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主动网络——网络技术的革命与挑战
★ 杜军平 庄力可 涂序彦
引言
主动网络是一个比较新的概念，这种网络不仅传输字节，同时它还是一种更通用的计算模型。
主动网络不像传统网络那样只是被动地传输字节，而且具有提供使用者输入定制程序到网络中的一种能力。
网络结点解释这些程序后，对流经网络结点的数据进行所需的操作。
主动网络可以被简单地看作是一组“主动结点”，这组结点对流经过它们的数据完成预订的操作。
传统的数据网络提供了一种传输机制，用来把字节从一个端系统传送到其他地方，计算量非常小。
与之相比，主动网络不仅能使网络结点对数据进行计算，而且还可以允许使用者输入定制好的程序到网络的结点上，
并对在网络中流通的数据进行修改、存储和重新定向。这些可编程的网络为今后的应用提供了更多的新途径，
而这对于传统网络来说是不可想象的。
例如，在视频多路广播中，每个结点的视频压缩方式都会基于对每个结点的计算和根据网络的有效带宽而进行相应地改变。
研究机构已经认识到主动网络的潜力，并在不同的研究领域开展了很多的工作。
主动网络的必要性
主动网络其实并不是一个全新的概念，在解决当前网络问题的各种方法中我们已经用到了主动网络的概念。
例如在一个防火墙中，对包（也包括路由器）的过滤，决定了哪个包可以通过，哪个包需要被阻断。
网络的代理服务器、多路广播路由器和视频网关等都会根据网络状况来进行根据使用者要求的计算。
网络代理服务器会提供给用户透明的服务来响应和缓存网页。Nomadic路由器确定了某些联系途径，
通过这些途径，一个主机可以和一个网络连接（例如一个调制解调器或一个高速的网络连接器），
并能适应不同的情况。当通过一个Modem进行连接时，路由器可以对连接进行压缩和完成更多的文件缓存。
近来，网络的很多新的发展方向都与主动网络体系结构相关。
例如，在PHY层中的VLANs，多协议路由器和传输技术（如RSVP、RTP和应用层的路由）等这些功能，
也可由一个主动网络结构来提供。我们将用对网络进行编程这样一种能力来取代其他的方式。
主动网络的目标
主动网络的目标是具有可编程的开放结点，同时具有在结点引擎中运行程序的能力。
该网络结点的功能不应该被标准化，但执行环境应被标准化。
主动网络的影响
主动网络结构的影响力将会越来越大，它将加速对网络体系结构的革新。
当今的网络革新是一种缓慢并且昂贵的过程，如果一种新技术需要用数十年的时间从原型发展到普遍应用，
那么它必然会由于这种延迟而夭折。今天的互联网服务便出现了诸多问题，
如RSVP、多路广播服务、安全性和流动性扩展、IPv6等。现在的IP标准数据包格式、
地址方案等都可以用路由器或IP交换机来实现，改变IP的任何部分必须更换硬件设备。
相反，主动网络结点能执行不同的程序，它具有一个抽象层来支持所有设备。
因此，结合新技术意味着将这些新的服务下载到网络体系结构中。
主动网络能使基础网络服务针对每一个数据包具有可选择性，并且消除了标准格式的需求。
它还能使基础网络服务可编程化，减少了工作时间。从某种意义上讲，一个先进的、
具有鲁棒性的编程环境如果被应用，就可以减少服务的开发时间。
类似于信息合并、信息发布这样的新应用、用户可以感知的网络保护、
主动网络管理等将由于主动网络的可塑性而被广泛应用。
怎样创建主动网络
下面有两种创建主动网络的可行途径，一种是分离的而另一种是集成的方法。
1．分离方法：也称为可编程结点（交换机/路由器）方法。这里，程序将分别插入可编程的主动结点，
与实际的数据包分离，并可以在网络中传输。“用户”能将程序发送至网络结点（交换机/路由器），
在结点中被存储，然后当数据抵达结点时执行程序，对数据进行处理。
数据中包含引导结点如何处理或处理哪些程序的信息。
2.集成方法：集成方法也称为压缩方法，程序被集成到每一个数据包，然后发送到网络，
