环境友好的叠加网络理论与协作技术研究

As for the existing Internet, overlay network and native network are usually independent each other and have functional overlapping in network construction, routing, transport control and so on. Their different objectives can cause a series of adverse effects, such as routing flap and a significant amount of costly inter-ISP traffic, which may lead to inefficient resource utilization and increase of operating costs of native network. In addition, various types of overlay or none-overlay networks coexist in the same native network, which can arise obvious objective conflict and serious resource vicious competition among these heterogeneous network. Therefore, it is necessary to recheck the inherent nature of the traditional overlay network, such as independence, selfishness, etc., and resolve those issues fundamentally based on the principle of mainting the perceptiveness and friendliness of network environment including native network, other overlay and none-overlay networks surrounding. The general goal of this project is to establish a set of environment-friendly and systematic overlay network theory and collaborative mechanism, which includes the three aspects of core functions and a systme architecture: (1)the hierarchical overlay network construction, (2) friendly overlay routing based on non-cooperative game, (3) overlay transport control integrating multipath and chain, and (4) a practical system architecture of overlay network and its key algorithms. This project also has the following objectives: (1) realizing collaborative coexistence between a variety of heterogeneous overlay networks, (2) reducing the negative influence of the overlay network to other networks surrouding, (3) taking full advantage of network resources in a fair and high efficient way, and (4) promoting a benign and healthy development of future network.

对现有互联网而言，叠加网络和基础网络通常在网络生成、路由、传输控制等 方面上相互独立且存在功能上的重叠。由于双方目标的不一致给系统带来了一系列不利的影 响，诸如路由振荡和跨域流量激增等现象，从而造成网络整体资源利用率的降低和运营成本 的提升。此外，多种不同类型的叠加或非叠加网络共存于同一基础网络之中，彼此之间也存 在着明显的目标冲突与严重的资源恶性竞争。因此，有必要重新审视传统叠加网络独立、自 私等固有属性，并以网络环境的可感知性、友好性等为原则从根本上解决这些问题。本项目的总体目标是建立一套环境友好的叠加网络基础理论模型与协作机制，包括支持层次化的网 络生成、基于非合作博弈的友好路由、多路径与链式结合的传输控制等三项核心功能与一个 具有实际应用价值的叠加网络系统架构，实现多异质叠加网络的协作共存，减少叠加网络对 周围其他网络的不利影响，保证资源使用的高效性与公平性，促进未来网络健康发展。

项目圆满实现了项目申请书中总体目标，部分目标超额完成。建立了基于环境友好的叠加网络的基础理论模型与协作机制，包括支持层次化的叠加网络生成、基于非合作博弈的友好路由、多路径与链式结合的传输控制等三项核心功能与一个具有实际应用价值的叠加网络系统架构，实现多异质叠加网络的协作共存，减少叠加网络对周围其他网络的不利影响，保证资源使用的高效性与公平性。项目组开发了基于Openstack的叠加网络仿真平台，实现了消息路由和拥塞控制等网络基本功能，并可根据用户权限提供个性化服务，从而辅助完成相应研究的测试工作。系统为用户提供自定义界面和功能模块，配置管理管理功能使用户简单方便地定义实验环境，通过系统提供的硬件和软件接口将待开发或待验证的机制轻松部署到平台上，并实现系统运维的智能化。项目现已在国际知名学术期刊发表SCI索引论文27篇，在叠加网络技术上形成了一整套创新性研究成果，在相关领域产生了一定的影响力，三项代表性成果如下：.（1）建立了具有基础网络拓扑意识的大规模叠加网络层次化生成机制，分析网络自治域之间以及自治域内节点的拓扑特性，在网络生成时，统一考虑叠加节点的部署与叠加链路的建立，提出基于虚拟网络映射的分布式叠加网络生成算法，实验表明该算法可提高叠加网络生成效率。.（2）建立了多路径选择的博弈模型，提出了单业务中多路径选择自私优化目标与其他多路径传输的友好性策略，避免多路径选择机制对其他网络资源造成的恶性抢占，减少流量振荡和路径重新选择。实验结果表明，叠加网络多路径选择机制保证了资源使用的公平性，降低了网络整体传输时延。.（3）提出一套支持环境网络友好的叠加网络系统架构，实现叠加网络对基础网络环境的可感知。利用合作博弈模型，实现了大规模跨域网络环境下多叠加网络与基础网络友好共存，保证资源占用的公平性。支持ISP向叠加网络提供信息辅助其进行决策，系统架构中的公用信息平台由各个叠加网络节点与基础网络的各个ISP共同提供维护，提高信息的准确有效性。实验结果表明，该架构可以有效降低网络时延，提高叠加网络的收益公平性。