互聯(lián)網(wǎng)路由擴(kuò)展性研究狀況分析

摘要:Internet的快速發(fā)展對(duì)路由擴(kuò)展性造成了巨大的壓力。為了Internet能夠持續(xù)、穩(wěn)定、快速的發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和工業(yè)界提出了一些針對(duì)Internet的路由擴(kuò)展性的解決方案。文章基于Internet面臨的路由擴(kuò)展性問(wèn)題，分析導(dǎo)致問(wèn)題的原因；在對(duì)影響Internet路由擴(kuò)展性的若干因素進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)介紹互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和工業(yè)界提出的一些典型解決方案；在對(duì)Internet路由擴(kuò)展性問(wèn)題行總結(jié)的基礎(chǔ)上，提出未來(lái)Internet路由系統(tǒng)的需求。

關(guān)鍵字:Internet路由系統(tǒng)；邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議；可擴(kuò)展性

英文摘要:Rapid improvement of the Internet has imposed significant pressure on its routing scalability. However, in order to maintain this rapid improvement in a continuous and stable way, some solutions for the scalability problem in routing system have been proposed by academia and the Internet technology industry. In this paper, we first introduce the problem of routing scalability faced by the Internet. Then we analyze the root causes of the problem, and introduce some of the abovementioned solutions. Finally, we conclude on the scalability problem of Internet routing and the requirements of the future Internet routing system.

英文關(guān)鍵字:Internet routing system; BGP; scalability

基金項(xiàng)目：國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃 (“973”計(jì)劃)課題 (2009CB320504)；國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃資助(“863”計(jì)劃)課題(2007AA01Z206, 2009AA01Z210)

Internet起源于美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署資助開(kāi)發(fā)的阿帕網(wǎng)(ARPANET)，最初它只是分布于美國(guó)4所著名大學(xué)的4個(gè)節(jié)點(diǎn)互聯(lián)組成的數(shù)據(jù)分組交換網(wǎng)，網(wǎng)速56 kbit/s，但在后續(xù)的40多年中，Internet得到了快速發(fā)展和迅速普及，根據(jù)Internet系統(tǒng)協(xié)會(huì)2009年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，Internet已成為超過(guò)6億個(gè)節(jié)點(diǎn)，核心節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)處理能力達(dá)到每秒太比特級(jí)的全球超級(jí)信息系統(tǒng)。

隨著Internet規(guī)模的不斷擴(kuò)大，全球邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP)路由表呈現(xiàn)出“超線(xiàn)性”增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，數(shù)據(jù)顯示全球BGP轉(zhuǎn)發(fā)信息表(FIB)已從20世紀(jì)90年代末期的5萬(wàn)余條爆增至2010年的30萬(wàn)余條，如圖1所示。有專(zhuān)家預(yù)測(cè)在未來(lái)15年內(nèi)可能會(huì)增至200萬(wàn)條，2050年甚至可達(dá)到1 000萬(wàn)條[1]，路由表的“超線(xiàn)性”增長(zhǎng)以及由其所引出的一系列問(wèn)題將導(dǎo)致Internet體系結(jié)構(gòu)和路由機(jī)制的擴(kuò)展性面臨巨大的挑戰(zhàn)[2]。

全球BGP路由表的“超線(xiàn)性”增長(zhǎng)需要BGP路由器采用容量更大、查詢(xún)速度更快的存儲(chǔ)器(動(dòng)態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、靜態(tài)隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、三重內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器)保存路由信息表(RIB)和FIB；由于每條路由表項(xiàng)的維護(hù)包括新建、撤銷(xiāo)、更新等都需要發(fā)布BGP通告，路由表的增長(zhǎng)增加了BGP通告發(fā)布的數(shù)量和頻率，使更多、更頻繁的BGP路由更新注入Internet核心，從而形成了Internet網(wǎng)絡(luò)中的“路由更新攪動(dòng)”，導(dǎo)致路由的不穩(wěn)定、路由器計(jì)算FIB的負(fù)擔(dān)加重以及路由收斂時(shí)間的延長(zhǎng)；另外，路由表查詢(xún)速度要求的提高和計(jì)算負(fù)荷的增大導(dǎo)致更大的功耗，因此需要更大型的供電系統(tǒng)和散熱系統(tǒng)。全球BGP路由表的“超線(xiàn)性”增長(zhǎng)以及由此引發(fā)的一些列問(wèn)題無(wú)疑增加了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營(yíng)成本，影響Internet的發(fā)展。因此，路由擴(kuò)展性問(wèn)題引起了學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的廣泛關(guān)注。

