网络技术应用的若干热点问题介绍

网络技术应用的若干热点问题介绍华南师范大学计算机学院李吉桂lijg@

一、体系结构与网络计算1、现代计算机网络的特点之一——PC机为主2、多路复用技术——密集波分（DWDM）3、同步数字体系SDH4、网络计算：1）移动计算网络2）集群（机群）计算与网格计算3）网络存储二、IPv6介绍三、下一代互连网四、校园网有关安全认证一、体系结构与网络计算1、现代计算机网络的特点之一——PC机为主资源子网（主机和终端）和通信子网通信子网CCP资源子网主机终端通信控制处理机（communicationcontrolprocessor）通信子网路由器主机服务器路由器局域网路由器路由器2、多路复用技术——密集波分（DWDM）

1）频分多路复用2）时分多路复用3）波分多路复用光纤通信技术采用了波长分隔多路复用方法，简称波分复用。波分复用是光的频分多路复用。目前单模光纤的传输速率为2.5G/S。80路以上，称为密集波分复用（DWDM：densewavelengthdivisionmultiplexing）。2），3）结合使用的“复用”效率更高。3、同步数字体系SDH1）SDH的发展背景早期的数字传输的固有弱点：（1）数据传输速率不标准。北美和日本的T1载波（1.544Mb/s）欧洲的E1载波（2.048Mb/s）；在高次群日本又使用了第三种不兼容的标准。（2）光设备接口标准不规范（3）复用系统中的同步问题同步光纤网（synchronousopticalnetwork，SONET），贝尔通信研究所。1988年，ITU-T重新命名为同步数字体系SDH（synchronousdigitalhierarchy）。不仅适用于光纤，而且适用于微波和卫星传输。4、网络计算：1）移动计算网络

将计算机网络和移动通信技术结合，为用户提供移动的计算环境和新的计算模式。移动计算含移动计算网络和移动Internet。移动计算网络是指主机可在网络中漫游；移动Internet是基于Internet的移动计算网络。Adhoc网络：Adhoc网络由一组用户群构成，不需要机站的移动通信模式。Adhoc网络没有固定的路由器，所有的用户都可能移动，它支持动态配置和动态流控制。无线应用协议WAP（wirelessapplicationprotocol）。IP协议是针对传统的通信网络。为了满足移动计算网络，制定了移动IPv4。

WLAN技术及其基本应用（1）WLAN技术目前WLAN技术主要包含IEEE802工作委员回制定的ISO模型最低层（物理和数据链路）的标准，如802.11、802.11a、802.11b、802.11g、802.11e、802.11i等等。WLAN技术的优势：低成本、灵活性、移动性、快速安装；WLAN技术的局限：网管较难，MIB不完善。（2）WLAN应用的基本模式

网桥模式：校区之间；中小学校之间……

室内/室外覆盖：室内扩展的手段，室外（如操场等等）覆盖……

特殊建筑物的覆盖：如文物保护单位……速率：24Mb/s以下较成熟，40Mb/s~~80Mb/s也可以……2）集群（Cluster）计算（技术）

Cluster将一组相互独立的计算机通过高速通信网络而组成一个计算机系统，并以单一系统的模式进行管理。其目的是提供高可靠性、可扩充性和抗灾难性。资源保护和可扩展性。群集了多台服务器的性能；通过各服务器间的负载转移机制实现新的负载平衡。交换机（路由器）端口容量的群集。3）

