摘? 要:?主要針對基于主動網絡的面向業(yè)務網管系統(tǒng)的具體通信需要，分析了應該具備的通信功能，設計了執(zhí)行環(huán)境，提出了一種分布式的主動代碼存儲機制，構建了業(yè)務層和網絡層的通信有限自動機，提出了符合業(yè)務管理和主動網絡技術特點的通信模型。該通信模型在網管原型系統(tǒng)中得到了運用，從運用結果看它能夠較好地進行主動代碼的動態(tài)加載，能夠提供基礎的通信服務。
關鍵詞: 通信模型; 主動網絡; 網絡管理; 面向業(yè)務
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通信在網絡管理系統(tǒng)中占據(jù)著重要的地位，是網絡管理系統(tǒng)必不可少的支撐功能之一。在網管系統(tǒng)中，管理中心需要下發(fā)各種管理命令，采集各種網管數(shù)據(jù)，這些都需要通過頻繁的通信來完成，而且通常需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量比較大，如果沒有有效的通信模型的支撐，可能會造成網管系統(tǒng)的通信瓶頸。因此，通信模型直接影響著網管系統(tǒng)的性能。
本項目組在多年從事網絡管理和主動網絡技術[1,2]研究的基礎上，借鑒主動網絡技術和電信網絡業(yè)務管理的先進思想，提出了一種基于主動網絡技術的面向業(yè)務的管理模型，并實現(xiàn)了原型系統(tǒng)。在該原型系統(tǒng)中，根據(jù)面向業(yè)務網管系統(tǒng)的需要和主動網絡技術的特點，創(chuàng)新性地提出了一種符合需求的通信模型。
在通信方面，面向業(yè)務的網絡管理系統(tǒng)[3]與傳統(tǒng)的網絡管理系統(tǒng)具有共同之處。例如，處于業(yè)務層的網管中心與網絡層的管理者之間需要通信以下達各種管理命令或者反饋管理數(shù)據(jù)，管理者mgr與下層的代理agent之間也需要通信以便采集各種管理數(shù)據(jù)。但是，在基于主動網絡技術的面向業(yè)務網絡管理系統(tǒng)中，由于業(yè)務管理的特殊性，需要利用主動網絡技術采用主動代碼實現(xiàn)對業(yè)務的管理。因此，在通信方面，與其他的業(yè)務管理系統(tǒng)又有不同之處，如由于采用了主動網絡技術，就必須為主動代碼的加載提供通信支持。為此，提出了一種滿足上述要求的通信模型。本文將介紹這種符合業(yè)務管理和主動網絡技術特點的通信模型，闡述主動代碼的動態(tài)加載機制以及基于有限自動機的通信機制。
1 面向業(yè)務網管的通信模型
一般網絡管理系統(tǒng)中的通信服務主要包含以下內容[4]：網絡管理命令的傳送和接收、對管理命令的應答、傳送各種通知或告警Trap信息。與傳統(tǒng)的面向設備網絡管理系統(tǒng)不同，面向業(yè)務的網絡管理以網絡業(yè)務為被管對象，也就是說在面向業(yè)務的網管系統(tǒng)中，通信的內容不僅有傳統(tǒng)的設備對象數(shù)據(jù)，而且有業(yè)務管理層需要的業(yè)務對象數(shù)據(jù)。而在基于主動網絡技術的面向業(yè)務網管系統(tǒng)中還應包含支持主動網絡技術方面的通信內容，如主動代碼的加載與傳輸。因此，根據(jù)基于主動網絡技術的網管系統(tǒng)的需要，通信模塊應該提供以下幾種通信服務：(1)發(fā)送和接收主動信包；(2)發(fā)送和接收應答信包；(3)發(fā)送和接收通知或告警信包；(4)發(fā)起主動代碼加載請求；(5)提供主動代碼加載服務。為了滿足這些通信服務的需求，提出了一種基于主動網絡技術的面向業(yè)務網管的通信模型，如圖1所示。
