胡宇翔，董芳，王鵬，蘭巨龍

（國家數(shù)字交換系統(tǒng)工程技術研究中心，河南 鄭州 450002）

1 引言

隨著 IP網(wǎng)絡業(yè)務形態(tài)的不斷豐富，業(yè)務對網(wǎng)絡的需求越來越多樣和多變，而 IP網(wǎng)絡的路由服務能力卻是有限的和確定的，這就導致了業(yè)務需求與網(wǎng)絡固有路由能力之間的差距日益擴大，從而使網(wǎng)絡難以支持多樣化的業(yè)務。與此同時，信息網(wǎng)絡所依賴的尋址和路由結(jié)構(gòu)過于簡單且長期不變。大量實踐證明，現(xiàn)有信息基礎網(wǎng)絡路由結(jié)構(gòu)或者基于其進行的各種修修補補都難以滿足多樣化業(yè)務對泛在、互聯(lián)、質(zhì)量、融合、異構(gòu)等信息網(wǎng)絡的高等級需求。

信息通信網(wǎng)絡的尋址和路由結(jié)構(gòu)決定了其所有的特征以及所能提供的路由服務能力。從網(wǎng)絡路由結(jié)構(gòu)與運行機制的角度來看，依據(jù)“結(jié)構(gòu)決定功能”的物理法則，面對這些高等級需求，重新設計網(wǎng)絡路由體系結(jié)構(gòu)、模型與協(xié)議，直接增強網(wǎng)絡基礎尋址和路由能力便成為解決上述問題的一個關鍵切入點和突破口[1]。國內(nèi)外關于新型路由技術的研究方興未艾，但整體上來看這些研究仍處于百家爭鳴的初級階段，尤其是對于支持多樣化業(yè)務的新型路由理論研究還是初步的。現(xiàn)有研究思路多從不同側(cè)面對支持多樣化業(yè)務的新型路由結(jié)構(gòu)進行了積極的研究和探索，如基于身份和位置分離的路由機制[2,3]、基于內(nèi)容的路由機制[4,5]、面向服務提供的路由機制[6]等著力解決現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的異構(gòu)、安全性、服務提供、可擴縮性、移動性等諸多問題，并取得了豐富的研究成果。

在國外的相關研究中，美國加州大學在 2002年首先提出了互聯(lián)網(wǎng)間接訪問基礎架構(gòu)(I3)[7]。在此基礎上，麻省理工學院的 H. Balakrishnan[8]提出了互聯(lián)網(wǎng)分層命名結(jié)構(gòu)（LNAI）。同時，思科系統(tǒng)網(wǎng)絡技術有限公司在互聯(lián)網(wǎng)研究任務組路由工作組提出了位置與標識分離協(xié)議（LISP）[9]，解決了路由的可擴縮性問題并最大限度地考慮了網(wǎng)絡的演進性。愛立信公司不斷完善主機標識協(xié)議HIP[10]相關技術體系，并在IETF和IRTF分別成立HIP工作組及研究組進行HIP相關的研究和標準化工作。在2010年美國的未來互聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)國家項目 FIA計劃中，NDN項目[11]旨在開發(fā)一個“名字數(shù)據(jù)網(wǎng)絡”的架構(gòu)，建立以用戶和應用所關心的具體內(nèi)容為中心的內(nèi)容創(chuàng)建、分發(fā)和傳遞的體系模型；XIA項目[12]旨在建立一個更安全的表達性互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)；MobilityFirst項目[13]將節(jié)點移動作為節(jié)點的常態(tài)行為處理，使用通用的容延網(wǎng)絡技術（GDTN）增強網(wǎng)絡的頑健性和可信性；NEBULA項目[14]通過由高速、高可靠和安全的骨干網(wǎng)絡連接數(shù)據(jù)中心來提供面向云計算的數(shù)據(jù)倉庫和計算資源。國內(nèi)的相關研究主要集中在真實源地址驗證和標識與地址分離等方面。清華大學提出了面向互聯(lián)網(wǎng)的源地址驗證模型與架構(gòu)SAVA[15]，通過接入層、域內(nèi)和域間不同的方法與機制來保證源地址的真實性；北京交通大學提出了標識與地址分離為核心思想的一體化路由與交換理論[16]。在路由交換的基礎理論研究方面，香港中文大學和北京大學在代數(shù)編碼理論應用于交換結(jié)構(gòu)與多播路由方面開拓了一個新型研究方向，并取得了突破性進展，針對未來視頻業(yè)務所占比重越來越大的新型網(wǎng)絡提供了一種多播路由[17]的理論依據(jù)。從目前的研究趨勢看，地址與身份分離尋址結(jié)構(gòu)以及內(nèi)容路由是未來的發(fā)展趨勢，前者可徹底解耦地址前綴對應關系，從機理上徹底解決移動性以及域間路由地址前綴劫持等安全問題；而后者可有效匹配未來網(wǎng)絡以內(nèi)容為中心的主流業(yè)務模式，為多播和多路徑路由提供重要支撐。

