可编程路由器研究进展如何?取得了哪些成果?.doc
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1、可编程路由器研究进展如何?取得了哪些成果?可编程路由器是一种能通过配置和编程,实现灵活部署新服务和减轻网络管理负担的网络层设备。可编程路由器研究背景近年来,在互联网上以P2P与QoS为代表的新应用和新服务不断出现,以覆盖网络(overlay network)和数据中心网络(Data Center Network)为代表的新架构新设计也层出不穷。为了满足精确的网络测量、安全的网络管理及实时的在线配置等需要,研究人员往往不得不对已有的数据包进行修改、或引入自定义的数据包。但现有的网络只能提供有限的功能和已知的服务,现有的网络设备(如交换机、路由器等)也只能转发标准的或预定义的数据包,不具有动态性和
2、灵活性。若在现有架构上部署新的协议或应用,需要较长的设计周期和大量的费用。为满足以上需求,并兼顾到潜在的设计空间,可编程器由器(Programmable Router)这一新思想随即应运而生。研究人员以期用它来处理数据流及网络应用的多样性,构造出一种动态的、可编程和可配置的网络处理环境。但是到目前为止,还没有文献给出关于可编程路由器的精确定义,笔者尝试给出的定义是:可编程路由器是一种能从功能上分解成若干组件与接口,并能通过配置和编程,实现灵活而动态地部署新服务和减轻网络管理负担的网络层设备。可编程器由器与可扩展器由器(Scalable Router)有一定的区别,可扩展路由器是指:由多个可独立
3、运行的路由节点,通过某种互连结构连接而成的性能、功能可扩展的单映像路由器。其可扩展性主要体现在以下三个方面:交换实体的分布性带来的规模可扩展性;路由实体的分布性带来的路由计算可扩展性;路由器操作系统的分布性带来的功能可扩展性。如 Juniper公司推出的T640型可扩展核心路由器可采用三级Clos网络互联,而Cicso公司推出的CRS-1多机架系统采用三级BENES交换结构互联。因此从功能可扩展上来说,二者大致是类似的,但可扩展路由器偏重于硬件可扩展,通过物理互联使得转发及处理能力更强大;可编程路由器更注重软件可扩展,通过功能分解使得编程与配置更灵活。主动网络节点(AcTIve Network
4、 Node)与可编程路由器也有不同,主动网络中的中间节点(如路由器、交换机等)可以对经过它们的消息流执行定制的计算,但是主动网络节点是带内通讯(in-band communicaTIon),而可编程路由器是带外通讯(out-band communicaTIon);主动网络节点使用通用的处理器来执行注入的代码,以实现软件重配置算法,可编程路由器可使用通用处理器或网络处理器,通过编程与配置达到目的;主动网络节点关注编程的任意性和实现上层功能的复杂任务,可编程路由器更关注配置与实施的灵活性;并且主动网络节点中的转发元素(Forwarding Elements)一旦定义,就不能再修改或重定义。可重构路
5、由器(Reconfigurable Router)是通过实时可配置硬件和软硬件协同设计技术,允许对路由器进行动态的重配置,以增强路由器的功能和性能,以满足大多数用户的需求,从而创建高性能、高灵活度的网络。可编程路由器与其相比,在注重可重配置的同时,更强调功能的扩充性和灵活性。可编程路由器近两年来逐渐引起学者们的重视,ACM举办的SIGCOMM计算机通讯年会已连续两年为其开设Workshop,可编程路由器的相关技术也不断引起人们的关注。我们首先将从新一代互联网的发展角度出发,分析研究可编程路由器的重要意义,然后简要叙述可编程路由器的发展现状,最后予以总结与展望。可编程路由器与下一代互联网自Int
6、ernet发明到现在已有40多年的历史,计算机网络也发生了翻天覆地的变化,新一代互联网(NGI: Next GeneraTIon Internet或FI: Future Internet)旨在从互联网基本组成、工作原理和实现机理方面进行理论和方法探索和算法设计,解决现在网络在扩展性、安全性,高性能、实时性、移动性、管理性等方面显示出诸多不足。在发展方向上,一般有革命型和进化型两种路线。鉴于解决以上挑战的艰巨性和复杂性,有研究人员提出推倒现有的架构、重新设计全新互联网的革命性思想,其代表有美国的GENI、FIND和欧盟的FIRE。在另一方面,鉴于现有互联网的普及性及重新设计的复杂性,有学者认为应
7、在现有互联网上,坚持演进并积极创新。其代表有美国的Internet2、欧洲的Geant2、第二代跨欧亚信息网络TEIN2和中国的下一代互联网示范工程CNGI。截止到目前,全球新一代互联网和IPv6试验网络主干网已经形成,其规模正不断在扩大。对于新一代互联网的功能需求,我们认为新一代互联网体系结构需要着重解决的五大问题之一是:互联网体系结构的扩展性和演进性问题;在这个问题上,我们认为必须涵盖的五大因素之一是:可扩展的网络节点能力。新一代互联网的体系结构正发生着巨大的变化。新一代互联网对网络节点的可扩展性、灵活性提出了新的要求。作为网络核心部件的路由器的可重构性、可编程性、可管理性等方面显得更加重
8、要。因可编程路由器允许用户对其配置或编程,达到部署新服务和减轻网络管理负担的目标,在灵活性、动态性、可扩展性、可管理性及可编程性等方面显示出极大的优势和远景。因此,研究可编程路由器对新一代互联网体系结构的发展也具有重要的意义。较传统路由器,可编程路由器在实现其基本功能之外,可编程性至少体现在如下方面:(1) 软硬件的可编程性。可编程路由器的硬件架构允许用户重新定义功能,同时上层软件体系结构由功能划分清晰的模块或API组成,允许用户重新组织这些模块或调用接口来达到定制的目的。(2) 网络接口的可编程性。在高性能路由器体系结构中,网络接口已由线卡(Line Card)所取代,线卡具有剥离包头,查找
9、自身缓存中的路由表并进行转发的功能。线卡在转发数据之前,可编程路由器允许用户定制其他功能,如分类、整形、 QoS等。另外还允许用户识别自定义的数据包。(3) 数据路径的可编程性。可编程路由器应分离控制(管理)与数据(转发)两个层面,允许数据包根据用户自定义的条件进行数据路径的选择。(4) 上层协议的可编程性。用户可以重新定义或创建新的上层协议,以支持新服务与新应用。(5) 网络管理方式的可编程性。可编程路由器应允许用户按自定义的格式组织脚本来对其配置,在监控和管理方式上,应支持多种或自定义的管理手段。基于以上几点,近年来,可编程路由器的研究取得了许多重要的成果。1.硬件架构方案FPGA方案:F
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