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從圖1可以看到，主動節(jié)點ANN（Active Network Node）位于業(yè)務層和網絡層，業(yè)務層的管理進程和網絡層的主動管理者mgr均運行在主動節(jié)點上。管理進程根據(jù)管理功能的需要，通過發(fā)送主動信包AP（Active Packets）的形式發(fā)送管理命令（主動信包中包含有管理功能命令和相應的完成管理命令的主動代碼的指針以及相關的參數(shù)），主動管理者收到主動信包后，解析主動信包AP，利用主動代碼動態(tài)加載機制（詳見第2節(jié)）動態(tài)加載主動代碼AC（Active Code），并執(zhí)行主動代碼，采集相關的業(yè)務管理數(shù)據(jù)。由于與傳統(tǒng)網絡管理系統(tǒng)相同，主動管理者mgr與代理agent之間的通信仍然通過傳統(tǒng)的網管協(xié)議（如SNMP或CMIP等）完成。因此，mgr與agent之間的通信在本文中不再贅述。
2 主動代碼分發(fā)機制
業(yè)務管理功能通過主動代碼來實現(xiàn)，因此，如何將主動代碼有效、準確地分發(fā)到相關的主動節(jié)點上以完成需求的管理功能是首先需要解決的問題。同時，根據(jù)主動網絡的體系結構，主動信包的解析和主動代碼的執(zhí)行是在執(zhí)行環(huán)境EE（Execution Environment）部件中完成的，因此要解決主動代碼的分發(fā)和執(zhí)行，需要研究和設計EE。
2.1 執(zhí)行環(huán)境EE的設計
執(zhí)行環(huán)境EE在主動網絡中占據(jù)核心的地位，為主動信包的解析和主動代碼的執(zhí)行提供必要的服務。在目前的主動網絡實現(xiàn)技術中，通常采用Java虛擬機JVM（Java Virtual Machine）機制[5]。這是由于采用JVM作為執(zhí)行環(huán)境的核心部件，主動代碼就可以采用Java語言編寫，便于管理功能的實現(xiàn)以及主動代碼的加載。但是僅有JVM是不夠的，EE必須能夠管理本機的各種資源、收發(fā)和識別主動信包、管理本地存儲的主動代碼、加載和啟動主動代碼。這些都是一個完備的EE所必須的功能。為了完成上述功能，在每個主動節(jié)點上安裝JVM，并使用Java語言開發(fā)了執(zhí)行環(huán)境的各個部件。EE的結構如圖2所示。
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從圖2可以看出，執(zhí)行環(huán)境由三部分組成：Java虛擬機、通信模塊和類編譯加載器。
Java虛擬機：所有的部件（包括通信模塊、類編譯加載器以及主動代碼）都是由Java語言開發(fā)的，所以它們的運行都離不開JVM提供的接口和服務。
通信模塊：通信模塊不僅僅提供通信的接口和服務，還負責進行管理命令的偵聽。可以說，位于通信模塊中的命令偵聽服務是整個管理應用運行的起點。
類編譯加載器：負責實現(xiàn)對類加載，有需要時也可以對沒有編譯過的Java文件進行處理，編譯成類文件，以便在JVM上加載和執(zhí)行。
2.2 分布式主動代碼存儲機制
在目前的研究中，主動代碼的分發(fā)主要有兩種方式：封裝和可編程交換[6]?；诜庋b的傳輸方式是：將代碼和數(shù)據(jù)封裝在一起，形成主動信包進行傳輸；而基于可編程交換的傳輸方式是：將代碼和數(shù)據(jù)分離，用戶預先將主動代碼傳送到目的主動節(jié)點并存儲，在主動信包中只需包含相應主動代碼的指針及必要的參數(shù)。這兩種方法完全對立，各有優(yōu)缺點。封裝給分組交換網絡帶來了全新的方案，并對網絡體系結構產生深遠的影響。因為，主動節(jié)點ANN計算處理每個流經它的信包，并能夠根據(jù)計算結果決定對信包的下一步處理工作，這對于網絡診斷、主動可靠多播等應用十分有利。但是，一方面，由于對主動信包的解釋目前都是采用虛擬機機制,為了保證安全，虛擬機機制必須限制封裝主動代碼AC的訪問地址空間，即主動信包中代碼的長度受到一定的限制，如Smart Packets[7]中代碼的長度不能超過1KB，從而也限制了封裝中AC的功能。另一方面，由于AC封裝在主動信包中，使用相同AC的主動信包也就包含了相同的AC，即相同的AC在網絡中重復傳遞，從而增加了網絡上的信息流量。而可編程交換不存在這些缺點，由于代碼與數(shù)據(jù)相分離，代碼的長度不受信包長度的限制；使用相同AC的主動信包只需要包含相同的指針即可；代碼的安全性可通過安全責任者（發(fā)送AC的管理者）的身份加以保證。但可編程交換也存在一些缺點，例如，由于主動信包的可流動和可再生特性，使得有的目的ANN預先無法確定；信包在中間節(jié)點只能被動地轉發(fā)，靈活性不如封裝。
