可編程路由器研究進展如何？取得了哪些成果？

可編程路由器是一種能通過配置和編程，實現(xiàn)靈活部署新服務和減輕網(wǎng)絡管理負擔的網(wǎng)絡層設備。
可編程路由器研究背景
近年來，在互聯(lián)網(wǎng)上以P2P與QoS為代表的新應用和新服務不斷出現(xiàn)，以覆蓋網(wǎng)絡（overlay network）和數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡（Data Center Network）為代表的新架構新設計也層出不窮。為了滿足精確的網(wǎng)絡測量、安全的網(wǎng)絡管理及實時的在線配置等需要，研究人員往往不得不對已有的數(shù)據(jù)包進行修改、或引入自定義的數(shù)據(jù)包。

但現(xiàn)有的網(wǎng)絡只能提供有限的功能和已知的服務，現(xiàn)有的網(wǎng)絡設備（如交換機、路由器等）也只能轉發(fā)標準的或預定義的數(shù)據(jù)包，不具有動態(tài)性和靈活性。若在現(xiàn)有架構上部署新的協(xié)議或應用，需要較長的設計周期和大量的費用。

為滿足以上需求，并兼顧到潛在的設計空間，可編程器由器（Programmable Router）這一新思想隨即應運而生。研究人員以期用它來處理數(shù)據(jù)流及網(wǎng)絡應用的多樣性，構造出一種動態(tài)的、可編程和可配置的網(wǎng)絡處理環(huán)境。

但是到目前為止，還沒有文獻給出關于可編程路由器的精確定義，筆者嘗試給出的定義是：可編程路由器是一種能從功能上分解成若干組件與接口，并能通過配置和編程，實現(xiàn)靈活而動態(tài)地部署新服務和減輕網(wǎng)絡管理負擔的網(wǎng)絡層設備。

可編程器由器與可擴展器由器（Scalable Router）有一定的區(qū)別，可擴展路由器是指：由多個可獨立運行的路由節(jié)點，通過某種互連結構連接而成的性能、功能可擴展的單映像路由器。其可擴展性主要體現(xiàn)在以下三個方面：交換實體的分布性帶來的規(guī)模可擴展性；路由實體的分布性帶來的路由計算可擴展性；路由器操作系統(tǒng)的分布性帶來的功能可擴展性。如 Juniper公司推出的T640型可擴展核心路由器可采用三級Clos網(wǎng)絡互聯(lián)，而Cicso公司推出的CRS-1多機架系統(tǒng)采用三級BENES交換結構互聯(lián)。因此從功能可擴展上來說，二者大致是類似的，但可擴展路由器偏重于硬件可擴展，通過物理互聯(lián)使得轉發(fā)及處理能力更強大；可編程路由器更注重軟件可擴展，通過功能分解使得編程與配置更靈活。

主動網(wǎng)絡節(jié)點(Active Network Node)與可編程路由器也有不同，主動網(wǎng)絡中的中間節(jié)點（如路由器、交換機等）可以對經(jīng)過它們的消息流執(zhí)行定制的計算，但是主動網(wǎng)絡節(jié)點是帶內(nèi)通訊（in-band communication），而可編程路由器是帶外通訊（out-band communication）；主動網(wǎng)絡節(jié)點使用通用的處理器來執(zhí)行注入的代碼，以實現(xiàn)軟件重配置算法,可編程路由器可使用通用處理器或網(wǎng)絡處理器，通過編程與配置達到目的；主動網(wǎng)絡節(jié)點關注編程的任意性和實現(xiàn)上層功能的復雜任務，可編程路由器更關注配置與實施的靈活性；并且主動網(wǎng)絡節(jié)點中的轉發(fā)元素（Forwarding Elements）一旦定義，就不能再修改或重定義。

可重構路由器（Reconfigurable Router）是通過實時可配置硬件和軟硬件協(xié)同設計技術，允許對路由器進行動態(tài)的重配置，以增強路由器的功能和性能，以滿足大多數(shù)用戶的需求，從而創(chuàng)建高性能、高靈活度的網(wǎng)絡?？删幊搪酚善髋c其相比，在注重可重配置的同時，更強調(diào)功能的擴充性和靈活性。

可編程路由器近兩年來逐漸引起學者們的重視，ACM舉辦的SIGCOMM計算機通訊年會已連續(xù)兩年為其開設Workshop，可編程路由器的相關技術也不斷引起人們的關注。我們首先將從新一代互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展角度出發(fā)，分析研究可編程路由器的重要意義，然后簡要敘述可編程路由器的發(fā)展現(xiàn)狀，最后予以總結與展望。

