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    一種按需域間路徑構(gòu)建方法*

    2013-09-05 06:35:46柳立言
    計算機(jī)工程與科學(xué) 2013年8期
    關(guān)鍵詞:源端路由表通告

    柳立言

    (寧夏師范學(xué)院教育技術(shù)中心,寧夏 固原75600)

    1 引言

    在域間路由中,邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議BGP(Border Gateway Protocol)作為當(dāng)前Internet域間路由的事實標(biāo)準(zhǔn),節(jié)點可以決定選擇和轉(zhuǎn)發(fā)哪些路徑,但是節(jié)點的可用路徑取決于下游節(jié)點的決策,節(jié)點無法對此過程進(jìn)行控制,故往往不能獲得其真正所需的路徑。在BGP中,盡管每個節(jié)點可能擁有多條備選路徑,但是協(xié)議要求每個路由器僅僅選取一條最優(yōu)路徑通告至鄰居節(jié)點,導(dǎo)致了某些自治域不能獲得自己需要的路徑。這種情況通過圖1的例子可以看出,在圖1中,如果源端S希望能夠擁有到達(dá)目的端D 的兩條不相交的路徑,一條作為傳輸路徑,一條作為備份路徑,在S的路由表中無法找到這樣的兩條路徑。事實上,這樣的路徑是存在的,比如,SBCEFD與SAD,SBCEFD與SAD 不與網(wǎng)絡(luò)中任何一個節(jié)點的本地策略相沖突,由于BGP中節(jié)點僅僅轉(zhuǎn)發(fā)一條最優(yōu)路徑,在節(jié)點C路徑CEFD被屏蔽了。

    Figure 1 BGP routing to a destination node D圖1 BGP路由至目標(biāo)節(jié)點D

    為了解決BGP可控性不高的問題,最近的研究出現(xiàn)了幾種替代BGP的備選方案,包括源路由[1~6]、overlay網(wǎng)絡(luò)[7]以及多路徑 路由[8~11]。在源路由中,端用戶擁有全網(wǎng)的拓?fù)湟晥D,可以自主選擇報文傳輸?shù)穆窂?,通過在報文的頭部加入報文路徑的方式指示中間節(jié)點將其轉(zhuǎn)發(fā)至合適的下一跳。在overlay網(wǎng)絡(luò)中,報文可以穿越中間節(jié)點提高性能或者可靠性。多路徑路由的研究剛剛起步,其主要思想為增加通告的路徑信息量,直接在底層網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建多條路徑。但是,當(dāng)前替代BGP的這幾種方法都存在明顯的問題:源路由的實現(xiàn)代價較大,可行性沒有得到驗證;overlay網(wǎng)絡(luò)的可擴(kuò)展性制約了其實際的應(yīng)用;多路徑路由用途較為單一,比如只是提高可靠性或者提高傳輸效率等,無法滿足用戶差異化的路徑需求。

    針對域間路徑選擇過程不可控的問題,本文提出了一種按需的域間路徑構(gòu)建方法,以增強(qiáng)域間路由的可控性。為了簡便起見,在以下的討論中,用源端表示報文的發(fā)送方,也是路徑的發(fā)起者;用目的端表示報文的接收方,也是路徑的終點??拷鼒笪脑炊说墓?jié)點稱為上游節(jié)點,靠近報文接收方的節(jié)點稱為下游節(jié)點。比如在圖1中,S是上游節(jié)點,D是下游節(jié)點。本文解決方案基于當(dāng)前域間路由的如下特性[8]:

    (1)BGP協(xié)議提供的基本路徑滿足大多數(shù)節(jié)點的需求;

    (2)少數(shù)的節(jié)點有著特殊的路徑需求,需要BGP提供個性化的路徑服務(wù),例如:Avoiding、Preferring以及Disjoint,其中,Avoiding常見于避開網(wǎng)絡(luò)中某個惡意自治系統(tǒng)AS(Autonomous System)[12,13],或者避開某條擁塞連接等。Preferring常見于希望優(yōu)先通過[14]可信節(jié)點提供的路徑。Disjoint常常用來提高網(wǎng)絡(luò)可靠性,選擇一條與已有路徑最不相交的路徑[6,7,11],當(dāng)前的 BGP 協(xié)議無法滿足節(jié)點的個性化需求的主要原因為:BGP中每個節(jié)點的可用路徑由下游節(jié)點決定,而其無法對下游節(jié)點的選路過程進(jìn)行控制從而獲取自身所需的路徑。既然BGP協(xié)議能夠滿足網(wǎng)絡(luò)中大多數(shù)節(jié)點的需求,本文在避免對BGP協(xié)議的邏輯結(jié)構(gòu)進(jìn)行太大改變的基礎(chǔ)上,對BGP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展。如果上游節(jié)點希望下游節(jié)點根據(jù)其需要選路,則在路徑選擇前上游節(jié)點需要將路徑需求提交至下游節(jié)點。主要思路如下:采用基本的BGP協(xié)議保證源端與目的端的可達(dá)性,在此基礎(chǔ)上,需要構(gòu)建特殊路徑的源端將路徑構(gòu)建請求發(fā)送至目的端,由目的端發(fā)起一個與BGP相似的網(wǎng)絡(luò)收斂過程協(xié)助源端構(gòu)建滿足需求的路徑。

