虚拟网络是依赖Internet基础设施所提供的传输能力而存在、但又具有独立拓扑结构和信息传递规则的网络系统,它是今天Internet结构和功能的组成部分。隧道是分组交换的虚拟网络节点之间的虚拟链路,虚拟链路不同于物理链路导致应用层的端到端和网络层的端到端相分离,使得Internet最终用户所得到的服务和物理基础设施所承载的可能并不一致。因此,物理基础设施承载最终用户通信的能力,是关于虚拟网络行为和体系结构的一个重要基础理论问题。论文围绕这一问题开展了研究,并且将研究的结果直接用于指导设计可扩展虚拟网络体系结构的实践。 论文的主要研究方法是仿真实验和理论分析相结合的。一方面,论文扩展了前人为一般分组交换网络建模所做的工作,把二维von Neumann型的模型扩展为任意维数、任意邻居关系的“元胞排队网络”模型;在此基础上,创建了可以刻画虚拟网络和物理网络相互关系的“双层元胞排队网络”模型。在这些模型上的仿真为理论结果的提供了根据,验证了理论分析的正确性和成立条件,同时弥补了理论分析中采用近似方法的局限性,全面的展现出虚拟网络链路在物理网络上的迂回引起物理网络承载最终用户通信能力恶化的严重程度。 另一方面,论文在用Jackson开网模型近似描述分组交换网络的基础上,运用平均场理论的方法,研究了影响网络承载用户通信能力的一般规律。理论分析表明,影响分组交换网络承载能力的关键物理量是业务离开网络的速率,这一速率受到网络结构参数——自由延迟的控制,因此优化网络承载能力的关键是优化自由延迟;对于虚拟网络和物理网络的相互作用,发现虚拟网络业务在物理网络里迂回传递是导致业务离开网络速率恶化的原因,因此,虚拟网络的链路配置需要在最小迂回准则下加以优化,论文对该优化问题的计算方法的实现进行了研究。 作为实例,论文分析了用虚拟网络解决IPv6和IPv4网络互连互通问题的三种方案。其中隧道代理和动态对等隧道系统虽然不符合尽量提高物理网络承载能力的要求,却在工程上引入了代理和仲裁的机制;在最小迂回准则的指导下,结合广域网的层次化结构特点,论文设计了核心网部分进行隧道仲裁、用户网部分实施隧道代理的体系结构,可以作为在下一代互连网的IPv6基础设施上实现与传统IPv4网络互通的系统蓝图。