為了提高主動網絡的運行性能，將可編程交換和封裝兩種技術相結合，研究了一種分布式的主動代碼存儲（DCCAN：Distributed Code Caching for Active Network）機制來實現(xiàn)主動代碼AC的分發(fā)。DCCAN的基本思想是：網絡上傳遞的主動信包AP中不再包含完整的主動代碼AC，而只需包含相應主動代碼的指針及狀態(tài)參數(shù)、數(shù)據(jù)等信息。將各種主動代碼分布式地存放在專門的主動代碼服務器ACS（Active Code Server）或駐留在主動節(jié)點ANN中，其結構如圖3所示。
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在圖3中，ACS提供一個代碼數(shù)據(jù)庫，用于專門存放所有的AC，終端系統(tǒng)是指能夠產生和發(fā)送主動信包的終端節(jié)點。當ANN接收到某個主動信包AP后，執(zhí)行環(huán)境EE將AP進行解析，先檢測指針所指示的AC在本地代碼數(shù)據(jù)庫LCD（Local Code Database）中是否存在，若存在，就立即調用；否則請求從ACS中臨時動態(tài)加載并執(zhí)行，同時將該AC存儲在LCD中，以便后來到達的相同信包可以直接啟動使用。可見，需要使用相同的AC不必再從ACS加載而可以直接從LCD中調用，即相同的AC在網絡上只需傳輸一次，從而大大地降低了網絡傳輸量，提高了網絡的運行效率。
3 業(yè)務層與網絡層間的通信機制
圖1中，主動節(jié)點ANN1與ANN2之間基于UDP協(xié)議通信(為了信息傳輸?shù)目煽啃?增加了對信息接收的確認)，通過ANN1與ANN2之間的交互就能夠實現(xiàn)業(yè)務層與網元層的通信。首先，考慮當AP流經ANN時，由ANN1和ANN2對AP進行解析、執(zhí)行，這樣ANN1和ANN2就會由于AP的輸入輸出而發(fā)生節(jié)點狀態(tài)改變；其次，如果把ANN1和ANN2分別看作Client和Server兩端的自動機，則ANN1和ANN2這兩個節(jié)點狀態(tài)的改變就體現(xiàn)出兩個自動機之間的信息交互關系。因此，根據(jù)圖1，可以構造ANN1與ANN2之間基于UDP協(xié)議的通信模型有限自動機UDP_ M。
(1) 定義有限自動機UDP_ M
定義：UDP_ M是一個七元組：UDP_M=(Q,∑i,∑o,δ,q0,F,C)，其中，
Q：通信狀態(tài)的非空有限集合。
∑i：有限的輸入字母表，Client_ANN1的輸入字母表是指從Client端下達的主動代碼和Server端上傳的數(shù)據(jù)包；Server_ANN2的輸入字母表是指所接收的主動代碼和網絡管理者Mgr.采集的網元數(shù)據(jù)。
∑o：有限的輸出字母表，Client_ANN1的輸出字母表是指給Client端上傳的數(shù)據(jù)包和給Server端下達的主動代碼；Server_ANN2的輸出字母表是指給Client_ANN1上傳的數(shù)據(jù)包和給Client_ANN1下達指令代碼執(zhí)行的輸出。
δ：狀態(tài)轉移函數(shù)，δ：Q×∑i×∑o→Q。
q0：UDP_ M的開始狀態(tài)，且q0∈Q。
F：UDP_ M的終止狀態(tài)集合，且F
Q。
