可編程路由器研究進(jìn)展如何？取得了哪些成果

可編程路由器研究進(jìn)展如何？取得了哪些成果？可編程路由器是一種能通過配置和編程，實現(xiàn)靈活部署新服務(wù)和減輕網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)擔(dān)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備。

可編程路由器研究背景

近年來，在互聯(lián)網(wǎng)上以P2P與QoS為代表的新應(yīng)用和新服務(wù)不斷出現(xiàn)，以覆蓋網(wǎng)絡(luò)（overlaynetwork）和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DataCenterNetwork）為代表的新架構(gòu)新設(shè)計也層出不窮。為了滿足精確的網(wǎng)絡(luò)測量、安全的網(wǎng)絡(luò)管理及實時的在線配置等需要，研究人員往往不得不對已有的數(shù)據(jù)包進(jìn)行修改、或引入自定義的數(shù)據(jù)包。但現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)只能提供有限的功能和已知的服務(wù)，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備（如交換機(jī)、路由器等）也只能轉(zhuǎn)發(fā)標(biāo)準(zhǔn)的或預(yù)定義的數(shù)據(jù)包，不具有動態(tài)性和靈活性。若在現(xiàn)有架構(gòu)上部署新的協(xié)議或應(yīng)用，需要較長的設(shè)計周期和大量的費用。為滿足以上需求，并兼顧到潛在的設(shè)計空間，可編程器由器（ProgrammableRouter）這一新思想隨即應(yīng)運而生。研究人員以期用它來處理數(shù)據(jù)流及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的多樣性，構(gòu)造出一種動態(tài)的、可編程和可配置的網(wǎng)絡(luò)處理環(huán)境。但是到目前為止，還沒有文獻(xiàn)給出關(guān)于可編程路由器的精確定義，筆者嘗試給出的定義是：可編程路由器是一種能從功能上分解成若干組件與接口，并能通過配置和編程，實現(xiàn)靈活而動態(tài)地部署新服務(wù)和減輕網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)擔(dān)的網(wǎng)絡(luò)層設(shè)備?？删幊唐饔善髋c可擴(kuò)展器由器（ScalableRouter）有一定的區(qū)別，可擴(kuò)展路由器是指：由多個可獨立運行的路由節(jié)點，通過某種互連結(jié)構(gòu)連接而成的性能、功能可擴(kuò)展的單映像路由器。其可擴(kuò)展性主要體現(xiàn)在以下三個方面：交換實體的分布性帶來的規(guī)?？蓴U(kuò)展性；路由實體的分布性帶來的路由計算可擴(kuò)展性；路由器操作系統(tǒng)的分布性帶來的功能可擴(kuò)展性。如Juniper公司推出的T640型可擴(kuò)展核心路由器可采用三級Clos網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，而Cicso公司推出的CRS-1多機(jī)架系統(tǒng)采用三級BENES交換結(jié)構(gòu)互聯(lián)。因此從功能可擴(kuò)展上來說，二者大致是類似的，但可擴(kuò)展路由器偏重于硬件可擴(kuò)展，通過物理互聯(lián)使得轉(zhuǎn)發(fā)及處理能力更強(qiáng)大；可編程路由器更注重軟件可擴(kuò)展，通過功能分解使得編程與配置更靈活。主動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(ActiveNetworkNode)與可編程路由器也有不同，主動網(wǎng)絡(luò)中的中間節(jié)點（如路由器、交換機(jī)等）可以對經(jīng)過它們的消息流執(zhí)行定制的計算，但是主動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點是帶內(nèi)通訊（in-bandcommunication），而可編程路由器是帶外通訊（out-bandcommunication）；主動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用通用的處理器來執(zhí)行注入的代碼，以實現(xiàn)軟件重配置算法,可編程路由器可使用通用處理器或網(wǎng)絡(luò)處理器，通過編程與配置達(dá)到目的；主動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點關(guān)注編程的任意性和實現(xiàn)上層功能的復(fù)雜任務(wù)，可編程路由器更關(guān)注配置與實施的靈活性；并且主動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點中的轉(zhuǎn)發(fā)元素（ForwardingElements）一旦定義，就不能再修改或重定義。可重構(gòu)路由器（ReconfigurableRouter）是通過實時可配置硬件和軟硬件協(xié)同設(shè)計技術(shù)，允許對路由器進(jìn)行動態(tài)的重配置，以增強(qiáng)路由器的功能和性能，以滿足大多數(shù)用戶的需求，從而創(chuàng)建高性能、高靈活度的網(wǎng)絡(luò)?？