互聯(lián)網(wǎng)路由擴(kuò)展性現(xiàn)狀分析
2010/7/15 9:35:24
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“超線性”增長(zhǎng)需要BGP路由器采用容量更大、查詢速度更快的存儲(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、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。
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。
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。
具有連接到多個(gè)服務(wù)提供商能力的站點(diǎn)被稱為多歸屬站點(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。
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。
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IP地址與ISP無(wú)關(guān)，被稱為提供商獨(dú)立(PI)地址。PI地址可以幫助用戶在更換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)越多的用戶網(wǎng)絡(luò)地址注入Internet核心路由表。
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。
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