未来互联网路由体系结构研究

刘媛妮，唐 红，赵国锋

(重庆邮电大学未来网研究中心，重庆 400065)

0 引言

随着互联网在社会发展中的基础地位和核心作用与日俱增，互联网以固定终端接入、基于IP地址的端到端通信模式已经难以适应物联网、云计算、移动计算、社会网络等新型应用和计算模式的需求。现有的IP路由机制使得互联网面临着扩展性、安全性、移动性等问题，尽管现有的研究针对这些问题提出了各种解决方案，但是造成这些问题的根本原因在于TCP/IP体系结构基于IP地址的通信模式。针对这些问题，目前学术界认为“为Internet构建新型的体系结构是解决这些矛盾的根本途径”，针对未来网络的研究进行的如火如荼。尽管尚未在未来网络新型体系结构的具体形态上取得实质性的突破并达成共识，但是普遍认为在新的未来网络环境中，仍需由网际互联层以“信息转发”的形式承担整个Internet最为基本的“信息传递”功能。网际互联的根本功能在于“在多个异种物理网络之间发现和建立信息传递的路径并在实施通信的多个实体之间完成信息的传递”，显然路由是构成网际互联层完成“互联、选路、转发”这一根本任务所必备而重要的基础功能。因此，研究未来网络环境下的路由机制势在必行。

现有未来网络环境下路由机制的研究尚处于起步阶段，更多的是针对未来网络环境下路由体系结构的架构研究。本文首先介绍了现有未来网的发展情况，并对当前IP路由机制存在的问题进行了分析，然后，总结了在未来网络环境中解决路由问题的典型技术，并总结了演进式和革命式未来网络网络环境下的路由体系结构。

1 未来网络

1.1 未来网络的概念

国外诸多的研究机构和学者已经开始对未来网络展开研究，并且产生了包括未来网络“Future Network”、新一代网络“New Generation Network”等概念。其中，国际电信联盟远程通信标准化组ITU-T(ITU Telecommunication Standardization Sector)第13工作组SG-13定义未来网络是能够提供革命性创新服务与能力的网络，能够克服当前IP网络存在的不足和满足未来用户对服务的需求。另外还有日本提出的“新一代网络”以及“后IP网络”等概念。这些概念的共性是都提出了一种不同于现有IP体系结构的新网络体系结构。

1.2 未来网络设计原则

未来网络发展需要在设计新的网络体系结构时，一方面既要保持传统互联网开放，简单，灵活和健壮的特点，另一方面还应该遵循以下原则。

(1)融合原则。未来网络既不是现有互联网的简单扩展，也不是现有电信网的自然延伸，而应该是互联网和电信网的相互融合和发展。未来网络反映了多种网络系统相互融合的发展趋势，其目标是实现各种开放、异构网络系统之间的结构互联、优势互补、信息互通和服务互融。

(2)变化原则。网络环境中的扭斗在不断变化发展，对应的网络体系结构必须适应这种变化。因此，未来网络体系结构的设计应该面向变化，充分重视和考虑技术如何适应不断发展变化的扭斗环境，保持设计目标的柔性和可变性，尽量避免因片面追求短期利益而妨碍网络未来的发展。

(3)选择原则。未来网络体系结构的研究应该综合面向开放系统互连和多样服务提供的设计思路，既允许用户有根据自己的喜好对服务类型和服务方式进行选择的权利，同时还允许在尽可能保持服务功能不变的情况下，网络本身有根据不同的实际情况对具体实现技术进行选择的权利。

1.3 未来网络研究路线

对未来互联网的研究可以分为2种思路:演进式(Incremental)和革命式(Clean-Slate)。演进式通过“打补丁”的方式对原有的互联网结构进行修改和补充，其核心仍然是TCP/IP体系结构，并不能从根本上解决其本身面临的问题;革命式思路认为，渐进式的修补策略会使得原有简洁的网络结构变得复杂，并且“补丁”的实施又会变得互相钳制，最终使得新增加的修补策略变得越来越复杂和困难，因此，他们认为应该抛弃现有的互联网体系结构，重新建立网络体系结构，从根本上解决现有网络中存在的问题。

