未來互聯(lián)網路由體系結構研究

劉媛妮，唐 紅，趙國鋒

(重慶郵電大學未來網研究中心，重慶 400065)

0 引言

隨著互聯(lián)網在社會發(fā)展中的基礎地位和核心作用與日俱增，互聯(lián)網以固定終端接入、基于IP地址的端到端通信模式已經難以適應物聯(lián)網、云計算、移動計算、社會網絡等新型應用和計算模式的需求?，F(xiàn)有的IP路由機制使得互聯(lián)網面臨著擴展性、安全性、移動性等問題，盡管現(xiàn)有的研究針對這些問題提出了各種解決方案，但是造成這些問題的根本原因在于TCP/IP體系結構基于IP地址的通信模式。針對這些問題，目前學術界認為“為Internet構建新型的體系結構是解決這些矛盾的根本途徑”，針對未來網絡的研究進行的如火如荼。盡管尚未在未來網絡新型體系結構的具體形態(tài)上取得實質性的突破并達成共識，但是普遍認為在新的未來網絡環(huán)境中，仍需由網際互聯(lián)層以“信息轉發(fā)”的形式承擔整個Internet最為基本的“信息傳遞”功能。網際互聯(lián)的根本功能在于“在多個異種物理網絡之間發(fā)現(xiàn)和建立信息傳遞的路徑并在實施通信的多個實體之間完成信息的傳遞”，顯然路由是構成網際互聯(lián)層完成“互聯(lián)、選路、轉發(fā)”這一根本任務所必備而重要的基礎功能。因此，研究未來網絡環(huán)境下的路由機制勢在必行。

現(xiàn)有未來網絡環(huán)境下路由機制的研究尚處于起步階段，更多的是針對未來網絡環(huán)境下路由體系結構的架構研究。本文首先介紹了現(xiàn)有未來網的發(fā)展情況，并對當前IP路由機制存在的問題進行了分析，然后，總結了在未來網絡環(huán)境中解決路由問題的典型技術，并總結了演進式和革命式未來網絡網絡環(huán)境下的路由體系結構。

1 未來網絡

1.1 未來網絡的概念

國外諸多的研究機構和學者已經開始對未來網絡展開研究，并且產生了包括未來網絡“Future Network”、新一代網絡“New Generation Network”等概念。其中，國際電信聯(lián)盟遠程通信標準化組ITU-T(ITU Telecommunication Standardization Sector)第13工作組SG-13定義未來網絡是能夠提供革命性創(chuàng)新服務與能力的網絡，能夠克服當前IP網絡存在的不足和滿足未來用戶對服務的需求。另外還有日本提出的“新一代網絡”以及“后IP網絡”等概念。這些概念的共性是都提出了一種不同于現(xiàn)有IP體系結構的新網絡體系結構。

1.2 未來網絡設計原則

未來網絡發(fā)展需要在設計新的網絡體系結構時，一方面既要保持傳統(tǒng)互聯(lián)網開放，簡單，靈活和健壯的特點，另一方面還應該遵循以下原則。

(1)融合原則。未來網絡既不是現(xiàn)有互聯(lián)網的簡單擴展，也不是現(xiàn)有電信網的自然延伸，而應該是互聯(lián)網和電信網的相互融合和發(fā)展。未來網絡反映了多種網絡系統(tǒng)相互融合的發(fā)展趨勢，其目標是實現(xiàn)各種開放、異構網絡系統(tǒng)之間的結構互聯(lián)、優(yōu)勢互補、信息互通和服務互融。

(2)變化原則。網絡環(huán)境中的扭斗在不斷變化發(fā)展，對應的網絡體系結構必須適應這種變化。因此，未來網絡體系結構的設計應該面向變化，充分重視和考慮技術如何適應不斷發(fā)展變化的扭斗環(huán)境，保持設計目標的柔性和可變性，盡量避免因片面追求短期利益而妨礙網絡未來的發(fā)展。

