面向虛擬路由器間傳輸機制的研究

甘宏，潘丹

（1.廣州城建職業學院信息工程學院，廣州 510925；2.廣州城建職業學院實訓與設備處，廣州 510925）

面向虛擬路由器間傳輸機制的研究

甘宏1，潘丹2

（1.廣州城建職業學院信息工程學院，廣州 510925；2.廣州城建職業學院實訓與設備處，廣州 510925）

0　引言

網絡虛擬化使得多個邏輯網絡在同一共享物理平臺運行［1］，并且邏輯網絡間相互獨立、互不干擾。為了適應網絡的虛擬化發展方向，業界提出了一系列支持虛擬化網絡和服務的路由器虛擬化的架構［2-3］。物理網絡中同一臺路由器上可以根據用戶的需求部署多個虛擬路由器。這樣，既能支持多種網絡體系結構，滿足虛擬化網絡的要求；又能有效地利用硬件資源，符合綠色路由器［4］的設計理念。

在同一邏輯網絡中虛擬路由器與物理網絡中路由器的映射關系存在著多對一、一對一，如圖1所示：邏輯網絡中節點A和節點B映射到物理網絡中同一臺路由器，映射關系為多對一；而邏輯網絡中其他節點與物理網中的路由器則是一一映射的關系。當在同一邏輯網絡中虛擬路由器與物理網絡中路由器映射關系為多對一的情況時，受到時延、鏈路成本等傳輸代價［5］的影響，多個虛擬路由器部署在邏輯網絡中同一區域或者鄰近區域內。

圖1　邏輯網絡與物理網絡映射關系

針對同一邏輯網絡中虛擬路由器與物理網絡中路由器映射關系為多對一時虛擬路由器共享同一物理平臺的特性，結合開放式最短路徑優先協議（OSPF），在分析路由表生成過程基礎上，提出了一種在同一邏輯網絡中虛擬路由器間的內部快速交換技術。該技術能夠有效地降低報文轉發的跳數，提高報文的傳輸速度。同時，也能夠降低單點故障時的丟包率，提高網絡的魯棒性。

1　IFFT基本思想

同一邏輯網絡中虛擬路由器與物理網絡中路由器映射關系為多對一時，虛擬路由器共享同一物理平臺的特性是IFFT提出的依據。鏈路產生的需求是由于信息交互雙方不在同一平臺，需要鏈路進行信息的傳輸；而當映射關系為多對一時，由于虛擬路由器共享同一物理平臺，當它們之間需要進行信息交互時，可以采用內部交換方式，無需通過鏈路實現信息的傳輸。本小節通過報文轉發過程對比，闡述IFFT基本思想。

在邏輯網絡中，報文的傳輸是由一系列路由器的存儲轉發和鏈路傳輸來完成的，如圖1所示。假設圖1中到網絡M的報文N轉發路徑為A-D-G-E-M。

圖2　報文轉發過程

同一邏輯網絡中虛擬路由器與物理網絡中路由器映射關系為多對一時，虛擬路由器是共享同一物理平臺的，并由物理網絡中路由器的系統管理機制提供資源的劃分和調度，如圖2所示。其中VRA、VRG是物理網中路由器虛擬化的路由器，分別由圖1的節點A和節點G映射，VMM是系統管理機制 （Virtual Machine Monitor），負責資源劃分、調度等，RP是共享物理平臺（Real Physical），提出硬件支持。在IFFT中，報文N經過VRA將報文通過RP傳輸給VRG，然后VRG查表之后，將報文轉發給節點E，最終發送到網絡M。

圖3　IFFT下的報文傳輸過程

通過對報文傳輸過程的對比，IFFT將到網絡M的報文無需經過節點D處理。這樣，IFFT減小了報文轉發的跳數，提高了報文的傳輸速率。同時，節點D發生單點故障時，到網絡M的報文依然能夠進行傳輸，降低了由故障引起的丟包率，提高了網絡的魯棒性。

2　IFFT基本理論

IFFT是在同一邏輯網絡的虛擬路由器映射到物理網絡中路由器映射關系為多對一時，虛擬路由器間的傳輸機制，其實現了報文在虛擬路由器間的傳輸，減少了報文傳輸的跳數。同時，也能避免部分路由器單點故障導致的報文重傳等。本節通過理論分析探究虛擬路由器間在什么情況下可以采用IFFT實現報文的傳輸。為了更加簡潔闡述IFFT理論的重點，提出以下兩個假設：

