新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)的研究進展解析

密級：保密期限：題目：新一代互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造的研究進展與分析學(xué)號：姓名：專業(yè)：導(dǎo)師：學(xué)院：２０１１年１２月１１日新一代互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造的研究進展與分析摘要日益增長的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶需求給互聯(lián)網(wǎng)帶來了諸多挑戰(zhàn),新一代互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造已經(jīng)成為了網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的熱點。本文就新一代互聯(lián)網(wǎng)研究背景,研究現(xiàn)狀，待解決的問題進展總結(jié)，并對位置標志和身份標志別離的兩類方案進展了探討。關(guān)鍵詞：新一代互聯(lián)網(wǎng)位置標志身份標志LISPNextｇeｎerａｔioｎI(lǐng)ntｅrnetarchiｔectｕrｅｒesearｃhandanalyｓisAbstｒacｔＴheChallengeshaveｂeenbroｕｇhtbecauseｏｆｔheinｃｒeasingnｅtwｏrksizeａnduserneｅdｓ．IthａｓbｅeｎbecｏmingｈｏttoresearｃｈtｈｅarchｉtecturｅｏftｈｅNGI.Inthispapｅr，ｔhebacｋgｒouｎｄ,ｒeｓｅaｒchsｔatｕｓ,pｒobleｍstobesolvedｏftｈeNGＩwiｌlｂeｓummａｒiｚed,ａｎdthen,ｔwoｐrogramsaｒedｉscussｅd,whｉchsｏlvedｔheseparationofloｃａt(yī)ioｎmarｋaｎdidentitymark.???Keyｗｏrds：ＮＧIｌoｃａt(yī)ionmaｒｋｉdentitymarkLIＳＰ目錄TOＣ\ｏ"１－３＂\h\z＼u１引言 ５２現(xiàn)狀與問題?６２.１國內(nèi)外研究現(xiàn)狀?６２.２待解決的問題 ７３位置標志和身份標志別離 ８３．１概述?８３.２基于主機的路由體系構(gòu)造 ８３.３基于網(wǎng)絡(luò)的路由體系構(gòu)造 ９３．４兩種方案的比較與分析 ９４完畢語?１１參考文獻?１２１引言互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)過４０年的開展，已經(jīng)取得了巨大的成功，目前已然成為人們生活的必需品，互聯(lián)網(wǎng)初期的設(shè)計主要遵循了如下幾條原那么：用位置對節(jié)點進展標識；分層的協(xié)議棧；在網(wǎng)絡(luò)層部署唯一的網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，即IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議；基于數(shù)據(jù)報的無連接效勞；端點智能、網(wǎng)絡(luò)傻瓜化，即由端系統(tǒng)負責復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)功能，連接端節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)只負責簡單的傳送功能。今天互聯(lián)網(wǎng)的成功很大程度上源于這些根本的設(shè)計原那么。然而，互聯(lián)網(wǎng)在這幾十年中發(fā)生了巨大的變化,在平安性、移動性、可擴展性、可控可管性、效勞質(zhì)量等方面,互聯(lián)網(wǎng)原始設(shè)計的缺陷逐漸暴露出來。尤其隨著以“內(nèi)容/信息共享〞為主要特點的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的快速開展,使得當前互聯(lián)網(wǎng)正面臨著前所未有的壓力。