可信路由技術(shù)

路由體系及理論作為互聯(lián)網(wǎng)的核心支撐，在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)需求下，迫切需要得到進(jìn)一步的擴(kuò)充和完善。未來的路由機(jī)制應(yīng)該具有新的特性，使得網(wǎng)絡(luò)能夠適應(yīng)規(guī)模增大而具有良好的可擴(kuò)展性;使得網(wǎng)絡(luò)使用者和運(yùn)營者有更大的操作空間而具有較好的靈活性;使得網(wǎng)絡(luò)能夠充分應(yīng)對(duì)各種網(wǎng)絡(luò)攻擊而具有更好安全性;使得網(wǎng)絡(luò)能夠滿足不同業(yè)務(wù)的需求而具有更好的服務(wù)質(zhì)量保證等，這些關(guān)鍵點(diǎn)已經(jīng)為越來越多的科研工作者所認(rèn)同。為此，世界各國政府或研究機(jī)構(gòu)都在制訂和實(shí)施相應(yīng)的研究計(jì)劃，如美國的GENI[1]和FIND[2]計(jì)劃，歐盟的FIRE[3]計(jì)劃，中國的國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃(“863”)和國家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展規(guī)劃(“973”)等，力圖建立新的路由體系理論及機(jī)制使未來網(wǎng)絡(luò)充分滿足上述需求。

　　1 路由理論相關(guān)研究

　　當(dāng)前針對(duì)路由理論的研究之一首先體現(xiàn)在路由體系結(jié)構(gòu)方面，著重解決路由規(guī)模的可擴(kuò)展性問題。為此，互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)委員會(huì)(IAB)于2006年10月在荷蘭舉辦了首次“路由與地址工作組會(huì)議”。會(huì)議重點(diǎn)討論并確定造成互聯(lián)網(wǎng)路由可擴(kuò)展性問題的主要因素，形成了清晰的描述互聯(lián)網(wǎng)路由可擴(kuò)展問題的文檔，該文檔分析了導(dǎo)致全局路由表的規(guī)模快速增長的幾個(gè)重要原因、阻礙路由器技術(shù)快速發(fā)展的約束條件以及互聯(lián)網(wǎng)地址結(jié)構(gòu)中所存在的局限性。該文檔已于2007年9月正式成為RFC標(biāo)準(zhǔn)(RFC4984)[4]。

　　目前，因特網(wǎng)研究任務(wù)組IRTF成立了路由研究工作組RRG，主要進(jìn)行互聯(lián)網(wǎng)路由可擴(kuò)展問題的研究。目前RRG工作組中的提案包括AIRA、APT、CRIO、LISP、IPvLX、IVIP、Six/One、TAMARA和TRRP等[5]?？v觀這些研究方案，其主要核心思想都是要將通信中節(jié)點(diǎn)的身份標(biāo)志與位置標(biāo)志相分離，解決傳統(tǒng)互聯(lián)網(wǎng)IP地址語義重載的局限性，只不過對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制的變動(dòng)程度有所不同而已。但目前RRG工作組中的各種技術(shù)方案尚停留在討論階段，缺少必要的試驗(yàn)或仿真加以支持。

　　除此，解決當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)路由可擴(kuò)展問題的提案還有NIRA[6]、HLP[7]、ROFL[8]、AIP[9]等。NIRA為主機(jī)提供了一種通過不同地址來選擇不同路由路徑的機(jī)制，通過嚴(yán)格的分等級(jí)地址分配策略，NIRA可以改善路由的可擴(kuò)展性問題。HLP是作為BGP的替代協(xié)議提出的一種路由協(xié)議，同時(shí)采用了鏈路狀態(tài)和路徑向量兩種方式，是一種混合式分等級(jí)的路由協(xié)議，在一定程度上可以解決路由可擴(kuò)展問題。ROFL是一種完全基于平面標(biāo)簽的新穎路由方式，其有效性和實(shí)用性還有待進(jìn)一步的研究和驗(yàn)證。AIP采用自認(rèn)證的地址層次結(jié)構(gòu)試圖解決網(wǎng)絡(luò)欺騙以及路由安全等問題，但也仍處于討論和研究階段。

