建設一個永遠不會崩潰的網絡

2001年7月18日，一列貨運列車在通過巴爾的摩市中心霍華德大街的地下隧道時出軌，導致2萬升鹽酸泄露，引起了火災。這次火災破壞了美國8大互聯網供應商名下的光纜。隨后，美國互聯網關鍵設施的運營商Verizon通訊公司與其兩座運營大樓之間的連接中斷，與其他幾家運營商的網絡之間的連接也告癱瘓。在此后的很多個小時里，美國全國的互聯網通訊慢得像蝸牛一樣。一名維修承包商說，“那條隧道就好像是光纜世界中的1-95高速公路(美國東海岸主要的高速公路)一樣，是一個終生難遇的弱點。”

可是，八年來互聯網領域發生的林林總總反復證明，互聯網比人們想象的要脆弱得多。在全世界幾十個或幾百個地方，這個網絡的脆弱都顯而易見，看起來它就像是命懸一線。

今天，這樣嚴重的故障能夠造成的破壞要比2001年的時候大得多。互聯網的基礎設施大多已經有數十年的歷史了，亟需升級換代。不過，很明顯，我們不能毀掉整個網絡，從頭另來，建設一個全新的網絡。政府和電信公司都不可能為了應對臨時出現的問題而付出鋪設額外的連接所需要的巨額成本。既然如此，我們怎樣才能保證網絡的自我恢復能力呢?

OpenFlow有望讓互聯網適應不斷變化的負載

斯坦福大學的計算機科學家麥考恩(Nick McKeown)認為他找到了解決問題的方法。他相信，要建設一個更好的網絡，關鍵在于一個平淡無奇的黑盒子——路由器。

路由器是互聯網流量的控制器。數百萬個路由器在發揮著作用，連接起組成互聯網的成千上萬個網絡。它們可以為網絡服務商引導巨大的訪問流量，也可以僅僅提供少數計算機之間的連接。它們根據數據包檢查訪問者的地址，引導他們到達正確的訪問目的地，并且規定他們可以沿著怎樣的物理路徑到達那里。當連接中斷時，它們在幫助數據改道繞過斷點上起到了至關重要的作用。

但是眼下，路由器還不是解決問題的方法，它還是問題的組成部分。一方面，發現一條繞過阻塞的路徑可能要花上不少時間。在這段時間里，網絡傳輸擁擠造成網絡堵塞嚴重，很多數據直接就被丟棄了。

雖然這些問題的解決方案有很多，但是我們沒有辦法對這些方案進行測試。路由器軟件的任何更新都應該首先在一個大型網絡上進行完全的測試。這個大型網絡必須有著與互聯網同等程度的復雜性，同時又獨立于互聯網之外。目前還沒有這樣的大型網絡。

即使你能夠對這些方法進行測試，麥考恩說，你也很難把新的路由器軟件安裝到計算機上。因為每一個路由器大都已經由路由器制造商們按照10到15年以前制定的國際標準進行了預編程。它們都有專用的電路和按固定模式操作的控制數據包路由方式的軟件，幾乎不能夠做任何改變。

現在，麥考恩正與他在斯坦福的同事Guru Parulkar一起，研發能夠一舉解決所有這些問題的方法。他們試圖開發出一個系統，這個系統可以在非工作狀態下改變控制路由器的軟件，同時提供為安全地進行測試提供一個理想的環境。

他們的這個系統被命名為OpenFlow，已經在斯坦福大學的校園網上運行了，第一個商業產品將在今年上市。OpenFlow并不能像麥考恩所希望的那樣解決或避免光纜的瓶頸問題，但是它將能夠讓互聯網適應不斷變化的負載，根據網絡流量高峰的變化動態地調整路徑，給每一位上網瀏覽者帶來更流暢的感受，而不受地震、恐怖襲擊還是光纜損毀的影響。“我們正在嘗試讓網絡能夠不斷改進和提高。”麥考恩說。

如果有什么事情或方法能讓互聯網更有自我恢復的能力，那么這就是一件好事情，好消息。這對于數百萬通過上網來預訂度假產品或者使用twitter聯絡朋友的普通人來說是如此，對于經濟來說更是如此。網絡故障對經濟的影響可以非常巨大：現在每年的網上電子商務總值已經超過7萬億美元，大約占全球GDP的12％。瑞士聯邦技術學院的研究人員在2005年的一項研究中計算出，如果切斷所有的互聯網連接，瑞士整個國家每周的損失將超過30億美元，大約占其GDP的1％。有人預計，到2010年，電子商務總值將占全球GDP的18％，網絡故障所造成的影響將持續增長。