    本文主要貢獻(xiàn)如下:(1)對BGP[15]協(xié)議擴(kuò)展提出了基于策略的路由協(xié)議 P-BGP(Policy-based BGP)。P-BGP與BGP最大的區(qū)別在于在其通告中嵌入了更多的策略信息,嵌入的策略用來指導(dǎo)中間節(jié)點選擇滿足源端期望的路徑。

    (2)通過多次的P-BGP收斂過程構(gòu)建了按需的域間路徑,并且通過實驗驗證了其具備良好的性能。相比于當(dāng)前的其他BGP替代方案,本文方法能夠構(gòu)建滿足用戶需求的路徑,并且理論上路徑的構(gòu)建數(shù)量可以任意多。除此之外,本文方法僅僅對BGP進(jìn)行了簡單修改,易于實現(xiàn)。

    本文結(jié)構(gòu)如下:第2節(jié)對當(dāng)前域間路由的相關(guān)工作進(jìn)行了總結(jié);第3節(jié)提出了P-BGP;第4節(jié)闡述了按需路徑構(gòu)建方法的主要思想以及實現(xiàn)方式;第5節(jié)為實驗以及性能分析;第6節(jié)總結(jié)全文并指出未來工作。

    2 相關(guān)工作

    2.1 當(dāng)前的域間路由

    BGP協(xié)議[15]是當(dāng)前域間路由的事實標(biāo)準(zhǔn),具有以下幾個特征:

    (1)基于目標(biāo):BGP通告地址塊的可達(dá)信息,并且每個路由器根據(jù)報文目的地址最長前綴匹配發(fā)送報文。不同源端發(fā)送的報文通過同一個路由器后將會采用同樣的下游路徑。

    (2)單路徑路由:一個路由器從一個鄰居至多學(xué)習(xí)到一條最優(yōu)路徑,并且只能選擇向其他鄰居通告一條最優(yōu)路徑。這個特征限制了BGP通告的路徑的數(shù)量,限制了路由的適應(yīng)性。

    (3)路徑向量協(xié)議:與連接狀態(tài)協(xié)議泛洪拓?fù)湫畔⒉煌氖?,BGP是一個路徑向量協(xié)議,路由器只能獲得由其鄰居通告的路徑。BGP的這個特征通過犧牲某些路徑的可達(dá)性提高了協(xié)議的可擴(kuò)展性。

    (4)基于本地策略:每個域采用某些策略來決定選取哪條BGP路徑??捎玫穆窂揭蕾囉谙掠温酚善鞯牟呗越M合。這個特征限制了每個AS有過多的路徑可以選擇。

    選擇和輸出BGP路由的本地策略主要依賴于鄰居域間的商業(yè)關(guān)系。最著名的商業(yè)關(guān)系是文獻(xiàn)[16]中闡述的服務(wù)提供商-顧客(Provider-Customer)、對等(Peer)以及兄弟(Sibling)關(guān)系。在服務(wù)提供商-顧客的關(guān)系中,顧客為傳輸服務(wù)向服務(wù)商支付報酬。一般來說,服務(wù)商將從顧客處獲取的路徑向所有的鄰居通告,但是顧客僅僅將從服務(wù)商處獲取的路徑向自己的顧客通告。在端對端的關(guān)系中,兩個AS發(fā)現(xiàn)為對方的顧客傳送流量對自身都有益,一般不收取傳輸服務(wù)費。對等關(guān)系下,一般從一個對等端獲取的路徑僅僅被通告至本端的鄰居。兄弟AS一般屬于同一個組織,比如一個大的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)提供商ISP(Internet Service Provider),他們互相提供傳輸服務(wù)而不涉及商業(yè)關(guān)系。一旦從多個鄰居收到同一個地址前綴的通告,AS傾向使用的路徑優(yōu)先級為:顧客提供的通告、兄弟關(guān)系通告、對等關(guān)系通告、提供商提供通告。