　　對(duì)傳統(tǒng)路由理論技術(shù)的研究，也一直是學(xué)術(shù)界關(guān)注的熱點(diǎn)，目前的研究主要體現(xiàn)以下幾個(gè)方面：

　　(1)路由安全性研究

　　現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)中的路由協(xié)議在設(shè)計(jì)之初，僅考慮到網(wǎng)絡(luò)目的的一個(gè)方面，即為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)或應(yīng)用提供路由的可達(dá)性信息，而且這種路由可達(dá)性信息的交互傳送建立在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)處于一個(gè)互相可信任的團(tuán)體環(huán)境中的假定條件之下，而這種假定條件在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)中已難以時(shí)時(shí)成立?，F(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)大量路由安全事件的發(fā)生，使得人們不得不重新考慮路由機(jī)制的安全性。早在2002年，文獻(xiàn)[10]就系統(tǒng)指出了域間路由協(xié)議BGP存在的安全缺陷。盡管關(guān)于提升BGP安全的方案S-BGP[11]，soBGP[12]等被陸續(xù)被提出，但到目前尚未真正實(shí)施。

　　(2)路由可靠性研究

　　現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)中的路由協(xié)議，對(duì)一個(gè)給定的前綴只能查找到唯一的一條“最佳”路徑到達(dá)目的端。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)在遭受攻擊或者出現(xiàn)鏈路故障時(shí)，現(xiàn)有的路由協(xié)議不具備良好的保護(hù)機(jī)制和快速恢復(fù)能力，很難提供穩(wěn)定可靠的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在路由可靠性研究方面，文獻(xiàn)[13]和文獻(xiàn)[14]分別給出了快速重路由和多拓?fù)渎酚蓹C(jī)制;文獻(xiàn)[15]在避讓失效節(jié)點(diǎn)和鏈路提供域間路由多樣性等方面進(jìn)行了探索研究;文獻(xiàn)[16]則給出可供用戶選擇的路徑多樣性方案。這些工作給路由可靠性研究指出了前進(jìn)的方向。

　　(3)路由可控可管性研究

　　現(xiàn)有的路由機(jī)制對(duì)網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的諸如個(gè)別節(jié)點(diǎn)癱瘓導(dǎo)致的路由中斷，個(gè)別節(jié)點(diǎn)或系統(tǒng)的加入引起的路由紊亂，P2P流量肆意占用帶寬、各種網(wǎng)絡(luò)病毒的感染傳播和攻擊引起的網(wǎng)絡(luò)資源緊缺等不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)行為，很難做到及時(shí)探測(cè)、快速定位追蹤以及及時(shí)合理的處理不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)行為;此外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)眾多，規(guī)模龐大，也給網(wǎng)絡(luò)配置管理帶來一定的復(fù)雜性。文獻(xiàn)[17]對(duì)網(wǎng)絡(luò)中可能存在的域間路由流量劫持的探測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究，文獻(xiàn)[18]給出了推導(dǎo)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)故障定位的方法，文獻(xiàn)[19]則建議利用專門信道進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)路由的管理。盡管如此，有關(guān)路由的可控可管性尚未形成行之有效的解決方案，未來路由機(jī)制的監(jiān)管以及高效配置機(jī)制尚需完善。

　　(4)路由服務(wù)質(zhì)量研究

　　現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)所提供的是“盡力而為”的轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)，在這種服務(wù)模型下，所有的業(yè)務(wù)流被“一視同仁”公平地競爭網(wǎng)絡(luò)資源，業(yè)務(wù)流傳輸?shù)目煽啃?、延遲性等服務(wù)質(zhì)量要求得不到任何保證。對(duì)此，IETF先后提出了集成服務(wù)[20]和區(qū)分服務(wù)[21]兩種服務(wù)質(zhì)量體系結(jié)構(gòu)，然而這兩種方案在可擴(kuò)展性和公平性等方面各有不足。多協(xié)議標(biāo)簽交換(MPLS)[22]將IP路由控制和第二層交換的簡單性無縫地集成起來，在不改變用戶現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的情況下能提供高速、安全、多業(yè)務(wù)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)。盡管當(dāng)前MPLS被廣泛使用，但其在網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，網(wǎng)絡(luò)兼容性，配置復(fù)雜性，網(wǎng)絡(luò)成本以及服務(wù)質(zhì)量顆粒度等方面的不足，還不足以滿足當(dāng)前多種業(yè)務(wù)的發(fā)展要求。