除此以外，基礎設施中的關鍵部分，如電力和自來水設施，現在大都依賴于互聯網進行信息交換和遠程診斷。世界范圍內的銀行和證券交易所也都通過互聯網和他們自己的網絡實現金融信息的交流。交通系統，如德國的鐵路系統，也依賴互聯網來連接售票和咨詢系統。

事實上，隨著互聯網的訪問流量日益增長，網絡中斷并沒有引發更多的問題，這一點看起來非常的不可思議。這主要是因為互聯網依賴的是一些高度連接的節點，但是這些節點中大部分只有一些連接。這就意味著某一地區的網絡中斷對其他地方的網絡影響有限，而且調整訪問流量維持網絡繼續工作也不需要大費周章。

新網絡與“全球網絡創新環境”項目的啟動

路由器在這個過程中所起作用十分關鍵。一般來說，路由器對所接收到的數據包的地址進行檢查，然后根據預定的規則將它發送出去。比如說，兩組通向同一個地址的數據通常會通過同一條路徑傳輸出去。如果這條路徑因為某種原因不能暢通，那么路由器將會檢查和詢問它的鄰接路由器，查找還可以通行的路徑，然后計算出重新引導數據的最佳路徑。

為了完成這個任務，路由器運行著一種復雜的運算算法，但是可能需要很長時間才能完成。由于測試和更新軟件的過程中存在的問題，技術改進只能以極度緩慢的速度進行。西雅圖華盛頓大學的湯姆-安德遜(Tom Anderson)說，任何改動都必須非常小心。“你必須確保你所做的事情不會帶來新的問題。”

到了二月份，這個問題便凸現出來。捷克共和國的一個路由器的軟件升級出現了一個小錯，隨后，這個小錯蔓延了整個互聯網，導致整個網絡緩慢運行超過一小時。這種引發混亂的錯誤決不是第一次出現，不過，由于沒有大規模的測試或“虛擬的網絡”進行實驗，這樣的錯誤難以避免。

2005年，美國自然科學基金會(NSF)請求一組研究人員解決這個問題。他們的解決方案非常大膽：建造一個大型的同現有互聯網一樣復雜的新網絡，在這個新網絡上對新的概念進行測試和完善，使其臻于完善，進入實際應用。如果這個設想看起來還不夠積極的話，他們還要求把這個網絡上的流量進行分割。他們的想法是分割出來的每一個部分都能在由同樣的路由器、切換器和電纜組成的基礎設施上工作，但是各個部分之間都能保持獨立。這樣的話，研究人員就可以同時對多個不同的技術方案進行實驗了。

NSF非常欣賞這個創意，它支付了1000萬美元作為這個被稱為“全球

網絡創新環境”(GENI)項目的啟動資金。新的全國性網絡需要很多年時間才能完成，耗資將超過一億美元。不過現在，麥考恩和他的同事們已經提出了一個計劃，不僅會讓GENI更快和更經濟地進行部署，還允許這個項目可以大規模地使用現有的路由器、切換器和光纜。

OpenFlow是一切的關鍵。在制造商的合作下，一個小型的OpenFlow程序可以添加到幾乎所有的路由器中。并在其中像一個遙控器一樣控制著運算法和硬件的運作。通過為路由器的路由表，也就是指定處理流量的具體規則，創建一個界面，允許某一個程序控制路由器定向訪問的方式，做出新的路由決定并且執行這個決定。

結果，OpenFlow賦予軟件工程師和開發人員為數據包創建路徑的能力。他們先在普通電腦上編寫運算法則，然后通過安全的連接把運算法則傳輸給路由器。通過控制流量表，OpenFlow將一個網絡分割成為任意數量的，相互獨立的部分。這樣，研究人員就可以在上面測試或者完善他們的想法了。有了這樣一個可以用作實驗的“多元的”虛擬網絡，開啟互聯網的進化之路終于成為可能。

為了加快這個進程，麥考恩和他的團隊決定將他們的系統作為開源軟件，即他們軟件的用戶可以自由發布這個軟件。這無疑將鼓勵新思想的出現，有助于這些新思想更快速地進入應用。他說。“你將會從分享和建造的優勢中受益，推動改革創新的速度”，麥考恩說。“這在網絡中從未出現過。”