C：限定條件集合。在ANN1和ANN2之間進行數(shù)據(jù)通信時，應當設置關于數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶傩裕碏ree（閑置時間）、TimeOut（超時）、TTL（生存周期）或Delay（延遲）等。
(2)構造有限自動機Server_ANN2_UDP_ M
定義：有限自動機Server_ANN2_UDP_ M=(Q,∑i,∑o ,δ,q0,F,C)，其中，
Q={Free, Send, Get_Confirm, Confirm}。
∑i={Yes_Confirm,Server_Request,TimeOut,No_Confirm}。
∑o={ANN2_network element datagram,Confirm_To_Client}。
δ定義：若Server_ANN2處于閑置狀態(tài)，則準備向Client_ANN1發(fā)送網元數(shù)據(jù)，描述為：
δ(Free, Server_Request,Φ)=Send
Server_ANN2向ANN1發(fā)送網元數(shù)據(jù)后，等待獲取確認，
描述為：
δ(Send,Φ,ANN2_network element datagram)=Get_Confirm
當通信網絡不可靠時，UDP數(shù)據(jù)報不能傳輸，通信自動機根據(jù)重傳次數(shù)RF(Retransmission Frequency)的閾值，決定下一步的狀態(tài)轉移，描述為：
??????? ?If RF
Else
δ（Get_Confirm, TimeOut, Φ）= Free
End if
當網絡可靠時，UDP數(shù)據(jù)報傳輸正常，自動機進行無條件狀態(tài)轉換。在Confirm狀態(tài)下，通信自動機發(fā)生有條件的狀態(tài)轉換，描述為：
??δ（Get_Confirm, Φ, Φ）= Confirm
在超時條件下，通信自動機則根據(jù)RF的閾值來發(fā)生兩種異常狀態(tài)轉換，描述為：
???? If C_UDP_TimeOut and RF>= C_UDP_RF Then
?? ?δ（Confirm, No_Confirm, Φ）= Free
?? Else if C_UDP_TimeOut and RF< C_UDP_RF Then
???????????? δ（Confirm, No_Confirm, Φ）= Confirm
??? End if
q0 = {Free}。
F = {Free}。
C = {RF
??? (3) 構造有限自動機Client_ANN1_UDP_M
??? 對于有限自動機Client_ANN1_UDP_M=（Q,∑i,∑o,δ, q0,F,C），同理按照有限自動機Server_ANN2_UDP_M可以進行構造。
??? 通信模型在網絡管理系統(tǒng)中占據(jù)重要的地位，是網絡管理系統(tǒng)必不可少的支撐功能之一，通信模型直接影響著網管系統(tǒng)的性能。在基于主動網絡技術的面向業(yè)務的網絡管理系統(tǒng)中，基于業(yè)務管理的特殊性，利用主動網絡技術采用主動代碼實現(xiàn)對業(yè)務的管理。因此，從通信角度看，一方面由于通信的內容不僅包含了傳統(tǒng)的設備對象數(shù)據(jù)，同時也包含了業(yè)務對象數(shù)據(jù);另一方面，由于主動網絡技術的特點，還需要充分考慮主動代碼的通信。為此，本文提出了一種符合業(yè)務管理和主動網絡技術特點的通信模型。該模型在筆者開發(fā)的原型系統(tǒng)中得到了運用，從運用結果看，該通信模型能夠較好地進行主動代碼的動態(tài)加載，能夠提供給出的通信服務。同時由于該通信模型也有與網絡管理系統(tǒng)無關的主動代碼加載以及主動信包的傳輸功能，可以應用于其他基于主動網絡技術應用的通用通信設施，提供基礎的通信服務。
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