隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的一體化路由模型分析范文

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1相關(guān)研究

隧道傳輸技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種新型互聯(lián)網(wǎng)模型中，如面向下一代IPv6互聯(lián)網(wǎng)過(guò)渡的隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)模型、面向互聯(lián)網(wǎng)路由可擴(kuò)展問(wèn)題的標(biāo)識(shí)空間分離網(wǎng)絡(luò)模型、虛擬網(wǎng)絡(luò)模型等等．文獻(xiàn)［3，7］是IETF工作組提出的軟線式網(wǎng)狀架構(gòu)：Softwire，它利用地址映射解決IPv4與IPv6之間的過(guò)渡問(wèn)題，IPv4報(bào)文封裝在IPv6報(bào)文里傳輸．每個(gè)IPv4／IPv6網(wǎng)關(guān)AFBR（AddressFamilyBorderRouter）存儲(chǔ)全網(wǎng)的映射信息，映射信息通過(guò)擴(kuò)展的BGP協(xié)議［8］進(jìn)行通告．源端系統(tǒng)將IPv4報(bào)文發(fā)送到所屬的AFBR進(jìn)行封裝，并經(jīng)IPv6網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到目的端AFBR，由AFBR進(jìn)行解封裝，將載荷（原始的IPv4報(bào)文）還原出來(lái)，根據(jù)其目的IPv4地址繼續(xù)向目的端轉(zhuǎn)發(fā)．Softwire技術(shù)實(shí)現(xiàn)了面向大規(guī)模IPv4／IPv6過(guò)渡的無(wú)狀態(tài)自動(dòng)隧道技術(shù)，通過(guò)擴(kuò)展互聯(lián)網(wǎng)核心協(xié)議MP－BGP［8］，提供了跨越IPv4／IPv6異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的路由尋址方法．文獻(xiàn)［9］還基于IPv6隧道實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)有IPv4NAT終端用戶的IPv6地址分配及用戶到IPv6網(wǎng)絡(luò)的訪問(wèn)．隧道傳輸技術(shù)也用于解決互聯(lián)網(wǎng)可擴(kuò)展路由問(wèn)題，主要實(shí)施在地址空間分離解決方案中．該方案將用戶位置標(biāo)識(shí)和路由標(biāo)識(shí)分離，基于隧道技術(shù)完成端到端數(shù)據(jù)包在核心網(wǎng)的傳輸．通常，稱用戶位置標(biāo)識(shí)為“邊緣網(wǎng)地址”，用戶路由標(biāo)識(shí)為“核心網(wǎng)地址”，代表技術(shù)有LISP［4］、APT［5］等．LISP協(xié)議將Internet地址分離為終點(diǎn)標(biāo)識(shí)符（EID）和路由定位符（RLOC），通過(guò)隧道封裝及地址映射的方式將核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)分離來(lái)實(shí)現(xiàn)位置分離．為了完成從EID到RLOC的標(biāo)識(shí)映射，LISP利用LISP＋ALT通過(guò)層疊網(wǎng)來(lái)完成映射服務(wù)［10］．

LISP＋ALT使用樹(shù)形結(jié)構(gòu)提供映射服務(wù)，葉子節(jié)點(diǎn)存儲(chǔ)實(shí)際的映射信息，通過(guò)BGP和GRE隧道建立了一個(gè)可完成數(shù)據(jù)探針包、映射請(qǐng)求包和映射應(yīng)答包傳遞的邏輯拓?fù)洌墨I(xiàn)［5］提出了一種能真正在互聯(lián)網(wǎng)部署的地址空間分離模型APT（APracticalTunnelingArchitecture）．該技術(shù)的信息傳遞是通過(guò)將不可被全局路由的地址封裝在可全局路由的地址中，由入口隧道路由器進(jìn)行封裝，出口隧道路由器進(jìn)行解封裝來(lái)實(shí)現(xiàn)的．APT定義了默認(rèn)映射器DM來(lái)存儲(chǔ)全部映射信息，APT模型的映射信息獲取是一種PULL／PUSH混合模式，DM之間通過(guò)DM－BGP交換映射信息，邊緣路由器通過(guò)cache存儲(chǔ)映射信息．然而，cache的維護(hù)非常麻煩，易受攻擊，默認(rèn)映射器DM也需要很高的性能來(lái)支持報(bào)文快速轉(zhuǎn)發(fā)和映射關(guān)系的交互及維護(hù)工作．隧道技術(shù)還廣泛應(yīng)用于各種虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中．文獻(xiàn)［11］設(shè)計(jì)了VegaNet（VirtualGigabitNetwork），它是一種為網(wǎng)絡(luò)研究提供真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境以及對(duì)核心網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬分析的高性能虛擬網(wǎng)絡(luò)．VegaNet中各種功能特性的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)，就是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的隧道封裝技術(shù)．多宿主（Multihoming）技術(shù)是當(dāng)前各機(jī)構(gòu)或終端設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng)的常用方法，文獻(xiàn)［12］對(duì)現(xiàn)有的多宿主連接方法進(jìn)行了分類與比較，總結(jié)了其在網(wǎng)絡(luò)可靠性、負(fù)載均衡等方面的重要意義，學(xué)者還通過(guò)數(shù)學(xué)方法分析出最有效的多徑部署方法［13］．Shim6工作組提出了基于IPv6的站點(diǎn)Multi－h(huán)oming的解決方案［14－15］．它能夠使得Multi－h(huán)oming主機(jī)使用的IP在一個(gè)IP地址前綴的集合中切換，而不影響傳輸層和應(yīng)用層．Shim6架構(gòu)不僅支持站點(diǎn)的多宿主連接，還通過(guò)身份／位置分離技術(shù)解決了互聯(lián)網(wǎng)路由可擴(kuò)展問(wèn)題．多徑連接環(huán)境下，移動(dòng)終端所面臨的傳輸問(wèn)題廣為學(xué)者關(guān)注，文獻(xiàn)［16］通過(guò)對(duì)發(fā)送端分組調(diào)度來(lái)提高多徑傳輸效率，文獻(xiàn)［17］希望基于位置ID和節(jié)點(diǎn)ID的概念來(lái)解決復(fù)雜環(huán)境下的多徑通信問(wèn)題．RFC6182［18］針對(duì)互聯(lián)網(wǎng)主要的傳輸層協(xié)議TCP，設(shè)計(jì)多徑傳輸架構(gòu)來(lái)提高用戶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)．LISA－Recovery［19］針對(duì)站點(diǎn)多宿主環(huán)境，根據(jù)路徑狀態(tài)監(jiān)測(cè)，控制數(shù)據(jù)在多個(gè)傳輸路徑間的選擇和切換，提高了網(wǎng)絡(luò)容錯(cuò)能力．此外，多宿主路由控制技術(shù)也在商業(yè)設(shè)備中應(yīng)用多年，但是路徑切換功能卻存在導(dǎo)致路由振蕩的可能，Liu等人［20］針對(duì)此問(wèn)題提出了用戶最優(yōu)路由來(lái)規(guī)避路由振蕩并提高路由性能．當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)幾種典型的路由協(xié)議都有各自的路由度量方法．RIP［21］協(xié)議是一種經(jīng)典路由協(xié)議，它工作簡(jiǎn)單，常被應(yīng)用于小型域內(nèi)路由體系中．RIP協(xié)議以路由跳數(shù)為路由度量參數(shù)．

