和不同的變換方式可以導致不同的結果，服務拓撲的可擴展性分析是基于這兩種能力的分析，然后還需在仿真系統中進行驗證。

3　實驗建模

本實驗分析的是不同變換規則下域內路由系統的服務可擴展性。對于路由系統的服務可擴展性關鍵在于路由系統的規模和效率，對域內路由系統的分析主要關注其服務拓撲在動態變換過程中可擴展性的變化。

將路由器(路由節點)抽象為服務，將路由之間的連接關系抽象為依賴關系。建立服務S={A,c},A=(time, table_len, id) ，Time是轉發延時(即轉發處理時間)，table_len是路由表長度，id是標志屬性。依賴關系R={, delay}，將鏈路延時delay作為依賴的代價。所有依賴的延時設為相等，將鏈路延時初始化為delay=20ms，服務處理時間初始化為time=20 ms。對于路由系統初始狀態的服務拓撲如下：

S={A,c};c=″router″；

A={time, table_len , id};

S_Set={S1,S2,S3,S4,S5,S6},Si.c=″router″(i=1,2,3,4,5,6)

R_Set={R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7}；

R1={,delay1};

R2={,delay2};

?

R7={,delay7};

根據路由系統的應用需求，本實驗中將任意兩個服務之間的最小傳輸延時作為評價指標。路由系統服務拓撲變換具體步驟如圖4所示。

圖4　路由系統服務拓撲變換步驟

本實驗中為路由系統的規模增長建立以下變換規則，其中涉及到的參數有：服務數量x、依賴關系數量y、服務數量的最大值max。

規則1在服務數與依賴數的比值不變的前提下，每次向服務拓撲中增加x個服務和y條依賴關系，在確保服務拓撲圖是聯通的基礎上，隨機添加依賴關系，直到服務數達到max值。

規則2在服務數與依賴數的比值不變的前提下，每次向服務拓撲中增加x個服務和y條依賴關系，在確保服務拓撲圖是聯通的并且沒有自循環的基礎上，服務的依賴度數越高依賴連接的概率就越高(服務Si依賴連接的概率為p=ki/2m，其中ki為服務Si的度數，m為服務拓撲中的依賴關系數量)，直到服務數達到max值。

由規則1和規則2變換得到服務拓撲T2和T3，再依照規則3和規則4對T2和T3進行變換。

規則3在依賴關系的平均延時不變的前提下，減少依賴度數較高的服務節點之間的依賴關系的延時，增加依賴度數較低的節點之間的依賴關系的延時。算法具體描述如下：

(1) 隨機選擇兩個依賴關系Ri和Rj，計算其兩端服務的依賴度數之和ki和kj。

(2) 若ki>kj，且ki>x，則將Ri的延時減去x，Rj的延時加上x；反之則將Ri的延時加上x，Rj的延時減去x。

(3) 重復上述步驟(1)和(2)n次。

規則4在服務屬性中的平均轉發時延不變的前提下，減少依賴度數較高的服務節點的轉發時延，增加依賴度數較低的節點的轉發時延。算法具體描述如下：

(1) 隨機選擇兩個服務Si和Sj，其依賴度數分別為ki和kj。

(2) 若ki>kj，且Si的轉發延時大于x，則將Si的轉發延時減去x，Sj的轉發延時增加x；反之則Si的轉發延時加上x，Sj的轉發延時減去x。

(3) 重復上述步驟(1)和(2)n次。

規則1和規則2是對網絡系統規模的增長規則，規則3和規則4是對路由系統的優化變換規則。依據變換規則和評價指標，在規則1和規則2變換之下的服務拓撲模型的服務可擴展性體現在特征維持能力，隨著服務拓撲模型規模的增大，路由系統期望依然能夠保持小規模時的傳輸能力。在規則3和規則4變化之下的服務拓撲模型的可擴展性體現在特征演進能力，路由系統期望能夠最大限度的演進最小傳輸延時。

4　實驗仿真與分析

本實驗選擇使用網絡仿真軟件NS2[8-10]，模擬的區域是1000 m×1000 m的方形區域，服務節點的總數為550個，隨機分布在模擬區域內。對本文提出的方法中服務拓撲模型涉及到的參數設定如下：將路由服務數據處理延時參數設置為20 ms，依賴代價延時參數設置為20 ms，每五次變換進行一次記錄一次分析結果。仿真結果中，將隨機選擇20個服務之間發送1 MB數據所需時間作為仿真結果評價值。

由圖5仿真結果比較可知，經過規則2的變換后服務路由系統的平均延時的上升幅度明顯比規則1變換后路由系統的慢，但是隨著服務數量的增加，兩者的上升變化都趨于穩定。這是因為規則2使用偏好連接方式進行變換，產生的結構具有更好的鏈路效用，比規則1具有更強的特征維持能力。

圖5　規則1和規則2變換下鏈路平均延時仿真結果

由圖6仿真結果比較可知，服務拓撲T2和T3經過規則3和規則4的變換，其平均延時都在下降。同一種變換下，T3要比T2延時小。這是因為T3在優化過程中性能比T2略強一些，T3的特征演進能力略優于T2的特征演進能力。

圖6　規則3和規則4的動態仿真結果

由實驗仿真與分析，可以得出結論：由于路由系統的結構與變換規則不同導致其可擴展性的不同，偏好連接的動態拓撲路

由系統具有較優的可擴展能力。進而可以驗證，所提出的網絡服務可擴展性分析方法在分析網絡服務系統的可擴展性方面具有適用性和優越性。

5　結　語

網絡系統的服務可擴展性不僅在技術研究中被作為評價網絡體系結構優劣的重要指標，而且在理論研究中也被用來作為理論分析的重要依據。本文提出的一種網絡服務可擴展性分析方法，將不同的網絡系統行為用統一的描述方式抽象出服務拓撲模型，并通過統一的評價模型對其進行可擴展性分析，以便對比并能正確分析出不同網絡系統的可擴展性差異及其影響因素。實驗仿真與理論分析的結果基本吻合，為網絡服務擴展性分析提供了一個具有通用性的工具，對進一步研究新型網絡及其擴展性具有一定的指導意義。但是由于網絡系統本身的復雜性和體系結構的多樣性，下一步的研究將從服務拓撲模型這一基本理論出發，找出服務拓撲本身更多的更加準確的可用在可擴展性分析方面的性質和特征，研究新型網絡體系結構其他方面的特性，如安全性，移動性和易管理等。

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RESEARCH ON A SCALABILITY ANALYSIS METHOD FOR NETWORK SERVICES

Huang JinjinTang KemingCao YingyingJi Zuqin

(CollegeofInformationScienceandTechnology,YanchengTeachersUniversity,Yancheng224002,Jiangsu,China)

Service scalability is a very important attribute in network research. The quality of service scalability determines the availability of network in the future. This paper colligates the problems encountered by current scalabilities of network services and their analyses methods, uses uniform description means to abstract the service behaviours of different network systems as the service topology models, and then analyses the services scalability by unified evaluation model, so as to carry out rather comprehensive and correct evaluation on the scalabilities of different network systems. Moreover this scalability analysis method is used in experimental modelling of network routing system, and the NS2 is employed to carry out simulation experiment on experimental model to verify its applicability and superiority. This provides the reliable basis for the further research of novel networks and their scalability.

Network serviceTopologyScalabilityModel

2015-05-09。國家自然科學基金項目(61379064)。黃津津，副教授，主研領域：計算機網絡，信息技術教育。湯克明，教授。曹瑩瑩，副教授。吉祖勤，講師。

TP393

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2016.08.006