网格计算简介网格是借鉴电力网的概念提出来的，它的最终目的是希望用户在使用网格的时候，就如同现在使用电力一样，不需要知道它是从哪个发电站输送出来的，也不需要知道它是通过什么样的发电机产生的，它希望能够为用户提供与地理位置无关、与具体的计算设施无关的通用的计算（问题求解）能力。所以网格能够充分吸纳各种计算资源，并将它们转化成一种随处可得的、可靠的、标准的、经济的计算能力。网格代表了一种先进的技术和基础设施，它把整个互联网整合成一台巨大的超级计算机，实现全球范围的计算资源、存储资源、信息资源、知识资源、专家资源、设备资源的全面共享。当然，网格的规模并一定要很大，我们也可以构造地区性的网格、企事业内部网格、局部网网格、甚至家庭和个人网格。网格的根本特征并不一定是它的规模，而是资源共享，消除资源孤岛。网格计算建立在网格基础设施之上，它使人们可以以一种全新的更自由、更方便的方式使用计算资源，解决更复杂的问题。首先，网格计算机扩展了以前十分有限的计算能力。在网格计算的支持下，人们可以方便的使用大型机，计算机机群和并行计算机来完成许多以前无法想象和无法完成的工作。其次，网格计算机突破了地理位置的限制，资源的提供者和使用者完全位置无关。最后，也是非常重要的一点就是网格打破了传统的共享和协作的限制。过去对资源的共享往往停留在数据文件传输的层次，而网格资源的共享允许对资源进行直接的控制。网格有时也称为网格计算（gridcomputing）、计算网格（computationalgrid）或元计算技术（metacomputing）等，它在产生的初期主要集中在高性能科学计算领域，现在并不局限于此，出现了使用于不同应用领域的网格技术。根据不同类型的应用可将现有的网格技术分为计算和数据网格、信息网格和知识网格、商业应用网格、其他模式。网格的技术特征与其他系统相比，网格具有如下的技术特征：首先是分布与共享，网格上的资源是分布的，而且类型复杂，规模较大，跨越的地理范围较广，虽然如此，这些资源却是可以充分共享的。网格关心的共享并不仅仅是文件交换，而是对计算机、软件、数据和其他资源的直接访问。其次是自相似性，网格的局部和整体之间存在一定的相似性，这对于网格的构造有着重要的意义。比如，可以先构造地市级网格，在此基础上构造省级网格，然后建造更大带宽的国家级主干网格。再其次是动态性和多样性，网格上的资源可以按资源提供者的意愿进入或退出，所以，网格会动态增加或动态减少。而且，网格上的资源是异构和多样的，这对网格软件的设计带来了更大的挑战。最后，是自治性与管理的多重性。一方面，网格的资源属于某一组织或个人，他们对资源具有自主性的管理，另一方面，网格的资源要提供给其他使用者使用，所以它们又必须接受网格的统一管理。

目前，网格计算在我国尚处于研究阶段，科技部在“九五”开展了高性能计算环境建设和关键技术的研究，“十五”期间加大了对网格技术的研究和推广的力度。目标是突破网格关键技术，建立网格技术标准，将网格计算技术应用到行业和企业中，建立行业和企业应用网格，进一步加强全社会共享的国家高性能网格计算环境的建设，推动我国网格产业的形成和发展。“织女星网格”是由中科院计算所开展的研究项目，它的基本思路是实现一台虚拟的、单一的网格超级计算机，其核心是V（通用服务）E（辅助智能）G（全局一体）A（自主控制）的设计思想。织女星网格体系结构的关键组件包括网格硬件、网格互连系统以及网格操作系统，同时，它还提出了资源路由器、网格计算协议、网格浏览器等重要的概念。有关专家指出，与国外同行相比，我国目前的研究成果已有很多独到之处。其他的网格研究项目主要有清华大学的先进计算基础设施ACI和以中科院计算所为主的国家高性能计算环境NHPCE。在清华ACI系统中，清华大学研制的高性能计算机“THNPSC-2”与上海大学研制的高性能计算机“自强2000”通过高速网络连接在一起，此外还连接了4个应用节点。这6个地理位置不同的网格节点可以同时召开网络会议。除此之外，还开发了相应的中间件，可以构成跨地区、跨学科“虚拟实验室”研究环境。清华ACI系统具有一套健全的资源管理系统、任务管理系统、用户管理系统及安全服务与监控系统。此外，目前正在进行的网格研究项目有：863计划支持的有多家单位参加的“中国网格”建设；多所上海大学参加的“上海教育科研网格”；由航天二院和清华大学共同开展的“仿真网格”研究；另外，全国还有几十所大学和研究机构已经开展了各种网格研究。

