6期 谢高岗等：未来互联网体系结构研究综述 1115 表1现有FIA研究的综合比较 分类 其体方案 设计目标 主要思想 与TCP/IP的关系 当前进展 进一步分析 面向可扩展性的 提高扩展性与安 适合静态大数据的 体系架构 CCN/NDN 全性 以数据为中心 采用非P架构 进行中 共享 Clean-slate 无线接入与移动 通过网络侧的支持 支持TCP/IP架构 主要考虑WIFI和蜂 面向动态性的 性能 实现移动管理 下的移动 进行中 窝的接入优化问题 体系架构 全局名字解析、存 MobilityFirst 以移动为中心的 标识和地址分离 进行中 先获取节点位置再获 网络结构 储转发 取服务 把网络决策逻辑从 可管可控结构(4D) 重新设计互联网 管理网络设备交互 针对TCP/IP网络 已经 网络状态的感知与资 控制和管理结构 设 结束 源调度控制 的协议中分离出来 增强互联网的可 源IP地址认证、传 对TCP/P互联网 正在 可信网络结构 信性 输和服务分层的两 的改进 进行 身份与资源安全认证 层结构 其它体系架构 核心网络通过冗余 以云计算为中心的 构建可靠、可信的 高性能链路和高可 全新的面向云计 正在 云计算资源的高效可 结构(Nebula) 核心网铬连接各个 靠路由控制软件实 算的体系结构 进行 靠互联与访问 云计算数据中心 现高可用性 构建面向服务的 定义服务标识，实 非P架构，支持 解决互.联网面临的可 SOFIA/Serval 未来互联网体系 IPv6环境中的演 正在进行 扩展性、动态性和安全 结构 现可扩展服务路由 进式部署 可控性问题 虚拟化路由器带来了新的契机，研究者们在通用平 4 系统实现与验证 台上，设计了高性能的可编程虚拟化路由器，如 RouteBrickst2]、PacketShader[2o]等.RouteBricks利 未来互联网体系结构的研究需要大规模网络试 用Intel公司高性能的多队列网卡，设计了一个 验床的实际测试与验证，可编程虚拟化路由器是构 35Gbps的路由器原型系统.PacketShader利用 建未来互联网试验床的核心设备，路由器需要在控 GPU强大的并行计算能力进行P查找，有效地卸 制平面和数据平面向用户提供灵活的编程接口，允 载了CPU的负担；通过简化Linux内核中数据包缓 许用户根据不同的协议需求，修改路由器的功能模 存区的数据结构、静态分配大的连续缓冲区、采用批 块，这是未来互联网新协议和新架构研究的基础.路 处理方式等，优化数据包I/)引擎.PacketShader 由器平台需要同时虚拟运行多个不同体系结构的路 在单台服务器上，64字节小包的转发性能接近 由器实例，各个实例之间需要独立无干扰.路由器的 40Gbps. 这种特性可以使未来多样化的网络体系结构与现有 基于专用硬件平台的可编程虚拟化路由器，利 TCP/IP体系结构长期并存，并支持未来网络体系 用专用硬件（如FPGA等）的高速、并行特性，实现 结构的渐进式试验与部署.可编程虚拟化路由器对 高性能的虚拟化路由器数据平面.Lockwood等 未来互联网体系结构的研究具有重要意义，成为近 人[a]首次在NetFPGA中实现了8个相同的虚拟数 几年网络研究的热点问题之一25.本节分析了可 据平面，控制平面在软件中实现[2).在硬件中实现 编程虚拟化路由器和试验床的研究进展。 虚拟数据平面，一方面可以提供更好的隔离性，另一 4.1可编程虚拟化路由器 方面，很容易获得线速的数据包转发性能.由于 从系统实现来看，可编程虚拟化路由器的研究 FPGA的资源相对有限，基于FPGA的可编程虚拟 与实现可以分为两类：基于通用平台的路由器和基 化路由器的扩展性成为最大的问题.为了克服这一 于专用硬件的路由器。 问题，Unnikrishnan等人[2]使用FPGA的动态重 基于通用平台的可编程虚拟化路由器用普通网 构技术以及软硬件数据平面迁移技术，解决可编程 卡实现数据的采集和转发，通过在CPU上运行虚 虚拟化路由器的可扩展性问题；Yin等人[2]提出使 拟化软件(Xena]、OpenVZ①等)和路由器软件 用FPGA局部动态可重构技术解决硬件虚拟数据 (Click[3)、XORP[a]、Quagga②等)实现可编程虚拟 平面的可扩展性问题，进一步降低了软硬件数据平 化路由器，其特点是具有非常高的灵活性，但转发性 能低.