1116 计 算 机 学 报 2012年 面的迁移时间，借鉴Click模块化的思想，Anwer等 和管理，满足当前各种新协议对转发数据通路的不 人[3]提出了模块化的硬件虚拟数据平面架构 同需求 SwitchBlade,在硬件数据平面中支持IPv4、IPv6、 表2综合比较了可编程虚拟化路由器的研究进 OpenFlow以及其它非IP协议，这种架构提高了模 展.从近几年的研究趋势来看，可编程虚拟化路由器 块的可复用性，支持新协议快速的原型设计和部署. 的研究将会朝着两个不同的方向继续发展：一方面， PEARL是中国科学院计算技术研究所研发的 随着商用高性能多队列网卡的出现以及SR-IOV等 高性能、可编程的虚拟路由器平台[]①，整个系统结 I/O虚拟化技术的发展，通用服务器平台的1/O性 合了硬件的高性能和软件的高灵活性优势：采用 能有了质的飞跃，如何充分利用这些新兴的I/O加 TCAM实现了高性能的路由转发表，使用FPGA对 速技术和多核CPU的并行优势，进一步提高可编 数据包进行快速的预处理，提供硬件虚拟化支持，实 程软件路由器的性能，将是一个重要的研究方向， 现高性能数据平面；在软件上，使用操作系统级的虚 另一方面，FPGA、GPU、众核处理器的专用硬件平 拟化技术LXC,对软件虚拟路由器进行隔离，保证 台的发展，给可编程虚拟路由器的研究与设计提供 各个虚拟路由器之间互不干扰，通过软硬件的灵活 了新的思路，如何更好地发挥专用的硬件平台的特 控制，每个虚拟机可以实现一台可编程的路由器，在 点，对可编程虚拟化路由器进行加速，也是当前的研 系统上研发了灵活的控制接口对整个系统进行定制 究热点. 表2可编程虚拟化路由器的研究进展 具体方案 设计目标 硬件平台 主要特点 试验结果 采用集群服务器 采用商用器件，纯软件路由器，具有比较好的 RouteBricks 实现高性能的路 CPU+NIC 灵活性和可扩展性，通过对集群系统的服务 原型系统达到35Gbps转发 性能 由器 器间和服务器内部的并行优化来提高性能 NUMA系统结构：多核CPU,高性能网卡、 PacketShader 采用商用硬件实 CPU+GPU 现高性能路由器 GPU:采用GPU实现数据包处理的加速 40Gbps的转发性能 在可编程平台上实 虛拟数据平面，用户可定制硬件模块，灵活 SwitchBlade CPU+NetFPGA 的匹配和转发引擎，采用软件方法进行例外 重点验证虚拟的数据平面，其 现新协议的试验 处理，满足新协议应用需求 有很好的隔离性和可扩展性 采用可编程硬件实 采用FPGA和TCAM实现高性能的路由 PEARL CPU+FPGA+TCAM 转发，通过虚拟化硬件技术实现高性能数据 20Gbps线速转发能力，体现 现虚拟化路由器 平面，具有良好隔离特性 高性能和良好隔高性 4.2未来互联网试验床 储、网络映射和P2P系统等方面的新技术研究. 未来互联网体系结构的研究需要大规模网络试 PlanetLab的短期目标是提供一个服务验证平台， 验床的支撑.一方面，试验床为FIA的研究人员提 支持大量新应用的开发和部署；长期目标是通过支 供了一个试验平台，各种新的架构可以在试验床上 持各种创新的服务研究，成为未来互联网的一个缩 进行验证：另一方面，虽然FIA的设计可以从零开 影，最终实现一个面向服务的未来互联网体系结构. 始，但是其验证和部署必然是演进式的.