（1）邏輯網絡中虛擬路由器的內部網關協議是開放最短路徑優先協議OSPF，且映射到物理網中一臺路由器的多個虛擬路由器在OSPF劃分的同一區域內。

（2）虛擬路由器擁有獨立的路由表，不考慮表項合并的情況［6-7］。

在IFFT中，邏輯網絡中虛擬路由器根據自身鏈路狀態數據庫利用 Dijkstra的最短路徑優先（Shortest Path First，SPF）算法生成SPF樹。例如根據圖1的網絡拓撲結構，以A為根節點構建SPF樹，如圖3所示。計算出通向每個網絡的最佳路徑并記錄路徑上節點信息（路由器ID、端口號、負載情況等）。判斷最佳路徑上是否存在與根節點映射到同一物理網絡中一臺路由器的節點：若存在，則生成IP路由表時，該路徑所到網絡對應的表項下一跳為虛擬路由器ID號，而且當最佳路徑上節點與根節點映射到同一物理網絡中一臺路由器的節點有多個時，取最靠近葉子的節點所對應的虛擬路由器ID號作為下一跳；否則，則下一跳為端口號。

圖4　SPF生成樹

在查表過程中，當報文的下一跳為虛擬路由器的ID號時，報文通過內存拷貝的方式拷貝到共享存儲空間中，由相應的虛擬路由器會從共享存儲空間把報文拷貝到自己存儲空間，再進行查表轉發其過程如圖4所示。其中共享存儲采用一對一且有向的put-get形式。當VRA中的報文下一跳為VRG時，采用過程①將報文拷貝到共享存儲空間中，VRG檢測到共享存儲空間不為空時，采用過程②將報文拷貝到自己的空間。

圖5　虛擬路由器中內存拷貝方式

IFFT是在虛擬路由器獲取網絡拓撲結構和生成SPF樹的理論提出的，沒有修改到網絡的最佳路徑，只是利用同一邏輯網絡的虛擬路由器映射到物理網中路由器映射關系為多對一時，虛擬路由器共享同一物理平臺的特性，縮短了報文轉發的跳數。而且，當網絡拓撲結構改變時，轉發表會根據SPF樹中達到網絡最佳路徑的變化修改下一跳。因此，IFFT不會在域內形成路由自環。

圖6　IFFT轉發表生成算法

由查表算法進行描述。

3　IFFT算法描述

IFFT是通過轉發表中下一跳決定報文處理的方式，而下一跳是在路由表生成過程中計算出來的。IFFT主要有路由表生成和路由查表兩個算法。本節主要對路由表生成算法和路由查表算法進行描述。

3.1IFFT轉發表生成

如圖6所示，IFFT轉發表的生成與現有的路由算法類似，但是IFFT轉發表的生成在網絡虛擬化的環境下具有更好的性能。當且僅當網絡拓撲改變的時候虛擬路由器才會收到其他路由器的LSA并檢查它的LSD，這是虛擬路由器的轉發表才需要重新生成。IFFT轉發表生成算法的框架如圖6所示。

3.2IFFT路由查表

路由查表是報文轉發的關鍵，IFFT有兩種報文轉發的方式，一種是直接通過接口將報文轉發，另一種是接口基本配置。

4　性能分析

我們通過使用MATLAB進行仿真，并計算了不同下一跳結點的報文轉發率，如圖8所示。在圖8中假設當總共的下一跳結點數為4且報文轉發為2時，報文轉發的平均跳數是8。我們可以發現skip nodes對IFFM的性能產生了影響，所以我們的機制對部署虛擬路由器具有提升的作用。

圖7　IFFT查表算法

5　結語

鏈路產生的需求是由于信息交互雙方處在不同平臺，而同一邏輯網絡的虛擬路由器映射到物理網中路由器映射關系為多對一時，利用虛擬路由器共享同一物理平臺的特性能夠實現信息在內部的交互，無需通過鏈路傳輸，降低報文轉發的跳數。IFFT充分利用了OSPF協議中到達網絡的最佳路徑來計算路由表的特性，通過填寫下一跳決定報文處理方式。IFFT能夠減少報文轉發的跳數，提高傳輸速率。同時，也能降低單點故障引起的丟包率，提高網絡的特性。