4）网络存储网络存储系统结构—DAS、SAN和NAS

RAID盘阵光纤通道SAN应用服务器数据库服务器DAS交换机文件存储OSNAS（1）DASDAS（DirectAttachedStorage直接附加存储），也称为SAS（ServerAttachedStorage服务器附加存储）

直接连接在各种服务器或客户端扩展接口下的数据存储设备

（2）SAN（StorageAreaNetwork存储区域网络）SAN是在服务器和存储设备之间传输大块数据。可适用于以下应用：关键任务数据库应用；集中的存储备份；高可用性和故障切除环境；可扩展的存储虚拟化；改进的灾难容错特性（光纤通道可达150KM）。

（3）NAS（NetworkAttachedStorage网络附加存储设备）NAS包含CPU、文件操作系统、文件服务管理工具和用于数据存储的一个或多个硬盘驱动器阵列。

SAN与NAS比较NAS是在RAID的基础上增加了文件存储操作系统，其RAID是一个整体。各种平台的用户可直接访问NAS。SAN是独立的一个数据存储网络，其RAID分割情况要视操作系统种类多少而定，网络内部的数据传输率很高，但操作系统驻留在服务器端，用户不能直接访问SAN的网络，这就造成SAN在异构环境下不能实现文件共享。

SAN只能由一种操作系统平台独享数据存储设备，NAS是共享与独享兼顾的数据存储结构。

NAS是网络接入，SAN是通道接入。目前供应商提供的SAN技术是有限的。二、IPv6介绍IPv6的设计原则：1、强调IPv4取得的成功；2、克服IPv4的限制；3、使相关的协议互补，这些协议主要涉及通过互连网传输语音、视频、数据等等。

IPv6地址IPv6地址为128位。由8组，每组由4个16进制数组成，组与组之间用冒号分隔。例如68DA：8909：3A22：FA64：68DA：8909：3A22：FACA初时用不完128位，其中某些位可以置为0，例如68DA：0000：0000：0000：68DA：8909：3A22：FACA可以简化为68DA：0：0：0：68DA：8909：3A22：FACA如果连续的几组16位数为0，可以用两个冒号表示，但只能用一次：68DA：：68DA：8909：3A22：FACA

IPv6允许按如下方法表示IPv4地址：：：

IPv6的技术优势1、具有128比特位地址方案——充足的IP地址空间。2、层次化路由—提高路由查找速度IPv6的地址空间采用层次化编码方式。3、IPv6报头简单，比IPv4效率更高IPv6的报文头比IPv4的报文头简化了许多，而且基本报文头的长度固定为40字节，便于处理。而IPv4的报头长度是可变的。另外，IPv6的的分片只由终端进行处理，中间网络设备不进行分片，因此，提高了处理性能，降低了设备成本。4、IPv6引入灵活的扩展首部（头），使协议易扩展

5、IPv6地址配置简化，自动配置，即插即用IPv6拥有大量的地址资源，使大量的小型终端设备可通过IPv6接入网络。

6、网络层的IPSec认证与加密，端到端安全

7、考虑QOS而新增流标记域IPv6在报头中包含一个流标签字段。源节点可以使用这个特殊字段来请求对一特定的数据包序列进行特殊处理。对于流式应用（视频会议、IP音频……），流标签能对要求QOS的应用进行基于每个流的处理。8、MobileIPv6—移动方便IPv6的移动性是内置的。任何IPv6节点在需要时都能够使用移动IP。移动IPv6使用下列IPv6扩展首部IPv6过渡技术IPv6作为下一代互连网协议,其主要目的是继承、拓展和取代IPv4。因此，IPv6必须能够支持和处理Ipv4遗留问题，保护用户在IPv4上的大量投资。IPv6过渡机制的主要目标：

1）逐步过渡；2）逐步部署：新的IPv6网络节点可以随时增加到网络中；3）地址兼容：当IPv4网络节点进化到IPv6时，IPv4的IP地址还可以继续使用；4）降低费用：