删幊搪酚善髋c其相比，在注重可重配置的同時，更強(qiáng)調(diào)功能的擴(kuò)充性和靈活性?？删幊搪酚善鹘鼉赡陙碇饾u引起學(xué)者們的重視，ACM舉辦的SIGCOMM計算機(jī)通訊年會已連續(xù)兩年為其開設(shè)Workshop，可編程路由器的相關(guān)技術(shù)也不斷引起人們的關(guān)注。我們首先將從新一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展角度出發(fā)，分析研究可編程路由器的重要意義，然后簡要敘述可編程路由器的發(fā)展現(xiàn)狀，最后予以總結(jié)與展望?？删幊搪酚善髋c下一代互聯(lián)網(wǎng)自Internet發(fā)明到現(xiàn)在已有40多年的歷史，計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)也發(fā)生了翻天覆地的變化，新一代互聯(lián)網(wǎng)（NGI:NextGenerationInternet或FI:FutureInternet）旨在從互聯(lián)網(wǎng)基本組成、工作原理和實現(xiàn)機(jī)理方面進(jìn)行理論和方法探索和算法設(shè)計，解決現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)在擴(kuò)展性、安全性，高性能、實時性、移動性、管理性等方面顯示出諸多不足。在發(fā)展方向上，一般有革命型和進(jìn)化型兩種路線。鑒于解決以上挑戰(zhàn)的艱巨性和復(fù)雜性，有研究人員提出推倒現(xiàn)有的架構(gòu)、重新設(shè)計全新互聯(lián)網(wǎng)的革命性思想，其代表有美國的GENI、FIND和歐盟的FIRE。在另一方面，鑒于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的普及性及重新設(shè)計的復(fù)雜性，有學(xué)者認(rèn)為應(yīng)在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)上，堅持演進(jìn)并積極創(chuàng)新。其代表有美國的Internet2、歐洲的Geant2、第二代跨歐亞信息網(wǎng)絡(luò)TEIN2和中國的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程CNGI。截止到目前，全球新一代互聯(lián)網(wǎng)和IPv6試驗網(wǎng)絡(luò)主干網(wǎng)已經(jīng)形成，其規(guī)模正不斷在擴(kuò)大。對于新一代互聯(lián)網(wǎng)的功能需求，我們認(rèn)為新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)需要著重解決的五大問題之一是：互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的擴(kuò)展性和演進(jìn)性問題;在這個問題上，我們認(rèn)為必須涵蓋的五大因素之一是：可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點能力。新一代互聯(lián)網(wǎng)的體系結(jié)構(gòu)正發(fā)生著巨大的變化。新一代互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可擴(kuò)展性、靈活性提出了新的要求。作為網(wǎng)絡(luò)核心部件的路由器的可重構(gòu)性、可編程性、可管理性等方面顯得更加重要。因可編程路由器允許用戶對其配置或編程，達(dá)到部署新服務(wù)和減輕網(wǎng)絡(luò)管理負(fù)擔(dān)的目標(biāo)，在靈活性、動態(tài)性、可擴(kuò)展性、可管理性及可編程性等方面顯示出極大的優(yōu)勢和遠(yuǎn)景。因此，研究可編程路由器對新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的發(fā)展也具有重要的意義?？删幊搪酚善鞯难芯窟M(jìn)展較傳統(tǒng)路由器，可編程路由器在實現(xiàn)其基本功能之外，可編程性至少體現(xiàn)在如下方面：(1)軟硬件的可編程性?？删幊搪酚善鞯挠布軜?gòu)允許用戶重新定義功能，同時上層軟件體系結(jié)構(gòu)由功能劃分清晰的模塊或API組成，允許用戶重新組織這些模塊或調(diào)用接口來達(dá)到定制的目的。(2)網(wǎng)絡(luò)接口的可編程性。在高性能路由器體系結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)接口已由線卡（LineCard）所取代，線卡具有剝離包頭，查找自身緩存中的路由表并進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)的功能。線卡在轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)之前，可編程路由器允許用戶定制其他功能，如分類、整形、QoS等。另外還允許用戶識別自定義的數(shù)據(jù)包。(3)數(shù)據(jù)路徑的可編程性?？删幊搪酚善鲬?yīng)分離控制（管理）與數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)發(fā)）兩個層面，允許數(shù)據(jù)包根據(jù)用戶自定義的條件進(jìn)行數(shù)據(jù)路徑的選擇。