    2.2 源路由

    為了構(gòu)建真正滿足用戶需求的網(wǎng)絡(luò)路徑,在過去的幾年中,部分研究者提出了源路由來提供更好的適應(yīng)性[1~6]。在源路由中,源端確定到達(dá)目的端的端至端路徑。源端發(fā)送的數(shù)據(jù)報文中包含了報文要經(jīng)過的路徑的每一跳,網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點根據(jù)報文的下一跳指示將報文發(fā)送至正確的下一跳。盡管源路由擴(kuò)大了選路的適應(yīng)性,但要在網(wǎng)絡(luò)中部署存在幾個問題:

    (1)中間節(jié)點缺乏對數(shù)據(jù)的控制:在源路由中,中間節(jié)點僅僅按照報文攜帶的路徑下一跳將報文發(fā)送至下一跳,缺乏控制流量的措施,使中間節(jié)點很難基于自身的商業(yè)關(guān)系選擇路徑,這將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商不愿在網(wǎng)絡(luò)中部署源路由,極大地阻礙了源路由的應(yīng)用。

    (2)可擴(kuò)展性:源路由需要獲取全部的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹M負(fù)鋽?shù)據(jù)的快速更新將是一個難點,由于網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模越來越大,必須將節(jié)點以及連接的變化情況快速地發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)的每個邊界節(jié)點,這是一個極大的挑戰(zhàn)。

    2.3 Overlay網(wǎng)絡(luò)

    在overlay[7]網(wǎng)絡(luò)中,幾個節(jié)點在當(dāng)前Internet上形成一個虛擬拓?fù)?。?dāng)?shù)讓泳W(wǎng)絡(luò)的直接路徑存在問題時,發(fā)送節(jié)點可以將流量發(fā)送至中間節(jié)點,由中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至目標(biāo)節(jié)點。盡管overlay有助于解決直接路徑的若干問題,但還不能大規(guī)模應(yīng)用在網(wǎng)絡(luò)中,主要原因如下:

    (1)數(shù)據(jù)層過載:通過中間節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)增加了網(wǎng)絡(luò)的延時,并且消耗了網(wǎng)絡(luò)帶寬以及節(jié)點的處理能力。數(shù)據(jù)包需要通過封裝的方式進(jìn)行傳送,消耗了額外的帶寬。

    (2)探測過載:為了補(bǔ)償對底層網(wǎng)絡(luò)的不可見,overlay網(wǎng)絡(luò)一般通過探測的方式推算底層路徑的性質(zhì)。當(dāng)前沒有適合大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的探測方式,難以在網(wǎng)絡(luò)中得到部署。

    2.4 域間多路徑路由

    由于BGP路由的局限性以及源路由和overlay的無法大規(guī)模實施,近年來有研究者將目光投向了域間的多路徑構(gòu)建,期望通過在底層網(wǎng)絡(luò)上直接構(gòu)建多路徑的方式提高路由的服務(wù)質(zhì)量。當(dāng)前域間多路徑的構(gòu)建方式主要有兩種:不改變BGP通過其他進(jìn)程構(gòu)建多路徑[8]和對BGP進(jìn)行擴(kuò)展使其一次通告多條路徑[11]。域內(nèi)多路徑路由MIRO(Multi-path Interdomain Routing)[8]和 D-BGP[11]是這兩種方案的典型代表。

    MIRO允許節(jié)點在使用BGP默認(rèn)路由的基礎(chǔ)上通過協(xié)商的方式構(gòu)建節(jié)點間的隧道,使節(jié)點可以對流過其中的報文流進(jìn)行更多的控制。MIRO的最大優(yōu)點是不用對BGP協(xié)議進(jìn)行修改,但是不能保證滿足用戶期望的路徑總能被發(fā)現(xiàn),并且因為采用了隧道方式傳送報文,消耗額外的網(wǎng)絡(luò)資源。DBGP提出允許BGP通告除基本路徑外的一條與基本最優(yōu)路徑最不相交的備份路徑來提高路由應(yīng)對錯誤的能力,但是其附帶的備份路徑只能夠作為最優(yōu)路徑的備份,無法用來進(jìn)行并發(fā)傳輸。

    事實上,在當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)下,BGP提供的最優(yōu)路徑能夠滿足絕大多數(shù)用戶的需求,只有少部分用戶需要構(gòu)建特定需求的路徑[8]。在全網(wǎng)范圍內(nèi)統(tǒng)一采用多路徑的方式是一種巨大的浪費,按需的路徑構(gòu)建是一種更加合理的方法,存在特定需求的節(jié)點按需構(gòu)建特殊路徑,其他節(jié)點采用基本的BGP路徑。

    3 P-BGP及其性質(zhì)

    作為按需路徑構(gòu)建方法的準(zhǔn)備工作,本節(jié)對當(dāng)前的BGP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展提出了P-BGP。P-BGP的主要特征為在路徑通告中增加了更多的策略項,這些添加的策略項稱為S_P策略項。目的端可以在路徑通告時將選路的要求添加到路徑通告中的S_P項中,指導(dǎo)中間節(jié)點選擇滿足需求的路徑進(jìn)行通告。