每一个信息或包都要求包含一个程序段，说明是否可能嵌入数据。当这些包到达主动结点时，
主动结点将解释这些程序，然后将程序的嵌入数据发出。此过程类似Postscript代码，
实际数据嵌入到程序段中，从而使打印机可以识别。在这种方法中，
每一个主动结点都有一种内置的机制来下载压缩代码，一种执行环境来执行这些代码，
并有一些长期应用的存储器来存储信息或恢复信息。
现存的网络结构会有哪些改变？主动网络大规模发展的一个主要问题便是它与传统网络结点的兼容性。
答案是没有必要去改变现有的结构，主动网络可以通过信道与传统结点共存。
与此相同，可以通过可识别多路广播的路由器，来连接由多路广播和传统路由器共同组成的通道，
MBONE信道可以与不能识别多路广播的的路由器合作。
主动网络压缩协议（ANEP）
主动网络组（一个在主动网络领域中著名的研究人员组成的小组）的备忘录上展示了一种可能实现的主动网络帧压缩的过程。他们提出的协议能允许现存的网络结构在主动网络中使用。这种协议允许可扩展性，
并且保证与不同的实施环境并存。程序将在接收结点被执行，而这些结点是在该协议所定义的环境中。
与IPv6一样，主动网络压缩协议允许在报头定义不同的选项，
这些选项包括了但并不局限于授权、保密性和完整性。
提出的包格式：这种文件提出了下面的ANEP报头：这里，8位字节字段说明了正在使用的报头格式（目前为第一版）。
在8位标志段中，只有最有意义的位被使用，它表示了结点应该转发或者抛弃包。
ID类型字段表明了信息的包裹环境。提出的ANANA（主动网络分配数字权威）将要分配ID的类型，
0用来表示错误信息和可能的将来的网络层信息。接下来是字头长度和包长度字段，
每一个单元的长度是32位。接下来是选项字段。在选项字段的每个选项都有两个标志位，
接下来是14位的选项类型字段。这种协议的鲁棒性保证了实施一种新的协议或评价环境时，
只需定义新的类型ID和新的选项类型。
主动IP
与ANEP相反，Wethherall 和Tennenhouse建议扩展IP协议，从而改进现有网络的主动能力，
这些IP选项已被结合进新的功能，用来在IP网络中加入例如网络监听和测量方面的应用功能。
主动IP选项提供了一个用来向IP数据包嵌入程序段的方法。这些程序段在沿路径的每个路由器上被评估和执行。
由于主动选项在包的有效载荷中，传统的路由器甚至不能看到它，只能将其传递给主动路由器。
在这些主动路由器中，主动选项编码将被调用，并被路由器执行。
已有的主动网络研究
目前在主动网络研究中已经有了一些成果，下面将做一概述：
1．ANTS主动网络工具箱
麻省理工大学研究出了主动网络工具箱。ANTS使用移动编码技术，让新的协议分布于终端系统和中间结点。
ANTS通过编码分发过程来压缩文件。协议将代码向前传递程序结合到每个结点，
它通过一个代码分配方案来获得面向应用的程序。这些向前传递的程序被传递到相关的包类型中，
即一个代码分配系统的代码组中。
每个包都带有一种与之协议类型相对应的标志符，它在协议中编码分发的过程中被描述。
标志符是基于协议代码的，这样能有效地减少协议出错的风险。并且，协议使包格式被定位，
并且处于一种分散的位置。包的剩余部分包含一个共享的报头和一个唯一的报头。
这些协议执行于一种严格的环境，对共享资源限制访问，从而防止被其他协议访问。
最初的协议是加载到结点的，这种结点提供一种支持网络安全和资源管理事件的解决模型。
协议具有一种代码分配机制，它能使程序定义针对需要而不断增加。具体方案如下：
首先，包识别出它们的类型和协议，当包抵达结点时，它检查自己的缓存，观察所需的代码是否出现。
如果没有出现，则要求上一个结点为当前结点发送代码。
当上一个结点收到它可以响应的负载要求时，它将马上发送。当前的结点收到负载要求时，
它将这些负载加载到自己的缓存中，然后对等待的包执行所需的操作。
这是一种有效的具有鲁棒性的机制，从而使结点能充分利用主动网络的优点。
2．Switch Ware项目