上述研究分別從不同面對支持多樣化業(yè)務的新型路由結(jié)構(gòu)進行了積極的研究和探索。然而，如何基于網(wǎng)絡有限的、確定的路由服務能力來支持多樣網(wǎng)絡體系共存時網(wǎng)絡業(yè)務形態(tài)的不斷豐富及其需求的多樣化和多變性已成為新型路由結(jié)構(gòu)研究亟待解決的問題。解決該問題需要從信息網(wǎng)絡路由結(jié)構(gòu)方面探索網(wǎng)絡按照業(yè)務需求動態(tài)進行路由結(jié)構(gòu)重組、功能重構(gòu)的機理與方法[18]，通過網(wǎng)絡路由結(jié)構(gòu)的自組織、功能的自調(diào)節(jié)和業(yè)務的自適配來最大程度地彌合網(wǎng)絡路由服務能力與業(yè)務需求之間的時變鴻溝[19]，支持多種網(wǎng)絡體制并存的網(wǎng)絡尋址及路由，使網(wǎng)絡能有效適配多變的業(yè)務需求。

在此背景下，本文從提升網(wǎng)絡路由服務能力的角度出發(fā)，針對IP網(wǎng)絡的網(wǎng)絡層路由功能單一問題，同時為了支持后續(xù)仍然不斷出現(xiàn)的新應用，使網(wǎng)絡具有動態(tài)調(diào)整適應多樣化業(yè)務的路由服務功能，提出一種支持多樣網(wǎng)絡體系和尋址方式共存情形下的新型路由模型——“多態(tài)路由模型”。該模型包括基態(tài)層和多態(tài)層結(jié)構(gòu)，基態(tài)層定義了網(wǎng)絡尋址路由功能的“微內(nèi)核”，是網(wǎng)絡多樣化尋址路由的基本要素和功能能力集合。多態(tài)層則通過個性化定制呈現(xiàn)出功能特定、安全特定和服務質(zhì)量特定等多模態(tài)特性，是滿足具體應用各種約束屬性的路由服務實例。模型通過參數(shù)化定義配置網(wǎng)絡基態(tài)層基本“微內(nèi)核”，實現(xiàn)到個性化定制的多態(tài)尋址路由派生與重載，從而使網(wǎng)絡基礎互聯(lián)傳輸能力和路由服務能力得以動態(tài)增強，并且支持網(wǎng)絡尋址與路由的多模多態(tài)共存。

2 基態(tài)與多態(tài)路由建模

鑒于信息網(wǎng)絡應用服務需求的多樣性，本文對現(xiàn)實應用中多樣、多變的路由服務進行抽象歸納，對路由尋址過程進行功能分解，將其分解為功能相對獨立、接口清晰明確的基本單元，具體包括：尋址結(jié)構(gòu)、認證方式、加密算法、通信主體標識、鏈路狀態(tài)參數(shù)計算、路由算法等。通過對上述基本元素和能力集合的組合優(yōu)化，繼而形成具有針對特定業(yè)務的滿足具體業(yè)務服務質(zhì)量和網(wǎng)絡動態(tài)行為特征等要求的路由協(xié)議。

基于這種考慮，本文將信息網(wǎng)絡路由結(jié)構(gòu)分為基態(tài)和多態(tài)兩層，如圖1所示?；鶓B(tài)層實現(xiàn)基本路由功能，是具備滿足所有功能、安全、服務質(zhì)量等需求的路由單元的集合。從滿足業(yè)務要求角度看，要求基態(tài)層呈現(xiàn)出功能特定、安全特定、服務質(zhì)量特定等多模態(tài)特性即為多態(tài)。對于具體路由機制，具有同類功能或者性能（或安全、多播等）要求的一組業(yè)務流，通過確保其性能要求的特定路由形態(tài)予以承載，稱其為功能或者性能（或安全、多播等）特定的多態(tài)路由。這樣，多態(tài)層就包含了各種模態(tài)的多態(tài)路由機制。具體來說，多態(tài)路由（PR, polymorphic routing）是基于多樣化應用的業(yè)務特征要求和網(wǎng)絡動態(tài)行為驅(qū)動構(gòu)建的，基于基態(tài)路由（BR, base state routing）模型進行實例特化以滿足具體應用所需的各種約束屬性服務路徑的路由機制。

圖1 基態(tài)與多態(tài)路由建模

上述過程中，路由計算過程由網(wǎng)絡認知功能得到的網(wǎng)絡視圖和應用要求決定，其中網(wǎng)絡視圖不僅包含網(wǎng)絡的穩(wěn)態(tài)拓撲信息，還包含網(wǎng)絡資源的瞬態(tài)能力，比如鏈路利用率多少、節(jié)點處理能力大小等；應用要求主要是由用戶（或業(yè)務）提出端到端的具體傳送指標，如時延、分組丟失率或者安全要求。多態(tài)路由計算結(jié)果為滿足應用要求的服務路徑。服務路徑建立后，路徑傳送能力繼續(xù)受認知功能的監(jiān)測。若不能滿足應用需求或達到路由調(diào)整的約束條件，則執(zhí)行新一輪多態(tài)路由計算。

