服务可定义的路由器转发模型及其绿色节能机制研究

Forwarding Engine (FE) is the most important function component of router, while customized FE model is the core of router scalability and the basis of Internet service scalability. However, FE in existing router is too closed to scale flexibly. For example, every single line-card in distributed routing system owns an exclusive and fixed FE, which compromises forwarding resource sharing or novel forwarding service deployment. Besides, such closed structure also greatly affects the implementation of energy-saving mechanism. Focused on shared FE model with customizable service and novel energy-saving mechanism, this project mainly researches: 1) the description method and implementation mechanism of novel forwarding services as well as how to build a forwarding model with customizable service; 2) how to design a shared, controllable and integrated forwarding resource platform based on hierarchical resources; 3) the decomposed storage mechanism of forwarding-table based on host forwarding unit service; 4) FE energy-saving mechanism based on shared forwarding unit with Internet traffic forecast model; 5) experimental model and verification environment towards novel FE and energy-saving mechanism.

转发引擎是路由器最为关键的功能部件，服务可定义的转发模型是路由器功能可扩展的核心内容，也是互联网提供可扩展服务的基石。然而，现有路由器转发引擎却相对封闭，难以灵活扩展。例如，分布式路由器中每块线卡都配置有独享的固化转发引擎，难以实施转发资源共享或新型转发服务的部署。而且，封闭的转发结构还极大地影响着路由器绿色节能机制的实施。本项目围绕服务可定义的共享转发模型和新型绿色节能机制展开研究。主要研究工作包括：1）研究新型转发服务的描述方法及实现机制，构建服务可定义的转发模型；2）基于转发资源层次结构，设计共享、可控的一体化转发资源管理平台；3）以宿主转发单元服务为基础，研究转发表的分解存储机制；4）利用网络流量预测模型，研究基于共享转发单元结构的转发引擎绿色节能机制；5）研究面向新型转发模型及节能机制的实验模型及验证环境。

随着互联网的飞速发展，人们期望其核心设备--路由器，能提供灵活、可配置的转发服务来面对纷繁复杂的互联网应用。本项目围绕上述问题展开研究，主要工作和贡献如下。.1）可扩展、可重构路由器体系结构.提出了一种开放式可重构的路由交换软件平台，可使路由交换系统中的软件功能模块以构件的形式动态组装及替换，支持灵活的功能复用。并且，开放性的可重构开发模式支持任何开发团队按照构件规范进行构件开发，并融入可重构路由交换平台中。.2）多维度转发服务.提出了表项聚合和表项拆分理论，并分析了二者的效用、代价及适用场景。设计了基于表项优化的隧道设备高效转发模型，并针对4over6过渡网关给出了具体实现方法。提出了一种二维转发表分解存储模型，基于目的IP前缀对转发表进行分解存储，把归属于同一个簇头IP前缀的二维转发项集合作为一个子二维转发表，将转发项存储到不同的线卡LC（Line Card）。.3）IPv6轻量级转发模型及节能技术.设计了支持IPv6地址自动分配的轻量级树型转发模型TFAD，将物联子网中的节点构造成一棵层次转发树，树节点的IPv6地址在子树范围内高度聚合。各节点只需存储与其子节点数相当的转发项，即可完成TFAD模型的数据转发。提出服务能效路由模型SERM，用节点服务度描述节点的转发能力，用路径服务能效描述路径的服务能力。源节点在进行数据转发时，可以在多条路径中实时选择路径服务能效最大的一条路径，这样可以均衡消耗全网能量。.4）多形式FIB高效存储.提出了一种路由表的均衡存储转发模型RESD，将长度相邻的前缀尽可能地分配到相同或相邻的线卡上，然后通过分段式分配均衡每个线卡上的路由数目。最后通过路由特征位信息表和定位路由来实现路由信息的查找。提出一种均匀的FIB分解模型FEST，能将路由项和流量均匀分配到各个线卡，只引入较少的存储冗余路由项。.5）互联网IP路由传输优化.提出了一种基于角度和受限概率的源隐私保护路由机制CRR。源节点到基站的数据传输并不经过确定的传输路径，而是在偏转角度受限约束下，随机选择下一跳节点，通过变化的传输路径迷惑攻击者。CRR充分考虑了传输能耗及时延等性能问题。提出了域间不相交多路径路由，为了降低多路径路由对路由可扩展性的影响，每条宣告的前缀最多计算两条路径，并要求两条路径尽可能不相交。