一種模塊化的IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)“兩性”實(shí)驗(yàn)設(shè)計

陳世偉, 高 明

(浙江工商大學(xué) a.組織部；b.信息與電子工程學(xué)院，杭州 310018)

0 引 言

盡管IPv4是當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的基本形態(tài)，但是IPv6被認(rèn)為是下一代互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)備受關(guān)注[1]。路由轉(zhuǎn)發(fā)是IPv6網(wǎng)絡(luò)中路由器最為重要的功能，解決IPv6數(shù)據(jù)包如何從原主機(jī)到達(dá)目的主機(jī)的問題[2]。當(dāng)前針對IPv6的實(shí)踐教學(xué)分為兩個層次，絕大多數(shù)學(xué)校采用組網(wǎng)工程的方式進(jìn)行教學(xué)，基于現(xiàn)有的IPv6路由器產(chǎn)品組建一個規(guī)模不大的IPv6數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)考察學(xué)生的設(shè)備操作和調(diào)試能力，基本不用編程，所以難度不大，不足的地方是實(shí)驗(yàn)的“兩性”無法體現(xiàn)[3-4]；對于一些學(xué)生能力強(qiáng)的學(xué)校則會采用基于二次代碼開發(fā)的方式進(jìn)行教學(xué)，讓學(xué)生在已有的網(wǎng)絡(luò)函數(shù)庫基礎(chǔ)之上自行編寫代碼實(shí)現(xiàn)IPv6數(shù)據(jù)包的路由查表過程[5-7]，這種方式一般不太強(qiáng)調(diào)IPv6組網(wǎng)的概念，更多關(guān)注的是單個路由器內(nèi)IPv6數(shù)據(jù)包處理，重點(diǎn)考察學(xué)生的基礎(chǔ)理論知識和編程能力，難度大，并不適合全面推廣。

為了改變傳統(tǒng)IPv4網(wǎng)絡(luò)的“僵化”問題，近年來許多研究者嘗試對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行體系結(jié)構(gòu)方面的重新設(shè)計，雨后春筍般地出現(xiàn)一批新穎性的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，如主動網(wǎng)絡(luò)、開放可編程網(wǎng)絡(luò)、柔性可重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)、軟件定義網(wǎng)絡(luò)等[8-9,15]。作為一名網(wǎng)絡(luò)工程專業(yè)的學(xué)生了解網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的這些新動態(tài)無疑是十分必要的[10]。

在全面考察各種網(wǎng)絡(luò)新設(shè)計之后，發(fā)現(xiàn)了一些很有趣的研究成果可用于平時的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)，其中轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離(Forwarding and Control Element Separation，F(xiàn)orCES)就是一個典型。ForCES是互聯(lián)網(wǎng)權(quán)威機(jī)構(gòu)——互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組下面一個專門從事開放可編程IP路由器研究的工作組，創(chuàng)新性地提出網(wǎng)絡(luò)設(shè)備中的控制件(Control Element，CE)和轉(zhuǎn)發(fā)件(Forwarding Element，F(xiàn)E)應(yīng)在物理上分離，彼此之間的通信協(xié)議應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、公開化[11]，使得任意廠商的CE和FE可以無縫對接，降低網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的研發(fā)門檻和成本。傳統(tǒng)上作為網(wǎng)絡(luò)設(shè)備“大腦”的CE對“軀干”FE的控制屬于不能說的“機(jī)密”，對外不開放。此外，F(xiàn)orCES還創(chuàng)造性地將FE解構(gòu)成一系列邏輯功能塊(Logical Function Block，LFB)組合，每一個LFB都是對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部對數(shù)據(jù)包加工處理的一個動作，且每個LFB的行為都受到CE的控制[12]。CE可以根據(jù)需要靈活配置LFB的組合方式，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)包的不同處理流程，進(jìn)而體現(xiàn)為不同功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，如IPv4路由轉(zhuǎn)發(fā)、IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)、防火墻、入侵檢測等。ForCES思想是有前瞻性的，特別是它提出的LFB動態(tài)拓?fù)涞母拍頪12]和當(dāng)下研究熱點(diǎn)微服務(wù)[13]和服務(wù)功能鏈[14]一脈相傳，對于學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部組成和原理意義具有十分重要的意義。

利用LFB動態(tài)拓?fù)錁?gòu)建不同功能的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的過程類似搭積木，每個LFB就像一個積木塊，搭建者需要了解每個LFB的功能、屬性以及輸入輸出約束。完成整個構(gòu)建過程雖不需要大量的代碼編寫，卻要求操作者具有扎實(shí)的路由交換理論知識、熟悉網(wǎng)絡(luò)設(shè)備內(nèi)部組成及原理，有趣不枯燥且具有良好的可操作性，用做網(wǎng)絡(luò)通信領(lǐng)域內(nèi)“兩性”實(shí)驗(yàn)的開發(fā)再適合不過。