(3)選擇原則。未來網絡體系結構的研究應該綜合面向開放系統(tǒng)互連和多樣服務提供的設計思路，既允許用戶有根據(jù)自己的喜好對服務類型和服務方式進行選擇的權利，同時還允許在盡可能保持服務功能不變的情況下，網絡本身有根據(jù)不同的實際情況對具體實現(xiàn)技術進行選擇的權利。

1.3 未來網絡研究路線

對未來互聯(lián)網的研究可以分為2種思路:演進式(Incremental)和革命式(Clean-Slate)。演進式通過“打補丁”的方式對原有的互聯(lián)網結構進行修改和補充，其核心仍然是TCP/IP體系結構，并不能從根本上解決其本身面臨的問題;革命式思路認為，漸進式的修補策略會使得原有簡潔的網絡結構變得復雜，并且“補丁”的實施又會變得互相鉗制，最終使得新增加的修補策略變得越來越復雜和困難，因此，他們認為應該拋棄現(xiàn)有的互聯(lián)網體系結構，重新建立網絡體系結構，從根本上解決現(xiàn)有網絡中存在的問題。

2 未來網絡路由體系結構

2.1 IP路由存在的問題

傳統(tǒng)的IP路由機制以IP地址為驅動，IP承擔身份和位置的雙重屬性，即所謂的語意過載，使其面臨著擴展性、移動性以及安全性方面的問題。

(1)擴展性問題。擴展性問題主要表現(xiàn)在骨干網流量激增和路由表膨脹，當前網絡流量增加的速度遠遠超過摩爾定律與路由器性能提升的速度［1］，網絡規(guī)模不斷地被動擴張;另外，路由器通過維護路由表實現(xiàn)IP地址路由，IP地址分配不均衡、多宿主技術、地址碎片、流量工程等使得路由表難以實現(xiàn)高效率聚合，導致骨干路由表急劇膨脹。目前，活躍路由表條目已經達到35萬條［2］，而且以每兩年1.3倍的速度增長［3］，從而導致路由查找性能下降，并增加路由器實現(xiàn)開銷。2001年，IRTF Routing Research Group(RRG)的2個工作小組對現(xiàn)有路由體系結構存在的擴展性問題達成了基本的共識［4］。2006年，IAB RAWS的報告中全面描述了互聯(lián)網路由的擴展性問題，并分析了該問題產生的根本原因，并與2007年將該報告的主要結論形成了RFC4984［5］。

(2)移動性問題。IP路由在設計之初并沒有考慮主機移動的情況，隨著便攜式移動終端日益普及，移動終端上的業(yè)務流量占網絡流量的比重日益增加以及物聯(lián)網的出現(xiàn)導致低智能終端數(shù)量爆炸式增長。網絡節(jié)點的移動性導致數(shù)據(jù)傳輸路徑頻繁變換，嚴重破壞了上層應用服務的連續(xù)性，影響了互聯(lián)網用戶的服務質量和使用感受。造成移動性的根源在于IP語意過載，即IP地址要同時作為設備位置標識和身份標識，這實際上破壞了互聯(lián)網分層結構中不同層次之間盡量減少耦合的原則。

(3)安全性問題。在安全性方面，現(xiàn)有互聯(lián)網基于IP地址的通信模式導致用戶在獲取服務時需要以IP地址加端口的組合方式唯一指定服務提供者，只能采取在服務請求者和服務提供者之間的路徑上預留資源的方式來保障服務質量，另外安全機制也只能在服務請求者和服務提供者之間建立安全通道，無法實現(xiàn)服務和數(shù)據(jù)內容級的細粒度安全防護。

2.2 未來網絡路由典型技術

為了提供更好的服務，緩解未來網絡上海量信息對路由造成的壓力，通過分析現(xiàn)有的相關研究，認為一下集中技術和思想對于實現(xiàn)未來網絡路由是比較重要的。

2.2.1 位置與標識分離

位置與標識分離主要是為了解決IP語意過載的問題。IP地址語意過載是指在當前的TCP/IP協(xié)議中，IP既充當了節(jié)點的位置又是節(jié)點的標識，是當前互聯(lián)網在命名和尋址體系結構設計中存在的主要問題。IP地址的雙重身份造成了網絡在移動性、可擴展性、安全性等方面的問題。鑒于以上問題，IAB提出通過位置與標識分離(locator/identifier split)的構想，即使用2個名字空間分別表示節(jié)點的位置和身份。目前主要的解決方案有 HIP［6］，SHIM6［7］，LISP［8］等。