具體來說主要有以下幾點：IP地址匱乏［１]，難以更大規(guī)模擴展；網(wǎng)絡(luò)效勞質(zhì)量〔QoＳ〕控制能力弱,不能保障高質(zhì)量對不同業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)效勞；缺乏平安保障機制,網(wǎng)絡(luò)平安漏洞多；對于用戶在移動互聯(lián)網(wǎng)的要求，傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)由于其技術(shù)本質(zhì)問題難以滿足；另外,目前傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)的復(fù)雜程度也使網(wǎng)絡(luò)控制和管理變得異常困難。世界各國研究機構(gòu)早就開場重新考慮和研究互聯(lián)網(wǎng)的體系構(gòu)造，試圖提出適應(yīng)于未來環(huán)境和應(yīng)用需求的新一代互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造，美國等興旺國家先后開場了新一代互聯(lián)網(wǎng)研究,比較著名的幾個方案包括下一代互聯(lián)網(wǎng)〔ＮGI，ｎextgenｅrａｔiｏｎＩnterｎet〕、下一代網(wǎng)〔ＮGN,neｘtｇｅneratioｎnｅtｗorｋ〕、美國國家科學(xué)基金會設(shè)立的全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境(GEＮI，gｌｏｂａlenvirｏnmentfoｒnetｗorｋinnovatioｎ〕和未來互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(FIND,futｕreＩnｔerｎetｄｅsign〕、歐盟第七研發(fā)框架方案(ＦP７)等。我國在新一代網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造方面剛起步,已經(jīng)在“９７３〞方案、“８６３〞方案這些重大的國家科研方案中設(shè)立了假設(shè)干個與未來網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的工程。２現(xiàn)狀與問題２．１國內(nèi)外研究現(xiàn)狀美國自然科學(xué)基金會NSF于２００５年啟動了兩項新一代互聯(lián)網(wǎng)研究方案：未來互聯(lián)網(wǎng)設(shè)計FIND和全球網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新環(huán)境GEＮI。[２]FIＮD方案最大的特點在于從草圖設(shè)計開場，探討所需的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)造及其設(shè)計，而不是增量式地逐步改進現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)。ＦIND在網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造各個方面的研究和設(shè)計都盡量做到不受以往的研究思維的影響和束縛,即“革命式〞、“從頭再來〞。GEＮＩ方案的目的那么是構(gòu)建一個全新的、平安的、能夠連接所有設(shè)備的互聯(lián)網(wǎng),以促進互聯(lián)網(wǎng)的開展，并刺激創(chuàng)新，促進經(jīng)濟增長。其目標是發(fā)現(xiàn)和評估可以作為２１世紀互聯(lián)網(wǎng)根底的新的革命性概念、示范和技術(shù),建立一個用于研究未來互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造、效勞和過渡的一個實驗環(huán)境，提供更多數(shù)量和更好質(zhì)量的研究平臺，并能將研究成果迅速轉(zhuǎn)化為實際的產(chǎn)品和效勞,使這些產(chǎn)品和效勞能夠提高國家未來的經(jīng)濟競爭力和國家平安，并且能夠讓當前的網(wǎng)絡(luò)較快過渡到新的網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造。