2 未来网络路由体系结构

2.1 IP路由存在的问题

传统的IP路由机制以IP地址为驱动，IP承担身份和位置的双重属性，即所谓的语意过载，使其面临着扩展性、移动性以及安全性方面的问题。

(1)扩展性问题。扩展性问题主要表现在骨干网流量激增和路由表膨胀，当前网络流量增加的速度远远超过摩尔定律与路由器性能提升的速度［1］，网络规模不断地被动扩张;另外，路由器通过维护路由表实现IP地址路由，IP地址分配不均衡、多宿主技术、地址碎片、流量工程等使得路由表难以实现高效率聚合，导致骨干路由表急剧膨胀。目前，活跃路由表条目已经达到35万条［2］，而且以每两年1.3倍的速度增长［3］，从而导致路由查找性能下降，并增加路由器实现开销。2001年，IRTF Routing Research Group(RRG)的2个工作小组对现有路由体系结构存在的扩展性问题达成了基本的共识［4］。2006年，IAB RAWS的报告中全面描述了互联网路由的扩展性问题，并分析了该问题产生的根本原因，并与2007年将该报告的主要结论形成了RFC4984［5］。

(2)移动性问题。IP路由在设计之初并没有考虑主机移动的情况，随着便携式移动终端日益普及，移动终端上的业务流量占网络流量的比重日益增加以及物联网的出现导致低智能终端数量爆炸式增长。网络节点的移动性导致数据传输路径频繁变换，严重破坏了上层应用服务的连续性，影响了互联网用户的服务质量和使用感受。造成移动性的根源在于IP语意过载，即IP地址要同时作为设备位置标识和身份标识，这实际上破坏了互联网分层结构中不同层次之间尽量减少耦合的原则。

(3)安全性问题。在安全性方面，现有互联网基于IP地址的通信模式导致用户在获取服务时需要以IP地址加端口的组合方式唯一指定服务提供者，只能采取在服务请求者和服务提供者之间的路径上预留资源的方式来保障服务质量，另外安全机制也只能在服务请求者和服务提供者之间建立安全通道，无法实现服务和数据内容级的细粒度安全防护。

2.2 未来网络路由典型技术

为了提供更好的服务，缓解未来网络上海量信息对路由造成的压力，通过分析现有的相关研究，认为一下集中技术和思想对于实现未来网络路由是比较重要的。

2.2.1 位置与标识分离

位置与标识分离主要是为了解决IP语意过载的问题。IP地址语意过载是指在当前的TCP/IP协议中，IP既充当了节点的位置又是节点的标识，是当前互联网在命名和寻址体系结构设计中存在的主要问题。IP地址的双重身份造成了网络在移动性、可扩展性、安全性等方面的问题。鉴于以上问题，IAB提出通过位置与标识分离(locator/identifier split)的构想，即使用2个名字空间分别表示节点的位置和身份。目前主要的解决方案有 HIP［6］，SHIM6［7］，LISP［8］等。

2.2.2 基于名字的路由

通常讨论的路由是指IP层的路由，而基于名字的路由则是将内容的定位问题转换为路由问题:其中，用户的请求的内容经过名字解析后转换为IP地址，然后，路由器根据IP地址进行数据包的路由转发，这种新的路由方式即为基于名字的路由。为实现基于名字的路由，需要在现有的Internet上增加2个新的协议:①因特网名字转换协议(internet relay protocol，INRP)，根据中级节点维护的路由信息实现名字到地址的转换;②基于名字的路由协议(namebased routing protocol，NBRP)动态地更新中继节点上的路由信息。当前，在以内容为中心的网络结构中如 NDN［9-10］，DONA［11］、NetInf［12］也都通过不同的方式实现了基于名字的路由。

2.2.3 发布订阅模式

2.2.4 非分层的路由

在未来网络设计中，协议层的概念作为组织和实施的原则正受到质疑，由于协议栈包含了重要的功能，限制了这些功能的灵活性，也制约了他们的进一步发展，另外，开发严格适合网络协议栈的新协议也是困难的，导致了1/2层解决方案的快速增长(如IPSec、MPLS等)。缺乏跨层交互机制也导致了层违背(layer violations)现象的频繁发生，同时协议的设计也没有充分利用像Cell这样新型的硬件架构的优势。非分层的方法重新设计网络协议和组织功能单元之间的通信，目标是构建高度灵活的架构。目前，在 SCN［16］、SILO［17］、RBA［18-19］以及 SONATE［20］这些网络架构中均采用的是这种思想。

