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1、-未来互联网选路体系结构研究-第 9 页未来互联网选路体系结构研究Research on Routing Architectures for the Future Internet李乐民/LI Lemin(电子科技大学通信与信息工程学院,四川 成都 610054)(School of Communication and Information Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)中图分类号:TP393.03 文献标志码:A 文章编号:1009-6
2、868 (2010) 02-0000-00基金项目:国家重点基础研究发展规划(“973”计划)课题(2007CB307104)摘要:文章认为可以通过身份、位置、选路、服务4个要素,对各种未来网络的体系结构进行分类和比较。基于这个观点,文章归纳了位置标志和身份标志分离,边缘网络和核心网络分离,以及全局位置标志、局部位置标志和身份标志分离的未来网络的体系结构,并提供了结构的分类和比较思路。关键词: 未来互联网;选路体系结构;身份标志;位置标志Abstract: This paper suggests the future Internet can be compared and classifie
3、d according to identity, location, routing, and services. Based on this, it summarizes a future Internet in which the locator and identifier are split; edge network and core network are split; global locator, local locator, and identifier are split. This paper provides structural classification and
4、comparative thinking. Key words: future Internet; routing architecture; identifier; locator为了适应突发性数据业务,网络向分组化发展。传统互联网采用IP分组技术,规模逐年扩大,对社会各个方面都产生了很大影响。但是,当初的设计思想与目前情况不适应。当初认为网络用户基本友好,对商业应用欠考虑,对用户移动性欠考虑,对应用的多样性需求也欠考虑。互联网管理者和用户对网络的可知性差。当初也没有想到互联网会发展成现在这样大的规模,会出现扩展问题。因此,现在的互联网在可扩展性、安全性、可控可管性等方面均存在问题。虽然IP
5、v4采用了32比特的地址码,有约40亿个地址码。但是,现在面临着地址枯竭的境遇。为此,人们提出了IPv6,采用了128比特的地址码,地址空间比IPv4增加了296倍。但是,人们忧虑,IPv6还是存在可扩展性问题,主要是忧虑核心网中路由器的路由表扩大得太快,超过了电子器件的实现能力。即使不超过,路由表过大也将使路由器的复杂性、电能消耗增加过快,是十分不利的。而且,IPv6还存在着安全、可控可管等问题。因此,国际上对未来互联网的体系结构研究极为关注。美国国家自然科学基金会(NSF)设立了未来互联网设计(FIND)和网络创新的全球环境(GENI)项目。FIND项目现在纳入网络科学与工程(NetSE)
6、项目。基金会鼓励从根本上进行重新设计,称为Clean Slate Design,即白纸(板)设计。基金会提倡广开思路、进行创新和突破。在2006年3月GENI项目办公室召开的会议上,赵伟(当时在NSF工作,现任澳门大学校长)提出进行革命性设计。英国“自然”杂志2010年2月4日刊登了新闻特写稿“网络:重新发明互联网的4条路线”,介绍了美国的相关工作。虽然是白纸设计,但设计后需要考虑如何过渡问题,否则将不能广泛应用。欧盟公布了第7个框架计划的信息与通信技术(ICT)项目,执行期为2007年到2013年,经费91亿欧元。项目共8个研究方面。第一个研究方面为普适可信的网络与服务基础设施,与未来网络有
7、关。具体项目有FIRE(2008年启动)、4WARD(第1期于2008年启动)、Trilogy(2008年启动)。德国设立了本国项目G-Lab,由5所德国大学承担,执行期为2008年10月到2011年9月,目的是建立未来互联网研究的国家平台。在日本,信息与通信技术国家研究院(NICT)正在研究AKARI项目,提出研究可供2015年应用的新一代网络。AKARI的日语含意是星星之火。该项目也是从根本上重新设计。在韩国,电子与通信研究院(ETRI)和5所大学联合研制FIRST项目,研究未来互联网平台实现的关键技术。这项研究和GENI接轨,执行期为2009年3月到2014年2月。在中国,国家重点基础研