可編程路由器與下一代互聯(lián)網(wǎng)

自Internet發(fā)明到現(xiàn)在已有40多年的歷史，計算機網(wǎng)絡也發(fā)生了翻天覆地的變化，新一代互聯(lián)網(wǎng)（NGI: Next Generation Internet或FI: Future Internet）旨在從互聯(lián)網(wǎng)基本組成、工作原理和實現(xiàn)機理方面進行理論和方法探索和算法設計，解決現(xiàn)在網(wǎng)絡在擴展性、安全性，高性能、實時性、移動性、管理性等方面顯示出諸多不足。

在發(fā)展方向上，一般有革命型和進化型兩種路線。鑒于解決以上挑戰(zhàn)的艱巨性和復雜性，有研究人員提出推倒現(xiàn)有的架構、重新設計全新互聯(lián)網(wǎng)的革命性思想，其代表有美國的GENI、FIND和歐盟的FIRE。在另一方面，鑒于現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)的普及性及重新設計的復雜性，有學者認為應在現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)上，堅持演進并積極創(chuàng)新。其代表有美國的Internet2、歐洲的Geant2、第二代跨歐亞信息網(wǎng)絡TEIN2和中國的下一代互聯(lián)網(wǎng)示范工程CNGI。截止到目前，全球新一代互聯(lián)網(wǎng)和IPv6試驗網(wǎng)絡主干網(wǎng)已經(jīng)形成，其規(guī)模正不斷在擴大。

對于新一代互聯(lián)網(wǎng)的功能需求，我們認為新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構需要著重解決的五大問題之一是：互聯(lián)網(wǎng)體系結構的擴展性和演進性問題;在這個問題上，我們認為必須涵蓋的五大因素之一是：可擴展的網(wǎng)絡節(jié)點能力。

新一代互聯(lián)網(wǎng)的體系結構正發(fā)生著巨大的變化。新一代互聯(lián)網(wǎng)對網(wǎng)絡節(jié)點的可擴展性、靈活性提出了新的要求。作為網(wǎng)絡核心部件的路由器的可重構性、可編程性、可管理性等方面顯得更加重要。因可編程路由器允許用戶對其配置或編程，達到部署新服務和減輕網(wǎng)絡管理負擔的目標，在靈活性、動態(tài)性、可擴展性、可管理性及可編程性等方面顯示出極大的優(yōu)勢和遠景。因此，研究可編程路由器對新一代互聯(lián)網(wǎng)體系結構的發(fā)展也具有重要的意義。

可編程路由器的研究進展

較傳統(tǒng)路由器，可編程路由器在實現(xiàn)其基本功能之外，可編程性至少體現(xiàn)在如下方面：

(1) 軟硬件的可編程性。可編程路由器的硬件架構允許用戶重新定義功能，同時上層軟件體系結構由功能劃分清晰的模塊或API組成，允許用戶重新組織這些模塊或調(diào)用接口來達到定制的目的。

(2) 網(wǎng)絡接口的可編程性。在高性能路由器體系結構中，網(wǎng)絡接口已由線卡（Line Card）所取代，線卡具有剝離包頭，查找自身緩存中的路由表并進行轉發(fā)的功能。線卡在轉發(fā)數(shù)據(jù)之前，可編程路由器允許用戶定制其他功能，如分類、整形、 QoS等。另外還允許用戶識別自定義的數(shù)據(jù)包。

(3) 數(shù)據(jù)路徑的可編程性。可編程路由器應分離控制（管理）與數(shù)據(jù)（轉發(fā)）兩個層面，允許數(shù)據(jù)包根據(jù)用戶自定義的條件進行數(shù)據(jù)路徑的選擇。

(4) 上層協(xié)議的可編程性。用戶可以重新定義或創(chuàng)建新的上層協(xié)議，以支持新服務與新應用。

(5) 網(wǎng)絡管理方式的可編程性?？删幊搪酚善鲬试S用戶按自定義的格式組織腳本來對其配置，在監(jiān)控和管理方式上，應支持多種或自定義的管理手段。

基于以上幾點，近年來，可編程路由器的研究取得了許多重要的成果。

1.硬件架構方案

FPGA方案：FPGA(Field Programmable Gate Array)，即現(xiàn)場可編程門陣列，它是在PAL、GAL、EPLD等可編程器件的基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物。FPGA是作為專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路而出現(xiàn)的，既解決了定制電路的不足，又克服了原有可編程器件門電路數(shù)有限的缺點?，F(xiàn)在大量的路由器數(shù)據(jù)交換板中都含有FPGA芯片。但是這種方案往往要對硬件進行重設計，耗時費力，更重要的是需要設計人員具有很強的電路設計知識。