2.2.2 基于名字的路由

通常討論的路由是指IP層的路由，而基于名字的路由則是將內容的定位問題轉換為路由問題:其中，用戶的請求的內容經過名字解析后轉換為IP地址，然后，路由器根據(jù)IP地址進行數(shù)據(jù)包的路由轉發(fā)，這種新的路由方式即為基于名字的路由。為實現(xiàn)基于名字的路由，需要在現(xiàn)有的Internet上增加2個新的協(xié)議:①因特網名字轉換協(xié)議(internet relay protocol，INRP)，根據(jù)中級節(jié)點維護的路由信息實現(xiàn)名字到地址的轉換;②基于名字的路由協(xié)議(namebased routing protocol，NBRP)動態(tài)地更新中繼節(jié)點上的路由信息。當前，在以內容為中心的網絡結構中如 NDN［9-10］，DONA［11］、NetInf［12］也都通過不同的方式實現(xiàn)了基于名字的路由。

2.2.3 發(fā)布訂閱模式

2.2.4 非分層的路由

在未來網絡設計中，協(xié)議層的概念作為組織和實施的原則正受到質疑，由于協(xié)議棧包含了重要的功能，限制了這些功能的靈活性，也制約了他們的進一步發(fā)展，另外，開發(fā)嚴格適合網絡協(xié)議棧的新協(xié)議也是困難的，導致了1/2層解決方案的快速增長(如IPSec、MPLS等)。缺乏跨層交互機制也導致了層違背(layer violations)現(xiàn)象的頻繁發(fā)生，同時協(xié)議的設計也沒有充分利用像Cell這樣新型的硬件架構的優(yōu)勢。非分層的方法重新設計網絡協(xié)議和組織功能單元之間的通信，目標是構建高度靈活的架構。目前，在 SCN［16］、SILO［17］、RBA［18-19］以及 SONATE［20］這些網絡架構中均采用的是這種思想。

2.3 未來網路由若干解決方案

傳統(tǒng)的IP路由機制已無法有效適應網絡在擴展性、移動性、安全性等方面的需求，設計新的路由體系結構勢在必行，國內外研究者提出了諸多路由方案。根據(jù)未來網絡的革命式和演進式觀點，未來網絡環(huán)境下路由的發(fā)展也是從這2個方面入手。

2.3.1 演進式路由解決方案

演進式的路由解決方案主要思想是在網絡層和傳輸層之間添加一層從而通過映射的方法實現(xiàn)。

LISP［8］(Locator/Identifier Separation Protocol)將單一編址空間劃分為2個編址空間:EID(端點標識)和RLOC(路由位置符)，前者被用于站內通信，后者則可用于全局通信。LISP通信模型采用映射和封裝的方案，新引入的隧道代理及數(shù)據(jù)包封裝轉發(fā)方式在一定程度上影響網絡的復雜性和數(shù)據(jù)傳輸效率。

一體化網絡與普適服務［21］采用核心與邊緣網絡分離的路由體系結構，并將傳統(tǒng)的OSI 7層模型改為只有網通層和服務層的2層模型。其中，網通層主要負責在一個一體化的網絡平臺上提供多元化的網絡接入，為各種業(yè)務提供一個一體化的網絡通信平臺，從而達到有效支持普適服務的目的。各種接入網絡和終端由網通層的虛擬接入模塊映射為接入標識，并將其映射到虛擬骨干模塊的交換路由標識;虛擬骨干模塊通過廣義交換路由算法選擇路徑，到達對端廣義交換路由器后，數(shù)據(jù)包的交換路由標識被置換回原來的接入標識。服務層先將不同的業(yè)務映射成服務標識，然后將其映射為連接標識，最后連接標識由映射機制映射到網通層，實現(xiàn)廣義交換選路。一體化網絡與普適服務還在此此基礎上實現(xiàn)了接入控制和鑒權，但這種結構仍然把互聯(lián)網看作是傳輸?shù)耐ǖ溃傻刂夫寗勇酚?，無法解決互聯(lián)網路由的可擴展性等問題。