UPenn 的Switch Ware项目组提出了一个SwitchWare交换机，它具有一个可编程元件来完成交换功能。
这种交换机是由可编程元件来控制的输入端口组成的，被称为“交换插件”的程序部分被发送到交换机端口，
然后编译并执行。该项目的目标是加速网络进化的进程，
Switch Ware建议制造一种基于Switch Ware交换设备的虚拟网络结构。
Switch Ware可用专门为数据交换编程的高层编程语言来编写。
Switch Ware希望能探索用于安全和资源管理的策略，
这些将被嵌入在Switch Ware交换机操作系统的运行环境中。
3．NetScript项目
NetScript的体系结构应用了压缩技术。用一种脚本语言来对一种传统数据网络的原始功能进行一系列简单的抽象。
为支持这种脚本语言而创造了一种叫做“虚拟机器”的产品。
NetScript 脚本语言用于建立各种包流处理设备，支持包的顺利通过。
这种脚本语言可用来建立路由协议、协议分析仪、虚拟网络等。
主动网络将提供能够执行这些NetScript脚本/程序的环境。
这些程序的集合分布到多个结点，以组成一个虚拟网络引擎（VNE）。
VNE是通过虚拟链接（VL）来实现连接的。NetScript代理处理这些包流动，
并且通过使用VLs程序，将这些包流动发送给其他VNEs。VNEs和VLs的集合被称做NVN。
代理服务层是运行NetScript代理程序的执行环境。连接服务层控制VLs的分配和保持现存的VLs与相邻的VNEs的联系。
一个Netscipt程序是分布在不同VNEs上的线程的集合，并可对流经这些VNEs的包流动进行处理。
所用的语言是小型的、简单的基于数据流的语言，它是为完成通信任务而设计的。
该语言简化了基于流的计算，因为程序是对数据包的流进行操作的。
该语言以一种“通用抽象”的可编程网络设备作为编程器。因此，一个Netscript程序能运行在任何VNE上，
而这些VNE不需要任何类似的配置。另外，它还是一种动态的语言，因为设备可以随时从VNE上增加或取走。
该语言的计算是由一套同时进行的、相互通信的过程组成的，数据流驱动着在网络中进行的计算。
结论
主动网络作为一种动态的运行环境，它支持大量的网络服务，同时也允许在网络体系结构中加入新设计的服务。
主动网络的研究得到了许多的关注，各种研究团体正研究一些与此相关的重要的安全问题。
其他的关键性研究问题包括路由、资源分配、网络管理服务及非常重要的移动性。
很多研究成果已经被运用到主动网络的演示中，这些成果将影响到几种不同的网络可编程模型的建立。
主动网络技术的可行性已经开始改变我们对计算机网络的概念，它将对未来技术的形成起到重要的推动作用。
什么是主动网络
主动网络（AN）是一种新型的网络体系结构，它的主要特征是“主动性”。
主动网络中的网络结点具有计算能力，它对流经本结点的数据包进行客户化的计算。
具有计算能力的网络结点从网络设备接收数据包后执行相应的程序，对该数据包进行处理，
然后将数据包(可能已被修改)发送给其他网络结点。
主动网络的优势
主动网络是一种可编程的网络。其网络结点的计算能力使得主动网络结点本身具有可编程性，
从而使得整个网络结构也是可编程的。利用主动网络，用户不但可以完成传统网络的数据传送功能，
而且可以传送程序代码以供中间结点或远程主机在本地执行。因此，对传统网络的互操作性、安全性、
可伸缩性提出了挑战。主动网络潜在的优点是快速动态定制、配置新的服务，实验新的网络体系结构，
新的协议，可以加速网络服务的革新步伐，提高网络的性能，使网络系统更具灵活性、可扩展性。
PLAN语言
PLAN是用于主动网络的程序设计语言。PLAN编程使用了封装的方法，用来在路由器上执行程序。
PLAN基本上是一种有限的资源脚本语言，该语言可以完成资源的恢复和网络的诊断。
对于路由器的功能来说，这种结构有两层。一层是PLAN层，它包含了PLAN程序，
这一层为资源的恢复和诊断提供了支持。更高的服务层包括了更多高效的服务，
