基于協(xié)商的AS級多徑路由機(jī)制研究

◆王 璐

（鐵道警察學(xué)院公安技術(shù)系 河南 450053）

基于協(xié)商的AS級多徑路由機(jī)制研究

◆王 璐

（鐵道警察學(xué)院公安技術(shù)系 河南 450053）

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸模式主要采用的是單徑路由，這種傳輸機(jī)制存在著路由不穩(wěn)定的因素。本文首先分析了單徑傳輸機(jī)制所存在的劣勢，而后針對新型網(wǎng)絡(luò)的路由環(huán)境，提出了基于BGP路由協(xié)商的AS級多徑路由機(jī)制，協(xié)商成功的AS域可以擁有一條到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)的AS級替換路由，并且在策略允許的情況下通過數(shù)據(jù)封裝技術(shù)使用替換路由進(jìn)行通信數(shù)據(jù)的傳輸，從而為新型多業(yè)務(wù)可信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高質(zhì)量、高可靠性的信息傳輸提供了一定的參考依據(jù)。

BGP；路由協(xié)商；多徑路由；AS

0 引言

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中所存在的具有復(fù)雜連通關(guān)系的節(jié)點也逐漸增多。同時，網(wǎng)絡(luò)無標(biāo)度性[1]和六度空間理論[2]的進(jìn)一步研究，也使得網(wǎng)絡(luò)的容錯抗毀性成為共同關(guān)注的熱點。

在現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模式中，基本上都是一種網(wǎng)絡(luò)支撐一種業(yè)務(wù)，而這種網(wǎng)絡(luò)模式在一定程度上為人們提供了高效便捷的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。然而，隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)越發(fā)多樣化的發(fā)展趨勢，單一的網(wǎng)絡(luò)模式已經(jīng)無法滿足網(wǎng)絡(luò)及服務(wù)的多樣化需求，這就出現(xiàn)了對各種業(yè)務(wù)都能提供良好支持的新型的多業(yè)務(wù)可信網(wǎng)絡(luò)。多業(yè)務(wù)可信網(wǎng)絡(luò)是與傳統(tǒng)的一種網(wǎng)絡(luò)支持一種業(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)模式完全不同的新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，其設(shè)計理念是一種網(wǎng)絡(luò)支持多種業(yè)務(wù)，這種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠提供多業(yè)務(wù)支持的能力和網(wǎng)絡(luò)可信性的保障，能夠為人們提供更為方便快捷高效地信息交互的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

本文就是在新型多業(yè)務(wù)可信網(wǎng)絡(luò)模式下，針對傳統(tǒng)的單徑路由的局限性，提出了基于邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議（BGP）[3]路由協(xié)商的自治系統(tǒng)（AS）級多徑路由工作機(jī)制，為新型網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中高質(zhì)量、高可靠性的信息傳輸提供了一定的借鑒意義。

1 多徑路由問題分析

新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的設(shè)計理念就是支持普適化服務(wù)的多業(yè)務(wù)可信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，從而便于為用戶提供一體化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)[4]。該體系結(jié)構(gòu)能夠支持固定終端、移動終端以及移動子網(wǎng)等多種類型用戶的統(tǒng)一接入，并且能夠為各類型的用戶提供分布式的網(wǎng)絡(luò)資源共享和數(shù)據(jù)資源的查詢服務(wù)。在新型網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)中，主要分為接入路由器和交換路由器兩類，接入路由器負(fù)責(zé)固定終端、移動終端以及移動子網(wǎng)等各類用戶的統(tǒng)一接入，為接入網(wǎng)絡(luò)的用戶分配接入標(biāo)識和路由標(biāo)識，并將用戶所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)信息傳送到核心網(wǎng)，而交換路由器則是根據(jù)數(shù)據(jù)報文中的路由標(biāo)識將數(shù)據(jù)信息在核心網(wǎng)中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)[5]。而在數(shù)據(jù)的傳輸和轉(zhuǎn)發(fā)過程中，多徑路由是相對于單徑路由而提出的概念，指的是為通信節(jié)點之間的可達(dá)性提供多條可用的路徑，而節(jié)點主機(jī)可根據(jù)其策略對這些可用路徑的自主選用。由多徑路由所組成的網(wǎng)絡(luò)被稱為多徑路由網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)中的路由器執(zhí)行多徑路由算法，多徑路由算法用來為節(jié)點間通信提供多條路徑，并確保發(fā)往其中一條路徑的數(shù)據(jù)經(jīng)由該路徑到達(dá)目的網(wǎng)絡(luò)。

隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的快速發(fā)展，核心骨干網(wǎng)絡(luò)的帶寬越來越高，這就為多徑路由技術(shù)的深入研究提供了基礎(chǔ)。隨著FIND，PlanetLab，GENI，CABO等下一代網(wǎng)絡(luò)（NGN）項目研究逐步深入，勢必會對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)產(chǎn)生更為深遠(yuǎn)的影響。同時，路由模塊可操作性以及可編程路由器的進(jìn)一步發(fā)展、各類網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅猛發(fā)展等等，這些都為多徑路由的研究提供了便捷條件。

在具體的新型網(wǎng)絡(luò)核心層環(huán)境中，各個交換路由器都具有路由功能，因而隨時能為核心層中的各個交換路由器節(jié)點對建立一條或多條替換路徑，那么從宏觀上就能有效地提高整個網(wǎng)絡(luò)的路由可靠性和容錯性，同時網(wǎng)絡(luò)資源也能得到充分利用，從而改善了網(wǎng)絡(luò)的通信性能。所以為改善核心層網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，避免單徑路由給網(wǎng)絡(luò)節(jié)點可能帶來的擁塞或高負(fù)荷狀態(tài)，消除核心層路由層面的不穩(wěn)定因素，本文的設(shè)計是在交換路由器部署應(yīng)用多徑路由擴(kuò)展機(jī)制。

2 BGP多徑路由的設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)最基本的功能就是報文信息的傳輸，而新型的多業(yè)務(wù)可信網(wǎng)絡(luò)對網(wǎng)絡(luò)傳輸更是有著安全性、可靠性、容錯性等多樣化的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)要求。然而，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)傳統(tǒng)的傳輸模式是單徑路由，也就是每個網(wǎng)絡(luò)傳輸節(jié)點都只向指定的其單下一跳結(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)傳輸數(shù)據(jù)的。這種單徑路由工作模式很容易導(dǎo)致如下情況的發(fā)生，即網(wǎng)絡(luò)中的某些節(jié)點和鏈路處于高負(fù)荷或擁塞狀態(tài)，而另一些節(jié)點和鏈路的負(fù)載相對較低，從而出現(xiàn)各個傳輸節(jié)點和傳輸鏈路負(fù)載失衡的網(wǎng)絡(luò)狀況。另一方面，簡單的單徑路由協(xié)議在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)規(guī)模逐漸復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下很難有效地滿足容錯、路由可靠性、QoS路由等高層次的路由要求[6]，尤其是應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)核心傳輸層負(fù)責(zé)大規(guī)模域間路由工作的BGP協(xié)議，簡單的單徑路由更不能滿足大量的各種數(shù)據(jù)報文在核心路由器之間信息傳輸?shù)囊?，從而影響到網(wǎng)絡(luò)中核心路由的穩(wěn)定性。因而，多徑路由的設(shè)計與應(yīng)用成為新型多業(yè)務(wù)可信網(wǎng)絡(luò)體系中路由傳輸層面的研究重點。

2.1 設(shè)計思想

針對新型網(wǎng)絡(luò)能夠滿足各種不同服務(wù)類型終端統(tǒng)一接入的需求，其核心層網(wǎng)絡(luò)所需要傳輸數(shù)據(jù)包的信息量則顯著增多，這就要求部署應(yīng)用于核心層的BGP路由協(xié)議能夠完成核心層大量的路由選路和信息交換工作。而傳統(tǒng)的單徑路由機(jī)制在出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擁塞或是負(fù)荷過大的情況時就很難滿足核心層網(wǎng)絡(luò)性能方面的要求，從而造成網(wǎng)絡(luò)潛在的不穩(wěn)定狀態(tài)。

