新互联网体系下的普适服务机理及关键技术

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1、新互联网体系下的普适服务机理及关键技术The Theory and Key Technologies of Pervasive Services Based on the New Generation Internet张宏科,杨冬,董平摘要：随着网络用户的增加，以及人们对网络需求的个性化和多样化，互联网的原始设计架构已经无法满足这种发展趋势，暴露了很多缺陷和不足，例如：各种服务不断涌现，端口号作为区分服务的机制存在不灵活、不安全等弊端；网络资源与服务之间存在着密切的联系，然而互联网没有很好地利用这一联系，需要同时维护资源和服务两套处理系统，浪费了用户的上网时间，也增加了网络资源的消耗；互联网服

2、务分级粒度不精细，无法体现用户的个性化和多样化需求，必须对其服务重新区分等级。针对以上问题，文章给出新互联网体系下的普适服务机理及关键技术，重点阐述新互联网体系下个性化、多样化用户服务的定义、分类和标识的设计。该设计能统一标识和处理各种网络服务，深度挖掘服务和资源之间的联系，并根据用户的需要提供个性化、多样化的服务。关键词：新互联网；普适服务；服务标识；服务质量Abstract:With more and more users and their individual and diverse demands for network, the Internets original design

3、can not satisfy this trend. Many defects and shortcomings come up; the mechanism of using ports to distinguish services is not convenient and secure due to the rush of different services. There is a close relationship between data and service, but the Internet does not make use of this relationship

4、well, leading to a waste of users time and network resources. The classification of network service is not accurate, not satisfying users individual and diverse demands. To solve these problems, the theory and key technologies of pervasive services based on the new generation Internet are suggested.

5、 A new definition, classification and identification of network services, which satisfies individual and diversified need, are also given. This new design can universally identify and process different kinds of network services, deeply dig the relationship between service and data, and provide users

6、 with individualized and diversified services.Key words:new generation Internet; pervasive service; service identity; QoS基金项目：国家重点基础研究发展规划项目(“973”计划)(2007CB307100、2007CB307106)；教育部高等学校科技创新工程重大项目培育资金(706005) 随着信息社会的发展，互联网已经成为人们日常生活的一部分，取得了巨大的成功。然而由于其原始设计的限制，逐渐地开始无法满足人们日益增长的个性化、多样化的服务需求，互联网在架构上迫切需要一场改

7、变。 首先，当前互联网没有充分利用服务和资源的联系。资源的获取和服务的接入是当前互联网最主要的两种应用，几乎所有的网络活动都需要两者的支持。但是在当前的互联网架构之下，资源和服务并没有统一的描述和处理机制；另一方面，互联网中资源和服务之间又确实存在着很多必然联系，它们并不是单独存在的。如能更好地发掘出两者之间的联系，将为用户提供更便利、一体的服务与资源处理机制，同时也减少了服务和资源两套处理系统带来的网络资源浪费。然而，互联网在这方面的研究和实现却非常有限。 其次，互联网缺乏对各种应用服务的统一描述，这一设计缺陷迫使一个简单概念“端口号”脱离其原始用途而承担了过多的功能1。端口号最初设计仅仅用

8、来区分不同的数据流，但是随着互联网的飞速发展，各种服务不断涌现，人们需要一个能够描述不同服务的标识，于是端口号被赋予了第二重功能标识互联网服务。然而，端口号最初设计的无意义性与有意义的区分服务之间存在矛盾2：第一，端口号必须通过一一映射来完成对服务的标识；第二，针对端口号的攻击成为网络防范的重点；第三，运营商可以通过端口号限制应用3，扼杀了互联网开放、灵活的特点。 另外，服务方式的不统一给互联网资源和用户带来了极大的浪费。随着信息网络技术的飞速发展及人们对通信需求的日益增长，网络服务更是如雨后春笋般不断涌现。纵观各种类型的服务，可以看出服务之间存在着实现方式不同、服务类型不同、服务面向终端不同