    3.1 BGP決策分析過程

    由于P-BGP的具體實現(xiàn)涉及對BGP決策過程的修改,在提出具體的P-BGP方案前,首先對BGP的路徑選擇過程進(jìn)行闡述。文獻(xiàn)[17]對ISP中常用的BGP決策過程使用的策略進(jìn)行了總結(jié)。一個ISP中的BGP路由器擁有多個到達(dá)目的地址的路徑,BGP路由器需要根據(jù)策略選擇一條最優(yōu)的路徑轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居節(jié)點。如果沒有策略的存在,路由器將選擇一條最短的路徑轉(zhuǎn)發(fā)至鄰居。但是,為了使得網(wǎng)絡(luò)管理員能夠控制路徑選擇過程,路由通告中加入了一些特殊的屬性,允許一個路由器根據(jù)這些屬性進(jìn)行路徑的選擇。這個過程就是決策過程,包括對一系列屬性的對比。路由器依照表1的次序?qū)蜻x路徑依次對比下去。如果候選路徑擁有不同屬性值,路由器選擇最能滿足本地利益的那條路徑。如果候選路徑擁有相同的屬性值,則路由器繼續(xù)進(jìn)行下一屬性的對比,直到找到最優(yōu)路徑。比如,LocalPref屬性作為決策過程的第一步,通過更改LocalPref屬性,管理員可以選擇一條不是最短的路徑作為最優(yōu)路徑。MED屬性通常用在兩個擁有多條連接的AS間,顯示應(yīng)當(dāng)使用哪條端連接。BGP使用嚴(yán)格的排序過程使得網(wǎng)絡(luò)策略的表達(dá)更加清晰明了。

    Table 1 The BGP decision attribute表1 BGP決策屬性

    文獻(xiàn)[17]總結(jié)了影響ISP策略的幾種因素。(1)商業(yè)關(guān)系:常見的商業(yè)關(guān)系為服務(wù)提供商-顧客,對等以及兄弟關(guān)系。商業(yè)關(guān)系是ISP決策過程中最重要的一項因素。(2)流量工程:ISP為了調(diào)整其域內(nèi)的流量走向以達(dá)到較好的網(wǎng)絡(luò)利用率,其通過設(shè)定BGP選路參數(shù)的方式調(diào)整網(wǎng)路流量狀況。(3)可擴(kuò)展性:為了限制網(wǎng)絡(luò)路由表的大小或者是避免路由振蕩,網(wǎng)絡(luò)管理員可能將某些路徑過濾或者修改路由參數(shù)。(4)安全:為了保證路由的安全,網(wǎng)絡(luò)管理員需要將無效的路徑刪除,阻斷DDoS攻擊等,一般都是通過調(diào)整路由參數(shù)來實現(xiàn)這些目標(biāo)。

    3.2 P-BGP

    P-BGP與BGP最大的區(qū)別在于在路徑通告中添加了更多策略項,在P-BGP中有兩種策略可以添加到S_P項中:路徑選擇策略和路徑取消策略。路徑選擇策略用來指導(dǎo)中間節(jié)點選擇何條路徑進(jìn)行通告;路徑取消策略用來指導(dǎo)節(jié)點有選擇地刪除路徑。表2前三項表示P-BGP中可以包含的三種路徑選擇策略,表2的最后一項為P-BGP中包含的路徑刪除策略。在當(dāng)前的P-BGP版本中暫時確定了這四種策略,在后續(xù)的研究中可以添加更多的策略。

    Table 2 Path notices contained in the policy表2 路徑通告中包含的策略

    由于在路徑選擇過程中涉及更多的策略,PBGP中間節(jié)點對路徑通告的處理過程也與BGP不同。在BGP中,節(jié)點如果收到路徑通告,則根據(jù)表1的決策過程選擇一條最優(yōu)的路徑通告給鄰居節(jié)點。在P-BGP中,最優(yōu)路徑不單純由本地策略決定,而是由本地策略與S_P策略共同決定。為了將S_P策略添加至路徑選擇過程中,同時又保留中間節(jié)點對路徑的控制能力,我們將S_P策略在路徑選擇過程中的優(yōu)先級設(shè)定為在表1中的第一個屬性后、其他六個屬性前,即在P-BGP路徑選擇過程中參考的屬性順序為:LocalPref、S_P屬性、AS path length、Origin type、MED、eBGP-learned over iBGP-learned、IGP cost、Router ID。