近几年来，随着硬件技术的发展，特别是高速 OpenVZ.Available:http://wiki.openvz.org/Main_Page. 2011 网卡及多核CPU技术的发展，通用平台给可编程 ② Quagga,2011.Available:http://www.quagga.net/表１现有犉犐犃研究的综合比较 分类 具体方案 设计目标 主要思想 与ＴＣＰ／ＩＰ的关系当前进展 进一步分析 面向可扩展性的 体系架构 ＣＣＮ／ＮＤＮ 提高扩展性与安 全性 以数据为中心 采用非ＩＰ架构 进行中 适合静态大数据的 共享 面向动态性的 体系架构 Ｃｌｅａｎｓｌａｔｅ 无线接入与移动 性能 通过网络侧的支持 实现移动管理 支持ＴＣＰ／ＩＰ架构 下的移动 进行中 主要考虑ＷＩＦＩ和蜂 窝的接入优化问题 ＭｏｂｉｌｉｔｙＦｉｒｓｔ 以移动为中心的 网络结构 全局名字解析、存 储转发 标识和地址分离 进行中 先获取节点位置再获 取服务 其它体系架构 可管可控结构（４Ｄ）重新设计互联网 控制和管理结构 把网络决策逻辑从 管理网络设备交互 的协议中分离出来 针对ＴＣＰ／ＩＰ网络 设计 已经 结束 网络状态的感知与资 源调度控制 可信网络结构 增强互联网的可 信性 源ＩＰ地址认证、传 输和服务分层的两 层结构 对ＴＣＰ／ＩＰ互联网 的改进 正在 进行 身份与资源安全认证 以云计算为中心的 结构（Ｎｅｂｕｌａ） 构建可靠、可信的 核心网络连接各个 云计算数据中心 核心网络通过冗余 高性能链路和高可 靠路由控制软件实 现高可用性 全新的面向云计 算的体系结构 正在 进行 云计算资源的高效可 靠互联与访问 ＳＯＦＩＡ／Ｓｅｒｖａｌ 构建面向服务的 未来互联网体系 结构 定义服务标识，实 现可扩展服务路由 非ＩＰ架构，支持 ＩＰｖ６环境中的演 进式部署 正在进行 解决互联网面临的可 扩展性、动态性和安全 可控性问题 ４系统实现与验证 未来互联网体系结构的研究需要大规模网络试 验床的实际测试与验证，可编程虚拟化路由器是构 建未来互联网试验床的核心设备．路由器需要在控 制平面和数据平面向用户提供灵活的编程接口，允 许用户根据不同的协议需求，修改路由器的功能模 块，这是未来互联网新协议和新架构研究的基础．路 由器平台需要同时虚拟运行多个不同体系结构的路 由器实例，各个实例之间需要独立无干扰．路由器的 这种特性可以使未来多样化的网络体系结构与现有 ＴＣＰ／ＩＰ体系结构长期并存，并支持未来网络体系 结构的渐进式试验与部署．可编程虚拟化路由器对 未来互联网体系结构的研究具有重要意义，成为近 几年网络研究的热点问题之一［２５３０］．本节分析了可 编程虚拟化路由器和试验床的研究进展． ４．１可编程虚拟化路由器 从系统实现来看，可编程虚拟化路由器的研究 与实现可以分为两类：基于通用平台的路由器和基 于专用硬件的路由器． 基于通用平台的可编程虚拟化路由器用普通网 卡实现数据的采集和转发，通过在ＣＰＵ上运行虚 拟化软件（Ｘｅｎ［３１］、ＯｐｅｎＶＺ①等）和路由器软件 （Ｃｌｉｃｋ［３２］、ＸＯＲＰ［３３］、Ｑｕａｇｇａ②等）实现可编程虚拟 化路由器，其特点是具有非常高的灵活性，但转发性 能低．近几年来，随着硬件技术的发展，特别是高速 网卡及多核ＣＰＵ技术的发展，通用平台给可编程 虚拟化路由器带来了新的契机．研究者们在通用平 台上，设计了高性能的可编程虚拟化路由器，如 ＲｏｕｔｅＢｒｉｃｋｓ［２５］、ＰａｃｋｅｔＳｈａｄｅｒ［２６］等．ＲｏｕｔｅＢｒｉｃｋｓ利 用Ｉｎｔｅｌ公司高性能的多队列网卡，设计了一个 ３５Ｇｂｐｓ的路由器原型系统．ＰａｃｋｅｔＳｈａｄｅｒ利用 ＧＰＵ强大的并行计算能力进行ＩＰ查找，有效地卸 载了ＣＰＵ的负担；通过简化Ｌｉｎｕｘ内核中数据包缓 存区的数据结构、静态分配大的连续缓冲区、采用批 处理方式等，优化数据包Ｉ／Ｏ引擎．ＰａｃｋｅｔＳｈａｄｅｒ 在单台服务器上，６４字节小包的转发性能接近 ４０Ｇｂｐｓ．基于专用硬件平台的可编程虚拟化路由器，利 用专用硬件（如ＦＰＧＡ等）的高速、并行特性，实现 高性能的虚拟化路由器数据平面．Ｌｏｃｋｗｏｏｄ等 人［３４］首次在ＮｅｔＦＰＧＡ中实现了８个相同的虚拟数 据平面，控制平面在软件中实现［２７］．在硬件中实现 虚拟数据平面，一方面可以提供更好的隔离性，另一 方面，很容易获得线速的数据包转发性能．由于 ＦＰＧＡ的资源相对有限，基于ＦＰＧＡ的可编程虚拟 化路由器的扩展性成为最大的问题．为了克服这一 问题，Ｕｎｎｉｋｒｉｓｈｎａｎ等人［２８］使用ＦＰＧＡ的动态重 构技术以及软硬件数据平面迁移技术，解决可编程 虚拟化路由器的可扩展性问题；Ｙｉｎ等人［２９］提出使 用ＦＰＧＡ局部动态可重构技术解决硬件虚拟数据 平面的可扩展性问题，进一步降低了软硬件数据平 ６期 谢高岗等：未来互联网体系结构研究综述 １１１５ ① ② ＯｐｅｎＶＺ．Ａｖａｉｌａｂｌｅ：ｈｔｔｐ：／／ｗｉｋｉ．ｏｐｅｎｖｚ．ｏｒｇ／Ｍａｉｎ＿Ｐａｇｅ， ２０１１ Ｑｕａｇｇａ，２０１１．Ａｖａｉｌａｂｌｅ：ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｑｕａｇｇａ．ｎｅｔ／