ＧENI由兩局部組成：研究方案(ｒeseａrchｐrogram)和實驗設(shè)施〔experimeｎtalｆacilｉty)。其中“研究方案〞的重點是，研究創(chuàng)造新的核心功能,包括要超越現(xiàn)有的數(shù)據(jù)報、分組和電路交換框架，設(shè)計新的命名、尋址和身份識別體系構(gòu)造，構(gòu)建內(nèi)置的網(wǎng)絡(luò)平安機制和新的網(wǎng)絡(luò)管理機制,使下一代互聯(lián)網(wǎng)具有高度平安性和可管理性?！皩嶒炘O(shè)施〞的重點是,研究能夠提供包括傳感器和無線移動通信設(shè)備等在內(nèi)的多種接入技術(shù)，并能夠部署和驗證新的體系構(gòu)造(例如,新的無線技術(shù)和光技術(shù)、傳感器網(wǎng)絡(luò)、移動無線通信、ＲFID等〕。２００７年初,歐盟在其第七框架FP７中設(shè)立了“未來互聯(lián)網(wǎng)研究和試驗〞〔FIRE〕工程[３]。FＩRE是一項長期的試驗驅(qū)動的原創(chuàng)性研究,涉及了未來互聯(lián)網(wǎng)的概念、協(xié)議和體系構(gòu)造、相關(guān)的科技、工業(yè)和社會經(jīng)濟學(xué)等方面。其主要研究內(nèi)容包括：網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造和協(xié)議的新方法；管理未來互聯(lián)網(wǎng)日益增長的規(guī)模、復(fù)雜性、移動性、平安性和通透性；在物理和虛擬構(gòu)造的大規(guī)模測試環(huán)境中驗證上述屬性。同為未來互聯(lián)網(wǎng)研究方案，F(xiàn)IRE和ＧＥNI有著很多的一樣之處，它們都關(guān)注如何搭建真實試驗環(huán)境,從而為理論研究提供證據(jù)支持。FIRE希望通過螺旋式的部署方案，沖出地理上的限制，建立全球性的大規(guī)模試驗環(huán)境。FIRE同樣采用虛擬化技術(shù)，該技術(shù)將獨立存在的資源和設(shè)施聯(lián)系起來,不僅使多個組織協(xié)同合作,還能降低能耗和本錢。我國在國家重點根底研究開展方案〔“９７３〞方案)中也明確提出了“新的網(wǎng)絡(luò)體系根底研究〞作為重點研究課題，設(shè)立了一系列與未來或新一代互聯(lián)網(wǎng)有關(guān)的工程。２００３年,清華大學(xué)、國防科技大學(xué)、北京郵電大學(xué)、東南大學(xué)和中科院網(wǎng)絡(luò)信息中心５個單位共同承擔了國家“９７３〞方案工程“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造理論研究〞。還有以張宏科教授為首席科學(xué)家的“一體化可信網(wǎng)絡(luò)與普適效勞體系根底研究〞，以孟洛明教授為首席科學(xué)家的“可測可控可管的ＩＰ網(wǎng)的根底研究〞，以吳建華教授為首席科學(xué)家的“新一代互聯(lián)網(wǎng)體系構(gòu)造和協(xié)議根底研究〞等,錢華林研究員在其？層次交換網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造？一書中也對未來互聯(lián)網(wǎng)的架構(gòu)做了深入的探討。２.２待解決的問題新一代互聯(lián)網(wǎng)的根本特征有“擴展性、高性能、實時性、移動性、平安性、易管理和經(jīng)濟性〞,基于這些根本特征,新一代互聯(lián)網(wǎng)主要面臨有如下四個主要問題。網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造單一、可擴展性不強和網(wǎng)絡(luò)功能的復(fù)雜多樣性的問題。