1 轉(zhuǎn)發(fā)件建模

FE模型由ForCES工作組提出，旨在描述FE內(nèi)數(shù)據(jù)包從輸入到輸出的處理過程，將每個獨(dú)立的數(shù)據(jù)包處理功能建模為一個LFB，LFB根據(jù)事先約定的操作來處理數(shù)據(jù)包。一個完整的LFB拓?fù)淇梢詫?shí)現(xiàn)諸如IPv4轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，CE通過控制LFB修改FE的行為，如LFB的屬性。典型的FE模型如圖1所示。

圖1 FE模型

FE由若干個LFB組成，每個LFB包含的內(nèi)容有輸入、輸出、屬性以及它的功能定義[5]。數(shù)據(jù)通道描述了數(shù)據(jù)包從輸入到輸出的中間過程，前一個LFB的輸出就是下一個LFB的輸入。LFB之間前后關(guān)系受到FE模型定義的約束，這種約束以LFB庫的形式被CE和FE共享，用戶在配置之前需要掌握這些信息。

每一種常見的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)(例如IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā))都可被定義為一組LFB集合。實(shí)現(xiàn)圖2所示的基于ForCES的IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，關(guān)鍵在于分析和設(shè)計與IPv6相關(guān)的LFB并構(gòu)造具有合理拓?fù)涞腇E模型。

圖2 支持IPv6的FE轉(zhuǎn)發(fā)件模型

2 IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)計

IPv6數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)由以下3個階段組成[2]：

(1) 驗(yàn)證階段。在此階段，首先IPv6包頭檢查確認(rèn)數(shù)據(jù)包沒有任何標(biāo)識錯誤，錯誤的包被發(fā)送到CE進(jìn)行進(jìn)一步處理或被FE直接刪除。

(2) 轉(zhuǎn)發(fā)階段。從提取目的IPv6地址、查詢轉(zhuǎn)發(fā)表，當(dāng)查詢操作成功后獲得下一跳IPv6地址，輸出接口等；當(dāng)查詢操作失敗后數(shù)據(jù)包被丟棄或發(fā)送到CE進(jìn)行進(jìn)一步處理。這個階段最重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是轉(zhuǎn)發(fā)表，不同的實(shí)現(xiàn)可能在轉(zhuǎn)發(fā)表上有不同的組織，通常有兩種方案：統(tǒng)一表和分離表。本實(shí)驗(yàn)采用分離表設(shè)計來表示IPv6單播轉(zhuǎn)發(fā)信息，如圖3所示。這兩個分開的數(shù)據(jù)實(shí)體被稱為前綴表和下一跳表。前綴表由包括前綴和下一跳表中的條目的下一跳索引組成。前綴表由包括下一跳索引和下一跳信息列表的條目組成[6]。

圖3 IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)表設(shè)計

(3)發(fā)送階段。數(shù)據(jù)包已經(jīng)獲得正確的路由信息后，發(fā)送之前需要進(jìn)行鏈路層的封裝，如添加以太網(wǎng)報頭。該階段維護(hù)了一個重要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)2層地址解析表，通過改變?yōu)槁酚珊蟮臄?shù)據(jù)包查找正確的2層地址。

根據(jù)上述3個轉(zhuǎn)發(fā)階段的討論，可以看出路由轉(zhuǎn)發(fā)表建模正是FE建模的關(guān)鍵。圖3中描述了每個表的條目以及路由轉(zhuǎn)發(fā)表和2等地址解析表之間的關(guān)系。這樣的分離表設(shè)計相較于統(tǒng)一表具有如下2個優(yōu)勢：①當(dāng)一組路由改變時，一些高性能網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要更新整個轉(zhuǎn)發(fā)信息表，工作量很大，而分離表則可以通過改變下一跳表項(xiàng)的子集來有效地更新轉(zhuǎn)發(fā)信息;②對于前綴相同的多條路由,可以共享同一個前綴表項(xiàng),節(jié)省了路由表存儲空間。

一個滿足IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)的LFB連接關(guān)系如圖4，定義了以下LFB：包頭校驗(yàn)、單播最長前綴匹配和下一跳應(yīng)用 。圖3中的前綴表保存在單播最長前綴匹配LFB中，下一跳表保存在下一跳應(yīng)用LFB中，2層地址解析表保存在以太單播封裝LFB中。

以太網(wǎng)接口(輸入)LFB：表示的是網(wǎng)絡(luò)接口，用戶接受外界輸入的數(shù)據(jù)包；

封裝/解封裝LFB：負(fù)責(zé)去除以太網(wǎng)的幀頭并進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)包分類，主要用于分流IPv4和IPv6；

包頭校驗(yàn)LFB：對IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行校驗(yàn)，將正確的數(shù)據(jù)包輸入到單播最長前綴匹配LFB；