2.3 未来网路由若干解决方案

传统的IP路由机制已无法有效适应网络在扩展性、移动性、安全性等方面的需求，设计新的路由体系结构势在必行，国内外研究者提出了诸多路由方案。根据未来网络的革命式和演进式观点，未来网络环境下路由的发展也是从这2个方面入手。

2.3.1 演进式路由解决方案

演进式的路由解决方案主要思想是在网络层和传输层之间添加一层从而通过映射的方法实现。

LISP［8］(Locator/Identifier Separation Protocol)将单一编址空间划分为2个编址空间:EID(端点标识)和RLOC(路由位置符)，前者被用于站内通信，后者则可用于全局通信。LISP通信模型采用映射和封装的方案，新引入的隧道代理及数据包封装转发方式在一定程度上影响网络的复杂性和数据传输效率。

一体化网络与普适服务［21］采用核心与边缘网络分离的路由体系结构，并将传统的OSI 7层模型改为只有网通层和服务层的2层模型。其中，网通层主要负责在一个一体化的网络平台上提供多元化的网络接入，为各种业务提供一个一体化的网络通信平台，从而达到有效支持普适服务的目的。各种接入网络和终端由网通层的虚拟接入模块映射为接入标识，并将其映射到虚拟骨干模块的交换路由标识;虚拟骨干模块通过广义交换路由算法选择路径，到达对端广义交换路由器后，数据包的交换路由标识被置换回原来的接入标识。服务层先将不同的业务映射成服务标识，然后将其映射为连接标识，最后连接标识由映射机制映射到网通层，实现广义交换选路。一体化网络与普适服务还在此此基础上实现了接入控制和鉴权，但这种结构仍然把互联网看作是传输的通道，由地址驱动路由，无法解决互联网路由的可扩展性等问题。

第二种的推荐算法是基于流行度：这种算法是现在的机器学习应用领域中最为常见也是当前应用得最为广泛的算法。原因是因为这个算法的运算方式非常简便迅捷。将各个项目的流行度进行排序，再将排行靠前的流行项目推荐给用户即可。例如微博的热搜，音乐APP中的最热歌曲，各大新闻等。这个算法的优点是算法简单，操作简便快捷，推荐内容适用于大众和新用户。而它的缺点是不能推荐相对个性化的内容和领域。

ADI［22］(architecture based on de-conflated identities)中引入了HID层，实现了终端主机作为分布式主机域的功能并耦合位于主机域逻辑端到端的连接。

I3［23］(internet indirection infrastruction)中不再直接将数据包发送到目的地，而是将每个数据包与一个Identifier相关联，接收者和发送者之间通过触发器以Identifier对数据包进行匹配。

CDN［24］(content delivery networks)内容路由通过在现有的Internet中增加一层新的网络架构，将网站的内容发布到最接近用户的网络“边缘”，使用户可以就近取得所需的内容，从而解决Internet网络拥塞的状况，提高用户访问网站的相应速度。CDN的关键技术包括内容路由、内容分发、内容存储和管路等。CDN提出了以内容为路由的概念，通过在互联网之上部署新的大规模基础设施来缓存数据，从而减缓流量激增问题，但是CDN不仅昂贵而且仅对签约用户的特定应用数据进行优化，不能从根本上解决流量激增问题。

“下一代内容分发网络”(next generation content delivery network)是指在CDN网络中引入对等网络技术，使对等网辅助CDN的功能，这是下一代CDN的发展趋势。对等网辅助CDN从P2P技术角度出发，将CDN代理服务器改造为可靠的超级节点，以用户作为P2P网络的对等节点，构成P2P覆盖网。CDN利用其边缘服务器维护元数据目录，并通过描述对等节点存储的共享文件来帮助对等节点间交互。目前对等网辅助CDN技术仍然处于发展阶段，在CDN中引入对等网可以提高其可扩展性，但同时给稳定性和可靠性带来了隐患，并使CDN中原本就繁琐的内容管理更加复杂，这些都是CDN将要面临的挑战。

