◆王 璐

（铁道警察学院公安技术系 河南 450053）

基于协商的AS级多径路由机制研究

◆王 璐

（铁道警察学院公安技术系 河南 450053）

传统网络的数据传输模式主要采用的是单径路由，这种传输机制存在着路由不稳定的因素。本文首先分析了单径传输机制所存在的劣势，而后针对新型网络的路由环境，提出了基于BGP路由协商的AS级多径路由机制，协商成功的AS域可以拥有一条到达目的网络的AS级替换路由，并且在策略允许的情况下通过数据封装技术使用替换路由进行通信数据的传输，从而为新型多业务可信网络环境中高质量、高可靠性的信息传输提供了一定的参考依据。

BGP；路由协商；多径路由；AS

0 引言

随着网络技术的迅猛发展，网络中所存在的具有复杂连通关系的节点也逐渐增多。同时，网络无标度性[1]和六度空间理论[2]的进一步研究，也使得网络的容错抗毁性成为共同关注的热点。

在现有的通信网络服务模式中，基本上都是一种网络支撑一种业务，而这种网络模式在一定程度上为人们提供了高效便捷的网络服务。然而，随着网络业务越发多样化的发展趋势，单一的网络模式已经无法满足网络及服务的多样化需求，这就出现了对各种业务都能提供良好支持的新型的多业务可信网络。多业务可信网络是与传统的一种网络支持一种业务的网络模式完全不同的新型网络体系架构，其设计理念是一种网络支持多种业务，这种网络结构能够提供多业务支持的能力和网络可信性的保障，能够为人们提供更为方便快捷高效地信息交互的网络服务。

本文就是在新型多业务可信网络模式下，针对传统的单径路由的局限性，提出了基于边界网关协议（BGP）[3]路由协商的自治系统（AS）级多径路由工作机制，为新型网络环境中高质量、高可靠性的信息传输提供了一定的借鉴意义。

1 多径路由问题分析

新型网络体系架构的设计理念就是支持普适化服务的多业务可信网络架构，从而便于为用户提供一体化的网络服务[4]。该体系结构能够支持固定终端、移动终端以及移动子网等多种类型用户的统一接入，并且能够为各类型的用户提供分布式的网络资源共享和数据资源的查询服务。在新型网络体系架构中，主要分为接入路由器和交换路由器两类，接入路由器负责固定终端、移动终端以及移动子网等各类用户的统一接入，为接入网络的用户分配接入标识和路由标识，并将用户所要传输的数据信息传送到核心网，而交换路由器则是根据数据报文中的路由标识将数据信息在核心网中进行转发[5]。而在数据的传输和转发过程中，多径路由是相对于单径路由而提出的概念，指的是为通信节点之间的可达性提供多条可用的路径，而节点主机可根据其策略对这些可用路径的自主选用。由多径路由所组成的网络被称为多径路由网络，该网络中的路由器执行多径路由算法，多径路由算法用来为节点间通信提供多条路径，并确保发往其中一条路径的数据经由该路径到达目的网络。

随着网络通信技术的快速发展，核心骨干网络的带宽越来越高，这就为多径路由技术的深入研究提供了基础。随着FIND，PlanetLab，GENI，CABO等下一代网络（NGN）项目研究逐步深入，势必会对网络技术产生更为深远的影响。同时，路由模块可操作性以及可编程路由器的进一步发展、各类网络设备和网络技术的迅猛发展等等，这些都为多径路由的研究提供了便捷条件。

在具体的新型网络核心层环境中，各个交换路由器都具有路由功能，因而随时能为核心层中的各个交换路由器节点对建立一条或多条替换路径，那么从宏观上就能有效地提高整个网络的路由可靠性和容错性，同时网络资源也能得到充分利用，从而改善了网络的通信性能。所以为改善核心层网络服务质量，避免单径路由给网络节点可能带来的拥塞或高负荷状态，消除核心层路由层面的不稳定因素，本文的设计是在交换路由器部署应用多径路由扩展机制。

2 BGP多径路由的设计

网络最基本的功能就是报文信息的传输，而新型的多业务可信网络对网络传输更是有着安全性、可靠性、容错性等多样化的网络服务要求。然而，当前网络传统的传输模式是单径路由，也就是每个网络传输节点都只向指定的其单下一跳结点转发传输数据的。这种单径路由工作模式很容易导致如下情况的发生，即网络中的某些节点和链路处于高负荷或拥塞状态，而另一些节点和链路的负载相对较低，从而出现各个传输节点和传输链路负载失衡的网络状况。另一方面，简单的单径路由协议在当前网络规模逐渐复杂的网络环境下很难有效地满足容错、路由可靠性、QoS路由等高层次的路由要求[6]，尤其是应用于网络核心传输层负责大规模域间路由工作的BGP协议，简单的单径路由更不能满足大量的各种数据报文在核心路由器之间信息传输的要求，从而影响到网络中核心路由的稳定性。因而，多径路由的设计与应用成为新型多业务可信网络体系中路由传输层面的研究重点。

2.1 设计思想

针对新型网络能够满足各种不同服务类型终端统一接入的需求，其核心层网络所需要传输数据包的信息量则显著增多，这就要求部署应用于核心层的BGP路由协议能够完成核心层大量的路由选路和信息交换工作。而传统的单径路由机制在出现网络拥塞或是负荷过大的情况时就很难满足核心层网络性能方面的要求，从而造成网络潜在的不稳定状态。