1.4.1IPv6的四个主要过渡方案

1、部署双栈：网络中的所有有关设备（路由器……）都必须采用双协议栈，分别支持IPv4和IPv6的通信。2、在IPv4隧道上部署IPv6：这些隧道封装IPv4数据包中的IPv6业务。主要实现隔离IPv6站点之间的通信，使之或通过IPv4骨干与IPv6网络连接。……3、在专用数据链路上部署IPv6：采用与IPv4相同的第二层基础架构实现IPv6域通信的技术。但是在密波分复用（DWDM）中，IPv6采用单独的光链路域。4、在MPLS骨干网中部署IPv6：这种技术允许IPv6域互相进行通信，但需通过IPv4MPLS骨干网。它不需要修改核心基础架构，网络中的不同点有不同的技术。但是每一种技术都不要求对骨干基础架构进行太多改动，例如重新配置核心路由器，因为转发是基于标签的，而不是IP报头。

IPv6过渡的四个阶段1、现状阶段

所有网络基于IPv4，Internet上都是IPv4设备，使用NAT缓解IPv4地址资源紧张；

2、初始阶段“IPv6-in-IPv4”

引入IPv6Inernet，提供IPv6接入等服务；IPv4网络中出现若干IPv6孤岛。不同的IPv6孤岛使用自动人工配置的隧道，通过IPv4网络连接起来3、共存阶段

出现了较大规模的、骨干的IPv6Internet网络；在IPv6平台上引入了大量的业务，IPv6业务可以在IPv6Internet网络间传送，但不是全部都可以，还需要使用隧道，还有许多节点仍然使用双栈。4、主导阶段IPv6占据主导地位。具备全球范围的连同性；所有的业务都可运行在IPv6平台上。1.4.3IPv4到IPv6的过渡策略

1、选用具有升级能力的“柔性”设备。例如以NP为处理器的第五代路由器，以高性能CPU为处理器的中低端路由器，尽量少用以ASIC（Acronymforapplica-Tion-specificintegratedcircuit专用集成电路）为处理器的设备。2、考虑与现有IPv4网络的连通性。IPv4资源丰富。3、应当选用好的厂家；4、应当不要选用私有协议、专利技术的厂家设备。

部署双栈部署双栈是过渡到IPv6的基本方案

其中应用不升级到支持IPv6栈，但可以与相同终端系统上的已升级应用共存；当前已定义了一种API，以同时支持IPv4、IPv6地址和DNS请求；应用根据名字检查选择采用IPv4或IPv6协议；IPv4和IPv6地址都可以从DNS返回，应用根据IP业务的类型选择正确的地址。1.5.2部署双栈

1、双协议栈的机制在每个节点同时支持IPv4和IPv6两种协议。IPv4和IPv6是功能相近的网络协议，两者都应用于相同的物理层，而且加载于其上的传输协议TCP和UDP也没有任何区别，因此，IPv4和IPv6双协议栈的协议结构如下图所示：

应用层协议TCP/IP协议IPv4协议区IPv6协议区物理网络双协议栈的协议结构2、双栈的4种工作方式1）如果应用程序使用的目的地址是IPv4地址，则使用IPv4协议；2）如果应用程序使用的目的地址是IPv6中的IPv4兼容地址，则使用IPv4协议，此时IPv6封装于IPv4中；3）如果应用程序使用的目的地址是非IPv4兼容的IPv6中地址，则使用IPv6协议，此时可能使用隧道等机制来进行路由、传送；4）如果应用程序使用域名来作为目的地址，则此时先要从DNS服务器得到相应的IPv4/IPv6地址，然后根据地址的情况，按1）——3）处理。3、双栈技术与隧道双栈技术并不要求建立隧道，只有当IPv6节点需要利用IPv4的路由机制传送信息包时隧道才是必须的；但隧道的建立却需要双栈的支持。上述2）就是自动隧道。如果该台主机配置了6to4地址，则它也可以通过6to4地址和其它配有6to4地址的主机通信。4、双协议栈的通信方式IPv6/v4Network记录名主机名IP地址AAAAHost-V62：：1AHost-V4………………配置IPv4/v6的DNS服务器1、查询与主机名对应的地址2、根据特定的IPv4/IPv6地址开始通信IPv4/v6双栈主机三、下一代互连网