單播最長前綴匹配LFB：根據(jù)存儲的前綴表對IPv6數(shù)據(jù)包進(jìn)行最長前綴匹配，進(jìn)而確定下一跳索引；

下一跳應(yīng)用LFB：根據(jù)前一個LFB所確定的下一跳索引，查詢下一跳表，獲得2層索引；

以太單播封裝LFB：以2層索引查找2層地址解析表，獲得下一跳地址等信息，完成IPv6數(shù)據(jù)包以太網(wǎng)幀封裝。

以太網(wǎng)接口(輸出)LFB：表示的是網(wǎng)絡(luò)接口，用于對外發(fā)送封裝后的以太網(wǎng)幀數(shù)據(jù)。

圖4 實(shí)現(xiàn)IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)的LFB連接關(guān)系

LFB是FE的基本構(gòu)件，每一個LFB的實(shí)現(xiàn)包含了模型描述、輸入輸出及數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，這里以下一跳應(yīng)用LFB為例，詳細(xì)介紹LFB的設(shè)計思路。

如圖5所示，下一跳應(yīng)用LFB對IPv6數(shù)據(jù)包執(zhí)行下一跳操作，例如跳限增量和校驗(yàn)和重計算。IPv6前綴表查找成功后，需要根據(jù)前綴表中的下一跳索引查找下一跳信息，因此從IPv6前綴表中檢索到的IPv6數(shù)據(jù)包和元數(shù)據(jù)成為LFB的輸入 。輸出有3種可能情況：①成功，滿足下一跳應(yīng)用的數(shù)據(jù)包，它產(chǎn)生由下一跳應(yīng)用LFB修改的新IPv6數(shù)據(jù)包和新的元數(shù)據(jù)，包括轉(zhuǎn)發(fā)件號，輸出端口號，2層索引，2層索引類型等；②異常，以下數(shù)據(jù)包被標(biāo)識為異常：跳限為零、接口的最大傳輸單元小于報文大小、輸出端口與接收數(shù)據(jù)包的輸入出端口相同、數(shù)據(jù)包目的地址用于本地接口，這種情況下下一跳應(yīng)用LFB將生成經(jīng)過修改的IPv6數(shù)據(jù)包和新的元數(shù)據(jù)，包括輸入端口號和異常ID；③失敗，用于標(biāo)識在下一跳操作中失敗的數(shù)據(jù)包，下一跳應(yīng)用LFB刪除IPv6數(shù)據(jù)包并且不生成元數(shù)據(jù)。

圖5 下一跳應(yīng)用LFB設(shè)計

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計評估

實(shí)驗(yàn)中CE基于Linux系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，硬件平臺為通用處理器，IPv6路由協(xié)議棧使用開源的路由軟件Zebra。FE硬件平臺是英特爾公司的網(wǎng)絡(luò)處理器，每個LFB基于微塊加工數(shù)據(jù)包。微塊是具有單個功能的物理組件，通?？梢蕴幚頂?shù)據(jù)包，LFB是微塊的邏輯抽象和建模。通過圖形用戶界面可以動態(tài)地添加和刪除LFB，以及查詢和配置LFB的屬性和能力，如圖6所示。這種通過動態(tài)配置LFB拓?fù)涠xIPv6轉(zhuǎn)發(fā)功能的過程就像在Linux內(nèi)核中動態(tài)插入或刪除的模塊一樣，具有極大的靈活性。

圖6 實(shí)驗(yàn)的圖形化操作接口

實(shí)驗(yàn)中FE具有兩個100 MB端口，場景配置為跨兩個端口之間的IPv6轉(zhuǎn)發(fā)，使用SmartBits軟件來測量兩個100 MB端口的線速率下的零丟失吞吐量。測試生成7種大小的數(shù)據(jù)包，分別是：64，128，256，512，1 024，1 280和1 518 Byte，結(jié)果如圖7所示。

可以看出，吞吐量接近理論極限。在不犧牲任何性能的情況下，本實(shí)驗(yàn)所設(shè)計實(shí)現(xiàn)的IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)平臺具有高度靈活性，可配置和可擴(kuò)展。

4 結(jié) 語

一種基于模塊化的IPv6路由轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)驗(yàn)設(shè)計本質(zhì)上就是利用ForCES LFB的模塊化和抽象化特征，用搭積木的方式構(gòu)建一個支持IPv6報文轉(zhuǎn)發(fā)功能的LFB連接關(guān)系，當(dāng)然使用這種方式可以構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)功能遠(yuǎn)不止IPv6報文轉(zhuǎn)發(fā)，其他還有防火墻、入侵檢測等。實(shí)驗(yàn)設(shè)計具有明顯的“兩性”實(shí)驗(yàn)特征，通過實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)學(xué)生們有機(jī)會得以一窺網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，為以后從事該領(lǐng)域的研發(fā)工作打下了良好的基礎(chǔ)。