第二種的推薦算法是基于流行度：這種算法是現(xiàn)在的機器學習應用領域中最為常見也是當前應用得最為廣泛的算法。原因是因為這個算法的運算方式非常簡便迅捷。將各個項目的流行度進行排序，再將排行靠前的流行項目推薦給用戶即可。例如微博的熱搜，音樂APP中的最熱歌曲，各大新聞等。這個算法的優(yōu)點是算法簡單，操作簡便快捷，推薦內容適用于大眾和新用戶。而它的缺點是不能推薦相對個性化的內容和領域。

ADI［22］(architecture based on de-conflated identities)中引入了HID層，實現(xiàn)了終端主機作為分布式主機域的功能并耦合位于主機域邏輯端到端的連接。

I3［23］(internet indirection infrastruction)中不再直接將數(shù)據(jù)包發(fā)送到目的地，而是將每個數(shù)據(jù)包與一個Identifier相關聯(lián)，接收者和發(fā)送者之間通過觸發(fā)器以Identifier對數(shù)據(jù)包進行匹配。

CDN［24］(content delivery networks)內容路由通過在現(xiàn)有的Internet中增加一層新的網絡架構，將網站的內容發(fā)布到最接近用戶的網絡“邊緣”，使用戶可以就近取得所需的內容，從而解決Internet網絡擁塞的狀況，提高用戶訪問網站的相應速度。CDN的關鍵技術包括內容路由、內容分發(fā)、內容存儲和管路等。CDN提出了以內容為路由的概念，通過在互聯(lián)網之上部署新的大規(guī)?；A設施來緩存數(shù)據(jù)，從而減緩流量激增問題，但是CDN不僅昂貴而且僅對簽約用戶的特定應用數(shù)據(jù)進行優(yōu)化，不能從根本上解決流量激增問題。

“下一代內容分發(fā)網絡”(next generation content delivery network)是指在CDN網絡中引入對等網絡技術，使對等網輔助CDN的功能，這是下一代CDN的發(fā)展趨勢。對等網輔助CDN從P2P技術角度出發(fā)，將CDN代理服務器改造為可靠的超級節(jié)點，以用戶作為P2P網絡的對等節(jié)點，構成P2P覆蓋網。CDN利用其邊緣服務器維護元數(shù)據(jù)目錄，并通過描述對等節(jié)點存儲的共享文件來幫助對等節(jié)點間交互。目前對等網輔助CDN技術仍然處于發(fā)展階段，在CDN中引入對等網可以提高其可擴展性，但同時給穩(wěn)定性和可靠性帶來了隱患，并使CDN中原本就繁瑣的內容管理更加復雜，這些都是CDN將要面臨的挑戰(zhàn)。

P/S(publisher/subscriber)系統(tǒng)［25］是以傳統(tǒng)網絡為基礎構建新的覆蓋網絡，訂閱者和發(fā)布者之間基于內容在集合點(rendezvous point，RP)處建立匹配或對應關系，匹配成功的事件則會被路由到訂閱者。PSIRP［26］(Publish/Subscribe Internet Routing Paradigm)的目標是不依賴現(xiàn)有的網絡協(xié)議，以一種全新的設計方法實施靈活的、可擴展Publish/Subscribe網絡。PSIRP系統(tǒng)通過引入4個標識完成內容路由的匹配功能。其中，AID(application level identifiers)標識上層信息;RID(rendezvous identifiers)標識單獨的publications;SID(scope identifiers)代表一組publications的分布式策略，包含了訂閱者、位置、可達性、可利用性、復制、路由策略等，以控制接入數(shù)據(jù)源;FID(forwarding identifier)對網絡傳遞路徑進行編碼，并將其插入發(fā)送者的載荷包頭。在進行路由時，首先由發(fā)布者向RP發(fā)布新的信息并指明RID和SID，其中，SID表示發(fā)布者希望該信息能夠被哪些用戶訪問。同時，也會將描述實際信息的元數(shù)據(jù)(信息的作者、大小等)發(fā)送給RP。當訂閱者想獲取信息時，則需要先向RP發(fā)送一個訂閱消息，由RP負責將該訂閱消息與已發(fā)布的信息進行匹配。發(fā)布者到訂閱者的轉發(fā)路徑，由拓撲構造函數(shù)生成，并分配轉發(fā)標識符(forwarding identifier，F(xiàn)ID)給中間轉發(fā)節(jié)點。中間節(jié)點根據(jù)FID進行信息的轉發(fā)，同時將流經的信息存入緩存。PSIRP系統(tǒng)能夠較好的實現(xiàn)內容路由的功能，但是其內容匹配和路由計算會給事件代理帶來巨大的計算和通信負載。