　　總之，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制在安全、可靠、可控、可管等網(wǎng)絡(luò)可信問題的研究上，上述提到的各個(gè)研究方案主要停留在理論或應(yīng)用的某個(gè)局部目標(biāo)，他們所作的只是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)路由可信任問題的點(diǎn)滴修補(bǔ)，尚沒有形成完整的、系統(tǒng)的可充分滿足用戶和網(wǎng)絡(luò)需求的路由理論體系，因而也就未能從根本上解決網(wǎng)絡(luò)路由的可信任問題。

　　2 可信路由內(nèi)涵

　　可信系統(tǒng)的概念最早由J.P. Anderson教授在20世紀(jì)70年代初期提出，最初只被用于描述信息的可用性、完整性和機(jī)密性。后來當(dāng)其被應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)時(shí)，傳統(tǒng)的路由機(jī)制在安全性，可靠性，可控可管等方面暴露了諸多問題。我們說一個(gè)系統(tǒng)是可信的，通常是指系統(tǒng)的行為和結(jié)果是可預(yù)期的。推而廣之，可信路由是指網(wǎng)絡(luò)在任何情況下，都能按照用戶及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營者的預(yù)期為用戶提供安全、可靠、可控可管的、滿足用戶網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求的路由。為此，可信路由的設(shè)計(jì)要求應(yīng)包含以下幾方面：

　　(1)空間隔離保護(hù)

　　應(yīng)區(qū)分接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，分別引入不同的標(biāo)志空間，在核心網(wǎng)和接入網(wǎng)間部署邊界路由設(shè)備，提供基于標(biāo)志的映射服務(wù)，從而使路由規(guī)模的變化獨(dú)立于用戶網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的大小，使網(wǎng)絡(luò)具有更好的可擴(kuò)展性，同時(shí)充分保證核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的安全。

　　(2)身份與位置分離

　　應(yīng)將節(jié)點(diǎn)的身份與位置信息分離，建立全網(wǎng)統(tǒng)一的身份與位置映射機(jī)制，實(shí)現(xiàn)映射信息安全、快捷的在線管理，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)位置的隱私性保護(hù)以及節(jié)點(diǎn)移動(dòng)情況下的持續(xù)連接，從而滿足用戶越來越強(qiáng)的移動(dòng)性以及隱私性需求。

　　(3)可信路由尋址

　　應(yīng)采用必要的身份鑒別機(jī)制以及路由消息的安全傳輸機(jī)制，確保路由節(jié)點(diǎn)的身份的真實(shí)性，路由可達(dá)性信息的保密性、完整性;實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)間多路機(jī)制，同時(shí)應(yīng)提供路由的備份以及快速恢復(fù)能力，從而使網(wǎng)絡(luò)具有更加安全可靠的服務(wù)能力。

　　(4)服務(wù)質(zhì)量保證

　　應(yīng)采用集中和分布式相結(jié)合的方式，充分提取網(wǎng)絡(luò)資源利用狀態(tài)，針對(duì)不同的業(yè)務(wù)應(yīng)用及其服務(wù)質(zhì)量需求，提供滿足需求的更高粒度區(qū)分的路由。

　　(5)網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

　　應(yīng)建立健全全網(wǎng)分布式安全檢測(cè)防護(hù)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸和網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的綜合分析，同時(shí)提供一定的網(wǎng)絡(luò)錯(cuò)誤診斷能力和行之有效的安全管理機(jī)制及策略，使網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制具有更好的可控可管性。