在此，定義BR中多樣化尋址路由的基本要素和功能能力集合如下

其中，y、z分別為BR的類別參數(shù)和特征參數(shù)。BR矩陣中任意元素具有唯一性和不可替代性，是功能相對獨立、接口清晰明確的基本路由單元。那么由基態(tài)到多態(tài)的個性化定制呈現(xiàn)出功能特定、安全特定、服務質(zhì)量特定等過程即可描述為

其中，A為類別選擇參數(shù)向量，B為特征選擇參數(shù)向量，A和B可分別表示為

定義所有可行的多態(tài)實例集合為{xi,x2, …,xn}，即有

綜上，上述過程可以描述為對Y維線性空間V中基底進行線性組合的過程?；诨鶓B(tài)路由空間中基本元素和能力集合的完備性及線性無關性考慮，BR是線性空間V的Y維向量空間的一組基?？紤]到矩陣基的線性無關性，BR具有以下性質(zhì)。

性質(zhì)1設α1,α2,L ,αy是Y維線性空間V的一個基底，則對于任意α∈V，可以唯一表示為α1,α2,L ,αy的線性組合。

證明由定義知

因為α1,α2,L ,αy具有線性無關性，則式(9)不能成立，因此不存在式(8)，于是式(7)具有唯一性，得證。

由上述性質(zhì)可以得到如下推論。

推論1由基態(tài)路由BR可以派生出任何線性空間內(nèi)的多態(tài)路由PR實例。

推論1從矩陣論中基的線性無關性角度證明了由基態(tài)路由派生出任何線性空間內(nèi)多態(tài)路由PR實例的可行性。

在此，為了對應用需求進行表征，本文引入路由服務描述（RSD, routing service description）概念。路由服務描述是在路由服務需求命名基礎上對路由服務的進一步描述，分為安全描述、性能描述和功能描述。對于RSD，安全描述信息包括安全等級dSL和安全種類dC；性能信息包括優(yōu)先級要求dQ、帶寬要求dB、時延要求dD和分組丟失要求dL；功能描述包括通信模式dM、路由類型dT、路由標識dI和通信主體dH。

于是每個xi的屬性用向量表述為

3 多態(tài)派生機制

多態(tài)派生是業(yè)務在請求路由服務時提出的具體路由服務描述，并由網(wǎng)絡根據(jù)路由服務描述動態(tài)地生成相應多態(tài)路由協(xié)議的過程。因此，在多態(tài)派生過程需要考慮兩點：1) 路由服務規(guī)格描述的完備性和準確性；2) 給定服務請求時路由服務組合的正確性。

針對以上兩點考慮，多態(tài)派生機制工作原理如圖2所示，其中虛箭頭為控制信令流程，實箭頭為數(shù)據(jù)流傳輸流程。業(yè)務在生成具體路由服務描述后，將其服務規(guī)格請求發(fā)送至多態(tài)派生引擎，由該引擎完成相應的服務規(guī)格驗證以及相應的語義映射，并將該業(yè)務的RSD分別依據(jù)其具體屬性要求映射為滿足需求的服務列表。在此，路由服務列表的選取是基于本地資源感知與管理的基礎上完成的。之后，多態(tài)派生引擎對服務列表進行滿足具體語義要求的選擇并按照基本規(guī)則進行服務組合，從而生成具體的多態(tài)路由協(xié)議。

圖2 多態(tài)派生機制工作原理

多態(tài)路由模型的功能結(jié)構(gòu)采用“管理面—控制面—數(shù)據(jù)面”結(jié)構(gòu)。其中，管理面負責多態(tài)路由的決策，控制面負責多態(tài)路由的建立，數(shù)據(jù)面負責實現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。三平面相互之間通過信息交互協(xié)同實現(xiàn)多態(tài)路由的功能。

管理面功能主要由控制服務器實現(xiàn)。管理面功能一方面負責感知、維護和更新整個網(wǎng)絡狀態(tài)，收集節(jié)點信息，作為多態(tài)尋址和路由的依據(jù)；另一方面實現(xiàn)標識的分配與管理，包括位置標識、主機標識、服務標識和內(nèi)容標識，并據(jù)此實現(xiàn)對特定通信主體的認知，即確定通信對端的標識類型，從而作為控制層標識判斷的依據(jù)。管理面是多態(tài)路由結(jié)構(gòu)中的核心層與管理中樞，對整個網(wǎng)絡路由狀態(tài)進行智能監(jiān)視與管理。

控制面是網(wǎng)絡路由結(jié)構(gòu)功能的執(zhí)行者，負責管理面多態(tài)路由命令與通告的各種具體措施和動作。一方面，控制面通過感知面獲取的網(wǎng)絡狀態(tài)信息計算節(jié)點路由表項，并依據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)的變化更新維護路由表項，為數(shù)據(jù)傳輸提供路徑指導。另一方面，控制面還依據(jù)管理面的通信主體認知結(jié)果，執(zhí)行多態(tài)路由協(xié)議來對標識類型進行判別，實現(xiàn)多態(tài)路由決策的具體方法與步驟。

數(shù)據(jù)面主要負責數(shù)據(jù)的路由轉(zhuǎn)發(fā)，基于多樣化的尋址方式完成按需動態(tài)資源配置，實現(xiàn)多態(tài)路由與尋址形態(tài)的靈活配置。該層面具體實現(xiàn)了多態(tài)路由功能，在數(shù)據(jù)傳輸過程中具備分組分類器、分組處理單元等功能，針對具備特定標識的流進行相應的處理，以達到保障數(shù)據(jù)流傳輸需求的目的。