    性質(zhì)1 路由節(jié)點有部署P-BGP的動機(jī)。

    說明 通過對表1以及影響ISP策略的幾種因素的分析可以看到,ISP基于以下的利益關(guān)系確定通告路徑:本地的利益、下游節(jié)點的利益以及上游節(jié)點的利益。LocalPref作為最常用的屬性,較多地被ISP的管理者用來控制路由,代表域的本地的利益需求。我們認(rèn)為,AS path length屬性綜合考慮了下游節(jié)點以及上游節(jié)點的利益:AS依據(jù)AS path length屬性選擇最短的路徑,AS出于為下游節(jié)點的利益考慮,因為其采用最短路徑作為路徑性能的衡量標(biāo)準(zhǔn),認(rèn)為最短的路徑具備最好的性能,最能滿足下游節(jié)點的需求;然而,AS path length屬性又是由下游節(jié)點設(shè)定的,下游節(jié)點在將路徑通告給鄰居時可以將AS path length值設(shè)定為一個對自身有利的值。MED屬性是AS為上游節(jié)點的利益考慮,采用有利于上游節(jié)點的路徑進(jìn)行傳送。從路徑選擇的決策過程可以看出,在決策過程中本地的利益需求被放在首位,上游節(jié)點的利益在不損害下游節(jié)點的利益基礎(chǔ)上能夠得到滿足。我們將S_P屬性添加到BGP的決策過程中的第二項,使其位于 LocalPref屬性后,AS path length屬性前,仍然沒有打破AS選路的利益順序。LocalPref仍然處于決定過程的第一步,保證了中間AS對選路過程的絕對控制權(quán),保證了本地的利益;如果S_P屬性代表了上游節(jié)點的利益需求,但是其值仍然由下游節(jié)點設(shè)定,沒有打破AS選擇路徑的利益順序,S_P屬性能夠能到AS的支持,路由節(jié)點有部署P-BGP的動機(jī)。

    性質(zhì)2 P-BGP比BGP能夠提供更加差異化的路徑構(gòu)建能力。

    說明 如果P-BGP路徑通告中的策略項都為空,則P-BGP退化為BGP。當(dāng)策略項不為空時,能夠構(gòu)建滿足不同需求的路徑。因此,相比于BGP,P-BGP能夠提供更加差異化的路徑構(gòu)建能力。

    4 一種按需域間路徑構(gòu)建方法

    本節(jié)基于多個P-BGP過程提出了按需的域間路徑構(gòu)建方法 OIPBM(On-demand Inter-domain Path Building Method)。

    4.1 OIPBM主要流程

    OIPBM的主要思想如下:采用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的BGP協(xié)議保證網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性,如果某個源端S需要構(gòu)建通向目的端D的特殊路徑,則S將路徑的構(gòu)建需求發(fā)送至D,由D發(fā)起一個全網(wǎng)的P-BGP收斂過程協(xié)助其完成特殊路徑的構(gòu)建。

    Figure 2 OIPBM schematic diagram圖2 OIPBM示意圖

    在OIPBM中BGP與P-BGP共存,但其相互獨立,不相互影響,如圖2所示。BGP保證網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性,而P-BGP則負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)中有特殊需求的節(jié)點間的特定路徑構(gòu)建。BGP過程通告網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性信息,使得網(wǎng)絡(luò)中需要構(gòu)建特殊路徑的節(jié)點間可以互相通信;在P-BGP中,構(gòu)建符合源端需求的特殊路徑,并且在路徑構(gòu)建成功后將網(wǎng)絡(luò)中的冗余路徑消除。在P-BGP中,需要構(gòu)建特殊路徑的源端將構(gòu)建多路徑的需求發(fā)送至目的端,請求目的端幫助其構(gòu)建滿足需求的路徑;目的端為自身生成一個別名,將別名回復(fù)至源端,同時以別名作為目的地址發(fā)起全網(wǎng)收斂過程,將所需的路徑構(gòu)建策略添加到路由通告的S_P選項中。等到該全網(wǎng)過程收斂,源端獲得目的地址為目的端別名的滿足要求的域間路徑。由于采用了全網(wǎng)的收斂過程來協(xié)助源端構(gòu)建滿足要求的路徑,在網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了冗余路徑,發(fā)起一個額外P-BGP收斂過程將網(wǎng)絡(luò)中的冗余路由表項刪除,源端將需要保留的路徑發(fā)送至目的端,目的端發(fā)送帶有S_P策略的路徑取消通告將網(wǎng)絡(luò)中冗余路由表項刪除。

    按需域間路徑構(gòu)建方法處理流程如下:

    (1)BGP全網(wǎng)信息通告,BGP的全網(wǎng)通告保證了網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性。

