1.2 覆蓋網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)

1.2.1 覆蓋網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

覆蓋網(wǎng)是構(gòu)筑在已有的互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)之上，通過選擇并合理連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)建一層新的網(wǎng)絡(luò)，提供類似基礎(chǔ)設(shè)施所提供的基礎(chǔ)性服務(wù)，如路由、組播、內(nèi)容分發(fā)等。覆蓋網(wǎng)是一種邏輯網(wǎng)絡(luò)，其節(jié)點(diǎn)由連接在互聯(lián)網(wǎng)的部分終端節(jié)點(diǎn)或應(yīng)用類服務(wù)器組成，具有數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、處理和存儲等功能，節(jié)點(diǎn)間通過虛擬邏輯鏈路連接起來，一條覆蓋網(wǎng)鏈路對應(yīng)一條或多條物理鏈路。覆蓋網(wǎng)絡(luò)探測底層物理網(wǎng)絡(luò)的鏈路狀態(tài)信息，并根據(jù)自己的策略為覆蓋網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)流計(jì)算路由，然后將數(shù)據(jù)流的轉(zhuǎn)發(fā)路徑發(fā)送給底層物理網(wǎng)絡(luò)，由底層物理網(wǎng)絡(luò)按照指定的路徑進(jìn)行傳輸。覆蓋網(wǎng)絡(luò)上的路由是應(yīng)用層的路由機(jī)制，獨(dú)立于網(wǎng)絡(luò)層的路由機(jī)制，比網(wǎng)絡(luò)層路由反應(yīng)快。例如，當(dāng)?shù)讓游锢砭W(wǎng)絡(luò)路徑出現(xiàn)故障時，可以通過覆蓋網(wǎng)絡(luò)快速找到替代路徑，極大地減少了故障恢復(fù)的時間。

覆蓋網(wǎng)絡(luò)是一種面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，由服務(wù)提供商們（Service Providers）根據(jù)用戶的需求，在一個物理網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建多個獨(dú)立的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，定義各自的虛擬拓?fù)鋱D，來完成一些特定應(yīng)用或用戶群體的特殊需求，如圖1-5所示。覆蓋網(wǎng)絡(luò)克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)路由的功能局限性，幫助改進(jìn)了現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的路由性能，滿足了新型業(yè)務(wù)的特定需求。例如，提供滿足用戶QoS需求的網(wǎng)絡(luò)傳輸服務(wù)；實(shí)現(xiàn)快速故障恢復(fù)，幫助提高網(wǎng)絡(luò)可靠性；以及提供網(wǎng)絡(luò)內(nèi)容分發(fā)和多播服務(wù)等。

1.2.2 覆蓋網(wǎng)絡(luò)的缺陷

雖然覆蓋網(wǎng)絡(luò)可以幫助改進(jìn)現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)性能，但是也會帶來一些新的問題，概括如下。

1．過度依賴終端節(jié)點(diǎn)

首先，雖然終端主機(jī)節(jié)點(diǎn)的性能和存儲容量在不斷提升，但它對數(shù)據(jù)包的處理和轉(zhuǎn)發(fā)的能力低于路由器。已有的覆蓋網(wǎng)研究成果在構(gòu)建覆蓋網(wǎng)拓?fù)鋾r，其節(jié)點(diǎn)依賴于參與服務(wù)的終端主機(jī)節(jié)點(diǎn)。然而，大量研究表明，物理網(wǎng)絡(luò)中的部分節(jié)點(diǎn)頻繁出現(xiàn)在IP層最短路由路徑中，對于最優(yōu)路徑的選擇起著關(guān)鍵的作用[7][17]。如果在構(gòu)建覆蓋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r，忽略這些節(jié)點(diǎn)，必然增加覆蓋網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r延。其次，終端節(jié)點(diǎn)的穩(wěn)定性有別于路由器。完全由終端節(jié)點(diǎn)組成的覆蓋網(wǎng)拓?fù)洌綔y節(jié)點(diǎn)間的連通性和維護(hù)拓?fù)涞姆€(wěn)定性所付出的代價大幅度增加。

2．覆蓋路由完全獨(dú)立于IP路由，傳輸效率低下

由于在選擇覆蓋節(jié)點(diǎn)、構(gòu)建覆蓋網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋾r，沒有充分考慮互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施的影響，僅根據(jù)覆蓋網(wǎng)本身的路由算法，計(jì)算路由路徑，可能導(dǎo)致較大的時延開銷。互聯(lián)網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施（Internet Infrastructure）通常指為了實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用所需的硬件和軟件的集合，包括通信設(shè)備（終端主機(jī)、路由器和交換機(jī)等）和通信協(xié)議。另一方面，根據(jù)不同的終端用戶的需求而建立起來的不同的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，可能共享一條或多條物理鏈路。這些共享的物理鏈路一旦發(fā)生故障，將直接影響多個覆蓋網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的正常運(yùn)行。

3．過度依賴應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)