1 影響互聯(lián)網(wǎng)路由擴(kuò)展性因素

2006年10月，鑒于由于互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大帶來(lái)的一系列問(wèn)題，互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)委員會(huì)(IAB)在荷蘭阿姆斯特丹就Internet路由技術(shù)舉行了路由和尋址專(zhuān)題討論會(huì)，并在會(huì)后形成了分析和研究互聯(lián)網(wǎng)路由擴(kuò)展性問(wèn)題的報(bào)告RFC4984。研究人員普遍認(rèn)為導(dǎo)致互聯(lián)網(wǎng)路由擴(kuò)展性問(wèn)題的主要因素是IP地址的語(yǔ)義重載、站點(diǎn)多歸屬、流量工程、提供商獨(dú)立地址、反前綴劫持。

1.1 IP地址的語(yǔ)義重載

目前的IP地址具有雙重語(yǔ)義，一方面它是表示主機(jī)身份的端點(diǎn)標(biāo)志符，另一方面它又是表示網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湮恢玫亩ㄎ环�。端點(diǎn)標(biāo)志符原則上應(yīng)該與網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洫?dú)立，在網(wǎng)絡(luò)或主機(jī)改變拓?fù)湮恢玫臅r(shí)候，端點(diǎn)標(biāo)志符應(yīng)該保持不變，但目前的IP地址卻擔(dān)負(fù)了這種目標(biāo)并不一致的雙重角色。IP地址的語(yǔ)義重載是站點(diǎn)多歸屬、流量工程、PI地址導(dǎo)致路由系統(tǒng)出現(xiàn)擴(kuò)展問(wèn)題的根源。專(zhuān)家認(rèn)為未來(lái)主機(jī)標(biāo)志與網(wǎng)絡(luò)位置標(biāo)志的分離對(duì)路由系統(tǒng)的可擴(kuò)展性來(lái)說(shuō)十分必要。

1.2 站點(diǎn)多歸屬

具有連接到多個(gè)服務(wù)提供商能力的站點(diǎn)被稱(chēng)為多歸屬站點(diǎn)[3]。站點(diǎn)多歸屬能使站點(diǎn)在某一個(gè)ISP故障的時(shí)候?yàn)榫W(wǎng)絡(luò)提供其他可用連接，增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的可靠性和可恢復(fù)性。目前至少有60%的接入服務(wù)器(AS)是多歸屬的，這個(gè)數(shù)字還在不斷上升[4]。為了保證數(shù)據(jù)分組經(jīng)過(guò)多個(gè)ISP仍能到達(dá)正確的站點(diǎn)，為多歸屬站點(diǎn)提供Internet服務(wù)的所有服務(wù)提供商都必須向外單獨(dú)通告該站點(diǎn)的IP地址前綴，因此站點(diǎn)多歸屬破壞了地址的可聚合性，導(dǎo)致細(xì)小的地址塊注入到Internet核心路由表中，它是導(dǎo)致目前路由擴(kuò)展性問(wèn)題的主要原因之一。

1.3 流量工程

流量工程就是要實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)網(wǎng)絡(luò)的性能優(yōu)化，它通過(guò)對(duì)Internet流量的測(cè)量、建模、規(guī)劃和控制等科學(xué)原理和技術(shù)方法達(dá)到實(shí)現(xiàn)特定性能的目的，流量工程的目的是在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源利用率和流量性能的同時(shí)提供可靠高效的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)[5]。流量工程能幫助ISP降低運(yùn)營(yíng)成本(讓流量通過(guò)較低成本的路徑)、優(yōu)化部署策略(較高優(yōu)先級(jí)的流量通過(guò)較好質(zhì)量的路徑)、保證負(fù)載均衡，目前在ISP處得到廣泛應(yīng)用。但是目前的流量工程主要靠通過(guò)解聚合IP地址前綴、向全球路由系統(tǒng)注入更詳細(xì)(更長(zhǎng))的地址前綴、利用更多、更頻繁的BGP更新達(dá)到對(duì)流量的控制，因而在優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能的同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致全球BGP路由表的相應(yīng)膨脹。

1.4 提供商獨(dú)立地址PI的分配

站點(diǎn)的IP地址不由ISP分配，而是直接向區(qū)域Internet注冊(cè)機(jī)構(gòu)(RIR)申請(qǐng)獲得，這類(lèi)IP地址與ISP無(wú)關(guān)，被稱(chēng)為提供商獨(dú)立(PI)地址。PI地址可以幫助用戶(hù)在更換ISP時(shí)避免重新編址，但由于PI地址不由ISP分配，因此ISP也無(wú)法將此地址塊聚合，只能向外單獨(dú)通告此網(wǎng)絡(luò)的詳細(xì)地址前綴。因此PI地址也破壞了地址的可聚合性，使越來(lái)越多的用戶(hù)網(wǎng)絡(luò)地址注入Internet核心路由表。