OSPF［22］是目前應(yīng)用最廣泛的域內(nèi)路由協(xié)議，它根據(jù)SPF算法進(jìn)行路徑選擇．OSPF協(xié)議以鏈路cost值作為其路由度量參數(shù)．然而，鏈路cost值是一個(gè)抽象的度量參數(shù)，管理員可根據(jù)具體情況確定不同的設(shè)定依據(jù)，如鏈路帶寬、鏈路距離、鏈路可靠性等等．BGP協(xié)議［23］是互聯(lián)網(wǎng)普遍使用的唯一的域間路由協(xié)議，它利用多個(gè)BGP屬性完成路由決策和控制，其中BGP屬性包括路由信息來(lái)源（Origin）、AS路徑（AutonomousSystemPath）、下一跳IP地址（Next－h(huán)op）等等．現(xiàn)有路由體系及其路由度量方法，只為單一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，并不面向隧道傳輸這種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)提供一體化度量方法及一體化路由機(jī)制．上述各種隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)及路由體系的研究分析，表明當(dāng)前的隧道傳輸模型存在著一些共性問(wèn)題：隧道傳輸涉及的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)度量信息不關(guān)聯(lián)，在狀態(tài)變化時(shí)的互不感知，無(wú)法提供端到端傳輸?shù)目焖偈諗?；大部分模型不支持多宿主異?gòu)網(wǎng)絡(luò)連接，無(wú)法提供靈活、可靠的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)連接；不支持跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一體化路由傳輸體系，無(wú)法實(shí)現(xiàn)跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的最優(yōu)傳輸路徑?jīng)Q策機(jī)制．

2隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的路由分析

首先給出隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的主要符號(hào)定義．除了前文已定義的支撐網(wǎng)絡(luò)SNET和邊緣網(wǎng)絡(luò)ENET，定義支撐網(wǎng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)為S＿ID，邊緣網(wǎng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)為E＿ID．另外，定義邊緣網(wǎng)和支撐網(wǎng)的路由連接設(shè)備為異構(gòu)網(wǎng)關(guān)H＿GW（HeterogeneousGateWay）．隧道傳輸?shù)幕具^(guò)程如圖2所示．源端系統(tǒng)發(fā)出原始報(bào)文，經(jīng)邊緣網(wǎng)到達(dá)源端異構(gòu)網(wǎng)關(guān)；源端異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)原始報(bào)文的邊緣網(wǎng)目的標(biāo)識(shí)查詢對(duì)應(yīng)的支撐網(wǎng)標(biāo)識(shí)，并將報(bào)文封裝發(fā)送至目的端異構(gòu)網(wǎng)關(guān)．目的端異構(gòu)網(wǎng)關(guān)解封裝得到原始報(bào)文，并根據(jù)目的端邊緣網(wǎng)路由發(fā)送到最終的目的端系統(tǒng)．隧道傳輸總是與標(biāo)識(shí)映射密切關(guān)聯(lián)，傳統(tǒng)標(biāo)識(shí)映射關(guān)系中，某個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)只會(huì)被1個(gè)支撐網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)所代表．本文提出的多宿主連接結(jié)構(gòu)，1個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)將對(duì)應(yīng)1個(gè)或多個(gè)支撐網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)．標(biāo)識(shí)映射關(guān)系也可理解為一種代表關(guān)系，即1個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)被1個(gè)或多個(gè)支撐網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)所代表．如圖3所示，邊緣網(wǎng)通過(guò)多個(gè)通道接入支撐網(wǎng)絡(luò)（多宿主連接），這將提高邊緣網(wǎng)到支撐網(wǎng)的連通可靠性及連接帶寬．此時(shí)，跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的端到端傳輸路徑也變得多樣化，圖3中主機(jī)H1到H2的通信有多種可能的傳輸路徑．由于主機(jī)到末端路由器ER（EndRouter）的一跳傳輸路徑是確定的，所以本文只分析路由設(shè)備間的傳輸路徑．H1到H2有4條傳輸路徑：｛ER1，H＿GW1，H＿GW3，ER2｝，｛ER1，H＿GW1，H＿GW4，ER2｝，｛ER1，H＿GW2，H＿GW3，ER2｝，｛ER1，H＿GW2，H＿GW4，ER2｝．所以，需要為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸尋找最為合適的傳輸路徑．同時(shí)，由于多條傳輸路徑的存在，應(yīng)該支持網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化時(shí)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑的快速切換．當(dāng)然，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)一體化路由的前提是各個(gè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的路由度量能相互傳遞并實(shí)現(xiàn)一體化評(píng)價(jià)，即統(tǒng)一異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的路由度量所以，多宿主連接環(huán)境下隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的一體化路由模型面臨3個(gè)主要問(wèn)題：（1）如何統(tǒng)一隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)中不同路由體系的度量標(biāo)準(zhǔn)，并實(shí)現(xiàn)路由度量在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)間的傳遞；（2）基于統(tǒng)一的路由度量，如何實(shí)現(xiàn)跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的端到端一體化最優(yōu)路徑?jīng)Q策；（3）面向一體化路由模型的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)．本文工作正是圍繞上述問(wèn)題展開(kāi)．

3一體化路由模型

令圖3中末端路由器ER1～2的所轄邊緣網(wǎng)標(biāo)識(shí)段為E＿ID1～2，H1和H2主機(jī)標(biāo)識(shí)分別屬于標(biāo)識(shí)段E＿ID1和E＿ID2，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)H＿GW1～4的支撐網(wǎng)標(biāo)識(shí)分別為S＿ID1～4．隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)中，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)都有各自的路由體系，并根據(jù)不同的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)設(shè)置路由度量．然而，跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一體化路由必須將不同的路由度量相互關(guān)聯(lián)，本文通過(guò)參考度量實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)．定義1．參考度量．針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同路由體系路由優(yōu)劣的統(tǒng)一數(shù)值化表示，記作RM（Refer－encedMetric）．參考度量可以表示跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)路徑的優(yōu)劣．假設(shè)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中有兩條傳輸路徑PATH1和PATH2，它們對(duì)應(yīng)的參考度量分別為RM1和RM2，若RM1＜RM2，則稱PATH1優(yōu)于PATH2．同時(shí)，將傳統(tǒng)路由度量定義為CM（ConventionalMetric）．考慮對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的兼容性，參考度量只是用作傳統(tǒng)路由度量在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)傳遞的載體，單個(gè)網(wǎng)絡(luò)中的路由方法仍然按照各自的傳統(tǒng)路由度量實(shí)施．所以，一體化路由模型需要實(shí)現(xiàn)參考度量與傳統(tǒng)度量的互轉(zhuǎn)，以及參考度量的傳遞．定義2．

標(biāo)識(shí)映射．定義標(biāo)識(shí)映射為邊緣網(wǎng)標(biāo)識(shí)E＿ID到支撐網(wǎng)標(biāo)識(shí)S＿ID的映射，表示為〈E＿ID，S＿ID，RM〉．映射項(xiàng)中的參考度量RM是專門為異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)一體化路由而設(shè)計(jì)的，現(xiàn)有隧道網(wǎng)絡(luò)中的映射項(xiàng)并無(wú)此參數(shù)．由于邊緣網(wǎng)以多宿主方式接入支撐網(wǎng)，一個(gè)邊緣網(wǎng)標(biāo)識(shí)可能對(duì)應(yīng)多個(gè)支撐網(wǎng)標(biāo)識(shí)，并有各自的參考度量．標(biāo)識(shí)映射的產(chǎn)生、存儲(chǔ)及傳播過(guò)程都與參考度量密切關(guān)聯(lián)．異構(gòu)網(wǎng)關(guān)生成新的標(biāo)識(shí)映射時(shí)，將異構(gòu)網(wǎng)關(guān)到邊緣網(wǎng)標(biāo)識(shí)的路由度量轉(zhuǎn)換為參考度量，存儲(chǔ)于標(biāo)識(shí)映射中．標(biāo)識(shí)映射攜帶參考度量在支撐網(wǎng)絡(luò)中傳播，但最終會(huì)將參考度量轉(zhuǎn)換成傳統(tǒng)度量，為路由決策提供依據(jù)．圖4描述了3個(gè)轉(zhuǎn)換函數(shù)的使用方法以及它們之間的關(guān)系．其中，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)參數(shù)以及標(biāo)識(shí)映射／引入策略的配置與一體化路由模型的具體實(shí)施密切相關(guān)．本文后續(xù)描述中，度量轉(zhuǎn)換主要根據(jù)傳統(tǒng)路由度量完成，以最直接的路由跳數(shù)作為傳統(tǒng)路由度量的唯一參數(shù)，并與參考度量實(shí)施等值轉(zhuǎn)換．度量轉(zhuǎn)換、參考度量存儲(chǔ)及參考度量傳遞等事件，都是在隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)映射的生成和傳遞過(guò)程中發(fā)生．以圖3中ER1所轄標(biāo)識(shí)段E＿ID1為例，分析其映射項(xiàng)及路由度量在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的傳播過(guò)程．假設(shè)雙向路由度量等值，即網(wǎng)絡(luò)中任意一條路徑的往、返路由度量總是相等．主要步驟如下．