    (3)D收到源端S發(fā)送的路徑構(gòu)建請求后,為自己生成一個別名D′,將別名D′發(fā)送至S。

    (4)D以D′為目的端生成新的網(wǎng)絡(luò)可達(dá)性通告,并且將S所要求的路徑構(gòu)建策略嵌入到以D′為目的地址的路徑通告的S_P選項中,發(fā)起一個P-BGP收斂過程。

    (5)中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點選擇和通告最優(yōu)路徑。在目的端為D′的P-BGP過程收斂后,如果S收到目的端為D′的路徑,則S獲得了滿足其要求的路徑。

    (6)S將確定采用的路徑通告至D,D以D′為目的端發(fā)起路徑取消通告,并且將路徑取消的策略嵌入到路徑通告中,將網(wǎng)絡(luò)中的冗余路徑消除。

    (7)S可以根據(jù)需要重復(fù)(2)~(6)的步驟構(gòu)建任意數(shù)量的路徑。

    通過(1)~(7)的步驟,源端S可以收到目的端為D以及D′的路由表項。由于S已經(jīng)知道D′為D的別名,因此其實際上擁有了到達(dá)D的滿足要求的路徑。S可以將構(gòu)建的路徑用作其希望的任何用途,不論是用作備份路徑或者并發(fā)傳輸。

    4.2 一個例子

    現(xiàn)在通過圖3的例子闡述按需路徑的構(gòu)建過程,S表示需要構(gòu)建路徑的源端,D表示路徑的目的端。

    曾任諾貝爾物理學(xué)獎評委主任的瑞典皇家學(xué)會愛克斯朋教授,在解密諾貝爾獎評選過程時坦言:這是一個“很令人不安的、沒法再彌補(bǔ)的疏漏,趙忠堯在世界物理學(xué)家心中是實實在在的諾貝爾獎得主!”

    Figure 3 BGP state diagram and OIPBM state diagram圖3 BGP狀態(tài)圖以及OIPBM狀態(tài)圖

    圖3 a是BGP協(xié)議收斂后的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài),節(jié)點的路由表如圖3所示,其中部分路由表項被省略了。節(jié)點C的本地策略為CEFD與CAD都不違背域的商業(yè)利益,但是從路徑跳數(shù)考慮選擇路徑CAD。假設(shè)S需要向D發(fā)送大規(guī)模的實時數(shù)據(jù),由于連接A-D的傳輸容量有限,路徑SAD不能滿足網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)囊?,S希望另外通過一條不通過連接A-D的路徑進(jìn)行并發(fā)傳輸,但是S查詢自身的路由表發(fā)現(xiàn),路由表中的SAD以及SBAD兩條路徑都要通過連接A-D,不能滿足實時數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊?。下面以S構(gòu)建不通過連接A-D 的路徑為例闡述OIPBM的消息過程。

    OIPBM中由D協(xié)助源端S選擇一條不通過連接A-D的路徑。由于BGP過程與P-BGP過程相互獨立,且BGP過程已被大家所熟知,因此不對BGP收斂過程進(jìn)行過多闡述,著重闡述P-BGP的消息過程。圖3b給出了P-BGP中的網(wǎng)絡(luò)消息順序。(1)源端S與目的端D通信,S向D通報再次構(gòu)建一條新路徑p′的請求,并且標(biāo)記構(gòu)建策略為Avoiding(A-D)。(2)D 收到了源端S 的路徑構(gòu)建請求后,為自身重新生成一個別名D′,并且將D′回復(fù)至源端S。(3)以D′為目的地址發(fā)起新的PBGP收斂過程,并且在P-BGP通告的S_P項中攜帶對新路徑的策略Avoiding(A-D)。節(jié)點A收到目的端為D′的路徑通告,發(fā)現(xiàn)新路徑不愿意通過連接A-D,則A不轉(zhuǎn)發(fā)任何路徑。節(jié)點C收到目的端為D′的路徑通告后,再根據(jù)按需域間路徑構(gòu)建處理流程的前五個步驟的選擇最終決定了CEFD作為傳輸路徑。(4)節(jié)點S在收到目的端為D′的路徑P′=SBCEFD′后,將P′向節(jié)點D 通報,請求刪除網(wǎng)絡(luò)中的冗余路徑。(5)節(jié)點D發(fā)起冗余路由表項刪除過程。生成目的端為D′的UPDATE通告,在通告的S_P選項中添加路徑刪除的策略except(P′),將通告向全網(wǎng)分發(fā)。節(jié)點A收到路徑取消通告后,將本地通向D′的路由表項完全刪除,并向節(jié)點S發(fā)出路徑取消通告,節(jié)點S將D′:SACFD′刪除,保留路徑D′:SBCEFD′。最終得到的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)如圖3c所示。由于有了節(jié)點D的預(yù)先通知,節(jié)點S知道D′是節(jié)點D 的別名,因此,節(jié)點S實際上擁有了一條不通過連接A-D 到達(dá)目標(biāo)節(jié)點D的路徑SBCEFD′。