NetFPGA方案：NetFPGA是斯坦福大學基于FPGA設計的一塊全編程的硬件加速卡，它具有4個G bit口外聯(lián)和2個SATA口互聯(lián)，通過PCI接口運行在PC上。將編譯后的Verilog程序下載到SRAM中，可以實現(xiàn)IPv4路由器、緩沖監(jiān)視路由器、OpenFlow交換機、流量發(fā)生器、硬件加速的軟路由器等，轉發(fā)速度可以達到4Gbit。NetFPGA的優(yōu)點是顯而易見的：通過提供的API，用戶可以為自定義的模塊或設計全新的模塊化路由器，以達到轉發(fā)自定義數(shù)據(jù)包或設計新網(wǎng)絡架構原型的目的。當然NetFPGA還存在一些缺點，時延、內(nèi)存和帶寬都需要進一步改善。

其他方案：“動態(tài)硬件插件（DHP）”的可編程路由器架構，它采用可重配置硬件為多口的可編程路由器提供靈活的硬件處理環(huán)境。它允許眾多基于硬件的應用或插件動態(tài)地載入到設備上，并可以并行運行，以提高每流處理速度；“NCHARGE”的工具集，通過終端對網(wǎng)絡化、可配置的硬件進行遠程配置和管理。因可配置的硬件是基于FPX(Field Programmable Port Extender)的，所以這些硬件模塊可以通過網(wǎng)絡、動態(tài)地部署到FPGA邏輯上。一旦硬件模塊部署完成，NCAHARGE通過發(fā)布自定義的控制消息來控制每一個硬件模塊，提供API供軟硬件通訊，同時也提供了基于Web的管理界面來簡化操作。

2.軟件架構方案

Click與NP-Click：Click是一種模塊化軟路由器架構，它由若干稱之為“元素”的模塊組成。單個的元素實現(xiàn)了簡單路由器的功能，如分類、排隊、調(diào)度等。但Click 只針對數(shù)據(jù)轉發(fā)層設計,并沒有指出如何與控制層的應用相結合,而且不能進行動態(tài)配置。NP-Click使用網(wǎng)絡處理器(Intel IXP1200)實現(xiàn)了Click方案。

XORP：Mark等人設計了一個可擴展的開放式軟路由器平臺。它底層以Click作數(shù)據(jù)轉發(fā)引擎，上層采用多進程處理各種網(wǎng)絡協(xié)議。進程間采用類似于URL的XRL（XORP Resource Locators）通訊機制，具有可擴展、高性能、健壯等優(yōu)點。

Scout與Router Plugin：Scout是一個針對網(wǎng)絡應用的操作系統(tǒng)，具有可配置性。Router Plugin則是在 NetBSD 操作系統(tǒng)內(nèi)核基礎上，設計的高性能、模塊化、可擴展的軟件路由器體系結構。它允許代碼模塊以插件（plugin）方式動態(tài)地添加或配置，多個不同的插件可以綁定到同一個流上，從而實現(xiàn)功能的擴展。

基于網(wǎng)絡處理器的方案：使用Intel IXP1200網(wǎng)絡處理器開發(fā)板結合PC構建了一個健壯的軟路由器。它利用處理器的并行機制，在最小數(shù)據(jù)包的情況下，其轉發(fā)速度也達到了 3.47Mpps，并支持1.77Gbps鏈路帶寬，同時充許新功能“注入”到處理器架構三層中的任意一層上，其健壯性不受數(shù)據(jù)包大小的影響。

基于PC的方案：在Linux基礎上設計一套增強性的軟件架構，并部署在多核的處理器上，獲得了較高的數(shù)據(jù)交換能力。

3.數(shù)據(jù)路徑的可編程性

為了能動態(tài)地適應與支持新服務、新應用和新協(xié)議，同時實現(xiàn)轉發(fā)自定義數(shù)據(jù)包，分離控制（管理）與數(shù)據(jù)（轉發(fā)）層面等目的，可編程路由器研究人員在數(shù)據(jù)路徑的可編程性上提出了一系列的方案。

ForCES：IETF RFC3746定義的轉發(fā)和控制功能分離的方案。其基本思想是把IP路由器分成轉發(fā)元素（Forwarding Elements，F(xiàn)E）和控制元素（Control Elements,CE），而路由器可由多個（可達幾百個）FE、CE和連接二者的ForCES協(xié)議構成。

