一種可演進的互聯網體系結構

互聯網端到端屬性使得運行于主機端的應用層協議易于修改和部署，從而促進互聯網通過新應用的競爭不斷發展;但是涉及到網絡核心層和網絡設備(交換機、路由器等)的新協議則在實現和應用上十分困難，阻礙了互聯網核心技術的演進。文章提出一種可演進的網絡體系結構(EIA)。網絡可以通過EIA提供的接口在主機和網絡設備上添加新的模塊來得到試驗和實際部署。不同的用戶可以任意選擇不同的體系結構，同時用戶可以是一種或多種網絡體系結構的使用者。人們可以多樣化競爭的方式推動互聯網的演進。

關鍵詞:網絡虛擬化;網絡體系結構;互聯網演進

The end-to-end characteristics of networks enables easy modification and development of applications running on the host. Competition among these applications promotes the development of the Internet. However， new protocols related to core networking or network equipment (routers， switches etc.) are often hard to successfully implement. This paper proposes an Evolvable Internet Architecture (EIA). It proposes that new network architectures can plug themselves as new modules into EIA network equipment using the interfaces provided by EIA for experiment and actual development. Different users can independently select network architectures， and at the same time there may be one or more users of network architectures. This diversity and competitiveness promotes the evolution of the network.

network virtualization; network architecture; Internet evolution

互聯網經過30多年的發展，已經成為與人們工作、生活息息相關、不可缺少的基礎設施之一，互聯網自身也獲得空前的發展與繁榮。然而，互聯網傳輸控制協議/網間協議(TCP/IP)式的體系結構從誕生之日起就存在天生的缺陷，如:盡力而為的轉發策略不能提供用戶需求的服務質量、網絡管理難以部署、網絡安全漏洞日益暴露、IP地址資源枯竭、接入設備的泛在移動性與異質性、大規模網絡情況下路由的可擴展性等等。

對互聯網TCP/IP體系結構的變革一直在進行，新的協議與算法不斷提出。互聯網端到端屬性使得運行于主機端的應用層協議易于修改和部署，從而促進互聯網通過新應用的競爭不斷發展。但是，互聯網端到端屬性同時限制了互聯網核心部分的革新能力。涉及網絡核心部分和網絡設備內核改變的新協議(如IPv6、集成業務、IP多播、差異化服務、安全路由協議等)需要部署者全局部署和網絡設備統一修改，而這種修改對網絡運營者和網絡設備制造者缺乏激勵機制，難以在現實網絡中大規模部署;同時由于缺乏真實網絡環境的充分測試，這些涉及網絡核心層的新協議難以得到充分信任與支持，進一步阻礙了設備實現的成熟度和運營者的部署決策。這些都造成新協議沒有得到大規模應用，互聯網核心技術的演進陷于停滯。

針對現有TCP/IP體系結構的諸多缺陷，網絡研究者們提出了一些全新的體系結構，如RBA[1]、RNA[2]、SILO[3]等。這些新體系結構解決了一些現有體系結構的問題。但是僅有一種固定的體系結構難以滿足未來互聯網的需求，這是因為:

(1)需要多種體系結構共存以解決網絡多方面的問題。

(2)網絡體系結構需要不斷演進，包括:更新、補充及老化。

(3)實驗流量需要在真實網絡上運行，需要與用戶流量共存。

基于以上分析，本文提出了一種支持多種體系結構并存的可演進的體系結構(EIA)。EIA是一個能夠包容多個網絡體系結構的結構，且支持網絡體系結構數目的不斷擴充。EIA如同一個“插座”，上面插著不同的體系結構，現有的TCP/IP協議棧也作為一個體系結構插在上面，EIA是這些體系結構的“基”。EIA上層的多種體系結構可以形成競爭關系去解決同一問題，類似于實時網絡通信中Skype、QQ、MSN、Gtalk的關系，也可以形成互補的關系去解決不同的問題。不同的用戶可以任意選擇不同的體系結構，同時用戶可以是一種或多種網絡體系結構的使用者。