但这些服务仅提供给被授权者。更高的服务层将拥有更多的协议，其中当然也包括主动网络
★ 杜军平 庄力可 涂序彦
引言
主动网络是一个比较新的概念，这种网络不仅传输字节，同时它还是一种更通用的计算模型。
主动网络不像传统网络那样只是被动地传输字节，而且具有提供使用者输入定制程序到网络中的一种能力。
网络结点解释这些程序后，对流经网络结点的数据进行所需的操作。
主动网络可以被简单地看作是一组“主动结点”，这组结点对流经过它们的数据完成预订的操作。
传统的数据网络提供了一种传输机制，用来把字节从一个端系统传送到其他地方，计算量非常小。
与之相比，主动网络不仅能使网络结点对数据进行计算，而且还可以允许使用者输入定制好的程序到网络的结点上，
并对在网络中流通的数据进行修改、存储和重新定向。这些可编程的网络为今后的应用提供了更多的新途径，
而这对于传统网络来说是不可想象的。
例如，在视频多路广播中，每个结点的视频压缩方式都会基于对每个结点的计算和根据网络的有效带宽而进行相应地改变。
研究机构已经认识到主动网络的潜力，并在不同的研究领域开展了很多的工作。
主动网络的必要性
主动网络其实并不是一个全新的概念，在解决当前网络问题的各种方法中我们已经用到了主动网络的概念。
例如在一个防火墙中，对包（也包括路由器）的过滤，决定了哪个包可以通过，哪个包需要被阻断。
网络的代理服务器、多路广播路由器和视频网关等都会根据网络状况来进行根据使用者要求的计算。
网络代理服务器会提供给用户透明的服务来响应和缓存网页。Nomadic路由器确定了某些联系途径，
通过这些途径，一个主机可以和一个网络连接（例如一个调制解调器或一个高速的网络连接器），
并能适应不同的情况。当通过一个Modem进行连接时，路由器可以对连接进行压缩和完成更多的文件缓存。
近来，网络的很多新的发展方向都与主动网络体系结构相关。
例如，在PHY层中的VLANs，多协议路由器和传输技术（如RSVP、RTP和应用层的路由）等这些功能，
也可由一个主动网络结构来提供。我们将用对网络进行编程这样一种能力来取代其他的方式。
主动网络的目标
主动网络的目标是具有可编程的开放结点，同时具有在结点引擎中运行程序的能力。
该网络结点的功能不应该被标准化，但执行环境应被标准化。
主动网络的影响
主动网络结构的影响力将会越来越大，它将加速对网络体系结构的革新。
当今的网络革新是一种缓慢并且昂贵的过程，如果一种新技术需要用数十年的时间从原型发展到普遍应用，
那么它必然会由于这种延迟而夭折。今天的互联网服务便出现了诸多问题，
如RSVP、多路广播服务、安全性和流动性扩展、IPv6等。现在的IP标准数据包格式、
地址方案等都可以用路由器或IP交换机来实现，改变IP的任何部分必须更换硬件设备。
相反，主动网络结点能执行不同的程序，它具有一个抽象层来支持所有设备。
因此，结合新技术意味着将这些新的服务下载到网络体系结构中。
主动网络能使基础网络服务针对每一个数据包具有可选择性，并且消除了标准格式的需求。
它还能使基础网络服务可编程化，减少了工作时间。从某种意义上讲，一个先进的、
具有鲁棒性的编程环境如果被应用，就可以减少服务的开发时间。
类似于信息合并、信息发布这样的新应用、用户可以感知的网络保护、
主动网络管理等将由于主动网络的可塑性而被广泛应用。
怎样创建主动网络
下面有两种创建主动网络的可行途径，一种是分离的而另一种是集成的方法。
1．分离方法：也称为可编程结点（交换机/路由器）方法。这里，程序将分别插入可编程的主动结点，
与实际的数据包分离，并可以在网络中传输。“用户”能将程序发送至网络结点（交换机/路由器），
在结点中被存储，然后当数据抵达结点时执行程序，对数据进行处理。
数据中包含引导结点如何处理或处理哪些程序的信息。
2.集成方法：集成方法也称为压缩方法，程序被集成到每一个数据包，然后发送到网络，
每一个信息或包都要求包含一个程序段，说明是否可能嵌入数据。当这些包到达主动结点时，
