网络架构建模：一个云案例研究

摘要

互联网支持广泛服务的能力取决于网络架构以及未来网络所需的理论和实践创新。本文中的网络体系结构指的是计算机网络系统的结构及其物理组件、配置和通信协议之间的交互。多年来，人们对网络架构进行了各种各样的描述，其中有大量的表面图标和符号。这种情况产生了对网络体系结构更一致的系统表示的需求。本文旨在通过采用一种称为thinging（abstract）machine（TM）的概念模型来改进网络体系结构的设计、分析和文档编制，该模型将网络的所有组件视为一个单一的概念：TM中的事物流。由于云计算作为网络、服务器、存储和应用程序共享池的模型在过去几年中越来越流行，我们将TM应用于云网络的实际案例研究。由此产生的模型引入了计算机网络的集成表示。

引入

软件即服务、平台即服务和基础设施即服务等服务似乎处于陡峭的增长曲线[1]-[2]。互联网支持广泛服务的能力取决于网络架构及其推动未来网络所需创新的能力[3]。网络体系结构有助于构建高效、可靠、经济高效且可扩展的网络，以满足当前和未来的需求[4]。网络体系结构通常指计算机通信机制技术设计的抽象原则[5][6]。作为一个概念，预计其寿命相对较长，适用于一代以上的技术[5]。其基本组织体现在其组件、组件之间以及与环境之间的关系，以及指导其设计和演化的原则[7]。
本文的重点是对网络体系结构的总体描述，特别是在云服务的背景下。此外，我们还评估了改进识别和组装各种元素以及指定网络体系结构的结构组件之间的行为和交互的概念的工作。这包括通过开发网络体系结构的连贯的图表表示来改进设计、分析和文档。架构表示是记录架构的工件的集合[7]；在本文中，重点是用图解的方法来表示。目前的做法要求在建立服务器、路由器和防火墙网络之前，先用网络图制定计划。这个过程类似于住宅建筑师所做的（例如，首先了解客户对住宅的需求，然后将其纳入设计和详细规划）[4]。在本文中，我们建议采用一种新的建模方法，称为thinging machine（TM），作为网络体系结构的概念描述。
TM用于对网络系统的静态描述、动态行为和控制进行建模。TM模型可以作为后续网络规范、分析、设计和验证的指南，为各种粒度和复杂性提供服务。绘制网络架构图提供了监督整个系统的机会。相反，当出现问题时，我们可以使用图表来解决问题。图表在许多涉及设计分析、综合、协作和教育的工程场景中起着关键作用[8]。它们具有认知意义，因为它们指导工作并在多个符号场之间建立关系网络，是结构在世界上出现的整合过程的一部分。图表可以被认为是创造意义的继电器，能够将符号从一种表示模式转换为另一种表示模式[9]。与任何简单的家庭架构图相比，当前的网络架构图依赖于笨拙、随意地使用图标和符号，缺乏系统性，如下所述。

1.1问题

图1显示了从[10]收集的25个“有趣的网络架构图”中的一些。图1反映了近年来使用数百个表面图标开发的许多体系结构表示(参见图2)。


显示的笨拙符号包括墙、塔、人和计算机图像。根据[3]，这种异构概念需要更系统的描述，以帮助满足定义单一一致网络体系结构的挑战。
尽管本文集中于TM体系结构描述，但TM理论同样适用于通信图。网络架构图使用笨重的图表，图标的使用不受限制，而网络通信图则使用节点和线路图的抽象视图。有时，符号（例如计算机屏幕）被插入到表示中。在这样的描述中，重点仅仅是呈现节点之间发生的通信。这种类型的模型只反映粗糙的拓扑连通性，网络中使用的大多是单向箭头。完全没有对节点的个性进行有意义的描述，也没有对模型的静态和动态方面进行区分。当我们在网络中使用新的TM模型时，这些特性将变得清晰。然而，对于这种极端的抽象级别，根据所讨论的网络，可能需要通信图。在这种情况下，TM可以形成所需的粗糙拓扑连通性的基础。

1.2如何表示网络

一个网络通常是根据链接和一个由谁链接到谁的列表来查看的。这涉及到如何测量连接以及使用的链接类型。很少关注节点内部的角色，这可以提供对网络更细粒度的理解。在本文中，TM强调描述节点参与网络的内部性，同时使网络复杂化。与旅游地图一样，TM不是用一个小圆圈来表示一个城市，而是用五个一般阶段来表示一个节点：创建（新事物生成）、释放、转移、接收和处理流经节点和节点内的工件。例如，网络中“哑终端”的角色仅限于接收和释放工件，而智能节点可以在将工件移动到其他节点之前创建和处理工件。
TM用一个概念来看待网络的所有组成部分：在创建、释放、传输、处理和接收的机器中事物的运动。节点由它们的角色指定，包括创建者（即数据的创建者）、接收者/发送者和处理器（重新格式化）。TM应用于云网络的实际案例研究。所涉及的图表方法的一般主题类似于使用UML和SysML对系统进行建模。然而，UML标准没有一种单独的图来描述网络，而UML部署图可以用于此目的。
为了实现一篇独立的论文，第二节回顾了在几篇已发表的论文[12]-[17]中使用的TM。TM除了内存和触发关系外，还包括事物的五个一般过程:创建、处理、释放、传输和接收。第三节用一个网络例子来说明TM，这个例子通过用统一的符号——TM机器来替换墙、云、计算机服务器等图像，来演示TM的图形特征。第四节将TM应用于当地一家石油公司云网络的实际案例研究。云架构包括5个基础设施，这些基础设施(实验性地)使用TM作为具有操作语义的概念模型进行重构，以生成静态领域描述和动态事件年表的集成。第四节提出在模拟中利用TM;它适用于网络表示，因为它是基于一系列事件来反映系统的行为。

2.Thinging machine

我们采用以网络中的事物和机器为中心的概念模型[18]。这种方法的哲学基础是基于德国哲学家海德格尔的思想。海德格尔的哲学对“（1）获取日常活动的知识，（2）从领域专家那里获取知识，（3）以真实的方式表现组织现实”进行了另一种分析[19]。因此，与以对象为中心概念的面向对象（OO）方法不同，我们探索了基于事物和事物概念的可选流程建模。在本文中，我们用这种以过程为中心的方法来描述网络，这种方法强调对对象的操作。它关注动态、事件和流，而不是静态对象。

事物是一个定义良好的概念，它包含扩展的抽象，而不是对象中涉及的还原抽象。正如在我们的方法中肯定的那样，事物也是一台机器，通过创建、处理、接收、释放和传递事物来运行。例如，树是一种物体和一台机器，物体（如水、二氧化碳）通过它流动，它将这些流动转化为各种细胞。从这个角度来看，事物以其自身的方式是装置，