4性能分析

便于分析，有表2所示符號(hào)定義．

4.1映射項(xiàng)存儲(chǔ)多宿主連接環(huán)境中，一個(gè)邊緣網(wǎng)通過(guò)多個(gè)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)接入支撐網(wǎng)，每個(gè)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)都會(huì)針對(duì)所轄邊緣互聯(lián)網(wǎng)路由設(shè)備中，路由引擎通過(guò)路由協(xié)議學(xué)習(xí)各種路由信息，并針對(duì)每個(gè)目的前綴選擇一條最優(yōu)路由存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層．由于報(bào)文高速處理時(shí)主要在數(shù)據(jù)層完成，數(shù)據(jù)層的表項(xiàng)容量直接影響著轉(zhuǎn)發(fā)速度以及昂貴的硬件資源，現(xiàn)有研究主要關(guān)注數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層的表項(xiàng)存儲(chǔ)．面對(duì)多宿主連接網(wǎng)絡(luò)，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)可能會(huì)學(xué)習(xí)到針對(duì)同一邊緣網(wǎng)前綴的多個(gè)標(biāo)識(shí)映射項(xiàng)，但只會(huì)選擇一條參考度量最優(yōu)的映射項(xiàng)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層．而且，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)層無(wú)需存儲(chǔ)自身產(chǎn)生的映射項(xiàng)．

4.2路由存儲(chǔ)支撐網(wǎng)絡(luò)中的普通路由器（非異構(gòu)網(wǎng)關(guān)），只需實(shí)施普通的支撐網(wǎng)路由轉(zhuǎn)發(fā)，不關(guān)心邊緣網(wǎng)的多宿主連接，這些路由器的控制層路由項(xiàng)和數(shù)據(jù)層轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)也不受影響．單點(diǎn)連接環(huán)境中，每個(gè)邊緣網(wǎng)路由器只需存儲(chǔ)所在邊緣網(wǎng)的路由，對(duì)于目的端在其他邊緣網(wǎng)報(bào)文，可簡(jiǎn)單通過(guò)默認(rèn)路由到達(dá)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)．所以，邊緣網(wǎng)ENETk中路由器的路由表容量為（Rk＋1），數(shù)據(jù)層的轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)數(shù)量也為（Rk＋1）．取平均值分析，則邊緣網(wǎng)路由器控制層路由表容量REs和數(shù)據(jù)層轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)數(shù)量FEs滿足式（5）．

4.3隧道連接帶寬及可靠性邊緣網(wǎng)單點(diǎn)連接環(huán)境中，每個(gè)邊緣網(wǎng)到支撐網(wǎng)的連接帶寬為Ba．而且，單點(diǎn)連接還導(dǎo)致隧道傳輸?shù)目煽啃暂^低，對(duì)于任意兩個(gè)不同邊緣網(wǎng)的端系統(tǒng)間的隧道傳輸路徑數(shù)量都為1．

4.4綜合分析兩種模型的性能分析比較如表3所述．與現(xiàn)有IRM模型相比，URM模型對(duì)支撐網(wǎng)普通路由設(shè)備沒(méi)有任何影響．然而，它會(huì)使異構(gòu)網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)更多的地址映射信息，以及邊緣網(wǎng)路由設(shè)備存儲(chǔ)更多的路由項(xiàng)／轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)．針對(duì)同一目的前綴的多個(gè)映射項(xiàng)或路由項(xiàng)的合并存儲(chǔ)，可確保兩種模型的表項(xiàng)存儲(chǔ)鏈接結(jié)構(gòu)完全一致，這也使得路由系統(tǒng)控制層計(jì)算復(fù)雜度基本一樣．作者的前期工作還針對(duì)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)映射項(xiàng)存儲(chǔ)進(jìn)行了優(yōu)化研究［24］．當(dāng)然，URM模型帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)非常明顯，在實(shí)現(xiàn)端到端一體化最優(yōu)路由選擇的同時(shí)，增加了隧道傳輸可選路徑數(shù)量，提高了隧道傳輸?shù)目煽啃裕?/p>

5異構(gòu)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì)