9、等问题，导致网络服务的兼容性差、可扩展性差、难于统一控制管理，造成了基础设施的重复建设和资源的巨大浪费。 最后，当前互联网的服务等级区分不够精细。在当今的互联网中，用户对互联网服务的要求越来越高，不同用户对服务的要求是不一样的，服务分等级成了新一代网络的主要特点之一，不同的服务请求要通过不同的服务质量(QoS)等级来实现。 综上所述，必须研究支持普适服务的新互联网体系，以解决这些问题。文献4给出了一种新的网络体系“一体化网络与普适服务”，文献5对这种网络体系下的普适服务进行定义和描述，设计了图1所示一体化网络与普适服务的“服务层”总体模型。新模型引入虚拟服务模块和虚拟连接模块，以及服务标识解析

10、映射和连接标识解析映射。虚拟服务模块是实现普适服务的基础，用于解决统一的服务对象调度，提供服务的可控可管，为支持多种服务提供可能；虚拟连接模块引入连接标识，实现服务层对移动性和安全性的较好支持，以及适合语音、视频等实时网络应用的新传输协议。 本文则在文献5的基础上，进一步研究新互联网体系下的普适服务机理与关键技术，重点阐述“服务层”中虚拟服务模块的原理、机理与具体技术。虚拟服务模块是实现普适服务的基础，深度挖掘网络服务和数据的联系，定义服务标识，统一标识和处理各种网络服务，并引入服务标识“支持QoS”的设计理念，实现用户服务的个性化和多样化。1 服务和资源统一描述 要对互联网的服务进行标识，首

11、先要研究互联网服务的特点，对互联网上的用户服务进行定义和分类。在互联网中，资源分为数据和服务两类。数据的获得和服务的接入已成为当前互联网的最主要的应用6。未来的互联网将以数据为中心，服务是获取数据的方式。随着互联网的发展和用户需求的不断提高，资源和服务的方式也如雨后春笋般不断涌现。但是，数据和服务并不是单独存在，它们之间存在千丝万缕的联系，比如人们要查找背景音乐Hotel California，对应于数据Hotel California，人们可能想得到不同的服务，比如通过ftp下载音乐，在线点播音乐，网上购买带有该音乐的CD，当前的互联网的资源发现机制仅局限于关键字匹配，并不关注资源和数据之间

12、的关系。在一体化网络服务体系中，本文将创新性地深度挖掘数据和服务之间的关系，将用户服务的定义和分类与数据本身紧密联系起来。一体化服务体系的服务将创建服务本体7-8，建立数据、服务、数据属性和服务属性的联系，将现有的网络服务分成交互和非交互的两大类，如图2所示。交互的服务是指用户与人之间的交互，例如VoIP和聊天服务；非交互的服务是指用户与服务器之间的交互。交互型服务又可以根据交互内容的不同来进行划分，包括即时消息、文件、语音、视频等几类。非交互型的服务可以以服务器的类型来划分子类，包括http、ftp、mail等几类，这些子类随着互联网的发展不断扩充。 用户服务的定义与分类的流程分4个步骤。

13、步骤1：定义本体类的层次。 定义网络服务和资源的父类，包括互联网所有资源的父类network_data，互联网所有服务的父类network_service和代表QoS的父类network_service_QoS。 定义network_data的子类。包括video, voice, file, message等几类，并且增加为服务做索引的类service_index。 定义network_service的子类。根据服务的交互与非交互的特点先将服务划分为两大类，interactive和noninteractive。 定义network_service_QoS的子类。预先定义一个具有代表性的tran

14、smission_speed。 定义network_service下interactive的子类。对于交互型服务而言，根据客户之间交互服务的内容来划分。其子类包括：inter_video, inter_instant_message, inter_file, inter_voice等几类。 定义network_service下noninteractive的子类。对于非交互型服务而言，根据客户与什么类型的服务器进行交互来划分类别。其子类包括：noninter_http, noninter_mail, noninter_ftp等几类。 可以根据noninter_http的特点将其子类定义为：non

15、inter_http_video, noninter_http_voice, noninter_http_webservice等几类。 可以根据network_data下video的特点将其子类定义为：video_section, movie, mv, trans_video等几类。 步骤2：定义本体的属性。 定义属性via, via属性用来表示数据通过哪种服务方式进行提供。其定义域是是network_data，其值域是network_service。 定义其他属性，根据服务的特性添加has_QoS_speed属性，用来表示服务的传输速率的等级。其定义域是network_service，其值域