圖8　報文轉發率

［1］趙國鋒，陶文平.可編程路由器的虛擬化技術研究［J］.重慶郵電大學學報（自然科學版），2013（01）

［2］吳剛.HSRP協議在IP網絡設計中的研究與應用［J.綿陽師范學院學報，2013（01）

［3］袁泉.基于對等網絡的流媒體直播系統中低延遲拓撲結構研究［J］.計算機軟件與理論，2008，46（3）:126-134.

［4］劉中金，李勇，楊懋，蘇厲，金德鵬，曾烈光.基于可編程硬件的虛擬路由器數據平面設計與實現［J］.電子學報，2013（07）.

［5］J.Fu，J.Rexford.Efficient IP-Address Lookup with a Shared Forwarding Table for Multiple Virtual Routers.in ACM CoNEXT，2008.

［6］楊懋，劉中金，李勇，曾烈光，金德鵬，蘇厲.基于可編程硬件的虛擬路由器控制平面［J］.清華大學學報（自然科學版），2012（05）.

［7］羅臘詠，賀鵬，關洪濤，李振宇，謝高崗.可編程虛擬路由器關鍵技術與原型系統［J］.計算機學報，2013（07）

［8］陳捷.Supanet虛擬路由器信控管理平臺技術的研究［J］.計算機應用技術，2009（12）.

［9］朱秋莎.基于虛擬化技術的面向數據因特網路由架構模型研究［D］.上海交通大學，2014.

［10］Lockwood J W，Mckeown N，Watson G，et al.NetFPGA--An Open Platform for Gigabit-Rate Network Switching and Routing［C］. Proceedings of the 2007 IEEE International Conference on Microelectronic Systems Education IEEE Computer Society，2007:160-161.

［11］Andersen D，Balakrishnan H，Kaashoek F，et al.Resilient Overlay Networks.［J］.ACM Sigops Operating Systems Review，2001，35 （5）: 131-145.

［12］Gupta M，Singh S.Greening of the Internet［C］.In ACM SIGCOMM2003:19-26.

［13］Lyons A M，Neilson D T，Salamon T R.Energy Efficient Strategies for High Design Telecom Application.Princeton:Princeton University，2008.

Computer Architecture；Network Virtualization；Virtual Router；OSFP；Logic Network；Physical Network

Research on Packet Forwarding Among Virtual Routers in Identic Logic Network

GAN Hong1，PAN Dan2
1.College of Information Engineering，Guangzhou City Construction College，Guangzhou 510925；2.Department of Practice and Equipment，Guangzhou City Construction College，Guangzhou 510925

1007-1423（2015）36-0003-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.36.001

甘宏（1976-），男，廣東廣州人，在讀博士，副高，研究方向為信息安全與云計算技術應用

2015-11-17

2015-12-10

針對在同一邏輯網絡中的多個虛擬路由器映射到物理網絡中同一臺路由器情形，結合IP開放式最短路徑優先協議，分析路由表生成過程，提出一種針對在同一邏輯網絡中虛擬路由器間的內部快速交換技術，稱為IFFT。該技術實現報文在虛擬路由器間的快速傳輸，減少報文轉發的跳數，提高報文傳輸速度。同時，該技術能降低單點故障造成的丟包率，從而增強網絡的特性。

網絡虛擬化；邏輯網絡；物理網絡；虛擬路由器；OSPF協議

廣東省自然基金團隊研究項目（No.S2012030006242）

潘丹（1980-），女，湖南人，碩士研究生，講師，研究方向為大數據技術與數據庫技術

When multiple virtual routers in identic logic network cohabit a shared router platform of physical network，proposes an Interiorly Fast Forwarding Technique based on study of Open Shortest Past First and investigation in generation of FIB.This technique is proved in which reducing delay is the yardstick of solving fast forwarding among multiple virtual routers.Its purpose is to eliminate the hops of packet forwarding and to advance the speed of packet transmitting.Meanwhile，this technique enhances network robustness by reducing network loss ratio that caused by single point of failure.