4 多態(tài)路由協(xié)議體系

4.1 多態(tài)路由協(xié)議體系框架

隨著網(wǎng)絡應用的多樣化發(fā)展，網(wǎng)絡的通信主體亦呈現(xiàn)多樣化趨勢。為了支持多樣化通信主體，本節(jié)在此討論基于基態(tài)/多態(tài)派生模型的多態(tài)路由協(xié)議（PRP, polymorphic routing protocol）體系。多樣化業(yè)務特征要求和網(wǎng)絡動態(tài)行為驅(qū)動的多態(tài)路由協(xié)議主要解決多種網(wǎng)絡體制并存的網(wǎng)絡尋址及路由問題，其詳細結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 基態(tài)及多態(tài)協(xié)議體系

多態(tài)路由協(xié)議是基于基態(tài)協(xié)議生成的具有多種運行形態(tài)的協(xié)議，既可表示為通過基態(tài)協(xié)議特化的不同協(xié)議體系，也可以表示為一種協(xié)議體系的多個運行態(tài)。在該體系下，基態(tài)協(xié)議重點考慮IPv4/IPv6、NDN等多態(tài)體系協(xié)議的路由兼容和特化。在傳統(tǒng) TCP/IP網(wǎng)絡中，IP地址既用于位置標識又用作端點的身份標識，這種雙重身份不僅限制了網(wǎng)絡移動性，也帶來一些安全問題，基態(tài)協(xié)議的設計應集成內(nèi)嵌的標識與地址分離解決方案。此外，隨著業(yè)務需求逐漸由關注通信轉(zhuǎn)變?yōu)殛P注數(shù)據(jù)內(nèi)容和服務，新的基態(tài)協(xié)議必須能夠有效支持面向數(shù)據(jù)內(nèi)容、應用服務以及其他新型網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)的尋址與路由。

多態(tài)路由協(xié)議體系運行的具體過程如下：路由器節(jié)點根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)和資源認知獲取網(wǎng)絡拓撲連接關系和業(yè)務傳輸要求，以網(wǎng)絡當前的資源狀態(tài)和業(yè)務的路由服務描述作為約束條件，運行多態(tài)路由算法并在路由器節(jié)點上建立轉(zhuǎn)發(fā)信息表。多個相鄰的路由節(jié)點通過轉(zhuǎn)發(fā)信息表的下一跳節(jié)點連接形成一條滿足特定需求的全網(wǎng)服務路徑，圖4給出了多態(tài)路由協(xié)議體系下一條受安全約束的路由和一條受服務質(zhì)量約束的路由建立實例。

在上述多態(tài)協(xié)議體系下，通過由基態(tài)到多態(tài)的派生可將網(wǎng)絡功能和行為根據(jù)用戶需求進行動態(tài)改變，或根據(jù)要求在不同協(xié)議體系間或相同協(xié)議體系不同運行形態(tài)間進行切換。通過由基態(tài)到多態(tài)的派生機制可為不同協(xié)議體系形成針對多種服務的傳輸服務網(wǎng)絡，為多樣化服務共存情形下的隔離及資源調(diào)配提供基礎。

圖4 多態(tài)路由協(xié)議體系運行原理

4.2 多態(tài)路由協(xié)議的標識結(jié)構(gòu)

多態(tài)路由是基于統(tǒng)一化標識結(jié)構(gòu)定義的特定尋址方式，多態(tài)路由協(xié)議體系支持的多樣化尋址方式包括基于位置的路由、基于身份的路由、基于內(nèi)容的路由和基于服務的路由共4種常態(tài)尋址方式，并支持新型尋址方式的快速定義。

1) 位置標識（LID），用于以位置為中心的尋址，對應于傳統(tǒng)IP體系下的尋址。

2) 主機標識（HID），用于以主機為中心的尋址。將主機作為網(wǎng)絡通信的主體，與主機交互、獲取內(nèi)容或服務都是通過HID來達到通信目的，只是獲取內(nèi)容或者服務的最終目的都隱藏在以主機為瘦腰結(jié)構(gòu)的分組數(shù)據(jù)負荷中，只有到達主機后，將分組內(nèi)容交付上層應用進程，才能獲取通信的真正意向。

3) 服務標識（SID），用于以服務為中心的尋址，是一種直接表達通信意向的手段，消除了從服務名稱到網(wǎng)絡層地址的轉(zhuǎn)換冗余，直接以服務標識作為網(wǎng)絡尋址的依據(jù)。在該方式下，SID作為基本的通信主體。

4) 內(nèi)容標識（CID），用于以內(nèi)容為中心的尋址，主要應用為內(nèi)容獲取類。將內(nèi)容作為網(wǎng)絡通信的主體，在路由節(jié)點引入緩存功能，通過CID來達到通信目的，滿足面向數(shù)據(jù)內(nèi)容的尋址。