1 EIA網絡體系結構

1.1 EIA的演進策略

當前互聯網的演進方式主要分為兩種:革命型和革新型。革命型的代表有網絡革新的全球環境(GENI)、未來互聯網設計項目(FIND)、未來互聯網研究和實驗(FIRE)等;革新式則是在現有的互聯網上進行修補式的改進。

互聯網采取革命式的演進需要重新構建試驗網絡，演進代價高，并且研究者對未來的預測有誤差，只有不斷改革才是可能的。因此EIA采用的是改革式的演進策略，在現有網絡的基礎上支持研究者實現和部署新協議的目的，進而推進互聯網的長期演進。

EIA改革式的演進和目前改革式的演進方法又是不同的。目前的演進方法是在TCP/IP體系結構的基礎上修補、發現問題、再修改，但是某次修補可能不容易“兼容”未來的繼續修改。并且現有的演進可能引入短期收益而長期有破壞性如網絡地址轉換(NAT)，或者局部收益對整體有破壞性。而EIA不是在現有的TCP/IP結構上做改進，其上層支持多種體系結構的并存，TCP/IP只是作為其中的一種體系結構。多種不同的體系結構之間通過競爭的方式使更適合需求的方案得以生存和發展。

1.2 EIA的目標

EIA的主要目標:(1)研究者可以在現實的網絡設備上編程并試驗其新的協議，實驗流與正常流同時運行在實際網絡上且之間互不影響;(2)EIA上層承載多種體系結構，作為容納多種體系結構的特殊結構，EIA可以使能上層體系結構之間的競爭。EIA承載的不同體系結構之間可以形成競爭關系去解決同一問題，也可以形成互補關系去解決不同的問題，各種不同的體系結構在硬件資源方面共享。

現在已經提出很多不同的體系結構，每種結構均有不同的設計，哪種體系結構應該被選擇，EIA可以通過競爭的方式使更適合需求的方案得以生存和改進。同時EIA作為一個可以包容網絡結構的結構，做到能夠承載上層的結構需要考慮很多問題:每種體系結構可能只覆蓋整個Internet的一部分;終端用戶也許只用到一種或幾種上層的體系結構而不是所有，類似于部分互聯網網民使用QQ、Gtalk，而不使用MSN進行實時通信。

1.3 EIA的組成

EIA包括兩部分:主機對多體系結構的支持;網絡設備(交換機或路由器)對多體系結構的支持。

1.4 EIA主機

1.4.1 基礎模式

EIA主機多協議棧如圖1所示，EIA模塊位于鏈路層，是為支持上層多種體系結構而在現有網絡上增加的一些函數接口。現有的主機要支持多體系結構并存，需要增加EIA模塊。部分體系結構也可以不增加EIA函數，直接利用現有的函數接口來滿足需求。

EIA 模塊根據不同的體系結構代碼，把數據包傳遞給上層不同的體系結構。已有的TCP/IP通信協議模型作為一個特殊的體系結構和其他新體系結構并存。

增加EIA模塊后，鏈路層的工作方式為:當接收到一個數據包后，解幀并根據協議號上傳到上層相應的協議棧;當接收到上層傳遞來的數據包后，根據上層協議的任務，把數據包轉發到一個端口或調用相應的硬件資源做出處理動作。

和現有開放系統互連(OSI)模型的套接字相比，EIA模型把現有套接字接口往下移動從而建立在物理層上，不同的體系結構在鏈路層之上呈現為縱向、并行的方式。

1.4.2 高級模式

基礎模型中，鏈路層主要提供解幀、封幀的操作。為了開發者易于開發新的體系結構，EIA高級模式把各新體系結構中的通用功能模塊抽象出來，以可選項的形式提供給各個新體系結構的開發人員，如網絡監管、QoS等功能就可以在此處開放給新體系結構的開發者。添加公用模塊后的EIA示意圖如圖2所示。

1.4.3 體系結構代碼號

有兩種方式來解決體系結構代碼號存儲位置的問題:

(1)各種新體系結構定義的包格式不同，所以可以把協議代碼號放在數據鏈路層的幀頭中。(2)放在幀頭后面的某個字段中，各種體系結構可以約定一個共同的數據字段和位置來存放體系結構的代碼號。類似于IPv4和IPv6的版本號，IPv4/IPv6雙棧節點鏈路層接收到數據包，拆開并檢查包頭，如果IPv4/IPv6頭中的第一個字段，即IP包的版本號是4，該包就由IPv4棧來處理，如果版本號是6，則由IPv6棧處理。EIA支持多棧節點的工作方式與IPv4/IPv6雙棧節點工作方式相同。

1.5 EIA網絡設備

1.5.1 網絡設備支持EIA多體系結構

關鍵詞:關鍵詞:關鍵詞: 原理

EIA支持多個體系結構并存，為此需要各種不同的體系結構在硬件資源方面進行資源共享。

如圖3所示，對比計算機虛擬化EIA網絡設備的指令集作為原語直接操作硬件資源，類似于x86指令。包動作接口層也就是網絡虛擬層，把下層的指令封裝成數據包級的接口提供給上層的體系結構，如數據包的轉發、丟棄、改寫等功能。

包動作接口層有兩個任務:

(1)從一個端口接收數據包，根據協議號上傳給相應的協議棧。

(2)接受上層協議的任務，調用指令集對數據包進行相應操作，例如把數據包轉發到相應的網絡設備端口。對數據包的具體操作處理是各個協議來定義并處理的;虛擬層只做數據包轉發功能和調用執行下層原語的功能。

在包動作接口層之上，通常情況下各個協議之間獨立運行，互不影響，所以每個協議看到的網絡視圖或者網絡拓撲也是不同的。此外，可以進一步定義體系結構之間的通信。

1.5.2 商用網絡設備如何支持EIA

如圖4所示。在保證開發者的操作不影響正常的數據流的前提下，例如不允許開發者進行網絡設備的重啟、關機等操作，網絡設備制造商不暴露其設備內部的細節，開放出一部分接口給開發者，也就是圖4中需要廠家增加的模塊:包動作接口。網絡運營商和開發者的關系就類似于Linux操作系統的超級管理員和普通用戶。一旦提供了此類接口，用戶就可以直接在網絡設備上編寫代碼并進行實驗。當網絡設備的原始原語不夠該新協議使用，例如需要運行一些特定的加密算法的硬件實現時，開發者也可以通過添加固化了軟件的硬件模塊來與包動作接口互通來實現新的功能?？梢奅IA可編程平臺一旦建立并開放后，開發者就不再需要網絡設備制造商和網絡基礎設施運營商的支持而進行獨立創新性的實驗了，甚至直接實際運行某新體系結構或新協議來提供服務。

2 EIA與現有體系結構的兼容問題

EIA采取了革新式的策略，通過把當前體系結構TCP/IP協議棧作為多個競爭體系結構中的特例來達到和現有網絡的兼容。即目前的IP和分層仍然運行，只作為競爭者之一。EIA并沒有在現有的體系結構上添加新的協議層，如Shim6[4]等，只是在原來的基礎上添加了一些接口，所以不涉及對原有TCP/IP體系結構的改動。這種不改變現有網絡(和加層的方式比較)的演進方式可以更快速地在設備上實現，更易過渡。

IP/IPX時代主機已經做到了支持多個協議棧，當前IPv4、IPv6雙棧的處理也做到了通過版本號上傳給數據包指定的上層協議棧，且原始套接字可以接收到整個數據幀，以上例子均說明主機支持EIA是可行的。而對于網絡設備，設備制造商只要在現有網絡的基礎上新增加一些接口給新體系結構的研究者即可，而無需改變當前的網絡。

網絡設備制造商一旦支持EIA后，實驗者可以在這些互聯網設備上進行編程試驗?，F存的體系結構和協議與新添加的模塊走不同的處理流程，因此試驗并不會影響其他協議的運行。新體系結構和協議一旦實驗成功，就可以直接轉化為真正的應用，新體系結構的倡導者部署新的體系結構和協議將變得十分平滑。