大规模试验 GENI是美国自然科学基金于2005年启动的一个 床给未来互联网架构的演进式验证和部署提供了一 促进未来互联网革命性创新的计划，其目的是建设 条有效的途径.因此，世界上各个国家和地区在研究 一个可编程的、支持虚拟化的、可联合的、基于Slice 未来互联网架构的同时，都在积极研究和部署大规 的大规模试验基础设施，支持互联网前沿科学与工 模网络试验床，如美国的PlanetLabtse、GENI37] 程问题的研究 等，欧盟FIRE[]项目下的OneLab②，日本的 FIRE计划是欧盟关于未来互联网研究的一 JGN2plus和韩国的FIRST3)等。 个重要计划，包括两个主要的研究内容：试验床部 PlanetLab是一个由美国国家科学基金资助的 署和试验驱动，(O)neLab是FIRE计划下的试验床 全球范围内的覆盖网络.其目的是提供一个开放式 研究项目，提供了4个核心试验床的访问服务，包括 的平台，用于开发、部署和访问新的网络服务.到目 前为止，PlanetLab已经包含517个地区的1126个 ProgrammablE virtuAl Router pLatform,PEARL.2011. Available at http://fi.ict.ac.cn 节点，为全世界各地顶级学术和工业研究机构的 ② OneLab,2011.Available at http://www.onelab.eu/ JGN2plus,2011.Available at http://www.jgn.nict.go. 1000多名研究人员提供服务，用于支持分布式存 jp/english/index.html面的迁移时间．借鉴Ｃｌｉｃｋ模块化的思想，Ａｎｗｅｒ等 人［３０］提出了模块化的硬件虚拟数据平面架构 ＳｗｉｔｃｈＢｌａｄｅ，在硬件数据平面中支持ＩＰｖ４、ＩＰｖ６、 ＯｐｅｎＦｌｏｗ以及其它非ＩＰ协议，这种架构提高了模 块的可复用性，支持新协议快速的原型设计和部署． ＰＥＡＲＬ是中国科学院计算技术研究所研发的 高性能、可编程的虚拟路由器平台［３５］①，整个系统结 合了硬件的高性能和软件的高灵活性优势：采用 ＴＣＡＭ实现了高性能的路由转发表，使用ＦＰＧＡ对 数据包进行快速的预处理，提供硬件虚拟化支持，实 现高性能数据平面；在软件上，使用操作系统级的虚 拟化技术ＬＸＣ，对软件虚拟路由器进行隔离，保证 各个虚拟路由器之间互不干扰，通过软硬件的灵活 控制，每个虚拟机可以实现一台可编程的路由器，在 系统上研发了灵活的控制接口对整个系统进行定制 和管理，满足当前各种新协议对转发数据通路的不 同需求．表２综合比较了可编程虚拟化路由器的研究进 展．从近几年的研究趋势来看，可编程虚拟化路由器 的研究将会朝着两个不同的方向继续发展：一方面， 随着商用高性能多队列网卡的出现以及ＳＲＩＯＶ等 Ｉ／Ｏ虚拟化技术的发展，通用服务器平台的Ｉ／Ｏ性 能有了质的飞跃，如何充分利用这些新兴的Ｉ／Ｏ加 速技术和多核ＣＰＵ的并行优势，进一步提高可编 程软件路由器的性能，将是一个重要的研究方向． 另一方面，ＦＰＧＡ、ＧＰＵ、众核处理器的专用硬件平 台的发展，给可编程虚拟路由器的研究与设计提供 了新的思路，如何更好地发挥专用的硬件平台的特 点，对可编程虚拟化路由器进行加速，也是当前的研 究热点． 