主动结点将解释这些程序，然后将程序的嵌入数据发出。此过程类似Postscript代码，
实际数据嵌入到程序段中，从而使打印机可以识别。在这种方法中，
每一个主动结点都有一种内置的机制来下载压缩代码，一种执行环境来执行这些代码，
并有一些长期应用的存储器来存储信息或恢复信息。
现存的网络结构会有哪些改变？主动网络大规模发展的一个主要问题便是它与传统网络结点的兼容性。
答案是没有必要去改变现有的结构，主动网络可以通过信道与传统结点共存。
与此相同，可以通过可识别多路广播的路由器，来连接由多路广播和传统路由器共同组成的通道，
MBONE信道可以与不能识别多路广播的的路由器合作。
主动网络压缩协议（ANEP）
主动网络组（一个在主动网络领域中著名的研究人员组成的小组）的备忘录上展示了一种可能实现的主动网络帧压缩的过程。他们提出的协议能允许现存的网络结构在主动网络中使用。这种协议允许可扩展性，
并且保证与不同的实施环境并存。程序将在接收结点被执行，而这些结点是在该协议所定义的环境中。
与IPv6一样，主动网络压缩协议允许在报头定义不同的选项，
这些选项包括了但并不局限于授权、保密性和完整性。
提出的包格式：这种文件提出了下面的ANEP报头：这里，8位字节字段说明了正在使用的报头格式（目前为第一版）。
在8位标志段中，只有最有意义的位被使用，它表示了结点应该转发或者抛弃包。
ID类型字段表明了信息的包裹环境。提出的ANANA（主动网络分配数字权威）将要分配ID的类型，
0用来表示错误信息和可能的将来的网络层信息。接下来是字头长度和包长度字段，
每一个单元的长度是32位。接下来是选项字段。在选项字段的每个选项都有两个标志位，
接下来是14位的选项类型字段。这种协议的鲁棒性保证了实施一种新的协议或评价环境时，
只需定义新的类型ID和新的选项类型。
主动IP
与ANEP相反，Wethherall 和Tennenhouse建议扩展IP协议，从而改进现有网络的主动能力，
这些IP选项已被结合进新的功能，用来在IP网络中加入例如网络监听和测量方面的应用功能。
主动IP选项提供了一个用来向IP数据包嵌入程序段的方法。这些程序段在沿路径的每个路由器上被评估和执行。
由于主动选项在包的有效载荷中，传统的路由器甚至不能看到它，只能将其传递给主动路由器。
在这些主动路由器中，主动选项编码将被调用，并被路由器执行。
已有的主动网络研究
目前在主动网络研究中已经有了一些成果，下面将做一概述：
1．ANTS主动网络工具箱
麻省理工大学研究出了主动网络工具箱。ANTS使用移动编码技术，让新的协议分布于终端系统和中间结点。
ANTS通过编码分发过程来压缩文件。协议将代码向前传递程序结合到每个结点，
它通过一个代码分配方案来获得面向应用的程序。这些向前传递的程序被传递到相关的包类型中，
即一个代码分配系统的代码组中。
每个包都带有一种与之协议类型相对应的标志符，它在协议中编码分发的过程中被描述。
标志符是基于协议代码的，这样能有效地减少协议出错的风险。并且，协议使包格式被定位，
并且处于一种分散的位置。包的剩余部分包含一个共享的报头和一个唯一的报头。
这些协议执行于一种严格的环境，对共享资源限制访问，从而防止被其他协议访问。
最初的协议是加载到结点的，这种结点提供一种支持网络安全和资源管理事件的解决模型。
协议具有一种代码分配机制，它能使程序定义针对需要而不断增加。具体方案如下：
首先，包识别出它们的类型和协议，当包抵达结点时，它检查自己的缓存，观察所需的代码是否出现。
如果没有出现，则要求上一个结点为当前结点发送代码。
当上一个结点收到它可以响应的负载要求时，它将马上发送。当前的结点收到负载要求时，
它将这些负载加载到自己的缓存中，然后对等待的包执行所需的操作。
这是一种有效的具有鲁棒性的机制，从而使结点能充分利用主动网络的优点。
2．Switch Ware项目
UPenn 的Switch Ware项目组提出了一个SwitchWare交换机，它具有一个可编程元件来完成交换功能。
