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，迫切需要得到進一步的擴充和完善。未來的路由機制應(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展性;使得網(wǎng)絡(luò)使用者和運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構(gòu)都在制訂和實施相應(yīng)的研究計劃，如美國的GENI[1]和FIND[2]計劃，歐盟的FIRE[3]計劃，中國的國家高技術(shù)研究發(fā)展計劃(“863”)和國家重點基礎(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)模的可擴展性問題。為此，互聯(lián)網(wǎng)結(jié)構(gòu)委員會(IAB)于2006年10月在荷蘭舉辦了首次“路由與地址工作組會議”。會議重點討論并確定造成互聯(lián)網(wǎng)路由可擴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，主要進行互聯(lián)網(wǎng)路由可擴展問題的研究。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，只不過對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)路由機制的變動程度有所不同而已。但目前RRG工作組中的各種技術(shù)方案尚停留在討論階段，缺少必要的試驗或仿真加以支持。

　　除此，解決當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)路由可擴展問題的提案還有NIRA[6]、HLP[7]、ROFL[8]、AIP[9]等。NIRA為主機提供了一種通過不同地址來選擇不同路由路徑的機制，通過嚴(yán)格的分等級地址分配策略，NIRA可以改善路由的可擴展性問題。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的路由協(xié)議，在一定程度上可以解決路由可擴展問題。ROFL是一種完全基于平面標(biāo)簽的新穎路由方式，其有效性和實用性還有待進一步的研究和驗證。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，目前的研究主要體現(xiàn)以下幾個方面：

　　(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)計之初，僅考慮到網(wǎng)絡(luò)目的的一個方面，即為網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點或應(yīng)用提供路由的可達性信息，而且這種路由可達性信息的交互傳送建立在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點處于一個互相可信任的團體環(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)中已難以時時成立?，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制的安全性。早在2002年，文獻[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，對一個給定的前綴只能查找到唯一的一條“最佳”路徑到達目的端。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點在遭受攻擊或者出現(xiàn)鏈路故障時，現(xiàn)有的路由協(xié)議不具備良好的保護機制和快速恢復(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[13]和文獻[14]分別給出了快速重路由和多拓?fù)渎酚蓹C制;文獻[15]在避讓失效節(jié)點和鏈路提供域間路由多樣性等方面進行了探索研究;文獻[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的方向。

　　(3)路由可控可管性研究

　　現(xiàn)有的路由機制對網(wǎng)絡(luò)中可能出現(xiàn)的諸如個別節(jié)點癱瘓導(dǎo)致的路由中斷，個別節(jié)點或系統(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，很難做到及時探測、快速定位追蹤以及及時合理的處理不規(guī)則網(wǎng)絡(luò)行為;此外，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點眾多，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[17]對網(wǎng)絡(luò)中可能存在的域間路由流量劫持的探測技術(shù)進行了研究，文獻[18]給出了推導(dǎo)企業(yè)網(wǎng)絡(luò)故障定位的方法，文獻[19]則建議利用專門信道進行網(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，未來路由機制的監(jiān)管以及高效配置機制尚需完善。

　　(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。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，上述提到的各個研究方案主要停留在理論或應(yīng)用的某個局部目標(biāo)，他們所作的只是現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)路由可信任問題的點滴修補，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、完整性和機密性。后來當(dāng)其被應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)時，傳統(tǒng)的路由機制在安全性，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)計要求應(yīng)包含以下幾方面：

　　(1)空間隔離保護

　　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)具有更好的可擴展性，同時充分保證核心網(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制，實現(xiàn)映射信息安全、快捷的在線管理，實現(xiàn)節(jié)點位置的隱私性保護以及節(jié)點移動情況下的持續(xù)連接，從而滿足用戶越來越強的移動性以及隱私性需求。

　　(3)可信路由尋址

　　應(yīng)采用必要的身份鑒別機制以及路由消息的安全傳輸機制，確保路由節(jié)點的身份的真實性，路由可達性信息的保密性、完整性;實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點間多路機制，同時應(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

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

　　3 可信路由參考機制

　　3.1 可信路由體系結(jié)構(gòu)模型

　　基于以上對可信路由理論技術(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不同的標(biāo)志空間，兩個標(biāo)志空間內(nèi)分別采用不同的路由方式，并形成相對獨立的路由空間，兩個標(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)的動態(tài)變化不會出現(xiàn)在的核心網(wǎng)上，保證了核心網(wǎng)的相對穩(wěn)定;接入網(wǎng)的多家鄉(xiāng)、流量工程等也不會引起核心網(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，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核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施或是某一終端進行攻擊，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。