Everything Over Http［27］中 http 與 IP 共存，代替網絡的細腰，大量的流量經過http而不是直接利用IP傳輸，但是http在健壯性、安全性、QoS等方面還需完善。

P2P［28］對等網絡中每個節(jié)點既可以充當服務器，為其他節(jié)點提供服務，同時也享用其他節(jié)點提供的服務，具有良好健壯性和可擴展性，性價比高，同時，能夠實現(xiàn)更好的網絡負載均衡。P2P通過建立覆蓋網絡并在其上建立應用層主機之間的路由，但是其支撐點依然是現(xiàn)有IP路由機制，并且覆蓋網絡和下層的網絡之間可能會存在存在上下層拓撲失配的缺點。當前P2P主要面臨拓撲失配、網絡病毒，不良信息的傳播，網絡帶寬，以及由節(jié)點的自私性導致的不合作問題等。

演進式的路由解決方案在新路由機制的研究中取得了一定的進展，但由于其基本設計理念是基于“演進式”的思想，因此只是在一定程度上對IP路由做了一定的修改，其底層路由仍然需要以IP路由為依托，不能從根本上解決IP路由存在的問題。

2.3.2 革命式路由解決方案

革命式的網絡體系結構考慮摒棄現(xiàn)有結構和協(xié)議的約束，從頭開始設計一個全新的互聯(lián)網絡，從而從根本上解決現(xiàn)有網絡中的問題。

SOFIA［29］(Service-Oriented Future Internet Architecture)面向服務的未來因特網架構中，基于身份與位置分離的思想，SOFIA用一個全球唯一的服務標識ID碼代替原有的IP層。在SOFIA中不再有運輸層，服務ID層上僅有應用層。另外，使用另一個“定位”標識來具體說明網絡節(jié)點的位置，從而實現(xiàn)了身份與位置的分離。SOFIA網絡中的路由器增加了處理器和存儲設備，路由器不僅轉發(fā)數(shù)據(jù)包，而且能夠提供服務;

MILSA［30-31］(mobility and multihoming supporting identifier locator split architecture)提出了以realm為邏輯關系(身份)路由單元，以zone為地址關系(位置)路由單元的思想，在路由的具體實現(xiàn)上通過使核心與邊緣相分離，以解決路由的擴展性問題，另外，通過引入新的標識層解決路由的安全和移動性問題。

面向內容的體系結構NDN(named data networking)提出了基于命名/路由的網絡體系結構，使得通信方式由原來的“where”轉變?yōu)椤皐hat”。NDN網絡體系結構中增加了存儲功能，且以數(shù)據(jù)內容為核心。NDN基于名字進行路由和轉發(fā)，其通信是由接收端(數(shù)據(jù)消費者)驅動的，消費者通過發(fā)送interest請求包來請求期望的數(shù)據(jù)，路由器記錄請求的接口，然后，從FIB中查找名字并進行轉發(fā)，當請求包被轉發(fā)到數(shù)據(jù)發(fā)送端時，發(fā)送端沿著逆向路徑返回請求的數(shù)據(jù)包。請求包和數(shù)據(jù)包都不攜帶任何主機或端口的地址信息，通過使用請求包中的名字進行轉發(fā)。NDN路由采用類似于傳統(tǒng)的IP路由方式，不同的是，NDN通告名字前綴信息而不是IP前綴信息，另外，依據(jù)最長前綴匹配原則從FIB中進行路由匹配。