4over6過(guò)渡技術(shù)，是典型的隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，已在我國(guó)CERNET2網(wǎng)絡(luò)中的百所高校部署．本文以4over6為例，研究多宿主連接隧道網(wǎng)絡(luò)中異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的功能設(shè)計(jì)，稱該設(shè)備為“過(guò)渡網(wǎng)關(guān)”，該設(shè)計(jì)也可為其他類型的隧道網(wǎng)絡(luò)提供參考．4over6網(wǎng)絡(luò)中的映射信息描述為〈PFX4，ADDR6，RM〉，分別對(duì)應(yīng)了IPv4前綴、IPv6地址和參考度量．過(guò)渡網(wǎng)關(guān)基于IPv4／v6雙棧路由器設(shè)計(jì)，支持多宿主連接環(huán)境的一體化路由機(jī)制及報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)．過(guò)渡網(wǎng)關(guān)主要涉及圖6所示的3個(gè)功能層次．圖6面向4over6隧道的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)功能結(jié)構(gòu)（1）路由協(xié)議及配置層IPv4路由協(xié)議功能模塊沒(méi)有任何變化，完成IPv4路由的學(xué)習(xí)及．IPv6路由協(xié)議中，根據(jù)RFC2858［8］進(jìn)行BGP協(xié)議的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)“IPv4地址前綴IPv6地址”映射信息的及學(xué)習(xí)．而且，針對(duì)一體化路由模型，每條映射信息的都需配置相應(yīng)的參考度量值．?dāng)U展BGP協(xié)議向外的地址映射信息，由下層的地址映射管理模塊生成．相應(yīng)的，過(guò)渡網(wǎng)關(guān)通過(guò)BGP協(xié)議學(xué)習(xí)獲得的地址映射信息，也通告地址映射管理模塊完成后續(xù)處理．此外，地址映射配置模塊用于實(shí)現(xiàn)管理員對(duì)地址映射信息的靜態(tài)配置，如有需要可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)需要直接配置指定映射信息的參考度量．（2）路由管理及地址映射管理層該層為了實(shí)現(xiàn)4over6隧道傳輸，在現(xiàn)有雙棧路由管理基礎(chǔ)上引入了地址映射管理模塊，包括如下子模塊．映射表維護(hù)．實(shí)現(xiàn)映射信息的增加和刪除．一方面，從IPv4路由管理獲得本邊緣網(wǎng)的IPv4前綴，它們都與過(guò)渡網(wǎng)關(guān)的IPv6地址對(duì)應(yīng)，產(chǎn)生本地映射信息“IPv4地址前綴IPv6地址”．

該映射信息將通過(guò)BGP協(xié)議向外．度量轉(zhuǎn)換．根據(jù)前文所述的度量轉(zhuǎn)換函數(shù)F1～3進(jìn)行實(shí)施．當(dāng)本地產(chǎn)生映射信息時(shí)，將IPv4路由度量轉(zhuǎn)換為參考度量（即F1），該度量隨地址映射向外．當(dāng)從上層BGP學(xué)得遠(yuǎn)端地址映射信息〈PFX4，ADDR6，RM〉時(shí)，根據(jù)ADDR6查詢本地IPv6路由表，獲得對(duì)應(yīng)的IPv6路由度量，并將該傳統(tǒng)度量轉(zhuǎn)換為參考度量RM′（即F2）．最后，該映射項(xiàng)對(duì)應(yīng)的參考度量為（RM＋RM′）．IPv4路由轉(zhuǎn)換．過(guò)渡網(wǎng)關(guān)通過(guò)BGP協(xié)議從遠(yuǎn)端學(xué)得映射信息后，根據(jù)映射信息中的IPv4前綴生成IPv4路由通告給IPv4路由管理．需要強(qiáng)調(diào)，過(guò)渡網(wǎng)關(guān)可能學(xué)到多條針對(duì)同一IPv4前綴的映射項(xiàng)，過(guò)渡網(wǎng)關(guān)只會(huì)生成一條IPv4路由，并選擇最優(yōu)的參考度量轉(zhuǎn)換為IPv4傳統(tǒng)度量（即F3），隨IPv4路由項(xiàng)向邊緣網(wǎng)．IPv4／IPv6路由及度量監(jiān)測(cè)．監(jiān)測(cè)IPv4路由表項(xiàng)的增刪，并對(duì)本地產(chǎn)生的地址映射項(xiàng)實(shí)施增刪．如果IPv4路由度量發(fā)生變化，也需更新地址映射項(xiàng)的參考度量并向外．另外，對(duì)于學(xué)習(xí)到的遠(yuǎn)端映射項(xiàng)，需要監(jiān)測(cè)映射項(xiàng)IPv6地址對(duì)應(yīng)IPv6路由項(xiàng)的路由度量，它們的變化將導(dǎo)致映射項(xiàng)參考度量的重新計(jì)算．（3）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層IPv4轉(zhuǎn)發(fā)引擎．IPv4／IPv6地址映射信息將與IPv4轉(zhuǎn)發(fā)表融合存儲(chǔ)，即某個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)可能用于傳統(tǒng)IPv4轉(zhuǎn)發(fā)，也可能用于IPv6隧道封裝．針對(duì)同一IPv4前綴的多條映射項(xiàng)，只會(huì)選擇參考度量最優(yōu)的映射項(xiàng)存儲(chǔ)，同時(shí)存儲(chǔ)映射項(xiàng)的IPv6地址用于報(bào)文封裝．對(duì)于接收的IPv4報(bào)文，取其目的IP地址進(jìn)行IPv4最長(zhǎng)前綴匹配．匹配結(jié)果可能是普通IPv4轉(zhuǎn)發(fā)，也可能是IPv6封裝處理．IPv6轉(zhuǎn)發(fā)引擎．除了傳統(tǒng)的IPv6轉(zhuǎn)發(fā)，還需對(duì)目的IPv6地址為本機(jī)的封裝報(bào)文提交至“封裝／解封裝”模塊實(shí)施解封裝處理．封裝／解封裝處理．對(duì)于IPv4轉(zhuǎn)發(fā)引擎轉(zhuǎn)交而來(lái)的報(bào)文，根據(jù)匹配結(jié)果進(jìn)行“IPv4inIPv6”封裝，并交至IPv6轉(zhuǎn)發(fā)引擎實(shí)施IPv6轉(zhuǎn)發(fā)．對(duì)于IPv6轉(zhuǎn)發(fā)引擎轉(zhuǎn)交而來(lái)的報(bào)文，進(jìn)行解封裝并交至IPv4轉(zhuǎn)發(fā)引擎實(shí)施IPv4轉(zhuǎn)發(fā)．

