Transcript IP网络标度的涌现与平抑

IP网络标度的涌现与平抑
Emergence and return of scaling in IP networks
李幼平
2010,7,26
[email protected]
第六届全国网络科学论坛
一个老年人的感悟
• 焦尔是守恒的，但比特可
以非限量（scale-free）复制
• 信息共享不该象物质共享
那样艰难
• 互联网结构面临重大补充
网站：呈现规模差异的技术环境
• 网站（website），存储内容的数据库
• 内容一旦写入网站，就可供全球各地不限次数（scale
free）地读出
• 规模不受限的“文件生产力”
• “自我繁殖”或“散度>o” 的节点，“连接度” 涌现
规模效应，最终形成scale-free的热门节点
• 少数热门节点开始蚕食网络的大半带宽资源
• 1999年10月，Barabasi和Albert在SCEIENCE发表
《随机网络中标度涌现》著名论文，指出互联网正在
逐步演化为服从幂律的无尺度网络
• 指出top1000网站占用>80%的带宽资源
网库：平抑规模差异的技术环境
• CDN—P2P--PPcache—TVcache—MYcache，一步步演化，
中国正在创造分布式网库技术
• 统称“网库” （web cache）：汇聚热门网站内容的数
据库
• 三网融合，NGB正在许多城市营造各式各样的网库
• 绕开IP核心网，在最靠近用户的地方吸纳最常用的访问，
大比例分流对热门网站的直接访问
• 平抑网站连接规模，迫使IP核心网向随机网络方向回归
• 当前，只是在中心城市营造TVcache和PPcache
• 几年后，通过广播在每一个人身边营造MYcache
• 顺应低碳：节约路由，节约带宽，节约能源
• 顺应全民：人人都有获得公共文化服务的平等权力
演化与回归
• 历史总是合久必分，分久必合
• 20年前，出现网站web-site，存储共享文件的数据库，文件
实现不限规模的时间复制（scale-free copy on time），
为全球广泛服务，IP网逐步演化为无尺度网络
• 当前，出现网库web-cache，在网络边缘汇聚常用热门内容，
Top1000实现不限规模的空间复制（ scale-free copy on
space），阻档无尺度流量进入核心层，IP网核心层逐步朝
向随机网络的方向回归
• 不是回到原点，而是螺旋式上了一个台阶
• 网站提供“各献所知”，网库提供“各取所需”，两种都用
上，实现信息意义的共产主义理想
NGB的历史贡献
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NGB的提法，好像全球无先例
NGB的科学技术价值在于web cache
（website+webcache）才是完整的web服务
Website造就内容规模scale-free，各献所知
Webcache造就用户规模scale-free，各取所需
website发明后30年，中国人发明web cache
最终体现信息共享的基本科学道理：
1，焦尔是守恒的，但比特可以非限量（scalefree）复制
• 2，信息共享不该象物质共享那样艰难
• 3，互联网结构面临重大补充
时代似乎遇到麻烦
• 后摩尔：比特速度不再每一年半增长一倍
• 后摩尔遇上超摩尔：IP流量十三年增长千倍
峰回路转：后摩尔催生后IP
• 摩尔定律失效，速度虽可贵，节约价更高
• 低碳时代来临，高冗余、高耗费问题急得破解
• 互联网演化为无尺度网络，>90%流量源于有限的节
点的有限内容，大量内容相同的数据包在相同核心
节点之间千遍万遍冗余传输
• 互联网耗全球电量5.4%，且每年8%～10%的增长
• 边界网关BGP协议更新频率平均达到6次/s，域间路
由收敛变慢，网络稳定性下降
• 互联网架构委员会在阿姆斯特丹会议正式认定：路
由增长速度已超过硬件性能的提升速度
• 告别Win-tele两大巨头带来的耗费资源的发展模式
后IP：破解TCP/IP带宽冲突
• 李德毅在NSFC规划草稿中对后IP的希望是：
突破TCP/IP协议的局限，实现泛在联接
• 泛在：Ubiquitous，空间无处不在，时间无时不有
• TCP/IP已是无缝联接，急需突破的重点是：从原理上
破解共享冲突
• 存储己经解脱时间冲突，辐射才能解脱带宽冲突
• TCP/IP适用于对流或传导的有线环境，局限于“点对
点”的 “信息搬迁”，没有反应“点对面”的无线辐
射环境 可以实现“信息在空间上的非限量再生”
• 对流、传导和辐射三大运动形式，为什么唯缺辐射？
• 存储加上广播，时间再生加上空间再生，称为“播存
结构”，共同帮助TCP/IP摆脱共享冲突
后IP：帮助TCP/IP内容认证
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网络安全是后IP急需突破的另一重点
TCP/IP环境自身，原理上很难解决安全问题
你可联通全世界，又不让全世界联通你，难以办到
安全要靠法律，科学技术只是为执法提供认证手段
凡希望在TCP/IP传输中获得安全保证的文件，应通过
泛在全国的播存结构上提供一个公开的数字签名
• 广播是法律授权的、物理上与外界隔离的唯一性环境
• 经公开密阴认证的内容才是法律意义安全的内容
• 总之，解决未来网络的性能与低碳问题，安全与管理
问题，播存结构都是后IP的一种可能选择
背景之一：
各地营造城市网库
• 互联网内容缓存（IPCache）
• 目的：网络边缘汇聚常用热门内容，阻档无尺度流量
进入核心层
• 如东方网信的PPCache，用数十TB容量缓存P2P和
HTTH文件，就地回应 网民需求
• 有线电视的内容缓存（TVCache）
• 目的：实现数字电视的按需服务
• 如歌华有线高清交互服务：通过缓存提供7天内25个电
视频道每天24小时（合计4200小时）的节目回看，以
及10,000 小时影视VOD点播
背景之二：
桌面平台演示个人网库
• 2009年，北京市花园路和复兴路的两个实验室分别做了
“MYcache”的台面仿真实验
• 用38Mbps的广播推送Top1000网站，采用“礼让并播”软
件，每24小时可以三遍推送>130GB的内容（含2百万个标
准网页和2万分钟标清视频）
• 接纳几千种媒体的图文或视频内容随时投入
• 不管它们何时投入，都将分级礼让、有序播出
• 国家的紧急图文，在几秒钟之内就可以存入全国所有家庭
• 通过卫星广播和地面有线、无线转播，960万平方公里国
土上的任一公民，都可以拥有>8GB的个人网库
• 统一内容定位（UCL）是个人网库的关键，它根据个人
URL经历，判断如何在Top1000中下载个人有兴趣的内容
数据通信网络设计
--回归随机网络的可能性
INSTITUTE OF COMPUTING TECHNOLOGY
张国强
[email protected]
2010-7-26
现状

