面向虛擬路由器間傳輸機(jī)制的研究

甘宏，潘丹

（1.廣州城建職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣州 510925；2.廣州城建職業(yè)學(xué)院實(shí)訓(xùn)與設(shè)備處，廣州 510925）

面向虛擬路由器間傳輸機(jī)制的研究

甘宏1，潘丹2

（1.廣州城建職業(yè)學(xué)院信息工程學(xué)院，廣州 510925；2.廣州城建職業(yè)學(xué)院實(shí)訓(xùn)與設(shè)備處，廣州 510925）

0　引言

網(wǎng)絡(luò)虛擬化使得多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)在同一共享物理平臺(tái)運(yùn)行［1］，并且邏輯網(wǎng)絡(luò)間相互獨(dú)立、互不干擾。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的虛擬化發(fā)展方向，業(yè)界提出了一系列支持虛擬化網(wǎng)絡(luò)和服務(wù)的路由器虛擬化的架構(gòu)［2-3］。物理網(wǎng)絡(luò)中同一臺(tái)路由器上可以根據(jù)用戶的需求部署多個(gè)虛擬路由器。這樣，既能支持多種網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，滿足虛擬化網(wǎng)絡(luò)的要求；又能有效地利用硬件資源，符合綠色路由器［4］的設(shè)計(jì)理念。

在同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器與物理網(wǎng)絡(luò)中路由器的映射關(guān)系存在著多對(duì)一、一對(duì)一，如圖1所示：邏輯網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)B映射到物理網(wǎng)絡(luò)中同一臺(tái)路由器，映射關(guān)系為多對(duì)一；而邏輯網(wǎng)絡(luò)中其他節(jié)點(diǎn)與物理網(wǎng)中的路由器則是一一映射的關(guān)系。當(dāng)在同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器與物理網(wǎng)絡(luò)中路由器映射關(guān)系為多對(duì)一的情況時(shí)，受到時(shí)延、鏈路成本等傳輸代價(jià)［5］的影響，多個(gè)虛擬路由器部署在邏輯網(wǎng)絡(luò)中同一區(qū)域或者鄰近區(qū)域內(nèi)。

圖1　邏輯網(wǎng)絡(luò)與物理網(wǎng)絡(luò)映射關(guān)系

針對(duì)同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器與物理網(wǎng)絡(luò)中路由器映射關(guān)系為多對(duì)一時(shí)虛擬路由器共享同一物理平臺(tái)的特性，結(jié)合開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議（OSPF），在分析路由表生成過程基礎(chǔ)上，提出了一種在同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器間的內(nèi)部快速交換技術(shù)。該技術(shù)能夠有效地降低報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，提高報(bào)文的傳輸速度。同時(shí)，也能夠降低單點(diǎn)故障時(shí)的丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

1　IFFT基本思想

同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器與物理網(wǎng)絡(luò)中路由器映射關(guān)系為多對(duì)一時(shí)，虛擬路由器共享同一物理平臺(tái)的特性是IFFT提出的依據(jù)。鏈路產(chǎn)生的需求是由于信息交互雙方不在同一平臺(tái)，需要鏈路進(jìn)行信息的傳輸；而當(dāng)映射關(guān)系為多對(duì)一時(shí)，由于虛擬路由器共享同一物理平臺(tái)，當(dāng)它們之間需要進(jìn)行信息交互時(shí)，可以采用內(nèi)部交換方式，無需通過鏈路實(shí)現(xiàn)信息的傳輸。本小節(jié)通過報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程對(duì)比，闡述IFFT基本思想。

在邏輯網(wǎng)絡(luò)中，報(bào)文的傳輸是由一系列路由器的存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)和鏈路傳輸來完成的，如圖1所示。假設(shè)圖1中到網(wǎng)絡(luò)M的報(bào)文N轉(zhuǎn)發(fā)路徑為A-D-G-E-M。

圖2　報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過程

同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器與物理網(wǎng)絡(luò)中路由器映射關(guān)系為多對(duì)一時(shí)，虛擬路由器是共享同一物理平臺(tái)的，并由物理網(wǎng)絡(luò)中路由器的系統(tǒng)管理機(jī)制提供資源的劃分和調(diào)度，如圖2所示。其中VRA、VRG是物理網(wǎng)中路由器虛擬化的路由器，分別由圖1的節(jié)點(diǎn)A和節(jié)點(diǎn)G映射，VMM是系統(tǒng)管理機(jī)制 （Virtual Machine Monitor），負(fù)責(zé)資源劃分、調(diào)度等，RP是共享物理平臺(tái)（Real Physical），提出硬件支持。在IFFT中，報(bào)文N經(jīng)過VRA將報(bào)文通過RP傳輸給VRG，然后VRG查表之后，將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)給節(jié)點(diǎn)E，最終發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)M。