6實(shí)驗(yàn)分析

首先分析URM一體化路由模型的端到端路由選擇能力．實(shí)驗(yàn)針對(duì)的目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)如圖7所示，兩個(gè)邊緣網(wǎng)絡(luò)ENET1和ENET2分別通過(guò)i個(gè)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)接入支撐網(wǎng)絡(luò)，令URM及IRM兩種路由模型都基于路由跳數(shù)最短進(jìn)行路由選擇．實(shí)驗(yàn)中，隨機(jī)生成末端路由器ER1～2到各自邊緣網(wǎng)不同異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的路由跳數(shù)，并隨機(jī)生成ENET1任一異構(gòu)網(wǎng)關(guān)到ENET2每個(gè)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的支撐網(wǎng)路由跳數(shù)，假設(shè)上述每段路徑的路由跳數(shù)取值范圍為1～10．實(shí)驗(yàn)針對(duì)單個(gè)邊緣網(wǎng)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)數(shù)量i的不同取值進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖所示．當(dāng)i＝1時(shí)，即各邊緣網(wǎng)都是單點(diǎn)連接支撐網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)URM與IRM的路由選擇完全一樣，并無(wú)優(yōu)勢(shì)．但當(dāng)i＝2時(shí)，URM模型明顯優(yōu)于IRM模型，多數(shù)情況下URM選擇的路由跳數(shù)會(huì)優(yōu)于IRM模型．當(dāng)i＝3或4時(shí)，URM模型的優(yōu)勢(shì)更為明顯．本文基于Bit－EngineNetwire4600系列過(guò)渡設(shè)備，按照第6節(jié)完成了異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它可支持IPv4／IPv6異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一體化路由．首先對(duì)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的隧道轉(zhuǎn)發(fā)性能進(jìn)行測(cè)試．將IXIA測(cè)試儀的兩個(gè)千兆接口分別連接異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的兩個(gè)千兆接口，分別測(cè)試普通IPv4報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)性能及4over6封裝轉(zhuǎn)發(fā)性能．實(shí)驗(yàn)針對(duì)不同大小報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)性能測(cè)試，最小報(bào)文為64字節(jié)，最大報(bào)文為1478字節(jié)（由于4over6封裝需增加40字節(jié)的IPv6頭部），實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示．對(duì)于普通IPv4報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，64字節(jié)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力將近900Mbps，長(zhǎng)度超過(guò)200字節(jié)的報(bào)文都能達(dá)到千兆線速轉(zhuǎn)發(fā)．

對(duì)于4over6轉(zhuǎn)發(fā)，64字節(jié)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)性能為520Mbps，隨著報(bào)文長(zhǎng)度增加轉(zhuǎn)發(fā)性能提升，長(zhǎng)度超過(guò)700字節(jié)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)性能穩(wěn)定在900Mbps左右．由于4over6轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)會(huì)增加40字節(jié)的IPv6頭，而實(shí)驗(yàn)中轉(zhuǎn)發(fā)性能統(tǒng)計(jì)是針對(duì)入接口IPv4流量進(jìn)行，所以可認(rèn)為4over6轉(zhuǎn)發(fā)也基本達(dá)到了線速處理．利用IXIA測(cè)試儀，實(shí)施異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示．URM模型中4over6處理的設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延，相對(duì)于普通4over6轉(zhuǎn)發(fā)模型相差無(wú)幾．這是因?yàn)閁RM模型在異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)處理過(guò)程，相對(duì)于普通4over6轉(zhuǎn)發(fā)，沒(méi)有增加任何額外處理步驟．利用異構(gòu)網(wǎng)關(guān)搭建隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)，測(cè)試URM模型的整體路由收斂能力，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D11所示．其中，R2、R3、R6、R9是根據(jù)本文思想設(shè)計(jì)的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)，其他路由器為普通的IPv4路由器或IPv6路由器．為了描述方便，定義圖11下部路徑（R1－R2－R3－R4－R5）為PATH1，上部路徑（R1－R9－R8－R7－R6－R5）為PATH2．兩端是IPv4邊緣網(wǎng)，分別運(yùn)行各自的OSPFv2路由協(xié)議，各條鏈路cost值全部設(shè)置為1，異構(gòu)網(wǎng)關(guān)將邊緣網(wǎng)路徑cost值設(shè)為參考度量隨IPv4－IPv6地址映射信息傳遞．中間是IPv6支撐網(wǎng)，運(yùn)行OSPFv3協(xié)議，也將鏈路cost值設(shè)置為1．另外，支撐網(wǎng)中R2－R3、R9－R6間建立iBGP連接，運(yùn)行擴(kuò)展的iBGP路由協(xié)議．上述機(jī)制使得整個(gè)隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)將以物理跳數(shù)作為基本度量，選擇端到端最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑．通過(guò)主機(jī)H1和H2之間的端到端通信，測(cè)試異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)隧道傳輸體系的一體化路由機(jī)制．為了突出實(shí)驗(yàn)效果，實(shí)驗(yàn)中在R6－R7－R8－R9路徑上注入100Mbps的背景流量．實(shí)驗(yàn)1．利用hrPING（一個(gè)高精度的PING工具）測(cè)試H1到H2的RTT值，以及網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化對(duì)RTT的影響．待各路由協(xié)議穩(wěn)定運(yùn)行后，開(kāi)始測(cè)試RTT值，第30秒斷開(kāi)鏈路link1，第60秒link1恢復(fù)正常連接．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12（a）所示．網(wǎng)絡(luò)初始穩(wěn)定時(shí)，hrPING顯示轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)為5跳且RTT為圖12（a）第1段連線，此時(shí)傳輸路徑為PATH1．