P/S(publisher/subscriber)系统［25］是以传统网络为基础构建新的覆盖网络，订阅者和发布者之间基于内容在集合点(rendezvous point，RP)处建立匹配或对应关系，匹配成功的事件则会被路由到订阅者。PSIRP［26］(Publish/Subscribe Internet Routing Paradigm)的目标是不依赖现有的网络协议，以一种全新的设计方法实施灵活的、可扩展Publish/Subscribe网络。PSIRP系统通过引入4个标识完成内容路由的匹配功能。其中，AID(application level identifiers)标识上层信息;RID(rendezvous identifiers)标识单独的publications;SID(scope identifiers)代表一组publications的分布式策略，包含了订阅者、位置、可达性、可利用性、复制、路由策略等，以控制接入数据源;FID(forwarding identifier)对网络传递路径进行编码，并将其插入发送者的载荷包头。在进行路由时，首先由发布者向RP发布新的信息并指明RID和SID，其中，SID表示发布者希望该信息能够被哪些用户访问。同时，也会将描述实际信息的元数据(信息的作者、大小等)发送给RP。当订阅者想获取信息时，则需要先向RP发送一个订阅消息，由RP负责将该订阅消息与已发布的信息进行匹配。发布者到订阅者的转发路径，由拓扑构造函数生成，并分配转发标识符(forwarding identifier，FID)给中间转发节点。中间节点根据FID进行信息的转发，同时将流经的信息存入缓存。PSIRP系统能够较好的实现内容路由的功能，但是其内容匹配和路由计算会给事件代理带来巨大的计算和通信负载。

Everything Over Http［27］中 http 与 IP 共存，代替网络的细腰，大量的流量经过http而不是直接利用IP传输，但是http在健壮性、安全性、QoS等方面还需完善。

P2P［28］对等网络中每个节点既可以充当服务器，为其他节点提供服务，同时也享用其他节点提供的服务，具有良好健壮性和可扩展性，性价比高，同时，能够实现更好的网络负载均衡。P2P通过建立覆盖网络并在其上建立应用层主机之间的路由，但是其支撑点依然是现有IP路由机制，并且覆盖网络和下层的网络之间可能会存在存在上下层拓扑失配的缺点。当前P2P主要面临拓扑失配、网络病毒，不良信息的传播，网络带宽，以及由节点的自私性导致的不合作问题等。

演进式的路由解决方案在新路由机制的研究中取得了一定的进展，但由于其基本设计理念是基于“演进式”的思想，因此只是在一定程度上对IP路由做了一定的修改，其底层路由仍然需要以IP路由为依托，不能从根本上解决IP路由存在的问题。

2.3.2 革命式路由解决方案

革命式的网络体系结构考虑摒弃现有结构和协议的约束，从头开始设计一个全新的互联网络，从而从根本上解决现有网络中的问题。

SOFIA［29］(Service-Oriented Future Internet Architecture)面向服务的未来因特网架构中，基于身份与位置分离的思想，SOFIA用一个全球唯一的服务标识ID码代替原有的IP层。在SOFIA中不再有运输层，服务ID层上仅有应用层。另外，使用另一个“定位”标识来具体说明网络节点的位置，从而实现了身份与位置的分离。SOFIA网络中的路由器增加了处理器和存储设备，路由器不仅转发数据包，而且能够提供服务;

MILSA［30-31］(mobility and multihoming supporting identifier locator split architecture)提出了以realm为逻辑关系(身份)路由单元，以zone为地址关系(位置)路由单元的思想，在路由的具体实现上通过使核心与边缘相分离，以解决路由的扩展性问题，另外，通过引入新的标识层解决路由的安全和移动性问题。