表２可编程虚拟化路由器的研究进展 具体方案 设计目标 硬件平台 主要特点 试验结果 ＲｏｕｔｅＢｒｉｃｋｓ采用集群服务器 实现高性能的路 由器 ＣＰＵ＋ＮＩＣ 采用商用器件，纯软件路由器，具有比较好的 灵活性和可扩展性，通过对集群系统的服务 器间和服务器内部的并行优化来提高性能 原型系统达到３５Ｇｂｐｓ转发 性能 ＰａｃｋｅｔＳｈａｄｅｒ采用商用硬件实 现高性能路由器 ＣＰＵ＋ＧＰＵ ＮＵＭＡ系统结构：多核ＣＰＵ、高性能网卡、 ＧＰＵ；采用ＧＰＵ实现数据包处理的加速 ４０Ｇｂｐｓ的转发性能 ＳｗｉｔｃｈＢｌａｄｅ在可编程平台上实 现新协议的试验 ＣＰＵ＋ＮｅｔＦＰＧＡ 虚拟数据平面，用户可定制硬件模块，灵活 的匹配和转发引擎，采用软件方法进行例外 处理，满足新协议应用需求 重点验证虚拟的数据平面，具 有很好的隔离性和可扩展性 ＰＥＡＲＬ 采用可编程硬件实 现虚拟化路由器 ＣＰＵ＋ＦＰＧＡ＋ＴＣＡＭ 采用ＦＰＧＡ和ＴＣＡＭ实现高性能的路由 转发，通过虚拟化硬件技术实现高性能数据 平面，具有良好隔离特性 ２０Ｇｂｐｓ线速转发能力，体现 高性能和良好隔离性 ４．２未来互联网试验床 未来互联网体系结构的研究需要大规模网络试 验床的支撑．一方面，试验床为ＦＩＡ的研究人员提 供了一个试验平台，各种新的架构可以在试验床上 进行验证；另一方面，虽然ＦＩＡ的设计可以从零开 始，但是其验证和部署必然是演进式的．大规模试验 床给未来互联网架构的演进式验证和部署提供了一 条有效的途径．因此，世界上各个国家和地区在研究 未来互联网架构的同时，都在积极研究和部署大规 模网络试验床，如美国的ＰｌａｎｅｔＬａｂ［３６］、ＧＥＮＩ［３７］ 等，欧盟ＦＩＲＥ［３８］项目下的ＯｎｅＬａｂ②，日本的 ＪＧＮ２ｐｌｕｓ③和韩国的ＦＩＲＳＴ［３９］等． ＰｌａｎｅｔＬａｂ是一个由美国国家科学基金资助的 全球范围内的覆盖网络．其目的是提供一个开放式 的平台，用于开发、部署和访问新的网络服务．到目 前为止，ＰｌａｎｅｔＬａｂ已经包含５１７个地区的１１２６个 节点，为全世界各地顶级学术和工业研究机构的 １０００多名研究人员提供服务，用于支持分布式存 储、网络映射和Ｐ２Ｐ系统等方面的新技术研究． ＰｌａｎｅｔＬａｂ的短期目标是提供一个服务验证平台， 支持大量新应用的开发和部署；长期目标是通过支 持各种创新的服务研究，成为未来互联网的一个缩 影，最终实现一个面向服务的未来互联网体系结构． ＧＥＮＩ是美国自然科学基金于２００５年启动的一个 促进未来互联网革命性创新的计划，其目的是建设 一个可编程的、支持虚拟化的、可联合的、基于Ｓｌｉｃｅ 的大规模试验基础设施，支持互联网前沿科学与工 程问题的研究． ＦＩＲＥ计划是欧盟关于未来互联网研究的一 个重要计划，包括两个主要的研究内容：试验床部 署和试验驱动．ＯｎｅＬａｂ是ＦＩＲＥ计划下的试验床 研究项目，提供了４个核心试验床的访问服务，包括 １１１６ 计 算 机 学 报 ２０１２年 ① ② ③ ＰｒｏｇｒａｍｍａｂｌＥｖｉｒｔｕＡｌＲｏｕｔｅｒｐＬａｔｆｏｒｍ，ＰＥＡＲＬ，２０１１． Ａｖａｉｌａｂｌｅａｔｈｔｔｐ：／／ｆｉ．ｉｃｔ．ａｃ．ｃｎ ＯｎｅＬａｂ，２０１１．Ａｖａｉｌａｂｌｅａｔｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｏｎｅｌａｂ．ｅｕ／ ＪＧＮ２ｐｌｕｓ，２０１１．Ａｖａｉｌａｂｌｅａｔｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｊｇｎ．ｎｉｃｔ．ｇｏ． ｊｐ／ｅｎｇｌｉｓｈ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