　　3 可信路由參考機(jī)制

　　3.1 可信路由體系結(jié)構(gòu)模型

　　基于以上對(duì)可信路由理論技術(shù)的研究，本節(jié)提出了一種可信路由體系結(jié)構(gòu)模型，新結(jié)構(gòu)采用不同的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)志分別代表主機(jī)的身份信息和位置信息，并且把原IP網(wǎng)的單一地址空間劃分為兩個(gè)不同的標(biāo)志空間，兩個(gè)標(biāo)志空間內(nèi)分別采用不同的路由方式，并形成相對(duì)獨(dú)立的路由空間，兩個(gè)標(biāo)志(路由)空間之間通過標(biāo)志映射的方法完成尋址和選路。新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分為接入網(wǎng)和核心網(wǎng)，包含兩種標(biāo)志：接入標(biāo)志和交換路由標(biāo)志。接入標(biāo)志代表了終端的身份信息，只能在接入網(wǎng)使用，而交換路由標(biāo)志代表了終端的位置信息，只能在核心層使用。新路由體系結(jié)構(gòu)采用“間接通信”模式連接兩個(gè)標(biāo)志空間：在接入網(wǎng)采用接入標(biāo)志轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而在核心網(wǎng)采用內(nèi)部的交換路由標(biāo)志替代接入標(biāo)志轉(zhuǎn)發(fā);接入網(wǎng)負(fù)責(zé)各種通信終端的接入，核心網(wǎng)進(jìn)行控制管理和交換路由。新可信路由體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　在上述的可信路由體系結(jié)構(gòu)參考模型中，接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的分離，使得接入網(wǎng)的動(dòng)態(tài)變化不會(huì)出現(xiàn)在的核心網(wǎng)上，保證了核心網(wǎng)的相對(duì)穩(wěn)定;接入網(wǎng)的多家鄉(xiāng)、流量工程等也不會(huì)引起核心網(wǎng)的路由表的增長和不穩(wěn)定。代表用戶身份的接入標(biāo)志不會(huì)在核心網(wǎng)上傳播，使得其他用戶不能通過截獲核心網(wǎng)的信息分析用戶的身份，保證了用戶身份的隱私性;也不可能通過用戶的身份來截獲他們的信息，保證了用戶信息的安全性。同時(shí)，接入網(wǎng)內(nèi)的終端無法知道核心網(wǎng)內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施的交換路由標(biāo)志或是其他終端的交換路由標(biāo)志;接入網(wǎng)內(nèi)的終端也就無法針對(duì)核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施或是某一終端進(jìn)行攻擊，保證了核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施和數(shù)據(jù)的安全性。新路由結(jié)構(gòu)仍分為域內(nèi)路由和域間路由兩部分。

3.2 可信域內(nèi)路由

　　新可信路由體系結(jié)構(gòu)域內(nèi)路由采用集中式和分布式路由相結(jié)合的方式，如圖2所示。在每個(gè)域內(nèi)用一個(gè)可信路由管理服務(wù)器作為集中可信路由管理層;其他基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成分布式交換路由層。交換路由層除運(yùn)行傳統(tǒng)的鏈路狀態(tài)協(xié)議外進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)外，還通過全局流標(biāo)簽的轉(zhuǎn)發(fā)的方式進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

　　可信路由管理服務(wù)器和交換路由器組成公鑰基礎(chǔ)設(shè)施(PKI)結(jié)構(gòu)，可信路由管理器作為可信第三方，負(fù)責(zé)認(rèn)證域內(nèi)的交換路由器的認(rèn)證，并分配公私鑰。交換路由器之間通過簽名機(jī)制對(duì)路由通告相互認(rèn)證。可信路由管理服務(wù)同時(shí)收集域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)狀況，為相應(yīng)的數(shù)據(jù)流分配全局流標(biāo)簽，同時(shí)在相應(yīng)的交換路由上建立起流標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，使數(shù)據(jù)路在轉(zhuǎn)發(fā)路徑上快速轉(zhuǎn)發(fā)。這種方式保留了傳統(tǒng)單路徑路由的路由尋址方式的同時(shí)，增加了域內(nèi)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理機(jī)制，可以為不同的數(shù)據(jù)流在不同的條件下，建立不同的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，避免網(wǎng)絡(luò)擁塞，保證服務(wù)質(zhì)量，增加網(wǎng)絡(luò)的可用性，保證了網(wǎng)絡(luò)的可控可管性。

　　3.3 可信域間路由

　　新可信路由體系結(jié)構(gòu)域間路由采用的是基于自認(rèn)證(Self-certifying)的自治域號(hào)的多路徑路由方式，如圖3所示。因?yàn)橛蜷g路由更多的是體現(xiàn)了自治域之間的商業(yè)競爭關(guān)系，無法建立起基于可信第三方的PKI結(jié)構(gòu)，采用基于自認(rèn)證的自治域號(hào)路由就很好的解決地址欺騙的問題。每個(gè)域的自治域號(hào)為其公鑰的Hash值，通過這種命名體系，保證了地址的不可欺騙、抵賴性。再建立起互信后，每對(duì)互信自治域之間再建立基于私鑰體制的后續(xù)通告加密算法，這樣可以加快解密的效率。