3 與相關工作的比較

在網絡革新式的模式中，當前最具代表性的是OpenFlow。OpenFlow[5]是為互聯網創新研究者提供能處理真實流量的試驗方法，采用OpenFlow控制器+OpenFlow交換機結構，由控制器的軟件控制設備執行相關的操作，以其技術為基礎可以用于“軟件定義的網絡”。但是OpenFlow目前只能在局部網絡里運行，只支持IPv4，即數據流表只針對IPv4報文格式來動作，不能支持任意新協議。流表的動作有限，基于流轉發、丟棄、轉發到控制器和普通轉發。統計功能也比較粗略，新協議可能需要更細致的統計功能。對于分組處理，目前為轉發到特定的外置硬件處理，此方式對于試驗網尚可，對于真實網絡(例如實現軟件定義的網絡)有轉發“瓶頸”，不具有可擴展性?？刂破鞯目蓴U展問題、冗余問題以及安全通道的“瓶頸”問題(類似路由器內部通道的“瓶頸”問題)都是真實網絡中必須解決的問題。而EIA支持不同協議棧作為可插拔的軟件模塊(如果基礎原語不夠用，則插拔固化了軟件的硬件模塊)安裝在設備里，比OpenFlow的遠方控制器+設備外的硬件更容易在實際網絡中應用。

OpenFlow還涉及到在現有交換機上添加數據流表，對任何一個數據包均要進行查表的操作，EIA中沒有這種查表的負擔，僅僅是根據協議號轉發到相應的協議棧。OpenFlow中涉及到控制器和NetFPGA等設備，而EIA不涉及添加附屬設備。此外EIA給開發者提供的就是一個真實的可編程的網絡。所以EIA更易于互聯網平滑地過渡。

4 結束語

現階段涉及到網絡核心層和網絡設備(交換機、路由器等)的新協議在實現和應用上十分困難，阻礙了互聯網核心技術的演進。雖然研究者提出了各種互聯網體系結構，但是到目前為止幾乎沒有一種體系結構能夠大規模地部署到現有互聯網上并得到廣泛的應用。本文提出的EIA作為網絡體系結構的承載體，一種特殊的體系結構，為新體系結構的研究者搭建了一個理想的實驗平臺，支持未來互聯網里多種體系結構可以平滑地得到應用、共存競爭，以實現互聯網在核心層面的技術繁榮和不斷演進。EIA突破了一種網絡體系結構一統天下的局面，為互聯網的平滑演進做了很好的鋪墊。

互聯網研究者在EIA這個可編程的平臺上試驗其研究成果，可以更好地解決現在互聯網存在的問題，并且加速互聯網的演進，使互聯網將會越來越強大，滿足日益增長的需求。EIA下一階段工作主要集中在具體化網絡設備虛擬層的動作，從而確定網絡設備制造商具體提供的接口。

5 參考文獻

[1] BRADEN R， FABER T， HANDLEY M. From protocol stack to protocol heap: Role - based architecture[J]. Computer Communication Review， 2003， 33(1):17-22.

[2] TOUCH J D， WANG Y S， PINGALI V. A recursive network architecture[R]. ISI-TR-2006-626. Marina del Rey， CA，USA: ISI. 2006.

[3] DUTTA R， ROUSKAS G N， BALDINE I， et al. The SILO architecture for services integration， control， and optimization for the future Internet[C]//Proceedings of IEEE International Conference on Communications (ICC’07)， Jun 24-28， 2007， Glasgow，UK. Piscataway， NJ，USA: IEEE， 2007: 1899-1904.

[4] NORDMARK E， BAGNULO M. Shim6: Level 3 multihoming shim protocol for IPv6[R]. IETF RFC 5533. 2009.

[5] The OpenFlow switch consortium[EB/OL]. [2009-01-31]. http://openflowswitch.org.

收稿日期:2010-01-05

畢軍，清華大學網絡研究中心網絡體系結構和IPv6研究室主任、教授，主要從事網絡體系結構和協議、下一代互聯網等領域的研究工作，先后主持多項國家科研項目，獲有國際科技進步二等獎，已發表學術論文70余篇，申請國家發明專利15項。

林萍萍， 清華大學網絡研究中心在讀博士生，主要從事網絡體系結構和協議、下一代互聯網等領域的研究工作，已發表學術論文15篇。

胡虹雨，清華大學網絡研究中心博士后，主要從事網絡體系結構和協議、下一代互聯網等領域的研究工作，已發表學術論文20篇。