BGP多徑路由擴(kuò)展機(jī)制的設(shè)計思想是：提出一種支持多路徑的可選域間路由協(xié)議解決方案，該方案通過引導(dǎo)核心層傳輸AS域的交換路由器根據(jù)選路策略進(jìn)行路由的雙邊協(xié)商，從而靈活地選擇或通告合適的AS級替換路徑，以此對網(wǎng)絡(luò)通信量進(jìn)行有效地負(fù)載平衡控制以及擁塞控制，滿足數(shù)據(jù)通信和映射信息傳輸?shù)穆酚蓪用娴男阅芤蟆？梢钥闯?，由于AS域在向相鄰域通告路由之前，會將自己的AS號碼添加到該路由的AS_PATH屬性中，所以該機(jī)制是一種基于AS級別的路徑矢量路由方案，能夠?qū)崿F(xiàn)簡單化的路徑選擇，并且對傳輸AS域交換路由器之間的協(xié)商控制是通過選擇輸出額外的替換路徑來實現(xiàn)的。

2.2 AS間BGP多徑路由的雙邊協(xié)商

在傳統(tǒng)的BGP路由系統(tǒng)中，大多數(shù)AS域和終端/子網(wǎng)對于BGP提供的現(xiàn)有路由感到滿意，路由層面也能夠處于大致穩(wěn)定的運(yùn)行狀態(tài)。而當(dāng)某個AS域有替換路由時，該AS域是向所有的相鄰體通告該替換路由的，這種向所有AS鄰居通告替換路由的機(jī)制將會在一定程度上影響到域間最優(yōu)路由的選擇，從而破壞網(wǎng)絡(luò)中整體路由的穩(wěn)定性。因此，AS級多徑路由機(jī)制是在AS域需要的時候允許其靈活地請求替換路徑，而不是強(qiáng)行地把替換路徑通告給所有的AS域鄰居。首先，給出請求AS域和響應(yīng)AS域的概念：（1）請求AS域：根據(jù)路由策略向AS鄰居發(fā)出請求信息以得到適當(dāng)?shù)奶鎿Q路由的AS域；（2）響應(yīng)AS域：收到AS鄰居發(fā)送來的得到適當(dāng)替換路由的請求消息后，根據(jù)過濾規(guī)則選擇輸出合適的替換路由給該AS鄰居的AS域。

針對以上概念構(gòu)造出AS間BGP多徑路由的雙邊協(xié)商模型，如圖1所示：

圖1 BGP多徑路由的雙邊協(xié)商模型

其中，模型圖中的五個圓圈分別表示的是五個自治系統(tǒng)，其自制系統(tǒng)號分別是1～5，圓圈間的連接表示自治系統(tǒng)間的BGP會話。假設(shè)AS1到AS5的最優(yōu)路由為<1235>。這時如果AS1根據(jù)自己的路由策略不再希望通過現(xiàn)有路由<1235>達(dá)到AS5，而是想尋求一條替換路由，那么AS1則向其下一跳自治系統(tǒng)AS2發(fā)出路由請求消息，請求AS2通告一條到達(dá)AS5的替換路由，而在這個請求消息中可能會包含AS1的路由策略，如避免路由經(jīng)過AS3。在收到AS1的請求后，AS2會根據(jù)自己的路由策略將具有較高優(yōu)先級的替換路由通告給AS1。此過程即為BGP多徑路由的雙邊協(xié)商模型。其中AS1為請求AS域，AS2為響應(yīng)AS域。