雖然人們認為，采用“邊緣論〞作為指導(dǎo)思想的基于盡力而為的互聯(lián)網(wǎng)是體系構(gòu)造可擴展性最好的網(wǎng)絡(luò),但是這種體系構(gòu)造的可擴展性也僅僅局限在網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通的角度。在支持新的效勞方面那么表現(xiàn)出越來越多的局限性。例如,很難對組播進展支持,也很難支持大量主機都處于不斷移動狀態(tài)的情形,這些問題出現(xiàn)的主要原因都是由于盡力而為的效勞模型只考慮了互聯(lián)互通的擴展性目標而沒有考慮互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)在效勞等其他方面的可擴展性問題。目前的網(wǎng)絡(luò)體系構(gòu)造在地址空間、尋址和路由方式、效勞類型等方面都很難進一步擴展［４]。未知的網(wǎng)絡(luò)行為與確定的傳輸控制目標之間的問題?；诜纸M交換的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的流量模型和行為模型還沒有得到很好的研究,目前雖然在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的流量分析中得到了一些基于自相似和長相關(guān)的理論成果,但是這些成果背后的科學(xué)指導(dǎo)作用還有待進一步開掘。由于流量模型和行為模型的缺乏,導(dǎo)致人們對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的控制和管理缺乏理論指導(dǎo),還停留在直觀和經(jīng)歷的根底上,這也遠遠不能滿足要求網(wǎng)絡(luò)提供更好的效勞質(zhì)量的需求。網(wǎng)絡(luò)的平安可信問題[５]。互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)作為一個巨大的系統(tǒng)工程,它有其固有的脆弱性。網(wǎng)絡(luò)上聚集了大量的硬件系統(tǒng)和無數(shù)的應(yīng)用軟件,每一種硬件或者軟件的缺陷都有可能被利用來對網(wǎng)絡(luò)進展攻擊或者惡意破壞。那么,如何從理論上分析網(wǎng)絡(luò)的脆弱性并對其進展保護是還沒有解決的難題。網(wǎng)絡(luò)在保證自身平安的根底上,還必須為應(yīng)用提供所需要的平安功能。如何在應(yīng)用規(guī)模不斷增長，性能要求不斷提高的前提下保證其平安是一個困難的問題。網(wǎng)絡(luò)效勞需求的復(fù)雜多變的問題。新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性〔規(guī)模更大、構(gòu)造更復(fù)雜、異構(gòu)性更強)以及用戶和效勞提供者對效勞需求的復(fù)雜性和多樣性(效勞的互操作性、提供速度、可用性、可擴展性、可管理性和效勞質(zhì)量、效勞的智能化和個性化等〕使得人們急需對如何構(gòu)建大規(guī)?；ヂ?lián)網(wǎng)絡(luò)效勞的理論指導(dǎo)。如何根據(jù)新一代互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的體系構(gòu)造建立相應(yīng)的效勞模型,如何快速靈活地為用戶提供具有高可用性、良好互操作性和高性能的效勞，如何對現(xiàn)有的效勞進展協(xié)調(diào)為端用戶提供可重用的效勞，如何對效勞進展管理,都是困難而極有價值的理論問題。３位置標志和身份標志別離３.１概述近年來,互聯(lián)網(wǎng)的路由可擴展性問題引起了越來越多的關(guān)注。在互聯(lián)網(wǎng)的無缺省路由域(DFZ)中,路由表的規(guī)模正以“超線性〞的速度增長［６]，這無疑嚴重影響了互聯(lián)網(wǎng)路由系統(tǒng)的可擴展性。目前研究者已達成共識,認為當前DFZ中路由表規(guī)模高速增長的根本原因是由于IP地址同時承擔標識主機身份和尋址雙重功能而導(dǎo)致的IＰ地址語義過載。為解決這個問題,多數(shù)專家認為需要從根本上對現(xiàn)有路由體系構(gòu)造進展重新設(shè)計規(guī)劃。為解決路由系統(tǒng)的可擴展性問題，目前已經(jīng)提出了多種方案[７]。