多態(tài)尋址（polymorphic addressing）是對統(tǒng)一網(wǎng)絡分組格式進行特化，進而生成具有多種運行形態(tài)的尋址方案，即由統(tǒng)一分組格式派生出4種尋址標識下的特定分組格式，生成可用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)?4種具體的分組頭部?；鶓B(tài)與多態(tài)地址派生機制的詳細過程如圖5所示。

圖5 基態(tài)及多態(tài)地址派生機制

標識結(jié)構(gòu)定義借鑒IPv6地址采用結(jié)構(gòu)化方式，定義統(tǒng)一格式的基態(tài)尋址方式，包括類型前綴（type）和標識數(shù)值（value）兩部分，并依據(jù)統(tǒng)一格式可特化出包括位置、主機、服務和內(nèi)容在內(nèi)的4種標識。多態(tài)路由體系的標識空間128 bit的分配方法參考IPv6的地址格式，分為類型前綴和標識的其他部分，其中類型前綴給出了標識的類型，剩余部分給出具體的標識值。為實現(xiàn)與IPv6的兼容性，HID、SID和CID幾種標識使用了IPv6中預留的字段，類型前綴分別為 010、011、100，其他類型前綴的標識空間都作為LID，如表1所示。IPv6的其他保留空間仍可支持新標識類型的擴展，如00000001。

表1 標識空間分配方案

4種標識的具體格式如圖6所示。

圖6 4種標識的具體格式

5 多態(tài)路由協(xié)議體系運行原理

5.1 通信主體發(fā)布與路由通告

多態(tài)路由協(xié)議體系結(jié)構(gòu)仍具有域內(nèi)和域間2種基本形式，分別在域內(nèi)和域間網(wǎng)絡運行域內(nèi)多態(tài)路由協(xié)議和域間多態(tài)路由協(xié)議，動態(tài)地為各種業(yè)務和應用建立滿足其路由服務描述RSD的服務路徑。

對于多態(tài)路由協(xié)議體系中通信主體的發(fā)布，當主機或服務器新加入網(wǎng)絡時，首先向其接入路由器通告本身的節(jié)點屬性和標識名字。若作為通信主機，則將預先向域內(nèi)的標識分配與管理服務器申請的HID發(fā)布給網(wǎng)絡；若作為服務提供者，則將預先申請的SID發(fā)布；若作為內(nèi)容提供者，則發(fā)布自身的CID。然后接入路由器將收到的通告消息轉(zhuǎn)發(fā)給其他鄰居節(jié)點，建立域內(nèi)統(tǒng)一的拓撲狀態(tài)。最后所有路由器節(jié)點根據(jù)域內(nèi)或域間路由算法計算到達新加入節(jié)點的最優(yōu)路徑，在對應的路由表中建立針對新加入節(jié)點的條目。

域內(nèi)路由節(jié)點負責域內(nèi)各種標識路由的計算和通告。LID、HID、SID和CID的路由計算和通告過程相同，但是各種標識的路由計算和通告基于的全網(wǎng)拓撲結(jié)構(gòu)可能不同。在路由通告分組的頭部中采用不同的路由標識字段來區(qū)分不同標識的路由通告信息。因此，域內(nèi)路由的計算和通告與傳統(tǒng)路由相比更加復雜和頻繁。在進行域內(nèi)路由計算時，不僅要考慮最短路徑優(yōu)先的原則，還要根據(jù)服務要求和安全等級構(gòu)建路由。在進行路由通告時，可重構(gòu)路由器不僅要通告自身的鏈路狀態(tài)信息，還要通告自身所能提供的服務能力和安全等級，便于動態(tài)地為不同服務類別和安全等級的業(yè)務和應用建立滿足其要求的服務路徑。

域間路由節(jié)點負責交換和維護域間路由信息。域間協(xié)議交換路由信息的節(jié)點數(shù)量級是自治域系統(tǒng)數(shù)的量級，這要比自治域內(nèi)的網(wǎng)絡數(shù)少很多。要在自治域之間尋找一條滿足服務要求和安全等級的服務路徑，就是尋找滿足要求的域間路由器。若2個鄰居域間路由器分屬2個不同的自治域，而其中一個域間路由器和另一個域間路由器定期地交換路由信息和服務屬性，需要一個協(xié)商的過程。一開始進行協(xié)商時，首先發(fā)送打開分組，如果對方接受，就激活分組進行響應。這樣，2個域間路由器的鄰居關系就建立起來了。為了維持鄰居關系，雙方還需要周期性地交換保活分組。域間路由器更新路由時，必須向鄰居發(fā)送更新分組，更新分組內(nèi)容不僅包括網(wǎng)絡狀態(tài)信息還包括本身所能提供的服務能力和安全級別，用于其他的域間路由器建立不同服務種類和安全等級的域間服務路徑。

5.2 路由節(jié)點表項維護

為支持現(xiàn)有網(wǎng)絡通信中的多種尋址方式共存，路由器節(jié)點需要維護 4種轉(zhuǎn)發(fā)信息表（FIB, forwarding information base）。該轉(zhuǎn)發(fā)信息表具有可擴縮性，當有新的通信主體出現(xiàn)時，需要添加新的對應表項，4種FIB如下。