OpenFlow：OpenFlow是斯坦福大學Clean Slate計劃支助的一個開放式協(xié)議標準，用于在現(xiàn)有的產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡（Productive Network）上部署新協(xié)議。廠商不需要改動硬件，只需要支持OpenFlow協(xié)議，用戶即可使用這些網(wǎng)絡設備來連接異構的網(wǎng)絡或創(chuàng)建新網(wǎng)絡測試床。 OpenFlow現(xiàn)已被Cisco, HP, Juniper和NEC等許多廠商所支持。標準的OpenFlow交換機至少需要包含三部分：數(shù)據(jù)流表、安全通道和OpenFlow協(xié)議。數(shù)據(jù)流表告訴交換機如何處理流，安全通道是控制器和交換機通信的中介。

CAFE：CAFE是一種基于NetFPGA的、可配置的數(shù)據(jù)包轉發(fā)硬件引擎，主要用于在數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡（Data Center Network）內(nèi)轉發(fā)自定義的數(shù)據(jù)包。開發(fā)人員無需理解數(shù)據(jù)包的意義，只需利用所提供的13個核心和少數(shù)輔助API，用少量的控制腳本就能實現(xiàn)轉發(fā)自定義數(shù)據(jù)包。但CAFE也存在著一些缺陷，如由于是基于NetFPGA的方案，所以其轉發(fā)速度也限制在4Gbit/s內(nèi)，并且配置腳本比較繁瑣，特別是是對包頭的插入刪除等操作限于8字節(jié)。

GFE：GFE是基于OpenFlow的一種通用的轉發(fā)元素(Generic Forward Element) 框架。它使用XML定義包的分類、轉發(fā)、封裝、解封裝、整形及QoS等操作，通過網(wǎng)絡處理器來執(zhí)行XML轉換后的指令。XML格式靈活，可以快速地部署新服務和新應用，而且GFE支持在線設備的即時配置，無需重啟即能生效。但實驗結果表明，在實現(xiàn)橋接功能時，比現(xiàn)行的技術耗時要高出一倍。雖然作者指出 OpenFlow是GFE的子集，但并沒有給出相關的API和XML的配置規(guī)范。

網(wǎng)絡服務處理平臺：一個基于硬件的網(wǎng)絡處理平臺，它分離了數(shù)據(jù)包的處理、處理器之間的通訊、狀態(tài)管理及復雜的IO操作，實現(xiàn)了可擴展性，并可以對每流自定義數(shù)據(jù)路徑。其性能方面也比較理想，但對服務的粒度欠考慮。

4D、Ethane與Tesseract：4D將網(wǎng)絡架構定義為決策、分發(fā)、發(fā)現(xiàn)及數(shù)據(jù)四個層面；Ethane將管理、控制與轉發(fā)功能分離，管理員能在一個中央控制器上遠程定義全網(wǎng)的策略；Tesseract基于4D、在一個單獨的管理域上直接操作網(wǎng)絡中的所有節(jié)點，實現(xiàn)網(wǎng)絡集中化的管理。

還有一些研究在Linux內(nèi)核上進行數(shù)據(jù)面板虛擬化處理自定義的數(shù)據(jù)流。

結論與進一步研究工作

本文對可編程路由器各方面進行了調(diào)研。首先，本文從概念上將它與可擴展路由器、主動網(wǎng)絡節(jié)點、可重構路由器進行了區(qū)別，然后對它的軟硬件架構方案進行了歸納，介紹了其在數(shù)據(jù)路徑上的可編程性，最后予以了總結和展望。

從以上我們可以看出，較傳統(tǒng)的路由器，可編程路由器的具有業(yè)務邏輯清晰、動態(tài)配置靈活、編程組織輕松及部署服務迅速等諸多優(yōu)點。但可編程路由器的發(fā)展與創(chuàng)新還需要進一步的工作。

1.高性能、高轉發(fā)速率的軟硬件架構。轉發(fā)速率達百G比特、T比特級的高性能硬件架構仍有待研究。

2.通用的配置與管理方案。

3.統(tǒng)一的編程標準與規(guī)范。

4.最后是安全問題。到目前為止，研究人員還沒有對編程路由器的安全問題進行考慮，但是我們知道，路由器作為網(wǎng)絡核心部件，其安全問題是不容忽視的，特別是可編程路由器具有重新定義功能、執(zhí)行用戶程序的能力，一旦被攻擊者所利用，其后果是不堪設想的。