圖3　IFFT下的報(bào)文傳輸過程

通過對(duì)報(bào)文傳輸過程的對(duì)比，IFFT將到網(wǎng)絡(luò)M的報(bào)文無需經(jīng)過節(jié)點(diǎn)D處理。這樣，IFFT減小了報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，提高了報(bào)文的傳輸速率。同時(shí)，節(jié)點(diǎn)D發(fā)生單點(diǎn)故障時(shí)，到網(wǎng)絡(luò)M的報(bào)文依然能夠進(jìn)行傳輸，降低了由故障引起的丟包率，提高了網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。

2　IFFT基本理論

IFFT是在同一邏輯網(wǎng)絡(luò)的虛擬路由器映射到物理網(wǎng)絡(luò)中路由器映射關(guān)系為多對(duì)一時(shí)，虛擬路由器間的傳輸機(jī)制，其實(shí)現(xiàn)了報(bào)文在虛擬路由器間的傳輸，減少了報(bào)文傳輸?shù)奶鴶?shù)。同時(shí)，也能避免部分路由器單點(diǎn)故障導(dǎo)致的報(bào)文重傳等。本節(jié)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(shí)現(xiàn)報(bào)文的傳輸。為了更加簡潔闡述IFFT理論的重點(diǎn)，提出以下兩個(gè)假設(shè)：

（1）邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器的內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議是開放最短路徑優(yōu)先協(xié)議OSPF，且映射到物理網(wǎng)中一臺(tái)路由器的多個(gè)虛擬路由器在OSPF劃分的同一區(qū)域內(nèi)。

（2）虛擬路由器擁有獨(dú)立的路由表，不考慮表項(xiàng)合并的情況［6-7］。

在IFFT中，邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器根據(jù)自身鏈路狀態(tài)數(shù)據(jù)庫利用 Dijkstra的最短路徑優(yōu)先（Shortest Path First，SPF）算法生成SPF樹。例如根據(jù)圖1的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以A為根節(jié)點(diǎn)構(gòu)建SPF樹，如圖3所示。計(jì)算出通向每個(gè)網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑并記錄路徑上節(jié)點(diǎn)信息（路由器ID、端口號(hào)、負(fù)載情況等）。判斷最佳路徑上是否存在與根節(jié)點(diǎn)映射到同一物理網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)路由器的節(jié)點(diǎn)：若存在，則生成IP路由表時(shí)，該路徑所到網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的表項(xiàng)下一跳為虛擬路由器ID號(hào)，而且當(dāng)最佳路徑上節(jié)點(diǎn)與根節(jié)點(diǎn)映射到同一物理網(wǎng)絡(luò)中一臺(tái)路由器的節(jié)點(diǎn)有多個(gè)時(shí)，取最靠近葉子的節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的虛擬路由器ID號(hào)作為下一跳；否則，則下一跳為端口號(hào)。

圖4　SPF生成樹

在查表過程中，當(dāng)報(bào)文的下一跳為虛擬路由器的ID號(hào)時(shí)，報(bào)文通過內(nèi)存拷貝的方式拷貝到共享存儲(chǔ)空間中，由相應(yīng)的虛擬路由器會(huì)從共享存儲(chǔ)空間把報(bào)文拷貝到自己存儲(chǔ)空間，再進(jìn)行查表轉(zhuǎn)發(fā)其過程如圖4所示。其中共享存儲(chǔ)采用一對(duì)一且有向的put-get形式。當(dāng)VRA中的報(bào)文下一跳為VRG時(shí)，采用過程①將報(bào)文拷貝到共享存儲(chǔ)空間中，VRG檢測到共享存儲(chǔ)空間不為空時(shí)，采用過程②將報(bào)文拷貝到自己的空間。