8、究发展计划(“973”计划)也设立了与未来或新一代互联网有关的项目。正在进行的有:以张宏科教授为首席科学家的“一体化可信网络与普适服务体系基础研究”项目,以孟洛明教授为首席科学家的“可测可控可管的IP网的基础研究”项目,以吴建平教授为首席科学家的“新一代互联网体系结构和协议基础研究”项目。国家自然科学基金等也设立了与未来互联网有关的项目。此外,钱华林研究员等撰写了“层次交换网络体系结构”一书。该书阐述了互联网面临的挑战,提出了层次式体系结构的新思路,相关成果属于多个科研项目的支持。汪涛撰写了“通播网宣言全IP及三网合一的网络体系及产业结构”一书,提出了通播网体系结构和一种用户名系统,认为可用于
9、未来网络。本文将侧重于讨论与选路有关的体系结构。未来网络的体系结构将体现为位置标志和身份标志分离,边缘网络和核心网络分离,以及全局位置标志、局部位置标志和身份标志分离。1 位置标志和身份标志分离近年来,国内外对未来网络的体系结构提出了很多方案,各有优缺点,使人眼花缭乱。为了对它们进行分类、比较,本文从通信的基本要素出发对未来网络的体系结构进行讨论。对于点与点通信,发信者一般要确定收信者是谁,知道在哪里。如果不知道在哪里,则要通过某种方式去查或者让服务商代查。若需要收信者回信,则要使收信者知道发信者是谁、在哪里。对于内容查找服务,发信者一般要提供查找申请,让服务商提供内容,服务商则要知道发信者是
10、谁、在哪里。内容查找过程中,隐含着有一个在哪里的问题。内容可能保存在多个地方。最好从离用户最近的地方得到内容(甚至已事先放在用户处)。这样,我们可以抽象出两个要素:一个是身份、一个是位置。有时,身份可以和位置合在一起,例如,发信者的信息发到某个地方,就算送达收信者了。要完成通信过程,除了要知道在哪里外,还要解决如何到达的问题,即如何走、走哪条路径问题。这就抽象出第3个要素:选路。对于用户,光是解决和对方联系上还不够,还要满足用户的服务要求。这又抽象出第4个要素:服务,涉及做什么服务和服务质量要求(如实时性、安全可靠性等)。简单地说,可以根据名、址、选路、服务4个要素的处理方法对各种未来网络的体
11、系结构进行分类和比较。本文的讨论侧重于前两个要素。传统的IPv4网络采用32比特地址码。这个地址码既有位置标志的功能,又有身份标志的功能(这里的身份标志是指代表身份的代码。互联网中使用便于人们读懂的名字,身份标志和名字有对应关系)。这种简单化处理使IPv4易于推广应用,因此获得了很大发展。但是,这种位置和身份合一的办法在现在遇到了问题。问题之一是可扩展性,主要表现在核心网中边界网关协议(BGP)路由器中转发信息表(FIB)条目数增长过快。从1994年到现在FIB条目数的增长可知,2005年1月FIB约有15万条,而到2010年3月FIB则发展到31万条。近年来,互联网用户数增长很快,使FIB中
12、条目数继续增长,条目更换的频繁程度也日益增大。因此,人们忧虑,这样发展下去可能会超过路由器的承受能力。条目数的增长固然与用户数增长有关,还与位置和身份合一造成的不利因数有关。这要从地址码是如何分配的说起。地址码的分配有两种:一种是由提供商根据地址码前缀便于会聚原则分配给用户地址码,称为提供商可会聚(PA)。所谓会聚是:采用最长前缀匹配算法进行路由查找的路由器将相近前缀的地址码合在一个条目中,使条目数得以压缩。另一种分配方法是用户独立地获得地址码,称为与提供商独立(PI)。从压缩转发表的角度,当然是PA好,但是,如果某一个用户单位因某种原因更换提供商,则该单位分配的IP地址就要改变。有的用户单位
13、认为这样耗时并可能出错,就采用PI,可以方便地更换提供商。但这样做可能使该单位的IP前缀与新提供商的IP前缀不能会聚。也就是更换提供商会使条目数增长。位置和身份合一时,采用多宿和流量工程,也会使转发表的条目数增长。多宿是指用户经过多个提供商网络进行连接,以增加可靠性,这会增加条目数。流量工程的作用通常是使网络中的负载均衡,避免有的地方拥塞,而有的地方却空闲,以充分利用网络容量并保证用户的服务质量。在这里,流量工程的一个例子是用户根据提供商的服务和忙闲情况,将拥有的地址空间分块,连接到不同的提供商,但这会增加条目数。除上述可扩展性问题外,位置和身份合一遇到的另一个问题是不利于支持移动性。在执行一
14、个服务过程中,常希望通信双方的身份不变。如果有身份改变,服务者认为出了问题,就会停止服务。用户移动时,位置改变了,但身份没有变,因此合在一起时就会遇到问题。在现有互联网中,IP地址改变会引起上层传输控制协议(TCP)的连接中断。为此,技术人员研究出Mobile IPv4和Mobile IPv6。但是,这些方案比较复杂,不尽合理,而且还不适应快速切换。位置和身份合一遇到的第3个问题是不利于支持安全性。为了安全,可能要对身份和位置分别处理,因为合在一起将对寻求有效的安全性方案产生限制。由于上述原因,近年来提出的未来互联网体系结构大多采用了位置标志和身份标志分离。可以分为基于主机的分离和基于网络的分