这种交换机是由可编程元件来控制的输入端口组成的，被称为“交换插件”的程序部分被发送到交换机端口，
然后编译并执行。该项目的目标是加速网络进化的进程，
Switch Ware建议制造一种基于Switch Ware交换设备的虚拟网络结构。
Switch Ware可用专门为数据交换编程的高层编程语言来编写。
Switch Ware希望能探索用于安全和资源管理的策略，
这些将被嵌入在Switch Ware交换机操作系统的运行环境中。
3．NetScript项目
NetScript的体系结构应用了压缩技术。用一种脚本语言来对一种传统数据网络的原始功能进行一系列简单的抽象。
为支持这种脚本语言而创造了一种叫做“虚拟机器”的产品。
NetScript 脚本语言用于建立各种包流处理设备，支持包的顺利通过。
这种脚本语言可用来建立路由协议、协议分析仪、虚拟网络等。
主动网络将提供能够执行这些NetScript脚本/程序的环境。
这些程序的集合分布到多个结点，以组成一个虚拟网络引擎（VNE）。
VNE是通过虚拟链接（VL）来实现连接的。NetScript代理处理这些包流动，
并且通过使用VLs程序，将这些包流动发送给其他VNEs。VNEs和VLs的集合被称做NVN。
代理服务层是运行NetScript代理程序的执行环境。连接服务层控制VLs的分配和保持现存的VLs与相邻的VNEs的联系。
一个Netscipt程序是分布在不同VNEs上的线程的集合，并可对流经这些VNEs的包流动进行处理。
所用的语言是小型的、简单的基于数据流的语言，它是为完成通信任务而设计的。
该语言简化了基于流的计算，因为程序是对数据包的流进行操作的。
该语言以一种“通用抽象”的可编程网络设备作为编程器。因此，一个Netscript程序能运行在任何VNE上，
而这些VNE不需要任何类似的配置。另外，它还是一种动态的语言，因为设备可以随时从VNE上增加或取走。
该语言的计算是由一套同时进行的、相互通信的过程组成的，数据流驱动着在网络中进行的计算。
结论
主动网络作为一种动态的运行环境，它支持大量的网络服务，同时也允许在网络体系结构中加入新设计的服务。
主动网络的研究得到了许多的关注，各种研究团体正研究一些与此相关的重要的安全问题。
其他的关键性研究问题包括路由、资源分配、网络管理服务及非常重要的移动性。
很多研究成果已经被运用到主动网络的演示中，这些成果将影响到几种不同的网络可编程模型的建立。
主动网络技术的可行性已经开始改变我们对计算机网络的概念，它将对未来技术的形成起到重要的推动作用。
什么是主动网络
主动网络（AN）是一种新型的网络体系结构，它的主要特征是“主动性”。
主动网络中的网络结点具有计算能力，它对流经本结点的数据包进行客户化的计算。
具有计算能力的网络结点从网络设备接收数据包后执行相应的程序，对该数据包进行处理，
然后将数据包(可能已被修改)发送给其他网络结点。
主动网络的优势
主动网络是一种可编程的网络。其网络结点的计算能力使得主动网络结点本身具有可编程性，
从而使得整个网络结构也是可编程的。利用主动网络，用户不但可以完成传统网络的数据传送功能，
而且可以传送程序代码以供中间结点或远程主机在本地执行。因此，对传统网络的互操作性、安全性、
可伸缩性提出了挑战。主动网络潜在的优点是快速动态定制、配置新的服务，实验新的网络体系结构，
新的协议，可以加速网络服务的革新步伐，提高网络的性能，使网络系统更具灵活性、可扩展性。
PLAN语言
PLAN是用于主动网络的程序设计语言。PLAN编程使用了封装的方法，用来在路由器上执行程序。
PLAN基本上是一种有限的资源脚本语言，该语言可以完成资源的恢复和网络的诊断。
对于路由器的功能来说，这种结构有两层。一层是PLAN层，它包含了PLAN程序，
这一层为资源的恢复和诊断提供了支持。更高的服务层包括了更多高效的服务，
但这些服务仅提供给被授权者。更高的服务层将拥有更多的协议，其中当然也包括主动网络