圖5　虛擬路由器中內(nèi)存拷貝方式

IFFT是在虛擬路由器獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和生成SPF樹的理論提出的，沒有修改到網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑，只是利用同一邏輯網(wǎng)絡(luò)的虛擬路由器映射到物理網(wǎng)中路由器映射關(guān)系為多對(duì)一時(shí)，虛擬路由器共享同一物理平臺(tái)的特性，縮短了報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)。而且，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)改變時(shí)，轉(zhuǎn)發(fā)表會(huì)根據(jù)SPF樹中達(dá)到網(wǎng)絡(luò)最佳路徑的變化修改下一跳。因此，IFFT不會(huì)在域內(nèi)形成路由自環(huán)。

圖6　IFFT轉(zhuǎn)發(fā)表生成算法

由查表算法進(jìn)行描述。

3　IFFT算法描述

IFFT是通過轉(zhuǎn)發(fā)表中下一跳決定報(bào)文處理的方式，而下一跳是在路由表生成過程中計(jì)算出來的。IFFT主要有路由表生成和路由查表兩個(gè)算法。本節(jié)主要對(duì)路由表生成算法和路由查表算法進(jìn)行描述。

3.1IFFT轉(zhuǎn)發(fā)表生成

如圖6所示，IFFT轉(zhuǎn)發(fā)表的生成與現(xiàn)有的路由算法類似，但是IFFT轉(zhuǎn)發(fā)表的生成在網(wǎng)絡(luò)虛擬化的環(huán)境下具有更好的性能。當(dāng)且僅當(dāng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓淖兊臅r(shí)候虛擬路由器才會(huì)收到其他路由器的LSA并檢查它的LSD，這是虛擬路由器的轉(zhuǎn)發(fā)表才需要重新生成。IFFT轉(zhuǎn)發(fā)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(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的關(guān)鍵，IFFT有兩種報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的方式，一種是直接通過接口將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，另一種是接口基本配置。

4　性能分析

我們通過使用MATLAB進(jìn)行仿真，并計(jì)算了不同下一跳結(jié)點(diǎn)的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)率，如圖8所示。在圖8中假設(shè)當(dāng)總共的下一跳結(jié)點(diǎn)數(shù)為4且報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)為2時(shí)，報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的平均跳數(shù)是8。我們可以發(fā)現(xiàn)skip nodes對(duì)IFFM的性能產(chǎn)生了影響，所以我們的機(jī)制對(duì)部署虛擬路由器具有提升的作用。

圖7　IFFT查表算法

5　結(jié)語

鏈路產(chǎn)生的需求是由于信息交互雙方處在不同平臺(tái)，而同一邏輯網(wǎng)絡(luò)的虛擬路由器映射到物理網(wǎng)中路由器映射關(guān)系為多對(duì)一時(shí)，利用虛擬路由器共享同一物理平臺(tái)的特性能夠?qū)崿F(xiàn)信息在內(nèi)部的交互，無需通過鏈路傳輸，降低報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)。IFFT充分利用了OSPF協(xié)議中到達(dá)網(wǎng)絡(luò)的最佳路徑來計(jì)算路由表的特性，通過填寫下一跳決定報(bào)文處理方式。IFFT能夠減少報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，提高傳輸速率。同時(shí)，也能降低單點(diǎn)故障引起的丟包率，提高網(wǎng)絡(luò)的特性。

圖8　報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)率

［1］趙國鋒，陶文平.可編程路由器的虛擬化技術(shù)研究［J］.重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2013（01）

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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?yàn)樾畔踩c云計(jì)算技術(shù)應(yīng)用

2015-11-17

2015-12-10

針對(duì)在同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中的多個(gè)虛擬路由器映射到物理網(wǎng)絡(luò)中同一臺(tái)路由器情形，結(jié)合IP開放式最短路徑優(yōu)先協(xié)議，分析路由表生成過程，提出一種針對(duì)在同一邏輯網(wǎng)絡(luò)中虛擬路由器間的內(nèi)部快速交換技術(shù)，稱為IFFT。該技術(shù)實(shí)現(xiàn)報(bào)文在虛擬路由器間的快速傳輸，減少報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)的跳數(shù)，提高報(bào)文傳輸速度。同時(shí)，該技術(shù)能降低單點(diǎn)故障造成的丟包率，從而增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的特性。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化；邏輯網(wǎng)絡(luò)；物理網(wǎng)絡(luò)；虛擬路由器；OSPF協(xié)議

廣東省自然基金團(tuán)隊(duì)研究項(xiàng)目（No.S2012030006242）

潘丹（1980-），女，湖南人，碩士研究生，講師，研究方向?yàn)榇髷?shù)據(jù)技術(shù)與數(shù)據(jù)庫技術(shù)

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.