BGP多径路由扩展机制的设计思想是：提出一种支持多路径的可选域间路由协议解决方案，该方案通过引导核心层传输AS域的交换路由器根据选路策略进行路由的双边协商，从而灵活地选择或通告合适的AS级替换路径，以此对网络通信量进行有效地负载平衡控制以及拥塞控制，满足数据通信和映射信息传输的路由层面的性能要求。可以看出，由于AS域在向相邻域通告路由之前，会将自己的AS号码添加到该路由的AS_PATH属性中，所以该机制是一种基于AS级别的路径矢量路由方案，能够实现简单化的路径选择，并且对传输AS域交换路由器之间的协商控制是通过选择输出额外的替换路径来实现的。

2.2 AS间BGP多径路由的双边协商

在传统的BGP路由系统中，大多数AS域和终端/子网对于BGP提供的现有路由感到满意，路由层面也能够处于大致稳定的运行状态。而当某个AS域有替换路由时，该AS域是向所有的相邻体通告该替换路由的，这种向所有AS邻居通告替换路由的机制将会在一定程度上影响到域间最优路由的选择，从而破坏网络中整体路由的稳定性。因此，AS级多径路由机制是在AS域需要的时候允许其灵活地请求替换路径，而不是强行地把替换路径通告给所有的AS域邻居。首先，给出请求AS域和响应AS域的概念：（1）请求AS域：根据路由策略向AS邻居发出请求信息以得到适当的替换路由的AS域；（2）响应AS域：收到AS邻居发送来的得到适当替换路由的请求消息后，根据过滤规则选择输出合适的替换路由给该AS邻居的AS域。

针对以上概念构造出AS间BGP多径路由的双边协商模型，如图1所示：

图1 BGP多径路由的双边协商模型

其中，模型图中的五个圆圈分别表示的是五个自治系统，其自制系统号分别是1～5，圆圈间的连接表示自治系统间的BGP会话。假设AS1到AS5的最优路由为<1235>。这时如果AS1根据自己的路由策略不再希望通过现有路由<1235>达到AS5，而是想寻求一条替换路由，那么AS1则向其下一跳自治系统AS2发出路由请求消息，请求AS2通告一条到达AS5的替换路由，而在这个请求消息中可能会包含AS1的路由策略，如避免路由经过AS3。在收到AS1的请求后，AS2会根据自己的路由策略将具有较高优先级的替换路由通告给AS1。此过程即为BGP多径路由的双边协商模型。其中AS1为请求AS域，AS2为响应AS域。

BGP多径路由的双边协商模型是请求AS域与响应AS域之间的路由层面的模型框架，因而也需要有相应的路由协商管理策略进行有效地策略支持。这里，针对多径路由的协商模型设计如下的路由协商管理策略：在请求AS域中，如果当前的最优路由不能满足本域的需求则触发协商，若此时刚巧有邻居AS发送来的路由更新消息使得最优路由发生变化，那么抑制所要触发的路由协商；而在响应AS域中规定只有来自于可信AS对等体的路由协商请求才能被接受，允许协商的建立，并根据自己的路由策略选择出合适的最优的替换路由发送给请求AS域。

2.3 多径路由隧道封装

BGP多径路由机制导致了AS域向相邻体通告替换路径的路由行为，这会妨碍域间最优路由的选择，破坏整体路由环境的稳定性。因此，为了不打破原有优选路由环境的格局，提出了隧道封装的设计方法，即在AS域根据自己的路由策略请求到替换路由后，请求AS域与响应AS域之间对于该替换路由达成了一致。若请求AS域要求使用替换路由向目的终端/子网发送数据包，则在两个AS域之间建立一条隧道，通过隧道机制使用替换路由发送数据包，从而在该隧道中进行信息的传输。

隧道的建立是对于替换路由的协商达成一致后在请求AS域与响应AS域之间进行的。其具体实现过程是：请求AS域和响应AS域对于替换路由达成一致时，若请求AS域需要将数据信息通过替换路由发送到目的终端/子网时，即使用隧道封装技术，首先向响应AS域建立隧道的通告消息，响应AS域收到通告后回复一个确认。这时，请求AS域就可以使用数据隧道封装技术将数据包进行适当的封装后发送给响应AS域。响应AS域接收到数据包，识别出替换路由的下一条AS以及对数据包进行解封装操作，再将数据包通过协商好的替换路由发送出去。

另一方面，可以通过设置隧道计时器的方法对长时间不被使用的隧道进行拆除。比如通信AS域之间在隧道计时器的计时范围内没有标有隧道标识符的信息相互传输，则认为隧道不再被使用，即可进行拆除。同时，若请求AS域与响应AS域之间的路径出现错误，请求AS域就会拆除隧道；若到达目的终端/子网的替换路由发生了故障，响应AS域将会拆除隧道。

3 结论

本文在分析当前传统网络环境中单径路由所存在的劣势的基础上，针对新型网络路由稳定性的需求，提出了基于BGP路由协商的AS级多径路由机制，该机制通过BGP路由的协商可以为新型网络中任何一个层次的AS域提供一条可选的AS级替换路由，使得AS域在策略允许的情况下可以灵活地选择AS路由，从而能够很好地避免因单径传输、链路拥塞或负载失衡而带来的路由稳定性问题，为新型网络尤其是其核心层创造了稳定可靠的路由环境。

[1]Barabasi A L，Albert R.Emergence of scaling in random networks[J].Science，1999.

[2]Watts D J，Stroga S H.Collective dynamics of‘small-world’ networks[J].Nature，1998.

[3]Huston G.Analyzing the Internet’s BGP Routing Table[J]，The Internet Protocol Journal，2001.

[4]王上.一体化网络接入交换路由器分离映射的设计与实现[D].北京交通大学，2008.

[5]侯宁，贺伟，宋宇鲲.支持虚拟电路机制的包连接电路路由器[J].合肥工业大学学报自然科学版，2015.

[6]王顶，王珊珊，席效禹.基于路由长度的多径路由协议[J].计算机工程，2014.