16、是transmission_speed。 定义其他需要的对象属性和数据类型属性。 步骤3：用户向注册中心注册其能提供的数据和服务。 步骤4：用户端对网络资源进行查询。 典型的方式是通过资源的名称来查找。 当用户并不知道资源的名称时，可通过资源的属性来查找资源。 当用户希望得到某种特定的服务质量时，可以由服务的has_QoS_speed属性值的等级来查询。 在推理机中添加推理规则，通过一系列的逻辑和证明来完成推理过程。 通过本体合并来实现更加复杂的推理。 通过服务和资源的属性，建立服务和资源的紧密联系，统一描述网络服务和资源。当用户查询某种服务时，不再仅仅基于关键字进行搜索，服务和资源的统一描述

17、机制将提供给用户与其检索内容相关的高使用频率的服务信息，实现用户的服务的方便化、语义化和智能化。2 服务标识设计 网络服务和资源的统一描述是服务标识的基础，服务标识的设计是“一体化网络与普适服务”，新网络平台实现服务的统一描述和为不同用户提供不同QoS等级的核心。2.1 服务标识设计原理 一体化网络和普适服务的设计核心是支持不同类型的服务，因此服务之间的QoS9-11区分非常重要；另一方面，服务层最核心的工作是为网络用户提供友好、可用的服务，如何从复杂的网络服务参数中提取出用户最关心的、可以理解的接口参数是设计的核心，其可用性和鲜明的特色对服务层的设计非常重要。为此，新网络使用“用户可感知Qo

18、S”和“支持QoS传递的服务标识”两个设计，如图3所示，网络层为服务层提供的QoS支持包括用户感知QoS和服务本身QoS，而最终的QoS需要体现在服务标识中，并由服务标识传递到下层。 图4是图3的实例化映射关系图，对各层需要的QoS支持进行实例化，服务标识的具体设计将以实现这些实例为目标。2.2 服务标识设计依据 为了给出服务标识的精确定义，首先需要研究一体化网络中服务标识的作用以及工作机制，这是服务标识设计的重要依据。 在虚拟服务模块和虚拟连接模块的基础上，可归纳出图5所示“服务层”基本工作原理，图6为对应时序图，并加入了移动环境下连接标识的作用，完整工作描述分4个阶段：(1)阶段一：服务的

19、注册 用于服务注册的主要结构可抽象为三元信息组(接入标识、服务标识、服务描述)。接入标识为一体化网络“网通层”概念，是通信终端位置的标识；服务标识是通信终端的服务描述，用于建立服务连接；服务描述是面向用户友好的服务描述，体现用户对服务的偏好。提供服务的服务器向服务统一处理器提交相应的三元信息组完成服务注册。 (2)阶段二：服务的发现 服务发现包括：用户向服务统一处理器提交所需服务描述；服务统一处理器从已注册的服务中获取相应三元信息；统一处理器将三元信息中的二元(接入标识，服务标识)返回给用户。 (3)阶段三：服务的建立 服务建立包括：服务提供方使用自己注册的服务标识进行连接侦听；服务获取方使用

20、相应的服务连接标识与服务提供方建立服务连接。 (4)阶段四：服务的维持 服务维持主要是服务建立后，通信双方对分组交换数据包的流整合。传统互联网在服务建立和服务维持阶段都使用IP地址和端口号组成的接口，一体化网络中引入连接标识，用于对数据包进行流区分，同时解决由于移动造成IP地址变化而使服务中断的问题。 上述设计的主要创新点：引入第三方服务统一处理器，服务提供方可以随时改变服务标识，只需重新注册即可，克服了知名端口号的不足；引入本地独立的随机数连接标识，将服务连接与服务维持区分开；连接标识与主机身份分离，解决移动环境下服务连续性问题。 服务标识主要用于服务的注册和连接。具体可分为服务统一处理器端