　　路由的通告路徑時(shí)，每個(gè)自治域根據(jù)策略可通告多條路徑，保證每個(gè)自治域的獨(dú)立性和路由的可控制性。通告中包含完整的路徑信息，保證了豐富的路由策略。每個(gè)域建立多路徑的轉(zhuǎn)發(fā)表，發(fā)送端通過源路由的方式進(jìn)行域間選路。發(fā)送數(shù)據(jù)前，發(fā)送端的可信路由管理通過可信路由管理層與路徑上的其他域內(nèi)的可信路由管理器協(xié)商服務(wù)等級(jí)、流量等消息。同時(shí)在每個(gè)包頭加入認(rèn)證消息，用作去其他域的授權(quán)和認(rèn)證數(shù)據(jù)包。

　　4 可信路由關(guān)鍵技術(shù)研究

　　4.1 映射可擴(kuò)展技術(shù)

　　接入網(wǎng)與核心網(wǎng)分離以及節(jié)點(diǎn)身份與位置分離縱然使得網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制得到良好的可擴(kuò)展性，但大量接入標(biāo)志和交換路由標(biāo)志的映射信息的存儲(chǔ)及維護(hù)無疑帶來了映射系統(tǒng)自身的可擴(kuò)展性問題。解決好大規(guī)模映射信息存儲(chǔ)，更新頻率以及查詢時(shí)延等問題，仍是未來可信路由需要研究的關(guān)鍵技術(shù)之一。

　　4.2 路由信任機(jī)制

　　解決路由機(jī)制的可信問題，首先需要解決路由節(jié)點(diǎn)之間的信任問題。只有參與路由的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)彼此信任，才能確保網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)行為以及傳送的信息的真實(shí)性、可用性。其次，路由消息傳輸?shù)陌踩诳尚怕酚蓹C(jī)制中，也是不可或缺的組成部分，是保證路由信息可用性的前提。

　　4.3 多徑路由技術(shù)

　　在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行的路由協(xié)議及算法通常只能根據(jù)一種規(guī)則選取一條到目的的路由條目，只是理論上保證路由是連通的。一旦該條鏈路上的節(jié)點(diǎn)失效，路由協(xié)議將面臨較長的收斂過程，導(dǎo)致的可靠性差。未來的可信路由要同時(shí)提供多條備份路徑，并且可以在鏈路失效和拓?fù)渥兓瘯r(shí)，進(jìn)行了快速切換，增加路由的可靠性。研究基于多個(gè)下一跳的多徑路由技術(shù)，對(duì)于提高可信路由機(jī)制的可靠性非常重要。

　　4.4 服務(wù)質(zhì)量保證

　　當(dāng)前用戶服務(wù)需求的多樣性對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由機(jī)制提出了更高的粒度需求。新的可信路由機(jī)制需要將用戶業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量要求盡量無失真地映射到路由機(jī)制中，為用戶提供最大限度質(zhì)量需求保證的路由。研究適用普適服務(wù)要求的，能充分滿足業(yè)務(wù)帶寬、延遲、抖動(dòng)和丟包率等服務(wù)質(zhì)量要求的路由機(jī)制，對(duì)體現(xiàn)路由的可信具有重要意義。

　　4.5 路由監(jiān)測(cè)管理技術(shù)

　　可信路由機(jī)制要求網(wǎng)絡(luò)行為和結(jié)果是可以預(yù)期的，保證給用戶提供滿足其業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)傳送服務(wù)。因此在可信路由機(jī)制下，首先要做到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的可監(jiān)測(cè)性，而且具備對(duì)異常網(wǎng)絡(luò)行為的快速診斷、追蹤定位以及自我修復(fù)能力，其次，高效的配置管理也是可信路由機(jī)制追求的目標(biāo)。

　　5 結(jié)束語

　　本文并據(jù)此給出了一套適合未來網(wǎng)絡(luò)需求的可信路由參考機(jī)制，最后對(duì)可信路由涉及的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究和探討。