1) 位置轉(zhuǎn)發(fā)信息表（LFIB）。記錄到達特定位置（IP地址）的轉(zhuǎn)發(fā)信息，LFIB等同于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的轉(zhuǎn)發(fā)信息表。

2) 主機轉(zhuǎn)發(fā)信息表（HFIB）。記錄到達特定主機 HID的轉(zhuǎn)發(fā)信息，該表規(guī)模由網(wǎng)絡中的主機數(shù)確定。

3) 服務轉(zhuǎn)發(fā)信息表（SFIB）。記錄到達特定服務SID的轉(zhuǎn)發(fā)信息，該表規(guī)模由網(wǎng)絡中提供的服務數(shù)確定。

4) 內(nèi)容轉(zhuǎn)發(fā)信息表（CFIB）。記錄到達特定內(nèi)容CID的轉(zhuǎn)發(fā)信息，該表規(guī)模由網(wǎng)絡中發(fā)布的內(nèi)容條目確定。

節(jié)點內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)信息表結(jié)構(gòu)定義如圖7所示。路由節(jié)點內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā)信息表維護操作為：在收到待轉(zhuǎn)發(fā)的數(shù)據(jù)分組后，在頭部信息中查找目的標識類型，查找對應的轉(zhuǎn)發(fā)信息表。根據(jù)具體標識，在轉(zhuǎn)發(fā)信息表中執(zhí)行查表操作。若有匹配表項時，按照下一跳端口輸出；若匹配失敗，則基于網(wǎng)絡默認配置策略執(zhí)行相應操作，如啟動路徑搜索、直接丟棄等。

圖7 節(jié)點內(nèi)轉(zhuǎn)發(fā)信息表

5.3 多態(tài)路由協(xié)議的運行實例

面向多樣化服務的多態(tài)路由協(xié)議基于統(tǒng)一的尋址格式，可演化出滿足多種業(yè)務類通信主體的尋址與路由模式，如表2所示。內(nèi)容通信類業(yè)務和位置通信類業(yè)務的多態(tài)路由協(xié)議與現(xiàn)有網(wǎng)絡體系下的內(nèi)容尋址路由方式和IP尋址路由方式一致，本文在此不再描述。下面分別圍繞服務通信類業(yè)務和主機通信類業(yè)務，對多態(tài)路由協(xié)議的運行實例進行說明。

表2 尋址與路由模式

1) 服務通信類業(yè)務

服務通信類業(yè)務主要指的是服務需求者向服務提供者發(fā)送服務請求，獲取服務提供者服務后將數(shù)據(jù)反饋給服務需求者。通信過程是雙向的，如圖8所示。

網(wǎng)絡主機以SID1作為目的標識，本機標識HID1作為源標識，向網(wǎng)絡中發(fā)送服務請求數(shù)據(jù)分組；路由器RR1根據(jù)標識Type值進行ID判別，查找服務轉(zhuǎn)發(fā)信息表SFIB，在對應表項中匹配SID1的value值，對應下一跳端口為2，則將數(shù)據(jù)分組交付到轉(zhuǎn)發(fā)平面進行轉(zhuǎn)發(fā)；中間節(jié)點執(zhí)行相應的ID判別和查表操作，將數(shù)據(jù)分組交付到目的服務器SID1。

服務器提供者收到服務請求后，對請求數(shù)據(jù)進行對應操作，如內(nèi)容搜索或者數(shù)據(jù)壓縮等，產(chǎn)生響應數(shù)據(jù)分組。以HID1作為目的標識，服務標識SID1作為源標識，向網(wǎng)絡中發(fā)送服務響應數(shù)據(jù)分組；路由器R5根據(jù)標識type值進行ID判別，查找主機轉(zhuǎn)發(fā)信息表HFIB，在對應表項中匹配HID1的value值，對應下一跳端口為1，則將數(shù)據(jù)分組交付到轉(zhuǎn)發(fā)平面進行轉(zhuǎn)發(fā)；中間節(jié)點執(zhí)行相應的ID判別和查表操作，將數(shù)據(jù)分組交付到目的主機HID1，通信終止。

2) 主機通信類業(yè)務

主機通信類業(yè)務主要指的是Host to Host的通信方式，通信主體關注的是特定主機，源節(jié)點主動向接收者發(fā)送數(shù)據(jù)。通信過程是單向的，以數(shù)據(jù)成功接收為通信目的。工作原理如圖9所示。

圖8 服務通信類業(yè)務路由運行實例

圖9 主機通信類業(yè)務路由運行實例

網(wǎng)絡主機以HID1作為目的標識，本機標識作為源標識，向網(wǎng)絡中發(fā)送主機通信數(shù)據(jù)分組；路由器R1根據(jù)標識type值進行ID判別，查找主機轉(zhuǎn)發(fā)信息表HFIB，在對應表項中匹配HID1的value值，對應下一跳端口為1，則將數(shù)據(jù)分組交付到轉(zhuǎn)發(fā)平面進行轉(zhuǎn)發(fā)；中間節(jié)點執(zhí)行相應的ID判別和查表操作，將數(shù)據(jù)分組交付到目的主機HID1。通信終止。