    4.3 幾個關(guān)鍵問題

    4.3.1 別名的表示

    從3.1節(jié)的描述中可以看到,別名在OIPBM中發(fā)揮了極其重要的作用。OIPBM采用別名尋找通向目標(biāo)地址的滿足要求的路徑。我們可以對當(dāng)前的IP地址進(jìn)行擴(kuò)充以表示別名,在IP地址后附上一個數(shù)表示該地址的第幾個別名,比如,用152.172.33.44(3)表示地址152.172.33.44的第三個別名。在構(gòu)建了滿足要求的要求路徑后,可以仿照MIRO的思路在源端與目的端間構(gòu)建隧道?;蛘唠S著多路徑要求的增多,可以對IP報文以及路由表的格式進(jìn)行修改,為其增加更多的位數(shù),使其能夠支持別名。

    4.3.2 冗余路由表項的消除

    在目的地址為D′的路由過程收斂后,S實際上擁有了到達(dá)節(jié)點D 的特殊路徑P′1,P′2,…,P′n。然而造成極大浪費的是,因為采用了一個全網(wǎng)的收斂過程來構(gòu)建由S至D的路徑,網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生了許多的額外路由表項,如果這些路由表項一直保留,隨著網(wǎng)絡(luò)多路徑的增多必將導(dǎo)致路由表規(guī)模的無限擴(kuò)大,影響路由表查找的性能。因此,在S至D′的路由過程收斂后,需要將網(wǎng)絡(luò)中冗余的路由表項消除。OIPBM中采用了一個額外的全網(wǎng)收斂過程來消除網(wǎng)絡(luò)中的冗余路由表項。S將確定使用的路徑P′1,P′2,…,P′n告知節(jié)點D,節(jié)點D 發(fā)出帶有S_P策略的 UPDATE通告,將策略can_exc(D′,P′1,P′2,…,P′n)添加到通告中的S_P策略中,每個節(jié)點收到帶有策略的路徑取消通知后,將本地目標(biāo)地址為D′但不屬于P′1,P′2,…,P′n的路徑刪除。通過這種方式,僅僅保留源端選擇的那些路徑,將網(wǎng)絡(luò)中的冗余路由表項全部刪除。然而一個重要的問題是:如果在冗余路由表項消除的過程中發(fā)生了路徑失效,OIPBM是否能保證其正確性。

    路徑的失效可能發(fā)生在三個時刻:(1)冗余消除通告從S發(fā)送至D的過程中;(2)D發(fā)出冗余消除通告后的已更新節(jié)點;(3)D發(fā)出冗余消除通告后的未更新節(jié)點。下面以圖3b為例對這三種情況分別討論:

    (1)如果冗余消除消息在從S發(fā)送至D 的過程中發(fā)生了路徑失效。節(jié)點D發(fā)出冗余路徑刪除信息,節(jié)點S失去了最優(yōu)路徑,重新向D發(fā)出一個路徑構(gòu)建請求,并且在通告中附上失去了到達(dá)D′的路徑,則節(jié)點D重新發(fā)起目標(biāo)地址為D′的收斂過程。

    (2)如若失效發(fā)生在D已經(jīng)發(fā)出冗余消除通告后的已更新節(jié)點。比如,在圖3b中,當(dāng)冗余更新消息處于節(jié)點A、B,且節(jié)點F、E、C已更新時連接C-E 失效,則C發(fā)出路徑取消信息,節(jié)點A、B、C、S到達(dá)D′的路由表項全都刪除,節(jié)點S失去到達(dá)D′的最優(yōu)路徑,S請求D重新構(gòu)建。

    (3)如若冗余消除消息處于節(jié)點A、C時發(fā)生了連接BC的失效,則節(jié)點B、S消去通向D′的路由表項,節(jié)點S失去了通向D 的最優(yōu)路徑,S請求節(jié)點D重新構(gòu)建。

    根據(jù)以上的討論我們可以看到,如果在S發(fā)出了冗余消除消息后構(gòu)建的路徑發(fā)生了失效,則都要重新開始OIPBM的第二個以及第三個全網(wǎng)收斂過程。因此,OIPBM適合用于網(wǎng)絡(luò)狀況比較穩(wěn)定、失效率不高的環(huán)境,Internet的主干網(wǎng)滿足這個條件。

    5 實驗與分析

    5.1 實驗方案

    評價OIPBM最理想的方法是在Internet上對其進(jìn)行分析,但是這種方法的難度較大,因此我們在AS級別的拓?fù)渖戏抡鍻IPBM的性能,假設(shè)每個AS根據(jù)它和鄰居間的商業(yè)關(guān)系選擇和輸出路徑。每個AS作為一個節(jié)點對待。