面向内容的体系结构NDN(named data networking)提出了基于命名/路由的网络体系结构，使得通信方式由原来的“where”转变为“what”。NDN网络体系结构中增加了存储功能，且以数据内容为核心。NDN基于名字进行路由和转发，其通信是由接收端(数据消费者)驱动的，消费者通过发送interest请求包来请求期望的数据，路由器记录请求的接口，然后，从FIB中查找名字并进行转发，当请求包被转发到数据发送端时，发送端沿着逆向路径返回请求的数据包。请求包和数据包都不携带任何主机或端口的地址信息，通过使用请求包中的名字进行转发。NDN路由采用类似于传统的IP路由方式，不同的是，NDN通告名字前缀信息而不是IP前缀信息，另外，依据最长前缀匹配原则从FIB中进行路由匹配。

DONA［32］(data-oriented network architecture)架构中以名字为路由驱动，并围绕服务和数据定义了全新的内容命名方法及解析机制。DONA采用平面的、自认证的命名机制。名字围绕主体(principles)进行组织，主体与一个公钥私钥对相关联，名字格式为P:L，其中，P是主体公钥的加密hash值;L是主体选择的列表，确保每个名字都是唯一的，这种命名方式具有自验证特性。DONA采用基于名字路由的模式而不使用DNS服务器，依靠一类新的网络实体RHs(resolution handlers)，采用 2种基本的原语(FIND(P:L)、REGISTER(P:L))实现名字解析。客户发送FIND(P:L)来定位名字为P:L的对象，RHs把这个请求向最近的副本进行路由，通过REGISTER信息设置状态能够提高RHs路由FINDs的效率。每个客户通知配置都知道它所属的本地的RH，如果被授权的客户想发布一个名为P:L的服务或数据，需要发送REGISTER(P:L)(该命令必须要经过授权，即用客户的私钥进行签名)到本地RH进行注册。当父节点收到子节点发送的REGISTER信息，只有在父节点的注册表中没有该注册信息或者注册信息来自一个比以前更新的copy时，父节点才更新注册表。

SCN［33］(service centric network)以服务为中心的网络可以认为是对CCN的扩展，利用面向对象的设计方法通过对内容和服务进行统一命名，采用对象名作为网络路由基础设施寻址的方法;以服务为中心的网络通过增加网络侧的智能使互联网成为集传输、存储和计算为一体的服务池。在这类网络中所有的单元都是服务，网络的核心功能是将用户请求的服务传输给用户，路由不再是以地址为驱动，而是以服务为驱动。

Netserv［34］提出可编程节点架构，将不同的应用模型部署到边缘路由器并将其加入到分布的服务主机平台中，从而实现服务的本地化以降低核心网流量;终端用户请求某应用数据时，向内容提供商publisher发送请求，当用户的请求被publisher收到后，将会在服务器上触发一个信号(signal)，该信号消息从publisher向终端用户发送时即可建立用户和内容服务提供商之间的路由，当信号经过NetServ路由器时，将会出发NetServ路由器下载和安装赖在该内容提供商的应用模块，从而实现服务的本地化。

SILO［35］是一种新型的互联网架构，整合了安全和管理特性。在 SILO中，最基本的模块是服务(Services)，它是一种被良好定义且自包含的功能，与特定的通信任务相关联。在SILO中，如包传输、流控制、包分段、压缩、加密等都是服务的实例。每种服务提供单一、原子的功能。

SOA［36］(service oriented approach)将网络分成四层，以面向对象的方式，通过组合功能模块的方式来配置复杂的通信任务。

RBA［37］(role based architecture)及 SONATE［26］(service oriented network architecture)摒弃了分层的思想，利用roles功能单元进行通信，能够对IP进行重新模块化，分割为更小的功能单元，并提供了一个对包头进行处理的模型以完成路由功能。

3 结束语

目前针对未来网络路由体系结构的研究取得了一定的进展，但是还存在如下的问题。

(1)路由标识的命名:目前未来网络中针对路由标识的命名并没有一个统一的标准，这是目前亟待解决的问题，也是研究未来网络路由的前提。

(2)身份与位置分离机制中映射系统的建立，建立高效的身份位置映射系统是解决未来网路由可扩展问题的关键。

(3)高效路由机制的制定:研究基于新型地址命名方式的路由算法，制定高效的路由协议是解决未来网络路由问题的核心。

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