下一代互连网的基本标志：1、基础网络2、IPv63、MPLS4、流量工程与Q0S5、应用层组播与多媒体6、无线网络3、多协议标记交换MPLS

1）引言

传统的IP网络是无连接的网络。网络的协议分组从一个路由器传输到下一个路由器时，每个路由器都会为该分组做一个独立的转发决定。也就是说，每个路由器都会分析该分组的报头，并且根据路由器中的路由表独立地为分组选择下一跳。

分组的报头包含了比可以选择下一跳多得多的信息。事实上，选择下一跳可以看作以下两种功能的合成：1）将整个可能的分组划分成一组“转发等价类”（forwardingequivalentclass；FEC）；2）将每个FEC映射到一个“下一跳”上。

在传统的IP转发中，如果在路由器的路由表中存在地址前缀X，而且X对于两个分组中的目的地址都是“最长匹配”，则路由器认为这两个分组在同一个FEC中。当分组在网络中传输时，每一跳都依

次重新检查分组，并且将它指定到一个FEC上。在MPLS（Multi—ProtocolLabelSwitching；多协议标记交换）中，当一个特定的分组进入网络时，把它划分到一个特定的FEC的操作只进行一次。分组所属于的FEC将用一个短的固定长度的值来编码，这就是所谓“标记”（Label）。当分组被转发到下一跳时，标记也随它一起向前传送；也就是说，分组在下一跳转发之前就已经被“标记”了。在随后的各跳中，将不再分析分组的网络层报头。而是将分组的标记作为包栝下一跳和新标记的表的索引。旧标记将被新标记取代，同时分组被转发到下一跳。

MPLS最初的目的是为了使第3层交换达到第2层的速度！ASICMPLS为基于IP的网络带来了其它优势，主要有：1）流量工程（TrafficEngineering）。流量工程能够设置通过网

络时的路径，并且能够使某类流量满足其性能要求。2）虚拟私有网络VPNs。使用MPLS，服务提供商能够在其网络中提供IP隧道，而不需要加密或者端用户的应用程序支持。3）Layer2Transport。IETF（internetengineeringtaskgroup；互连网工程任务组）的工作组PWE3和PPVPN定义的新标准使服务提供商能够在一个IP/MPLS核心上承载Ethernet、FrameRelay和ATM等第二层服务。4）EliminationofMultipleLayers；（多层覆盖）。大部分承载的网络采用层次覆盖的模型。IP用在第3层。在MPLS的转发机制中，一旦分组被指定到一个FEC上，则在后面的路由器中将不再对报头进行分析，所有的转发都由标记来驱动，

与传统的网络层转发机制比较，具有如下优点：1）MPLS转发可以通过仅仅具有标记查找和替换能力的交换机来完成。具体地说，这些交换机可能没有分析网络层报头的功能，或者不能以足够的速率来分析网络层报头。2）因为当分组进入网络时就被指定到一个FEC上，所以，入口路由器使用它已有的任何信息来指定分组。这些信息可以不是来自网络层报头。例如，可以将到达不同端口的分组分别指定到不同的FEC上。3）决定分组如何指定到一个FEC的算法，不会对仅仅转发标记后的分组的路由器造成影响。4）在MPLS中，标记可以用来代表路由。并且，该路由可以在分组进入网络时，或进入网络之前就已经选好，而不是通过动态路

由算法来确定。这样就可以作为“策略问题”来处理，或者用来支持流量工程。5）MPLS允许（不是必需）优先级或者服务种类可以由标记全部或部分地推断出来。这时标记成为FEC和优先级或服务种类的结合。支持MPLS的路由器被称为“标记交换路由器；LSR”。多协议标记交换的应用

一、流量工程

1、流量工程简述

1）流量工程（TrafficEngineering，TE）主要是运行网络的优化。与MPLS有关的流量工程主要是测量和控制。2）流量工程的主要性能指标可以分为两方面：

面向流量：性能指标主要包含：分组丢失的最小化、时延的最小化、吞吐量的最大化和服务等级协定的增强等。

面向资源：优化利用资源的各个方面。高效的网络管理是实现面向资源性能指标的重要途径。3）拥塞的最小化是面向资源和面向流量的性能的首要指标。发生拥塞（长时间拥塞）的情况主要有以下两种：