15、离。主机标志协议(HIP)方案是一种基于主机的位置与身份分离方案1。它在传输层和网络层之间增加了新的主机标志层。用密码和哈希算法形成128比特的主机标志签(HIT)来表示主机的身份。应用层和传输层通信基于固定的主机标志。IP地址只用于选路而不再用来代表主机身份。HIP是为了解决安全性、移动性、多宿问题而提出的。但是,存在的问题是要对主机进行更改,主机要承担复杂的运算,要有相当的运算能力,这影响了HIP的推广应用。此外,为了使网络的可扩展性好,要求主机采用提供商可会聚(PA)的IP地址,但是有的用户单位可能认为可扩展性是提供商的事而坚持用PI的IP地址以便于更换提供商。因此可扩展性仍未解决。由于
16、主机的位置与身份分离遇到上述问题,因此一些方案提出把分离放到网络中实现,称为基于网络的位置与身份分离。这些方案采用了边缘网络和核心网络分离的概念2。有的方案允许主机不作更改。2 边缘网络和核心网络分离通信网可分成边缘网和核心网。下面通过Cisco公司提出的LISP3来说明。LISP把互联网分成边缘网和核心网。边缘网中有主机。这些主机采用已有的IPv4或IPv6,即主机不用改动。边缘网中有一个或多个入口隧道路由器(ITR),用于把本边缘网源主机送来的IP分组转发到核心网中去;还有一个或多个出口隧道路由器(ETR),用于把核心网送来的目的地为本边缘网的IP分组送到目的主机去。通信时,源主机发出的I
17、P分组头中有本机地址码和目的地址码。若目的地址码属于外地的,则送到所属的ITR去。边缘网内部所用的地址码称为终点标志(EID)。ITR收到要它转发的分组后,先通过某种查映射表的方式,找到目的EID所属边缘网中ETR的核心网用(可以是IPv4或IPv6)地址码。核心网用地址码称为选路位置标志(RLOC)。ITR查到目的RLOC后,把主机送来的分组封装进一个更长的分组中。这个加长分组多了一个外加分组头,其中有源端的RLOC和目的RLOC。此加长分组送入核心网,按照目的RLOC送到目的边缘网的ETR。该ETR拆去外层分组头,按照目的EID送到目的主机去。从上面的叙述可知,核心网中的选路只涉及RLOC
18、,不受边缘网内变化的影响。RLOC的地址码可根据易会聚的原则分配。这使核心网路由器中的转发表得以紧缩,条目更换的频繁程度也减小。LISP不需改变主机,不需改变核心网中的路由器,但要增加隧道路由器和映射表查找系统。人们已经为LISP提出多种映射表查找系统的方案。这些方案各有优缺点。LISP对查找所需时间要求较高。因为用户的分组到达ITR后,有的方案要等到查找完才转发出去。如果查找时延过大,第一个或前面的分组可能因存储容量不够而丢失。解决的方法之一是采用好的查找系统,减小时延。本文考虑,若能让主机先发一个请求连接分组(这要改变现有通信方式),查找完成后应答,然后再和对方通信,可避免分组丢失。作各种
19、方案分类时,在边缘网络与核心网络间采用何种转发机制是要说明的。LISP采用了映射和封装方式。封装操作较简单,但使分组长度加长。有的方案,如Six/One方案4,采用地址改写方式,分组长度可不变,但需要一定的操作,此外还要依靠映射表。LISP划归边缘和核心网络分离的方案,容易理解。但将LISP划归位置标志和身份标志分离的方案,需要作一些解释。本文认为EID既代表了身份又代表了局部位置,只是把身份和代表全局位置的RLOC分离了,也就是位置标志和身份标志没有彻底分离。这种安排影响到对移动性的支持。属于边缘和核心网络分离,且不改变现有主机的方案还有Ivip5等。Ivip在映射表查找方面有其特点。3 全
20、局位置标志、局部位置标志和身份标志分离将通信网分成边缘网和核心网,造成出现了局部位置和全局位置概念。也就是将位置分了层次。不过,LISP把身份和局部位置相合,连同全局位置一共只有两种标志:EID和RLOC。文献6把局部位置和身份分离,提出了全局位置标志、局部位置标志和身份标志分离(GLI-Split)的概念。定义了3种分别与全局位置(GL)、局部位置(LL)、身份(ID)有关的码结构。这些码都是128比特,以便和IPv6兼容。GLI需要更新现有主机和增设GLI网关。网关采用改写方式进行全局地址码和局部地址码间的变换。网络中有ID到LL的局部映射系统和ID到GL的全局映射系统。GLI具有位置和身
21、份分离、边缘和核心分离的好处,且改进了对移动性的支持。此外,GLI提出了与现有IPv6的互连,以解决过渡问题。GLI的问题是需要更改原有主机。映射系统的设计也是一个新问题。不过,映射系统的查找时间只影响连通时间,一般不会引起分组丢失。位置可以分层次,甚至分为多层。身份也可以分层次。本文中的身份标志是指通信设备中代表身份的代码。在涉及人类使用的通信中,常采用名字来代表身份。例如,“张伟”是一个名字。但是,全球可能有很多个张伟。可以冠以有结构层次的前缀,例如:中国.四川.成都.某某单位.张伟。在全球通信中,名字应该是唯一的。为了适应在设备中使用,通常把名字转换为代码。可以把全局名字转换成一组无层次
