1.2 覆蓋網絡的本質

1.2.1 覆蓋網絡體系結構

覆蓋網是構筑在已有的互聯網基礎之上，通過選擇并合理連接節點構建一層新的網絡，提供類似基礎設施所提供的基礎性服務，如路由、組播、內容分發等。覆蓋網是一種邏輯網絡，其節點由連接在互聯網的部分終端節點或應用類服務器組成，具有數據轉發、處理和存儲等功能，節點間通過虛擬邏輯鏈路連接起來，一條覆蓋網鏈路對應一條或多條物理鏈路。覆蓋網絡探測底層物理網絡的鏈路狀態信息，并根據自己的策略為覆蓋網絡中的數據流計算路由，然后將數據流的轉發路徑發送給底層物理網絡，由底層物理網絡按照指定的路徑進行傳輸。覆蓋網絡上的路由是應用層的路由機制，獨立于網絡層的路由機制，比網絡層路由反應快。例如，當底層物理網絡路徑出現故障時，可以通過覆蓋網絡快速找到替代路徑，極大地減少了故障恢復的時間。

覆蓋網絡是一種面向服務的網絡，由服務提供商們（Service Providers）根據用戶的需求，在一個物理網絡上創建多個獨立的覆蓋網絡，定義各自的虛擬拓撲圖，來完成一些特定應用或用戶群體的特殊需求，如圖1-5所示。覆蓋網絡克服了傳統網絡路由的功能局限性，幫助改進了現有互聯網的路由性能，滿足了新型業務的特定需求。例如，提供滿足用戶QoS需求的網絡傳輸服務；實現快速故障恢復，幫助提高網絡可靠性；以及提供網絡內容分發和多播服務等。

1.2.2 覆蓋網絡的缺陷

雖然覆蓋網絡可以幫助改進現有互聯網的網絡性能，但是也會帶來一些新的問題，概括如下。

1．過度依賴終端節點

首先，雖然終端主機節點的性能和存儲容量在不斷提升，但它對數據包的處理和轉發的能力低于路由器。已有的覆蓋網研究成果在構建覆蓋網拓撲時，其節點依賴于參與服務的終端主機節點。然而，大量研究表明，物理網絡中的部分節點頻繁出現在IP層最短路由路徑中，對于最優路徑的選擇起著關鍵的作用[7][17]。如果在構建覆蓋網絡拓撲時，忽略這些節點，必然增加覆蓋網絡數據傳輸的時延。其次，終端節點的穩定性有別于路由器。完全由終端節點組成的覆蓋網拓撲，探測節點間的連通性和維護拓撲的穩定性所付出的代價大幅度增加。

2．覆蓋路由完全獨立于IP路由，傳輸效率低下

由于在選擇覆蓋節點、構建覆蓋網絡拓撲時，沒有充分考慮互聯網基礎設施的影響，僅根據覆蓋網本身的路由算法，計算路由路徑，可能導致較大的時延開銷。互聯網基礎設施（Internet Infrastructure）通常指為了實現互聯網應用所需的硬件和軟件的集合，包括通信設備（終端主機、路由器和交換機等）和通信協議。另一方面，根據不同的終端用戶的需求而建立起來的不同的覆蓋網絡，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生故障，將直接影響多個覆蓋網絡業務的正常運行。

3．過度依賴應用層實現

由于在同一物理網絡上可以根據用戶的不同需求，構建多個獨立的覆蓋網絡，而大多數覆蓋網絡在構建之初，僅考慮服務于某個具體的業務需求，而忽略了通用性和重用性的重要性，在網絡探測、拓撲維護和路由等方面出現了重復建設的現象，造成了帶寬資源的嚴重浪費。例如，同一物理節點或同一條物理鏈路可能同時屬于不同的覆蓋網絡，但由于各覆蓋網絡相互之間缺乏溝通機制，并不共享資源，因此被多次探測和維護，造成冗余數據，浪費了寶貴的帶寬資源。另一方面，由于在構建覆蓋網拓撲時，沒有充分參考物理網絡的結構特性，覆蓋路由可能導致物理網絡中部分節點或鏈路過載的現象，影響了網絡的傳輸效率和吞吐量。

4．自私路由策略帶來的沖突

服務提供商們為了提升服務的性能，在Internet上構建支持各種各樣服務的覆蓋網絡，并根據服務具體的需求在應用層上實現覆蓋路由。文獻[58]指出覆蓋路由的本質是一種自私路由，它在選擇路由時，只考慮自身性能的最優化而不考慮對底層物理網絡的影響，例如，總是選擇最短路徑，導致網絡流量集中在少數熱門鏈路上，造成網絡的擁塞。同時，底層物理網絡通常采用流量工程（Traffic Engineering, TE）技術來均衡網絡的負載，將流量往網絡邊緣區域擴散，這樣又會延長了覆蓋網絡流量的傳輸，影響了覆蓋網絡的性能。因此，覆蓋網絡路由帶來的與物理網絡之間無法避免的目標沖突，導致整個網絡中經常出現覆蓋路由和流量工程的交互，即覆蓋路由的操作導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致覆蓋路由的重新執行，并且如此反復下去，這樣導致網絡的性能和穩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絡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，當多個覆蓋網絡被部署在同一物理網絡之上時，它們的覆蓋路徑可能會重疊，因為它們共享相同的底層物理網絡資源，因此可能會出現不同覆蓋網絡的覆蓋路徑同時使用同一條物理鏈路的情況。而覆蓋網絡之間不感知對方的存在，在執行最優路由時往往不考慮對其他覆蓋網絡性能的影響。例如，為了獲得更少時延，向一條較短的共有鏈路上轉移流量，使該共有鏈路出現擁塞，從而導致使用該鏈路的其他覆蓋網絡性能降低。覆蓋網絡的性能通常與傳輸覆蓋流量的物理鏈路上的流量有關，物理鏈路上流量的變化會引起覆蓋網絡性能的改變。因此，覆蓋路由固有的自私性和盲目性導致了覆蓋網絡之間也會存在沖突，而這種沖突也會導致覆蓋網絡之間需要不停地重新調整路由。因此，網絡的性能和穩定性也會受到影響。

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生在覆蓋路徑重疊區，覆蓋路由在覆蓋路徑重疊區的操作將會改變重疊區其他覆蓋路由的性能。