當(dāng)?shù)?0秒link1斷開(kāi)后，圖12（a）顯示發(fā)生了明顯的丟包，之后其RTT值有了明顯的增加且hrPING顯示轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)為6跳，顯然傳輸路徑切換為PATH2．第60秒恢復(fù)link1連接后，從圖12（a）可以看出傳輸路徑在第170多秒才開(kāi)始切換回PATH1傳輸路徑，這是因?yàn)槎说蕉藗鬏斅窂浇?jīng)歷了兩次OSPFv2收斂（中間支撐網(wǎng)的OSPFv3并不受影響）及一次BGP收斂．實(shí)驗(yàn)2．利用Iperf工具測(cè)試H1到H2的TCP傳輸帶寬．實(shí)驗(yàn)過(guò)程的網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化和實(shí)驗(yàn)1相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖12（b）．TCP帶寬也在第30秒后出現(xiàn)短暫幾秒的0值，之后因?yàn)槁窂角袚Q導(dǎo)致帶寬較低并在第170多秒恢復(fù)高帶寬傳輸．為了更清楚地分析網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化對(duì)單向傳輸路徑的變化影響，繼續(xù)利用Iperf工具測(cè)試H1和H2間的單向UDP傳輸帶寬．實(shí)驗(yàn)3．基于鏈路link1的斷連及恢復(fù)過(guò)程，分析H1→H2的單向傳輸路徑及UDP帶寬，實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)1相同，實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖12（c）．可以看出，H1→H2的單向UDP帶寬的變化，和實(shí)驗(yàn)1、實(shí)驗(yàn)2基本類似．然而，接下來(lái)的實(shí)驗(yàn)4卻有與前3次實(shí)驗(yàn)不一樣的結(jié)果．實(shí)驗(yàn)4．基于鏈路link2的斷連及恢復(fù)，分析H2→H1（注意實(shí)驗(yàn)4與前3次實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)傳輸方向不同）的單向傳輸路徑及帶寬．實(shí)驗(yàn)過(guò)程和實(shí)驗(yàn)1類似，只是將針對(duì)鏈路link1的操作，替換為針對(duì)鏈路link2的操作．實(shí)驗(yàn)結(jié)果為圖12（d），與前3次實(shí)驗(yàn)不同的是，link2斷連并恢復(fù)正常后導(dǎo)致的路徑切換發(fā)生在第120多秒，而不是前3次實(shí)驗(yàn)的第170多秒．分析可以發(fā)現(xiàn)，link2的狀態(tài)變化在H2→H1的單向傳輸路徑中，只會(huì)對(duì)H2所屬的IPv4邊緣網(wǎng)選路產(chǎn)生影響．也就是說(shuō)，link2恢復(fù)連接時(shí)，只需經(jīng)過(guò)一次OSPFv2收斂即可促成H2→H1的單向傳輸路徑切換。繼續(xù)分析異構(gòu)網(wǎng)關(guān)及邊緣網(wǎng)路由系統(tǒng)的存儲(chǔ)代價(jià)．在R4中配置不同數(shù)量的IPv4靜態(tài)路由，并重定向至邊緣網(wǎng)OSPF協(xié)議中，這些路由將轉(zhuǎn)化為映射項(xiàng)或路由項(xiàng)在全網(wǎng)傳播．IRM模型實(shí)驗(yàn)拓?fù)淙鐖D13所示，兩個(gè)邊緣網(wǎng)分別只配置一個(gè)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)：R6和R9．URM模型的實(shí)驗(yàn)仍在圖11拓?fù)渲型瓿桑治霎悩?gòu)網(wǎng)關(guān)R9和邊緣網(wǎng)R1路由器的控制層存儲(chǔ)和數(shù)據(jù)層硬件轉(zhuǎn)發(fā)存儲(chǔ)差異，如圖14所示．針對(duì)同一IPv4前綴，URM模型下的異構(gòu)網(wǎng)關(guān)R9要存儲(chǔ)2份去往不同異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的的映射信息．但通過(guò)同一IPv4前綴映射信息合并存儲(chǔ)，URM模型較IRM模型會(huì)耗用略多的控制層內(nèi)存，如圖14（a）．對(duì)于數(shù)據(jù)層核心轉(zhuǎn)發(fā)資源三元內(nèi)容可尋址存儲(chǔ)器TCAM（TernaryContentAddressableMemory），總是以72bits為一個(gè)單元分配使用．兩種模型下異構(gòu)網(wǎng)關(guān)對(duì)TCAM資源的耗用沒(méi)有差異，如圖14（b），都只存儲(chǔ)最好的一條轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)．此外，邊緣網(wǎng)路由器R1在URM模型中要耗用更多的控制層和數(shù)據(jù)層存儲(chǔ)資源，如圖14（c）和圖14（d）．IRM模型因?yàn)橹挥幸粋€(gè)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)，邊緣網(wǎng)可通過(guò)一條默認(rèn)路由／轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)實(shí)現(xiàn)到邊緣網(wǎng)外部的訪問(wèn)．然而，URM模型要針對(duì)每個(gè)外部目的前綴明確指定異構(gòu)網(wǎng)關(guān)，這也是多出口網(wǎng)絡(luò)模型必須面對(duì)的存儲(chǔ)代價(jià)．綜合上述實(shí)驗(yàn)及分析，證明本文提出的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)一體化路由模型能與現(xiàn)有OSPF、BGP等路由協(xié)議友好兼容，并具有良好的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)端到端一體化路由收斂能力，完全符合路由協(xié)議收斂原理．而且，一體化路由模型在控制層和數(shù)據(jù)層的計(jì)算復(fù)雜度都基本沒(méi)有增加．它的主要代價(jià)包括邊緣網(wǎng)路由系統(tǒng)控制層／數(shù)據(jù)層的存儲(chǔ)有較明顯的增加、異構(gòu)網(wǎng)關(guān)的控制層存儲(chǔ)略有增加．