1.5 反前綴劫持

Internet是一個(gè)開(kāi)放的分布式系統(tǒng)，其路由的通告、更新和撤銷(xiāo)等都是由各AS決定的。一些AS可能出于惡意或由于網(wǎng)絡(luò)管理員的錯(cuò)誤配置，向外通告不屬于自己的地址前綴，導(dǎo)致目的為這些地址的數(shù)據(jù)分組被錯(cuò)誤地引導(dǎo)到該AS而無(wú)法到達(dá)原本的目的地，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為前綴劫持。為了抵御前綴劫持的攻擊，目前AS一般采用為較重要的服務(wù)如域名服務(wù)器(DNS)向外通告盡可能長(zhǎng)的前綴(至少24位)，所以反前綴劫持技術(shù)的使用也導(dǎo)致了全球路由表的增長(zhǎng)[6]。

眾所周知，目前的路由技術(shù)都是基于拓?fù)涞�，拓�(fù)渚酆鲜悄壳氨ＷC路由系統(tǒng)擴(kuò)展性的唯一實(shí)際方法。但上述情況在不同程度上都破壞了Internet地址的可聚合性，導(dǎo)致了全球BGP路由表的快速膨脹，引發(fā)了Internet路由擴(kuò)展性的問(wèn)題，影響了Internet的擴(kuò)展性，最終將影響Internet的持續(xù)發(fā)展。Internet路由擴(kuò)展性成為下一代Internet必須解決的首要問(wèn)題之一。

2 Internet路由擴(kuò)展性研究狀況

 Internet路由擴(kuò)展性的研究工作得到了互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)領(lǐng)域?qū)W術(shù)界和工業(yè)界的高度關(guān)注，國(guó)際上的一些著名研究機(jī)構(gòu)在該方向上進(jìn)行了大量的研究并相繼提出了一些初步方案，比較著名的方案有：加州大學(xué)洛杉磯分校提出的eFIT[7]、麻省理工大學(xué)提出的LANI[8]、加州大學(xué)伯克利分校提出的HLP[9]、伊利諾伊大學(xué)提出的ROFL、康奈爾大學(xué)提出的核心路由器完整覆蓋(CRIO)和虛擬聚合(VA)、美國(guó)波特蘭第一基礎(chǔ)研究院提出的IVIP、思科公司提出的LISP、愛(ài)立信公司提出的HIP和Christian Vogt提出的Six/One以及Patrick Frejborg提出的HIPv4等。此外，也有一些學(xué)者將關(guān)注點(diǎn)轉(zhuǎn)移到其他一些相關(guān)研究領(lǐng)域上，例如壓縮路由，希望通過(guò)其他研究領(lǐng)域的一些研究成果推動(dòng)路由系統(tǒng)可擴(kuò)展問(wèn)題的解決。Internet研究任務(wù)組(IRTF)為此也建立了路由研究工作組(RRG)進(jìn)行路由擴(kuò)展性問(wèn)題的研究，eFIT、LISP、IVIP、Six/One都成為了RRG的提案，HIPv4等一些方案在RRG中還處于提交討論階段。

目前，解決互聯(lián)網(wǎng)路由擴(kuò)展性的方案基于拓?fù)渚酆系妮^多，大致可分為兩種類(lèi)型：一種是虛擬聚合類(lèi)，這類(lèi)方案的主要思想是保留BGP路由系統(tǒng)不變，在其上搭建覆蓋網(wǎng)，將比較細(xì)小的前綴的路由表項(xiàng)從BGP路由系統(tǒng)中提取出來(lái)，存儲(chǔ)在覆蓋網(wǎng)上，如CRIO、VA；另一種類(lèi)型是基于身份標(biāo)志和位置標(biāo)志分離的思想，將IP地址的主機(jī)身份標(biāo)志與網(wǎng)絡(luò)位置標(biāo)志分離，此類(lèi)方案又可細(xì)分為主機(jī)驅(qū)動(dòng)型(例如HIP)和路由器驅(qū)動(dòng)型(例如LISP、eFIT、IVIP、Six/One)。另外，LANI將命名空間分為多層例如主機(jī)標(biāo)志層、路由層、服務(wù)標(biāo)志層；HLP是一個(gè)代替BGP的新的域間路由協(xié)議；ROFL的路由基于扁平結(jié)構(gòu)的標(biāo)志符；HIPv4通過(guò)在IPv4地址空間中引入了層次結(jié)構(gòu)保證路由體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性。下面就這些方案中的幾種主要技術(shù)進(jìn)行分析介紹。