6 仿真實驗

為了驗證多態(tài)路由機制的有效性和可行性，本節(jié)從支持內(nèi)容高效傳輸、服務遷移和移動性3個方面對多態(tài)路由機制進行評估，并對其可擴縮性進行分析。實驗環(huán)境采用具有14個節(jié)點共21條鏈路的美國科學基金骨干網(wǎng)絡（NSFNET）作為網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，如圖 10所示。拓撲中每條邊上的數(shù)字代表相鄰節(jié)點實際的物理距離。仿真時，鏈路帶寬設置為100 Mbit/s，鏈路時延為10 ms，路由根據(jù)節(jié)點之間的距離計算最優(yōu)路徑。

圖10 美國科學基金骨干網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)

通過多態(tài)路由派生機制實現(xiàn)對多種網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)和多樣業(yè)務需求的支持，可以提升業(yè)務性能和方便業(yè)務部署。雖然定量地衡量多態(tài)路由機制對各種業(yè)務的支持是比較困難的，但是通過性能評估證明了多態(tài)路由機制在保持當前網(wǎng)絡優(yōu)良特性的同時也具有其他新型網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)的優(yōu)點[20～22]。同時，多態(tài)路由機制支持多種通信主體的靈活尋址和路由，能夠簡化網(wǎng)絡應用的設計，支持網(wǎng)絡演進和提升網(wǎng)絡應用的性能。

6.1 內(nèi)容傳輸仿真實驗

為了驗證多態(tài)路由機制的內(nèi)容傳輸和分發(fā)性能，本文采用如圖10所示的網(wǎng)絡拓撲中節(jié)點1作為客戶端進行內(nèi)容請求，節(jié)點 14作為內(nèi)容服務器負責提供內(nèi)容，然后分別對采用OSPF協(xié)議的傳統(tǒng)網(wǎng)絡路由機制和多態(tài)路由機制進行單次內(nèi)容傳輸時延和網(wǎng)絡平均傳輸時延的實驗驗證。

圖 11給出了傳統(tǒng)網(wǎng)絡和多態(tài)路由機制單次內(nèi)容傳輸時延性能的對比情況。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中，客戶端請求內(nèi)容時首先要請求提供內(nèi)容的Web服務，得到Web服務的響應以后再通過Web服務獲取所請求的內(nèi)容，從圖 11中左半部分可以看出，這一過程耗時125 ms。而多態(tài)路由機制支持直接以內(nèi)容名稱作為通信主體的尋址和路由機制，客戶端可以不通過Web服務直接進行內(nèi)容請求，大大縮短了內(nèi)容請求的時延，但在內(nèi)容請求的過程中需要進行標識與位置之間的轉(zhuǎn)換，標識與位置之間的轉(zhuǎn)換采用基于chord的映射解析機制，內(nèi)容標識的數(shù)量為1 000個。因此，多態(tài)路由機制中單次內(nèi)容請求的時延相比于左半部分當前網(wǎng)絡62.5 ms的服務請求時延略有增加，達到95.8 ms。

圖11 單次內(nèi)容傳輸時延性能示意

圖 12給出了相同網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)下傳統(tǒng)網(wǎng)絡和多態(tài)路由機制的平均網(wǎng)絡傳輸時延性能的對比情況。仿真采用如圖10所示的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，節(jié)點14作為內(nèi)容服務節(jié)點，其他13個節(jié)點作為普通的內(nèi)容請求節(jié)點，內(nèi)容請求節(jié)點的請求分組滿足泊松到達特性，平均發(fā)送速率為每秒10個分組，內(nèi)容服務節(jié)點共有1 000個內(nèi)容，用戶請求的內(nèi)容（chunk）序號為1～1 000，每個chunk為1 024 byte，內(nèi)容請求行為服從Zipf分布，即80%的內(nèi)容請求與20%的內(nèi)容相關，仿真時間為30 s。多態(tài)路由機制節(jié)點內(nèi)嵌緩存功能，支持內(nèi)容副本的緩存，仿真時節(jié)點最多能緩存 100個內(nèi)容，緩存替換策略為 LRU(1east recently used)替換。從圖12中可以看出，由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡節(jié)點不具有內(nèi)容緩存功能，在大量相同內(nèi)容請求和傳輸?shù)那闆r下，網(wǎng)絡的平均傳輸時延一直保持在43.5 ms左右，沒有明顯降低。而多態(tài)路由機制由于內(nèi)嵌了內(nèi)容緩存功能，在大量相同內(nèi)容請求和傳輸?shù)那闆r下，網(wǎng)絡的平均傳輸時延明顯下降并一直保持在34 ms左右，網(wǎng)絡的平均傳輸時延性能相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡提升了25%左右。