BGP多徑路由的雙邊協(xié)商模型是請求AS域與響應(yīng)AS域之間的路由層面的模型框架，因而也需要有相應(yīng)的路由協(xié)商管理策略進(jìn)行有效地策略支持。這里，針對多徑路由的協(xié)商模型設(shè)計如下的路由協(xié)商管理策略：在請求AS域中，如果當(dāng)前的最優(yōu)路由不能滿足本域的需求則觸發(fā)協(xié)商，若此時剛巧有鄰居AS發(fā)送來的路由更新消息使得最優(yōu)路由發(fā)生變化，那么抑制所要觸發(fā)的路由協(xié)商；而在響應(yīng)AS域中規(guī)定只有來自于可信AS對等體的路由協(xié)商請求才能被接受，允許協(xié)商的建立，并根據(jù)自己的路由策略選擇出合適的最優(yōu)的替換路由發(fā)送給請求AS域。

2.3 多徑路由隧道封裝

BGP多徑路由機(jī)制導(dǎo)致了AS域向相鄰體通告替換路徑的路由行為，這會妨礙域間最優(yōu)路由的選擇，破壞整體路由環(huán)境的穩(wěn)定性。因此，為了不打破原有優(yōu)選路由環(huán)境的格局，提出了隧道封裝的設(shè)計方法，即在AS域根據(jù)自己的路由策略請求到替換路由后，請求AS域與響應(yīng)AS域之間對于該替換路由達(dá)成了一致。若請求AS域要求使用替換路由向目的終端/子網(wǎng)發(fā)送數(shù)據(jù)包，則在兩個AS域之間建立一條隧道，通過隧道機(jī)制使用替換路由發(fā)送數(shù)據(jù)包，從而在該隧道中進(jìn)行信息的傳輸。

隧道的建立是對于替換路由的協(xié)商達(dá)成一致后在請求AS域與響應(yīng)AS域之間進(jìn)行的。其具體實現(xiàn)過程是：請求AS域和響應(yīng)AS域?qū)τ谔鎿Q路由達(dá)成一致時，若請求AS域需要將數(shù)據(jù)信息通過替換路由發(fā)送到目的終端/子網(wǎng)時，即使用隧道封裝技術(shù)，首先向響應(yīng)AS域建立隧道的通告消息，響應(yīng)AS域收到通告后回復(fù)一個確認(rèn)。這時，請求AS域就可以使用數(shù)據(jù)隧道封裝技術(shù)將數(shù)據(jù)包進(jìn)行適當(dāng)?shù)姆庋b后發(fā)送給響應(yīng)AS域。響應(yīng)AS域接收到數(shù)據(jù)包，識別出替換路由的下一條AS以及對數(shù)據(jù)包進(jìn)行解封裝操作，再將數(shù)據(jù)包通過協(xié)商好的替換路由發(fā)送出去。

另一方面，可以通過設(shè)置隧道計時器的方法對長時間不被使用的隧道進(jìn)行拆除。比如通信AS域之間在隧道計時器的計時范圍內(nèi)沒有標(biāo)有隧道標(biāo)識符的信息相互傳輸，則認(rèn)為隧道不再被使用，即可進(jìn)行拆除。同時，若請求AS域與響應(yīng)AS域之間的路徑出現(xiàn)錯誤，請求AS域就會拆除隧道；若到達(dá)目的終端/子網(wǎng)的替換路由發(fā)生了故障，響應(yīng)AS域?qū)鸪淼馈?/p>

3 結(jié)論

本文在分析當(dāng)前傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中單徑路由所存在的劣勢的基礎(chǔ)上，針對新型網(wǎng)絡(luò)路由穩(wěn)定性的需求，提出了基于BGP路由協(xié)商的AS級多徑路由機(jī)制，該機(jī)制通過BGP路由的協(xié)商可以為新型網(wǎng)絡(luò)中任何一個層次的AS域提供一條可選的AS級替換路由，使得AS域在策略允許的情況下可以靈活地選擇AS路由，從而能夠很好地避免因單徑傳輸、鏈路擁塞或負(fù)載失衡而帶來的路由穩(wěn)定性問題，為新型網(wǎng)絡(luò)尤其是其核心層創(chuàng)造了穩(wěn)定可靠的路由環(huán)境。

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