互聯(lián)網(wǎng)路由擴展性現(xiàn)狀分析
2010/7/15 9:35:24
Internet起源于美國國防部高級研究計劃署資助開發(fā)的阿帕網(wǎng)(ARPANET)，最初它只是分布于美國4所著名大學的4個節(jié)點互聯(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2009年7月發(fā)布的數(shù)據(jù)顯示，Internet已成為超過6億個節(jié)點，核心節(jié)點系統(tǒng)處理能力達到每秒太比特級的全球超級信息系統(tǒng)。
隨著Internet規(guī)模的不斷擴大，全球邊界網(wǎng)關協(xié)議(BGP)路由表呈現(xiàn)出“超線性”增長的態(tài)勢，數(shù)據(jù)顯示全球BGP轉(zhuǎn)發(fā)信息表(FIB)已從20世紀90年代末期的5萬余條爆增至2010年的30萬余條，如圖1所示。有專家預測在未來15年內(nèi)可能會增至200萬條，2050年甚至可達到1 000萬條[1]，路由表的“超線性”增長以及由其所引出的一系列問題將導致Internet體系結(jié)構和路由機制的擴展性面臨巨大的挑戰(zhàn)[2]。
全球BGP路由表的“超線性”增長需要BGP路由器采用容量更大、查詢速度更快的存儲器(動態(tài)隨機存取存儲器、靜態(tài)隨機存取存儲器、三重內(nèi)容可尋址存儲器)保存路由信息表(RIB)和FIB;由于每條路由表項的維護包括新建、撤銷、更新等都需要發(fā)布BGP通告，路由表的增長增加了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)絡中的“路由更新攪動”，導致路由的不穩(wěn)定、路由器計算FIB的負擔加重以及路由收斂時間的延長;另外，路由表查詢速度要求的提高和計算負荷的增大導致更大的功耗，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”增長以及由此引發(fā)的一些列問題無疑增加了網(wǎng)絡的運營成本，影響Internet的發(fā)展。因此，路由擴展性問題引起了學術界和工業(yè)界的廣泛關注。
2006年10月，鑒于由于互聯(lián)網(wǎng)規(guī)模不斷擴大帶來的一系列問題，互聯(lián)網(wǎng)架構委員會(IAB)在荷蘭阿姆斯特丹就Internet路由技術舉行了路由和尋址專題討論會，并在會后形成了分析和研究互聯(lián)網(wǎng)路由擴展性問題的報告RFC4984。研究人員普遍認為導致互聯(lián)網(wǎng)路由擴展性問題的主要因素是IP地址的語義重載、站點多歸屬、流量工程、提供商獨立地址、反前綴劫持。
目前的IP地址具有雙重語義，一方面它是表示主機身份的端點標志符，另一方面它又是表示網(wǎng)絡拓撲位置的定位符。端點標志符原則上應該與網(wǎng)絡拓撲獨立，在網(wǎng)絡或主機改變拓撲位置的時候，端點標志符應該保持不變，但目前的IP地址卻擔負了這種目標并不一致的雙重角色。IP地址的語義重載是站點多歸屬、流量工程、PI地址導致路由系統(tǒng)出現(xiàn)擴展問題的根源。專家認為未來主機標志與網(wǎng)絡位置標志的分離對路由系統(tǒng)的可擴展性來說十分必要。
具有連接到多個服務提供商能力的站點被稱為多歸屬站點[3]。站點多歸屬能使站點在某一個ISP故障的時候為網(wǎng)絡提供其他可用連接，增強網(wǎng)絡的可靠性和可恢復性。目前至少有60%的接入服務器(AS)是多歸屬的，這個數(shù)字還在不斷上升[4]。為了保證數(shù)據(jù)分組經(jīng)過多個ISP仍能到達正確的站點，為多歸屬站點提供Internet服務的所有服務提供商都必須向外單獨通告該站點的IP地址前綴，因此站點多歸屬破壞了地址的可聚合性，導致細小的地址塊注入到Internet核心路由表中，它是導致目前路由擴展性問題的主要原因之一。
流量工程就是要實現(xiàn)運營網(wǎng)絡的性能優(yōu)化，它通過對Internet流量的測量、建模、規(guī)劃和控制等科學原理和技術方法達到實現(xiàn)特定性能的目的，流量工程的目的是在優(yōu)化網(wǎng)絡資源利用率和流量性能的同時提供可靠高效的網(wǎng)絡運營[5]。流量工程能幫助ISP降低運營成本(讓流量通過較低成本的路徑)、優(yōu)化部署策略(較高優(yōu)先級的流量通過較好質(zhì)量的路徑)、保證負載均衡，目前在ISP處得到廣泛應用。但是目前的流量工程主要靠通過解聚合IP地址前綴、向全球路由系統(tǒng)注入更詳細(更長)的地址前綴、利用更多、更頻繁的BGP更新達到對流量的控制，因而在優(yōu)化網(wǎng)絡性能的同時也會導致全球BGP路由表的相應膨脹。
站點的IP地址不由ISP分配，而是直接向區(qū)域Internet注冊機構(RIR)申請獲得，這類IP地址與ISP無關，被稱為提供商獨立(PI)地址。PI地址可以幫助用戶在更換ISP時避免重新編址，但由于PI地址不由ISP分配，因此ISP也無法將此地址塊聚合，只能向外單獨通告此網(wǎng)絡的詳細地址前綴。因此PI地址也破壞了地址的可聚合性，使越來越多的用戶網(wǎng)絡地址注入Internet核心路由表。
Internet是一個開放的分布式系統(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)絡管理員的錯誤配置，向外通告不屬于自己的地址前綴，導致目的為這些地址的數(shù)據(jù)分組被錯誤地引導到該AS而無法到達原本的目的地，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如域名服務器(DNS)向外通告盡可能長的前綴(至少24位)，所以反前綴劫持技術的使用也導致了全球路由表的增長[6]。
眾所周知，目前的路由技術都是基于拓撲的，拓撲聚合是目前保證路由系統(tǒng)擴展性的唯一實際方法。但上述情況在不同程度上都破壞了Internet地址的可聚合性，導致了全球BGP路由表的快速膨脹，引發(fā)了Internet路由擴展性的問題，影響了Internet的擴展性，最終將影響Internet的持續(xù)發(fā)展。Internet路由擴展性成為下一代Internet必須解決的首要問題之一。
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