7總結(jié)

現(xiàn)有隧道傳輸機(jī)制只考慮基本的單點(diǎn)可連通性，沒(méi)能對(duì)端到端跨越異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的傳輸路徑進(jìn)行一體化考慮，是一種分段實(shí)施路由選擇的孤立路由模型．本文針對(duì)邊緣網(wǎng)到支撐網(wǎng)的多宿主連接環(huán)境，提出了一種跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的一體化路由模型———URM．URM模型通過(guò)參考度量對(duì)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的路由優(yōu)劣進(jìn)行統(tǒng)一描述，并設(shè)計(jì)了參考度量與傳統(tǒng)度量的轉(zhuǎn)換方法，從而實(shí)現(xiàn)隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的端到端一體化路由選擇機(jī)制．URM模型實(shí)施簡(jiǎn)單，通過(guò)BGP擴(kuò)展協(xié)議實(shí)現(xiàn)參考度量的傳遞，最終的一體化路由機(jī)制也是透明地通過(guò)現(xiàn)有路由體系完成．URM模型的實(shí)施只需對(duì)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行簡(jiǎn)單改造即可完成，影響范圍較?。撐膶?duì)URM／IRM兩種模型的路由性能進(jìn)行了分析比較．相對(duì)現(xiàn)有IRM模型，URM模型會(huì)使異構(gòu)網(wǎng)關(guān)存儲(chǔ)更多的地址映射項(xiàng)，邊緣網(wǎng)路由設(shè)備存儲(chǔ)更多的路由項(xiàng)／轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)，但對(duì)支撐網(wǎng)普通路由設(shè)備沒(méi)有任何影響，作者的相關(guān)工作還針對(duì)這些問(wèn)題進(jìn)行了優(yōu)化研究［24］．然而，URM模型帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)卻非常明顯，在實(shí)現(xiàn)端到端一體化最優(yōu)路由選擇的同時(shí)，增加了隧道傳輸路徑數(shù)量并提高了隧道傳輸?shù)目煽啃裕畬?shí)驗(yàn)驗(yàn)證了在邊緣網(wǎng)到支撐網(wǎng)的多宿主連接環(huán)境中，URM相對(duì)于IRM能選擇出更好的跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)端到端傳輸路徑．此外，本文基于Bit－EngineNetwire4600過(guò)渡設(shè)備設(shè)計(jì)了異構(gòu)網(wǎng)關(guān)原型系統(tǒng)，并對(duì)異構(gòu)網(wǎng)關(guān)進(jìn)行了隧道傳輸?shù)男阅軠y(cè)試，驗(yàn)證了該設(shè)備較高的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)帶寬．繼而，基于異構(gòu)網(wǎng)關(guān)原型系統(tǒng)，完成了真實(shí)設(shè)備組網(wǎng)實(shí)驗(yàn)．實(shí)驗(yàn)再次驗(yàn)證了URM模型的一體化路由機(jī)制對(duì)端到端最優(yōu)路徑的選擇能力．并且，還驗(yàn)證了URM模型在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化情況下的跨異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)一體化路由收斂能力．本文工作可給未來(lái)隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)的研究及實(shí)施提供參考。

作者：陳文龍肖融徐明偉徐恪單位：都師范大學(xué)信息工程學(xué)院北京師范大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院清華大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系