21、、服务器端和客户端3种情况分析。对于服务器端，主要使用该服务标识进行服务的侦听，等待希望获得该项服务的客户端接入。该标识由服务器端生成，服务器根据服务对QoS的需求产生服务标识。 服务统一处理器端需要维护服务器注册的三元组信息，其中包括服务标识，该服务标识的形式与服务器端使用的服务标识一致。 客户端的情况较为复杂，客户端从服务统一处理器上获得的服务标识仅体现了服务本身对QoS的需求，同时客户本身对QoS有一些简单的、容易感知的请求。因此，客户端需要对从服务统一处理器上获得的服务标识进行处理，将服务本身对QoS的需求和客户对QoS可感知的需求进行综合，传递给下层以提供QoS支持。为了叙述方便，本

22、文将这两种服务标识分别称为：服务器端服务标识和客户端服务标识，其关系如图7所示。2.3 客户端服务标识生成过程 客户端服务标识由服务器端服务标识和用户需求共同决定，以下叙述其生成过程。 新网络使用“用户可感知QoS”和“支持QoS传递的服务标识”两个设计，如图3所示，网络层为服务层提供的QoS支持包括用户感知QoS和服务本身QoS两种，而最终的QoS需要体现在服务标识中，并由服务标识传递到下层。3 服务标识QoS模型 下一代互联网即一体化网络中的服务与现有互联网中的服务之间存在着很大的差异，原因是前者的服务具有服务质量(QoS)等级。一体化网络的一个显著特点就是不同的服务拥有不同的QoS等级，

23、最终实现用户服务的个性化和多样化。 与现有互联网平台相比，“一体化网络与普适服务”新网络平台最大优点就是根据不同的用户请求提供不同的服务等级，并最终实现用户服务的个性化和多样化。 本文给出了service profile模型，如图8所示，可实现服务标识设计中的服务等级理念。 在service profile模型中，从网络的角度出发，本文对QoS定义以下几种属性：时延、可靠性、QoS谱、可扩展性和容量。 时延表示从提交服务请求到请求被处理之间的时间间隔。它分为3个等级： 时延5 s (适用于交互式服务) 5 s60 s (适用于对延时不敏感的服务) 可靠性表示服务在给定时间内，给定条件下完成其功

24、能的能力。根据阈值，可以将可靠性分为3类： 可靠性远小于 可靠性近似于 可靠性远大于 QoS谱包括加速转发，保证转发和尽力而为转发。 可扩展性表示服务在给定时间内处理操作的数目。 容量表示服务可以同时处理的请求的数目。 以上属性均是从网络的角度进行定义的，对于用户来说，很难理解或使用这些属性。因此，表1给出从网络角度到用户角度的映射关系，这种映射提供了从用户查询到网络供给的映射关系。 service profile模型将QoS区分为请求方QoS和提供方QoS，前者是用户对服务等级要求的描述，后者则是网络中从服务提供方获得的QoS描述信息。 提供方QoS有3种数据类型属性：时延、可靠性和QoS谱

25、。时延和可靠性的属性值分别为时延大小和可靠度；QoS谱的属性值为：加速转发、保证转发和尽力而为转发。 请求方QoS也有3种数据类型属性：连接性、可靠性和可信性。连接性的属性值为优、良和差；可靠性和可信性的属性值为高、中和低。如图8所示，service profile提供了一种区分QoS等级的有效模型，为实现用户服务的个性化和多样化提供了基础。4 结束语 当前互联网飞速发展，服务类型不断涌现，端口号临时性、偶然性地作为了区分服务的标识，带来诸如安全性、应用限制等的种种弊端。“一体化网络与普适服务”这种全新的网络体系，有效地解决了互联网上的普适服务问题。本文着重对普适服务的机理和关键技术做了介绍和

26、描述，对互联网上的各种服务进行统一标识，创建了服务标识的概念，并对服务标识进行服务端服务标识和客户端服务标识的区分，为不同的用户提供不同的服务质量，模型service profile验证了引入支持QoS的服务标识的可行性。5 参考文献1 MASIELLO E. Service identification in TCP/IP: well-known versus random port numbers R. Cambridge, MA,USA: Massachusetts Institute of Technology, 2005. 2 CLARK D D. Name, addresses,

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28、KIY A, et al. A data-oriented (and beyond) network architecture C/Proceedings of Conference on Applications, Technologies, Architectures, and Protocols for Computer Communications (SIGCOMM 2007), Aug 27-31, 2007, Kyoto, Japan. New York, NY,USA:ACM,2007:181-192.7 BORST W N. Construction of engineerin

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