由于在同一物理網(wǎng)絡(luò)上可以根據(jù)用戶的不同需求，構(gòu)建多個獨(dú)立的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，而大多數(shù)覆蓋網(wǎng)絡(luò)在構(gòu)建之初，僅考慮服務(wù)于某個具體的業(yè)務(wù)需求，而忽略了通用性和重用性的重要性，在網(wǎng)絡(luò)探測、拓?fù)渚S護(hù)和路由等方面出現(xiàn)了重復(fù)建設(shè)的現(xiàn)象，造成了帶寬資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。例如，同一物理節(jié)點(diǎn)或同一條物理鏈路可能同時屬于不同的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，但由于各覆蓋網(wǎng)絡(luò)相互之間缺乏溝通機(jī)制，并不共享資源，因此被多次探測和維護(hù)，造成冗余數(shù)據(jù)，浪費(fèi)了寶貴的帶寬資源。另一方面，由于在構(gòu)建覆蓋網(wǎng)拓?fù)鋾r，沒有充分參考物理網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)特性，覆蓋路由可能導(dǎo)致物理網(wǎng)絡(luò)中部分節(jié)點(diǎn)或鏈路過載的現(xiàn)象，影響了網(wǎng)絡(luò)的傳輸效率和吞吐量。

4．自私路由策略帶來的沖突

服務(wù)提供商們?yōu)榱颂嵘?wù)的性能，在Internet上構(gòu)建支持各種各樣服務(wù)的覆蓋網(wǎng)絡(luò)，并根據(jù)服務(wù)具體的需求在應(yīng)用層上實(shí)現(xiàn)覆蓋路由。文獻(xiàn)[58]指出覆蓋路由的本質(zhì)是一種自私路由，它在選擇路由時，只考慮自身性能的最優(yōu)化而不考慮對底層物理網(wǎng)絡(luò)的影響，例如，總是選擇最短路徑，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)流量集中在少數(shù)熱門鏈路上，造成網(wǎng)絡(luò)的擁塞。同時，底層物理網(wǎng)絡(luò)通常采用流量工程（Traffic Engineering, TE）技術(shù)來均衡網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載，將流量往網(wǎng)絡(luò)邊緣區(qū)域擴(kuò)散，這樣又會延長了覆蓋網(wǎng)絡(luò)流量的傳輸，影響了覆蓋網(wǎng)絡(luò)的性能。因此，覆蓋網(wǎng)絡(luò)路由帶來的與物理網(wǎng)絡(luò)之間無法避免的目標(biāo)沖突，導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)中經(jīng)常出現(xiàn)覆蓋路由和流量工程的交互，即覆蓋路由的操作導(dǎo)致底層流量工程需要不斷重新配置路由，而流量工程的路由重新配置又會導(dǎo)致覆蓋路由的重新執(zhí)行，并且如此反復(fù)下去，這樣導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性都受到了極大的影響。

圖1-6說明了覆蓋路由和流量工程之間的交互。從圖中可以看出，覆蓋路由的每一次操作將會給底層物理網(wǎng)絡(luò)的流量工程帶來新的物理流量需求，而流量工程的操作將會給覆蓋路由帶來新的覆蓋鏈路性能（如時延）。

另一方面，當(dāng)多個覆蓋網(wǎng)絡(luò)被部署在同一物理網(wǎng)絡(luò)之上時，它們的覆蓋路徑可能會重疊，因?yàn)樗鼈児蚕硐嗤牡讓游锢砭W(wǎng)絡(luò)資源，因此可能會出現(xiàn)不同覆蓋網(wǎng)絡(luò)的覆蓋路徑同時使用同一條物理鏈路的情況。而覆蓋網(wǎng)絡(luò)之間不感知對方的存在，在執(zhí)行最優(yōu)路由時往往不考慮對其他覆蓋網(wǎng)絡(luò)性能的影響。例如，為了獲得更少時延，向一條較短的共有鏈路上轉(zhuǎn)移流量，使該共有鏈路出現(xiàn)擁塞，從而導(dǎo)致使用該鏈路的其他覆蓋網(wǎng)絡(luò)性能降低。覆蓋網(wǎng)絡(luò)的性能通常與傳輸覆蓋流量的物理鏈路上的流量有關(guān)，物理鏈路上流量的變化會引起覆蓋網(wǎng)絡(luò)性能的改變。因此，覆蓋路由固有的自私性和盲目性導(dǎo)致了覆蓋網(wǎng)絡(luò)之間也會存在沖突，而這種沖突也會導(dǎo)致覆蓋網(wǎng)絡(luò)之間需要不停地重新調(diào)整路由。因此，網(wǎng)絡(luò)的性能和穩(wěn)定性也會受到影響。

圖1-7說明了覆蓋路由之間的交互。從圖中可以看出，覆蓋路由之間的交互發(fā)生在覆蓋路徑重疊區(qū)，覆蓋路由在覆蓋路徑重疊區(qū)的操作將會改變重疊區(qū)其他覆蓋路由的性能。