网络资源不足以满足负载的要求。

当流量相对于可用资源显得效率不高时，导致一部分网络资源被过度使用，而另一部分资源却未被充分利用。

的情况用扩充网络和传统的拥塞控制解决！

通常用流量工程解决。

用负载均衡的算法解决。基于最短路径算法的IGPs是造成网络中的自治系统发生拥塞的主要原因。显式路由路径（用MPLS来实现）是解决问题的直接和可扩展的方法。LSP：A—C—D—E；LSP：B—C—F—G—H—E。图2-2RouterCRouterARouterBFGHDE121212121111为了有效控制LSP，每个LSP被指定一个或多个属性，在计算LSP路径时需要考虑这些属性：

带宽：一条连路上可以给要建立的LSP的最小带宽。

连路属性：该属性用于决定LSP的路径是通过手动指定还是由约束路由动态计算。

建立优先级：该属性决定了由谁获得LSP的竞争资源。

保留优先级：该属性决定了已建立的LSP占有的资源是否能被一个新的LSP抢占。

亲密度：由管理指定的LSP属性。

适应性：当出现更优化路径时，是否转移到更好的路径上。弹性：当前路径由于错误受到影响时是否重新路由LSP。

2、约束路由

约束路由（Constraint-basedrouting，CBR）：

考虑带宽和管理策略等约束条件的路由。

约束路由可分为两种：在线约束路由：随时为LSP计算路径。离线约束路由：周期性地为LSP计算路径。设计定时器来限制频率。

3、增强的链路状态IGP（内部网关协议）增强：除传输普通的链路状态外，必须传输链路属性。通常的链路属性包含：链路的亲密度（管理员指定的属性）和预留带宽。

4、流量工程解决方案在MPLS、约束路由和增强IGP的基础上，流量工程可以有效地解决拥塞避免和负载分流等两个问题。1）首先，设置每天链路的最大预留带宽（例如，设为链路的物理带宽）。然后设置每条LSP需要（预留）的带宽，约束路由可以自动地避免在一条链路上放置太多的LSP。如图2-4，CBR自动地将LSBBE放在一条更长的路径上，避免链路CE上的拥塞。RouterABCDELSPAE120MbpsLSPBE（BC

DE）60Mbps图2-4拥塞避免2）负载分流。如图2-5若从路由器C1到路由器B1的（物理）流量超过了从C1到B1的任何一条单一链路的容量，然后可以从C1到B1配置多条LSP（图中两条），这两条LSP的负载比例可以按需要指定。BorderRouterB1LSP#3，90MbpsLSP#2，30MbpsLSP#1，130MbpsBorderRouterB2CoreRouterC2图2-5负载分流5、流量工程使用MPLS的优点：1）LSP可以被高效的维护。2）通过手工的网管配置或是下层协议的自动配置，可以容易地建立起不受传统基于目的的转发机制限制的显式LSP。3）流量主干可以被使用，并被映射到LSP上。4）可以给流量主干规定一套属性来调整流量主干的行为。5）可以给各种网络资源规定一套属性，以便对以上建立的LSP通过的流量主干加以限制。6）既可以实现流量聚合，也可以实现流量分解，而基于传统的路由协议的IP转发只支持流量聚合。7）可以较容易地实现“基于约束的路由”。8）MPLS流量工程实现带来的额外开销比其它的流量工程技术小得多。虚拟私有网VPN基本概念

1）VPN（VirtualPrivateNetwork）虚拟私有网：设有被称为主干网的互相连接的“站点”的集合。若子集满足：只有当两个站点都在该子集中时，两者才能经由主干网IP互连，则称该子集为虚拟私有（子）网。2）VPN可以分为以下几类类：

重叠式VPN（overlayVPN）：

重叠式第2层实现的VPN，包含X.25、帧中继、ATM3种。特点是能够保证链路带宽和QoS，安全性高。但是节点设备不能共用，投资比较大。重叠式第3层实现的VPN，包含GRE（通用路由封装）和IPSec两种方式，以面向连接的方式实现，适用于小规模的VPN。

对等模式V