(4)上層協(xié)議的可編程性。用戶可以重新定義或創(chuàng)建新的上層協(xié)議，以支持新服務(wù)與新應(yīng)用。(5)網(wǎng)絡(luò)管理方式的可編程性?？删幊搪酚善鲬?yīng)允許用戶按自定義的格式組織腳本來對其配置，在監(jiān)控和管理方式上，應(yīng)支持多種或自定義的管理手段?；谝陨蠋c，近年來，可編程路由器的研究取得了許多重要的成果。1.硬件架構(gòu)方案FPGA方案：FPGA(FieldProgrammableGateArray)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA是作為專用集成電路（ASIC）領(lǐng)域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點。現(xiàn)在大量的路由器數(shù)據(jù)交換板中都含有FPGA芯片。但是這種方案往往要對硬件進(jìn)行重設(shè)計，耗時費力，更重要的是需要設(shè)計人員具有很強(qiáng)的電路設(shè)計知識。NetFPGA方案：NetFPGA是斯坦福大學(xué)基于FPGA設(shè)計的一塊全編程的硬件加速卡，它具有4個Gbit口外聯(lián)和2個SATA口互聯(lián)，通過PCI接口運行在PC上。將編譯后的Verilog程序下載到SRAM中，可以實現(xiàn)IPv4路由器、緩沖監(jiān)視路由器、OpenFlow交換機(jī)、流量發(fā)生器、硬件加速的軟路由器等，轉(zhuǎn)發(fā)速度可以達(dá)到4Gbit。NetFPGA的優(yōu)點是顯而易見的：通過提供的API，用戶可以為自定義的模塊或設(shè)計全新的模塊化路由器，以達(dá)到轉(zhuǎn)發(fā)自定義數(shù)據(jù)包或設(shè)計新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原型的目的。當(dāng)然NetFPGA還存在一些缺點，時延、內(nèi)存和帶寬都需要進(jìn)一步改善。其他方案：“動態(tài)硬件插件（DHP）”的可編程路由器架構(gòu)，它采用可重配置硬件為多口的可編程路由器提供靈活的硬件處理環(huán)境。它允許眾多基于硬件的應(yīng)用或插件動態(tài)地載入到設(shè)備上，并可以并行運行，以提高每流處理速度；“NCHARGE”的工具集，通過終端對網(wǎng)絡(luò)化、可配置的硬件進(jìn)行遠(yuǎn)程配置和管理。因可配置的硬件是基于FPX(FieldProgrammablePortExtender)的，所以這些硬件模塊可以通過網(wǎng)絡(luò)、動態(tài)地部署到FPGA邏輯上。一旦硬件模塊部署完成，NCAHARGE通過發(fā)布自定義的控制消息來控制每一個硬件模塊，提供API供軟硬件通訊，同時也提供了基于Web的管理界面來簡化操作。2.軟件架構(gòu)方案Click與NP-Click：Click是一種模塊化軟路由器架構(gòu)，它由若干稱之為“元素”的模塊組成。單個的元素實現(xiàn)了簡單路由器的功能，如分類、排隊、調(diào)度等。但Click只針對數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)層設(shè)計,并沒有指出如何與控制層的應(yīng)用相結(jié)合,而且不能進(jìn)行動態(tài)配置。NP-Click使用網(wǎng)絡(luò)處理器(IntelIXP1200)實現(xiàn)了Click方案。XORP：Mark等人設(shè)計了一個可擴(kuò)展的開放式軟路由器平臺。它底層以Click作數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)引擎，上層采用多進(jìn)程處理各種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。進(jìn)程間采用類似于URL的XRL（XORPResourceLocators）通訊機(jī)制，具有可擴(kuò)展、高性能、健壯等優(yōu)點。Scout與RouterPlugin：Scout是一個針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的操作系統(tǒng)，具有可配置性。RouterPlugin則是在NetBSD操作系統(tǒng)內(nèi)核基礎(chǔ)上，設(shè)計的高性能、模塊化、可擴(kuò)展的軟件路由器體系結(jié)構(gòu)。它允許代碼模塊以插件（plugin）方式動態(tài)地添加或配置，多個不同的插件可以綁定到同一個流上，從而實現(xiàn)功能的擴(kuò)展?；诰W(wǎng)絡(luò)處理器的方案：使用IntelIXP1200網(wǎng)絡(luò)處理器開發(fā)板結(jié)合PC構(gòu)建了一個健壯的軟路由器。它利用處理器的并行機(jī)制，在最小數(shù)據(jù)包的情況下，其轉(zhuǎn)發(fā)速度也達(dá)到了3.47Mpps，并支持1.77Gbps鏈路帶寬，同時充許新功能“注入”到處理器架構(gòu)三層中的任意一層上，其健壯性不受數(shù)據(jù)包大小的影響?；赑C的方案：在Linux基礎(chǔ)上設(shè)計一套增強(qiáng)性的軟件架構(gòu)，并部署在多核的處理器上，獲得了較高的數(shù)據(jù)交換能力。3.