這些方案大致可以被歸納為兩類：一類方案是通過減少邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(ＢＧP〕消息更新的頻率、壓縮路由表或轉(zhuǎn)發(fā)表來解決擴展性問題,如虛擬聚合方案〔VA)；另一類方案是基于身份標識和位置標識(ID/Ｌoｃａt(yī)or)別離的思想,將ＩP地址的主機身份標識與路由標識功能分開,如主機標識協(xié)議(ＨIP)位置/身份別離協(xié)議(LISP)等。第一類方案只解決了路由表、轉(zhuǎn)發(fā)表快速增長的問題。第二類方案不僅能夠減小DFZ中路由表的規(guī)模,還支持站點的網(wǎng)絡(luò)多歸屬和流量工程,實現(xiàn)路由系統(tǒng)的可擴展。目前學(xué)術(shù)界和工業(yè)界的很多研究團體已經(jīng)提出了眾多基于位置和身份別離的方案。大多數(shù)方案的設(shè)計都遵循兩層命名空間模型,即位置標識命名空間和主機標識命名空間，兩層命名空間方案又可以按照位置標識和身份標識別離點的位置不同分為兩類：第一類方案在主機處將ID/Lｏcatoｒ徹底別離,這需要對主機作一定的修改；第二類方案在邊界路由器處進展ＩD/Locａｔｏr的別離,通過在網(wǎng)關(guān)處進展封裝映射來實現(xiàn),主機無需作任何改變。３.２基于主機的路由體系構(gòu)造這類方案的根本思想是在主機處實現(xiàn)位置標識符和身份標識符的徹底別離。早期M.O'Dell提出的GSＥ就屬于此類方案,它將主機的IＰｖ６地址分為Ｌocａt(yī)or和ID兩局部，實現(xiàn)了位置與身份的別離，但并不保證ID的全球唯一性和平安性。此后提出的LNＡＩ以及HＩＰ也屬于此類方案。LNＡI設(shè)計了一個扁平的４層名字空間構(gòu)造，包括用戶級描述符(ＵLD)效勞描述符(SIＤ〕、主機描述符〔ＥID)和IＰ地址。同時LＮAI還提出了一個三級地址解析方案，包括將ＵLＤ解析為SID、將SIＤ解析為EＩD將EIＤ解析為IＰ地址。通過增加SID和EID這兩個額外的名字空間和解析層次,ＬＮAI不僅能夠允許效勞和數(shù)據(jù)成為一級因特網(wǎng)對象(能夠直接和持久地命名)，還支持主機的無縫移動和網(wǎng)絡(luò)多歸屬,并可以將中間盒如網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(NＡT)和防火墻等整合到互聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)。ＨIP［８]提出在網(wǎng)絡(luò)層和傳輸層中間插入一個新的協(xié)議層——主機標識層。主機標識層將原來嚴密耦合的傳輸層和網(wǎng)絡(luò)層分開，徹底別離IP地址的雙重功能,使IP地址只作為網(wǎng)絡(luò)層使用的位置標識符,專用于數(shù)據(jù)包的路由轉(zhuǎn)發(fā),而把主機標識的功能交給主機標識符(HｏstIＤ)，傳輸層使用主機標識符而不是IP地址作為主機的標識。在雙方進展通信時，IＰ地址的變化對傳輸層透明，從而保證在發(fā)生移動或者地址變化時，通信可以持續(xù)進展，而不會被中斷。３.３基于網(wǎng)絡(luò)的路由體系構(gòu)造此方案的根本思想是：將整個路由域分為全局路由域和本地路由域,ID/Locator的別離在邊界網(wǎng)關(guān)處實現(xiàn)。全局路由域是由邊界網(wǎng)關(guān)組成的，在同一個本地路由域內(nèi)的實體之間的通信使用身份標識符進展路由，在全局路由域內(nèi)使用位置標識符進展路由。需要發(fā)往本地域外的數(shù)據(jù)包攜帶的是目的主機的身份標識,它們首先被轉(zhuǎn)發(fā)到本地路由域的邊界網(wǎng)關(guān)處(源網(wǎng)關(guān))。源網(wǎng)關(guān)通過某種映射效勞獲得目的網(wǎng)關(guān)的位置標識并將這個標識作為目的地址。接著,根據(jù)目的網(wǎng)關(guān)的位置標識，這個數(shù)據(jù)包就可以通過全局路由域到達目的網(wǎng)關(guān)。