22、结构的代码,例如用哈希法作转换。HIP方案就采用了平坦的HIT代码。也可以把局部名字用哈希法作转换,再在前面加结构性代码(例如代表国家、提供商等的代码),构成全局身份标志。文献7-8中的方案采用了这种有结构的全局身份标志,并引入了层次。采用分层次身份标志的优点是便于管理,在查找映射表时也可利用此特点。4 结束语未来互联网的体系结构研究涉及的方面很广,本文只围绕与选路有关的身份和位置问题做探讨,重在说明一些思路,而不是对所有方案9-11做综述。未来互联网究竟采用何种身份和位置标志方式,有关方面正在研究之中。各种方案各有优缺点。本文说明的思路可用来对各种方案进行分类和比较。目前,有关的术语还未统一
23、,本文对术语的用法和译法可以进一步推敲。身份和位置分离的研究要解决多种问题,例如,映射表查找系统的设计问题、安全性问题等,这些都可以作为专题另行讨论。5 参考文献1 IETF RFC 5201. Host Identity Protocol S. 2008.2 JEN D, MEISEL M, YAN H, et al. Towards a New Internet Routing Architecture: Arguments for Separating Edges from Transit Core C/Proceedings of the 7th ACM Workshop on Hot
24、 Topics in Networks (HotNets08),Oct 6-7, 2008, Calgary, Canada. New York, NY,USA: ACM, 2008: 1-6.3 FARINACCI D, FULLER V, MEYER D, et al. Locator/ID Separation Protocol (LISP) R. Internet Draft, Work in Progress, draft-farinacci-lisp-06.txt. 2010. 4 VOGT C. Six/one router: A Scalable and Backwards C
25、ompatible Solution for Provider-Independent Addressing C/Proceedings of the 3rd International Workshop on Mobility in the Evolving Internet Architecture (MobiArch08), Aug 22, 2008, Seattle, WA, USA. New York, NY,USA: ACM, 2008: 13-17.5 Ivip: A Scalable Routing and Addressing Architecture for the Int
26、ernet EB/OL. 2010-04-01. .6 MENTH M, HARTMANN M, KLEIN D. Global Locator, Local Locator, and Identifier Split EB/OL. 2009-12-25. /Menth-GLI-Split.pdf.7 XU X. Routing Architecture for the Next Generation Internet (RANGI) EB/OL. 2010-02-12. . 8 PAN J, JAIN R, PAUL S, et al. Enhanced MILSA Architecture
27、 for Naming, Addressing, Routing and Security Issues in the Next Generation Internet C/Proceedings of the IEEE International Conference on Communications(ICC09), Jun 14-18,2009, Dresden, Germany. Piscataway, NJ,USA: IEEE, 2009:6p.9 涂睿, 苏金树, 彭伟. 位置与标识分离的命名和寻址体系结构研究综述 J. 计算机研究与发展, 2009,46(11):1777-1786.10 PAUL S, JAIN R, PAN J. Architectures for Future Networks and the Next Generation Internet: A Survey R. WUSTL Technical Report, WUCSE-2009-69. 2009.11 LI T. Recommendation for a Routing Architecture EB/OL. 2010-03-06. .收稿日期:2010-03-16作者简介李乐民,电子科技大学通信与信息工程学院教授、博士生导师,中国工程院院士;长期从事通信网络技术的研究工作。
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