DONA［32］(data-oriented network architecture)架構中以名字為路由驅動，并圍繞服務和數(shù)據(jù)定義了全新的內容命名方法及解析機制。DONA采用平面的、自認證的命名機制。名字圍繞主體(principles)進行組織，主體與一個公鑰私鑰對相關聯(lián)，名字格式為P:L，其中，P是主體公鑰的加密hash值;L是主體選擇的列表，確保每個名字都是唯一的，這種命名方式具有自驗證特性。DONA采用基于名字路由的模式而不使用DNS服務器，依靠一類新的網絡實體RHs(resolution handlers)，采用 2種基本的原語(FIND(P:L)、REGISTER(P:L))實現(xiàn)名字解析?？蛻舭l(fā)送FIND(P:L)來定位名字為P:L的對象，RHs把這個請求向最近的副本進行路由，通過REGISTER信息設置狀態(tài)能夠提高RHs路由FINDs的效率。每個客戶通知配置都知道它所屬的本地的RH，如果被授權的客戶想發(fā)布一個名為P:L的服務或數(shù)據(jù)，需要發(fā)送REGISTER(P:L)(該命令必須要經過授權，即用客戶的私鑰進行簽名)到本地RH進行注冊。當父節(jié)點收到子節(jié)點發(fā)送的REGISTER信息，只有在父節(jié)點的注冊表中沒有該注冊信息或者注冊信息來自一個比以前更新的copy時，父節(jié)點才更新注冊表。

SCN［33］(service centric network)以服務為中心的網絡可以認為是對CCN的擴展，利用面向對象的設計方法通過對內容和服務進行統(tǒng)一命名，采用對象名作為網絡路由基礎設施尋址的方法;以服務為中心的網絡通過增加網絡側的智能使互聯(lián)網成為集傳輸、存儲和計算為一體的服務池。在這類網絡中所有的單元都是服務，網絡的核心功能是將用戶請求的服務傳輸給用戶，路由不再是以地址為驅動，而是以服務為驅動。

Netserv［34］提出可編程節(jié)點架構，將不同的應用模型部署到邊緣路由器并將其加入到分布的服務主機平臺中，從而實現(xiàn)服務的本地化以降低核心網流量;終端用戶請求某應用數(shù)據(jù)時，向內容提供商publisher發(fā)送請求，當用戶的請求被publisher收到后，將會在服務器上觸發(fā)一個信號(signal)，該信號消息從publisher向終端用戶發(fā)送時即可建立用戶和內容服務提供商之間的路由，當信號經過NetServ路由器時，將會出發(fā)NetServ路由器下載和安裝賴在該內容提供商的應用模塊，從而實現(xiàn)服務的本地化。

SILO［35］是一種新型的互聯(lián)網架構，整合了安全和管理特性。在 SILO中，最基本的模塊是服務(Services)，它是一種被良好定義且自包含的功能，與特定的通信任務相關聯(lián)。在SILO中，如包傳輸、流控制、包分段、壓縮、加密等都是服務的實例。每種服務提供單一、原子的功能。

SOA［36］(service oriented approach)將網絡分成四層，以面向對象的方式，通過組合功能模塊的方式來配置復雜的通信任務。

RBA［37］(role based architecture)及 SONATE［26］(service oriented network architecture)摒棄了分層的思想，利用roles功能單元進行通信，能夠對IP進行重新模塊化，分割為更小的功能單元，并提供了一個對包頭進行處理的模型以完成路由功能。

3 結束語

目前針對未來網絡路由體系結構的研究取得了一定的進展，但是還存在如下的問題。

(1)路由標識的命名:目前未來網絡中針對路由標識的命名并沒有一個統(tǒng)一的標準，這是目前亟待解決的問題，也是研究未來網絡路由的前提。

(2)身份與位置分離機制中映射系統(tǒng)的建立，建立高效的身份位置映射系統(tǒng)是解決未來網路由可擴展問題的關鍵。

(3)高效路由機制的制定:研究基于新型地址命名方式的路由算法，制定高效的路由協(xié)議是解決未來網絡路由問題的核心。

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