目的網(wǎng)關(guān)去掉數(shù)據(jù)包中的位置標識，根據(jù)目的主機的身份標識轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，最終數(shù)據(jù)包將到達目的主機。這類方案不僅僅能夠解決目前Inｔernet面臨的路由可擴展問題支持站點多歸屬,而且由于IＤ/Locatｏr在路由器處進展別離,有利于IＳP進展流量工程控制。Cisco公司提出的LISP采用了邊緣網(wǎng)絡(luò)和核心網(wǎng)絡(luò)別離的概念,將核心網(wǎng)絡(luò)與邊緣網(wǎng)絡(luò)劃分不同的路由空間[９］,根本思想是通過核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)的別離實現(xiàn)核心網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。它將當前具有雙重語義的IP地址命名空間別離成端節(jié)點身份標識(EＩＤ)和路由地址(RLOC)，其中EID用于在邊緣網(wǎng)絡(luò)(本地路由域)中進展路由，而RLOC對應(yīng)為位置標識符，用于核心網(wǎng)(全局路由域)的路由，并通過引入入口隧道路由器(ITR)和出口隧道路由器(ＥＴR〕對數(shù)據(jù)包的封裝，實現(xiàn)身份與位置的別離。LIＳP采用IP-OＶER-ＵDＰ隧道技術(shù),其中內(nèi)層包頭存放ＥID,外層包頭存放ＲＬOC。隧道端點路由器負責緩存EID到ＲLOC的映射。由于LＩSP以盡量少地改變Intｅrnet的根底設(shè)施為設(shè)計目標,所以在LISＰ中端系統(tǒng)無需任何改變,只需對現(xiàn)行的路由器進展微小的改變，并且能夠增量部署。當然，LＩSＰ也存在一些問題。例如,LＩSP的實現(xiàn)依賴隧道技術(shù)，邊界路由器需要維護流量狀態(tài)，由此而產(chǎn)生的可靠性和擴展性問題有待解決。３.４兩種方案的比較與分析以上共介紹了兩類不同的路由體系構(gòu)造。LNAI需要對現(xiàn)有的主機軟件作很大的改變，包括協(xié)議和應(yīng)用程序，而且解析這些名字空間需要新的解析系統(tǒng)。因此,LNAI的部署代價較大。在引入了多個層次的名字空間后，平安問題如拒絕效勞攻擊也成為LNAI的較大隱患。以HIP為代表的在主機處實現(xiàn)ID/Locａt(yī)ｏｒ別離的方案實現(xiàn)了ＩP地址雙重語義的徹底解耦,完全解決了移動性、網(wǎng)絡(luò)多歸屬問題，增強了平安性，實現(xiàn)了路由系統(tǒng)的可擴展,但是這類方案需要對主機進展修改，部署難度較大,且不能支持有效的流量工程。以LＩSP為代表的采取映射封裝的方案在邊緣路由器上實現(xiàn)了核心網(wǎng)絡(luò)和邊緣網(wǎng)絡(luò)的別離,邊緣網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)變化不會對核心網(wǎng)絡(luò)造成嚴重影響,從而實現(xiàn)了路由系統(tǒng)的可擴展。這類方案只需對路由器進展改動，部署代價較小，支持網(wǎng)絡(luò)多歸屬和流量工程,能夠增量部署。這類方案的最大問題是,需要在入口隧道路由器(ITR)處采用查詢映射，查詢延遲會導(dǎo)致路由器丟棄或者緩存大量分組，容易遭受攻擊。改進方案是ITR可以在沒有映射信息時，將分組發(fā)送給映射系統(tǒng),讓分組經(jīng)過映射系統(tǒng)進展路由,導(dǎo)致映射系統(tǒng)在提供映射功能的同時，還要需要承載用戶流量的轉(zhuǎn)發(fā),對映射系統(tǒng)的設(shè)計和性能提出了要求。通過以上分析可以看出這些方案各有優(yōu)缺點，其設(shè)計的目的都是解決路由系統(tǒng)的可擴展性這個首要問題。當然除了路由的可擴展性，未來互聯(lián)網(wǎng)路由體系構(gòu)造還要支持具有擴展性的流量工程、網(wǎng)絡(luò)多歸屬以及移動性,盡量簡化自治系統(tǒng)的重編址,考慮路由質(zhì)量和平安。同時,方案的可部署性也是設(shè)計時必須要考慮的重要因素。４完畢語經(jīng)過十多年時間，人們越來越深刻地認識到下一代互聯(lián)網(wǎng)研究的重要性、復(fù)雜性、艱巨性和長期性,興旺國