圖12 平均網(wǎng)絡傳輸時延性能對比

6.2 服務遷移性能仿真實驗

為了評估多態(tài)路由機制對服務遷移的支持性能，本文在如圖10所示的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)中以節(jié)點1作為服務請求者，節(jié)點 14作為服務提供者。從某一時刻起，該服務開始從節(jié)點14遷移到節(jié)點12，在此過程中評估多態(tài)路由機制的服務遷移支持性能。圖13給出了服務遷移過程的不同時間點記錄。從圖中可以看出，服務客戶端一直持續(xù)請求服務，服務提供者響應服務請求。服務遷移開始時，節(jié)點14正常響應服務請求，同時底層的遷移機制開始將部分狀態(tài)遷移到節(jié)點12。當大部分狀態(tài)已遷移到節(jié)點12時，需要凍結(jié)該服務以完成最后的狀態(tài)遷移。如圖13所示，從100 ms開始進入服務凍結(jié)期，一直持續(xù)到392 ms處時完成整個服務遷移，這段時間服務請求無法得到響應，需要緩存請求數(shù)據(jù)分組等到遷移完成以后重定向到新的服務提供節(jié)點。服務遷移到新的節(jié)點以后，可以響應緩存的請求數(shù)據(jù)分組，但無法收到新的服務請求。這是因為服務遷移以后需要更新服務轉(zhuǎn)發(fā)信息表，而響應服務使用的是主機轉(zhuǎn)發(fā)信息表。這段時間的服務請求可以通過多態(tài)路由模型的回退尋址機制回退到主機尋址機制完成服務請求。服務轉(zhuǎn)發(fā)信息表更新完成以后，服務請求者和響應者基于更新后的服務轉(zhuǎn)發(fā)信息表進行服務請求和響應。

圖13 服務遷移性能分析

6.3 移動性仿真實驗

圖14 移動切換過程

多態(tài)路由模型另外一個重要的優(yōu)點是支持移動性并且移動切換時延較低。本節(jié)從分域內(nèi)移動切換時延和域間移動切換時延2種情況進行評估。如圖14(a)所示，域內(nèi)移動切換過程由3個步驟組成：1) 新的 TR (tunnel router)節(jié)點檢測到移動節(jié)點MN，檢測時延為Tr；2) TR1向域內(nèi)標識管理與分配服務器MS1發(fā)送標識與位置映射信息更新消息，傳輸時延為Tu；3) MS1返回更新完成消息，傳輸時延為Tu。所以，整個域內(nèi)移動切換時延可以表示為

如圖14(b)所示，域間移動切換過程由6個步驟組成：1) 新的TR節(jié)點檢測到移動節(jié)點MN，檢測時延為Tr；2) TR2向域內(nèi)標識管理與分配服務器MS2發(fā)送標識與位置映射信息更新消息，傳輸時延為Tu；3) MS2向映射系統(tǒng)發(fā)送標識與服務器之間的更新消息，傳輸時延為Tu；4) 映射系統(tǒng)向 MS1和MS2分別發(fā)送更新響應消息，傳輸時延為Tu；5) MS1向MS2發(fā)送標識與位置映射更新響應消息，傳輸時延為Tx；6) MS1向TR2發(fā)送更新完成消息，傳輸時延為Tu。所以，整個域間移動切換時延可以表示為

圖15給出了當Tr=30 ms和Tx=120 ms時的域內(nèi)和域間移動切換時延隨Tu變化的過程。因為TR檢測移動節(jié)點的時間間隔很小，MN節(jié)點移動到新的TR以后，可以很快地被檢測到，因此，Tr設置為30 ms。Tx作為域間服務器之間的傳輸時延，完成信息交互可能要跨越多個路由節(jié)點，因此，Tx設置為120 ms。從圖15中可以看出，Tu在1～100 ms之間變化時，域內(nèi)移動切換的時延保持在30～200 ms之間，切換時延相當??；而域間移動切換也能在200～600 ms之間完成，切換時延也相對較小。

圖15 移動切換時延性能

7 結(jié)束語

本文從提升網(wǎng)絡路由服務能力的角度出發(fā)，提出一種新型路由模型——“多態(tài)路由模型”，該模型通過定義網(wǎng)絡路由的基本“微內(nèi)核”構(gòu)建基態(tài)模型，基于基態(tài)模型實現(xiàn)到個性化定制的多態(tài)尋址路由機制以構(gòu)建多態(tài)模型，從而使網(wǎng)絡路由服務能力得以動態(tài)增強，并且支持網(wǎng)絡的多模多態(tài)共存，使網(wǎng)絡路由服務能力得以動態(tài)增強，從而為構(gòu)建一個支持目前業(yè)務和未來新業(yè)務的不同服務質(zhì)量需求，功能靈活擴展，滿足泛在互聯(lián)、融合異構(gòu)、可信可管可擴需求，支持現(xiàn)有網(wǎng)絡兼容演進和適于規(guī)模應用的新型路由方案提供一種解決途徑。

然而，由于資源的隨機共享普遍存在于網(wǎng)絡運行過程中，要實現(xiàn)時變網(wǎng)絡的資源提供與基于眾多隨機因素實現(xiàn)應用要求的“一致匹配”，就使客觀意義上的隨機性、全局性和主觀意義的確定性相互交織，這種復雜性對于明確多態(tài)路由模型的內(nèi)涵和運行機理帶來了巨大挑戰(zhàn)。在此，本文對路由結(jié)構(gòu)多態(tài)特性內(nèi)涵的討論和認識仍是初步的，模型中的重要理論和關鍵機制如多態(tài)路由算法和協(xié)議交互流程設計仍需要進一步深入研究并開展相關的實驗驗證，這也是作者下一步的工作。

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