经验性

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

一般利用率超过35%考虑升级带宽，教育网70%升
级带宽，科技网60%升级带宽
摩尔失效


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处理器的处理能力提升遇到瓶颈
预测2014年后摩尔定律将会遇到麻烦
网络拥塞频繁出现
平均链路利用率低，但链路利用率分布严重不
均衡
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ISP的链路利用率统计
问题

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从传输的角度，现有的网络设计是否合理？



传输能力
设计代价
可扩展性
流量模型(1)







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每个节点都可以产生、转发、接收数据包
每个时间步，R个数据包注入网络
数据包具有随机的源和目标地址
每个节点i都被赋值了一个节点能力C(i) ,表示在一个
时间步最多能处理的数据包个数
当达到和新创建的数据包个数超过C(i)时，将被存储
在队列中，以FIFO的方式在后面的时间步得到服务
每个数据包都按照特定的路由算法路由
如果有多条路径，则随机选一条
流量模型(2)



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当网络报文产生率R较小时，每个报文都能得
到及时处理。此时，网络报文产生率与递交率
相等，网络处于自由态。
当R增加到一定程度时，网络报文产生率R将
超过网络的递交能力，网络进入拥塞态。
从自由态到拥塞态存在一个相变点Rc。
网络设计目标(1)

网络传输能力

用Rc衡量
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网络设计目标(2)

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网络设计代价

经济成本
节点代价一般随处理能力成超线性增长

技术瓶颈
处理能力能否用现有技术水平实现
设计代价描述如下，
在
固定的前提下，用
的设计代价
来表征一个网络
网络设计目标(3)

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可扩展性

现实的网络特征




大规模
演化
可扩展的网络设计对网络投资者和运营者具有长期
的好处
度量方法

用Rc和Cmax随网络规模的增长趋势来衡量
网络设计目标(4)

端到端性能

通过平均传输路径长度衡量
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网络设计选择(1)

拓扑结构


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
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

随机网络(ER)
小世界网络(WS)
网格(Lattice)
环(Ring)
BA
PA
HOT
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网络设计选择(2)

路由算法(topology-based)


最短路径路由
有效路由(Yan’06)

最小化路径的节点度之和
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网络设计选择(3)

节点处理能力




均匀
与度成正比
与介数成正比
与有效介数成正比
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结果(1)
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Rc
结果(2)
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Cmax
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真实ISP路由器级拓扑在不同带宽赋值策略和路由
协议组合下的结果：
1 实际ISP的路由器级拓扑与HOT模型类似
2 OSPF的weight赋值策略更倾向于聚合流量
结论



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现有的网络拓扑设计具有较严格的层次性，对
路由不敏感，提高网络传输能力的唯一方法在
于提升核心节点的处理能力
BA网络对路由较敏感，可以通过改变路由方
法大幅提高网络的传输能力，但端到端延迟有
一定损失
随机网络从传输能力、设计代价和可扩展性上
来讲，都具有优势
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