在斯坦福大學的校園網絡上的OpenFlow已經為互聯網提供了測試的環境，其研發小組還計劃在不久的將來在另外六所美國大學的網絡上安裝這個系統。他們的目標是允許學生在虛擬網絡上實驗和嘗試新的想法。在已經有一些制造商合作的情況下，研發小組希望能在年內看到與OpenFlow兼容的商用路由器、互聯網切換器和無線AP(無線接入點或網絡橋接器)上市。

這個想法深深打動了GENI的項目主任艾略特(Chip Elliott)，他現在已經是OpenFlow的主要資助者了。他說，將網絡開放來進行試驗和創新，這實在是一種非常好的方式。其他的選擇執行起來都要更加昂貴，更費時日。“我真正贊賞的是他們把這一切完全建立在快速的、經濟和商用硬件上。”

然而，這個項目的成功將取決于是否讓主要制造商相信，OpenFlow的長期利好是值得他們進行短期投資的。為了說服他們，去年斯坦福大學的研發小組在斯坦福大學網絡上安裝了一個運行“趕盡殺絕(shoot-em-up)”游戲的計算機作為“虛擬服務器”。多虧了使用OpenFlow編寫的路由軟件，使用筆記本電腦的玩家發現即使他們在整個校園的無線接人點之間移動，游戲仍然是流暢地進行。“沒有一個人掉線”，麥考恩說。然后，在游戲進行的過程中，研究人員將虛擬服務器從斯坦福大學挪到了日本的一臺機器上。游戲仍然繼續，沒有任何的中斷。“你感覺不到它已經被移動了。這是你在目前的網絡上無法做到的事情。”

除了此類的平穩的重新路由以外，OpenFlow還可以為網絡操作者提供一些重要的好處。它可以讓他們修改路由規則，使得特定類別的數據通過特定的路徑傳輸，例如，讓email的優先級高于音樂下載，或者在一條路徑損壞的時候通過大量的替代路徑進行擴散。“它允許你為網絡增加新的容量、新的特性，而不需要對那個專有的盒子的內部進行編程，”麥考恩說。“它本質上是一種軟件定義的網絡。”

另外一個OpenFlow可以幫助處理的關鍵問題是網絡安全。在最近捷克發生路由器故障之后，一個專家組仔細檢查了路由器和切換器上的工作程序。他們發現，每一個路由器制造商的每一版路由軟件都有脆弱點，可以使黑客入侵路由器。換句話說，互聯網的基本結構正面臨風險。

麥考恩承認，開始的時候，OpenFlow實際上降低了網絡的安全性，因為它提供了一個可供攻擊的路由器。但是隨著工程師們開發新的、更加安全的路由器編碼，在不減慢或者中斷通訊的情況下在現有的系統上進行測試，這種狀況將會迅速改變。這樣的話，當一個更新可以安裝的時候，補丁可以僅僅通過根據新的說明進行編程完成，而不需要將路由器離線然后重新手工編程。

OpenFlow最重要的優點之一就是它能夠改變數據包通過網絡傳輸的方式。目前，電子郵件在兩太特定計算機之間的傳輸總是使用同一路徑。如果路徑上的任何一條連接失敗了，都會出現故障。所以很多研究團隊正在探索“多路徑”路由，韓國大田韓國先進科學技術研究所的Gyu MyQung Lee就是這種研究團隊中的一員。這些方法包括將一條消息分割成為多個數據包并且通過不同的路徑把它們送達目的地，并在那里重新組合起來。Lee相信，將網絡通訊更加均勻攤分，可以增加互聯網的可靠性，降低擁塞。多個多路徑方案，都有一定的競爭力，通過OpenFlow，他們可以在同一網絡上進行測試并將他們的優點量化。

這樣的測試也許不會太遙遠。今年春天，又有紐約市的哥倫比亞太學和亞特蘭大的喬治亞理工學院開始向學生教授OpenrlFlow。與此同時，電子產品生產商NEC也宣布他們將開始制造可以使用OpenFlow的路由器。麥考恩預計，在五年內，一個由編寫開源軟件來重新定義互聯網工作方式的開發者組成的社區，將興旺起來。他預計，互聯網數據中心將成為這個運動的前衛，因為他們有著海量的路由器并且習慣于編寫自己的軟件。“如果同樣是在這五年內，這個網絡本身變成了由軟件來定義的，”麥考恩說，“那樣也不錯。”