    實驗采用三個年份(2005年、2007年和2009年)的AS級別拓?fù)浞治鼍W(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大對網(wǎng)絡(luò)對多路徑的影響,評價OIPBM的性能,實驗拓?fù)鋪碜杂赗outeViews[18]項目。為了推導(dǎo)AS間的關(guān)系,我們采用了Gao[16]的算法。AS拓?fù)浜蜕虡I(yè)關(guān)系的關(guān)鍵特性在表3中給出。

    Table 3 Experimental data set表3 實驗數(shù)據(jù)集

    5.2 選取不通過某些節(jié)點的路徑

    為了進(jìn)行一個橫向的對比,我們分別考察了BGP、源路由(采用source進(jìn)行標(biāo)記)、多路徑路由(以MIRO為代表)以及OIPBM的表現(xiàn),MIRO的設(shè)置如文獻(xiàn)[8]中所示。圖4給出了本實驗的結(jié)果,其中后綴a1、a2以及a3分別表示避免網(wǎng)絡(luò)中的一個、兩個以及三個節(jié)點的情形。實驗采用了文獻(xiàn)[8]中所述的 Respect Export Policy作為 MIRO的選路方式,即節(jié)點認(rèn)為符合其輸出策略的每條路徑都是等價的,節(jié)點在不違背其輸出策略的前提下考慮路由通告中的策略進(jìn)行路徑選擇,具體選擇哪條路徑由P-BGP通告中攜帶的期望信息決定。

    Figure 4 Avoid node diagram圖4 避免節(jié)點實驗結(jié)果圖

    從圖4中可以看到,在避免一個、兩個以及三個節(jié)點的情況下,OIPBM的成功率都接近于源路由,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過多路徑路由。特別是隨著避免的節(jié)點數(shù)目的增多,多路徑路由的成功率急劇下降,而OIPBM保持了平穩(wěn)的下降趨勢。我們認(rèn)為,這是由網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點連接度的分布情況決定的,在Internet中,少量的節(jié)點擁有最大的節(jié)點連接度[8]。BGP下的網(wǎng)絡(luò)路徑基本都通過這些大連接度的節(jié)點,一旦需要選擇避免這些節(jié)點的備選路徑,則MIRO通過協(xié)商的方式很難找到滿足要求的備選路徑。

    5.3 選取最不相交的路徑

    網(wǎng)絡(luò)中常用的另外一種選路策略為選取一條與最優(yōu)路徑不相交的路徑作為備份路徑,本文在MIRO、D-BGP以及OIPBM下實現(xiàn)了這個功能并將其結(jié)果進(jìn)行了對比。MIRO中原有跳數(shù)為2~3跳,我們放寬對其的限制,將MIRO的跳數(shù)設(shè)定為10跳,以此結(jié)果下的成功率與OIPBM進(jìn)行對比。

    本文采用文獻(xiàn)[11]中計算路徑相交度的方法來度量兩條路徑的相似程度,計算方法如式(1)所示,結(jié)果越小表明兩條路徑越不相交,實驗結(jié)果如圖5所示。

    Figure 5 Select a basic path and the disjoint path圖5 選擇一條與基本路徑最不相交的路徑

    通過圖5可以看到,即使在MIRO已經(jīng)采用了很大的泛洪跳數(shù)的情況下,其選擇一條最不相交路徑的成功率仍然不如OIPBM。D-BGP性能介于MIRO與OIPBM之間,同樣也沒有OIPBM性能好。但是,隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增大,MIRO、D-BGP以及OIPBM的性能都有較大的提高。

    6 結(jié)束語

    當(dāng)前Internet路由的可控性不夠,本文針對域間路由可控性不夠的問題,提出了一種滿足Internet要求的按需路徑構(gòu)建方式。首先在BGP路由通告報文中添加了策略信息對BGP協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展,擴(kuò)展后的協(xié)議稱為P-BGP。在P-BGP的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提出了按需的域間路徑構(gòu)建方法OIPBM,OIPBM在空策略的P-BGP收斂的基礎(chǔ)上,需要構(gòu)建多路徑的源端向目的端發(fā)出請求,由目的端協(xié)助其構(gòu)建滿足需求的多路徑。OIPBM在不改變BGP邏輯正常路由過程的基礎(chǔ)上實現(xiàn)了滿足源端需求的BGP路徑構(gòu)建。

    未來的工作包括擴(kuò)大OIPBM的應(yīng)用場景,與加強(qiáng)域內(nèi)路由可控性的方案結(jié)合,構(gòu)建一個可控的路由體系。

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