數(shù)據(jù)路徑的可編程性為了能動態(tài)地適應(yīng)與支持新服務(wù)、新應(yīng)用和新協(xié)議，同時實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)自定義數(shù)據(jù)包，分離控制（管理）與數(shù)據(jù)（轉(zhuǎn)發(fā)）層面等目的，可編程路由器研究人員在數(shù)據(jù)路徑的可編程性上提出了一系列的方案。ForCES：IETFRFC3746定義的轉(zhuǎn)發(fā)和控制功能分離的方案。其基本思想是把IP路由器分成轉(zhuǎn)發(fā)元素（ForwardingElements，F(xiàn)E）和控制元素（ControlElements,CE），而路由器可由多個（可達(dá)幾百個）FE、CE和連接二者的ForCES協(xié)議構(gòu)成。OpenFlow：OpenFlow是斯坦福大學(xué)CleanSlate計劃支助的一個開放式協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，用于在現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)（ProductiveNetwork）上部署新協(xié)議。廠商不需要改動硬件，只需要支持OpenFlow協(xié)議，用戶即可使用這些網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來連接異構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)或創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)測試床。OpenFlow現(xiàn)已被Cisco,HP,Juniper和NEC等許多廠商所支持。標(biāo)準(zhǔn)的OpenFlow交換機(jī)至少需要包含三部分：數(shù)據(jù)流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議。數(shù)據(jù)流表告訴交換機(jī)如何處理流，安全通道是控制器和交換機(jī)通信的中介。CAFE：CAFE是一種基于NetFPGA的、可配置的數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)硬件引擎，主要用于在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)（DataCenterNetwork）內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)自定義的數(shù)據(jù)包。開發(fā)人員無需理解數(shù)據(jù)包的意義，只需利用所提供的13個核心和少數(shù)輔助API，用少量的控制腳本就能實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)自定義數(shù)據(jù)包。但CAFE也存在著一些缺陷，如由于是基于NetFPGA的方案，所以其轉(zhuǎn)發(fā)速度也限制在4Gbit/s內(nèi)，并且配置腳本比較繁瑣，特別是是對包頭的插入刪除等操作限于8字節(jié)。GFE：GFE是基于OpenFlow的一種通用的轉(zhuǎn)發(fā)元素(GenericForwardElement)框架。它使用XML定義包的分類、轉(zhuǎn)發(fā)、封裝、解封裝、整形及QoS等操作，通過網(wǎng)絡(luò)處理器來執(zhí)行XML轉(zhuǎn)換后的指令。XML格式靈活，可以快速地部署新服務(wù)和新應(yīng)用，而且GFE支持在線設(shè)備的即時配置，無需重啟即能生效。但實驗結(jié)果表明，在實現(xiàn)橋接功能時，比現(xiàn)行的技術(shù)耗時要高出一倍。雖然作者指出OpenFlow是GFE的子集，但并沒有給出相關(guān)的API和XML的配置規(guī)范。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)處理平臺：一個基于硬件的網(wǎng)絡(luò)處理平臺，它分離了數(shù)據(jù)包的處理、處理器之間的通訊、狀態(tài)管理及復(fù)雜的IO操作，實現(xiàn)了可擴(kuò)展性，并可以對每流自定義數(shù)據(jù)路徑。其性能方面也比較理想，但對服務(wù)的粒度欠考慮。4D、Ethane與Tesseract：4D將網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)定義為決策、分發(fā)、發(fā)現(xiàn)及數(shù)據(jù)四個層面；Ethane將管理、控制與轉(zhuǎn)發(fā)功能分離，管理員能在一個中央控制器上遠(yuǎn)程定義全網(wǎng)的策略；Tesseract基于4D、在一個單獨的管理域上直接操作網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)集中化的管理。還有一些研究在Linux內(nèi)核上進(jìn)行數(shù)據(jù)面板虛擬化處理自定義的數(shù)據(jù)流。結(jié)論與進(jìn)一步研究工作本文對可編程路由器各方面進(jìn)行了調(diào)研。首先，本文從概念上將它與可擴(kuò)展路由器、主動網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、可重構(gòu)路由器進(jìn)行了區(qū)別，然后對它的軟硬件架構(gòu)方案進(jìn)行了歸納，介紹了其在數(shù)