基于SDN的IP RAN網絡智能路由管理系統應用研究

尹遠陽+孫嘉琪+盧泉+楊廣銘

【摘 要】隨著數據業務的不斷發展，IP網絡規模建設不斷擴大。根據SDN技術架構要求，提出IP RAN網絡智能路由管理系統，通過實驗測試表明所研發的智能路由管理系統能實現全局網絡路由可視化、路由抖動、故障告警及事件回放等管理功能，對后續簡化網絡運維具有重要的指導意義。

【關鍵詞】智能路由 IP RAN網絡 SDN技術 集約化

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.012 中圖分類號：TN915.06 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010（2016）20-0061-05

1 引言

隨著寬帶互聯網業務與LTE移動承載網絡的大規模部署與快速發展，以中國移動的PTN網絡、中國聯通和中國電信的IP RAN網絡為典型，基站業務的接入承載網絡都在大規模地進行建設部署。IP網絡規模日益龐大，作為運營商如何為客戶提供高速協同接入、高效運維管理、質量按需保障的業務差異化服務，這也是運營服務商網絡由傳統的“啞管道”向精細化的“智能管道”轉變的動力源泉[1]。國內外目前只有美國的Packet Design公司研發的Explorer Router是一款比較成熟的路由分析系統，但是該系統非常昂貴而且是基于license來實現服務網絡規模，并且運維人員在沒有經過特殊培訓的情況下使用該系統有一定的技術難度。運營商是網絡服務中智能管道的提供者，而數據IP網是一種動態的、智能的網絡。路由協議的動態性及網絡路由故障的未知性一直困擾著網絡管理者和維護人員，使網絡管理人員難以掌握全局的網絡路由控制能力[1，3，6]。針對超大規模的IP RAN網絡維護問題以及如何提高智能管道差異化服務問題，網絡服務提供者有必要針對自己網絡的特性，對IP網絡路由實現智能化管理進行深入的應用研究，實現對IP RAN超大規模網絡路由狀態進行觀察、監控、分析。

2 IP RAN網絡發展及面對的問題

IP RAN是指以IP/MPLS協議及關鍵技術為基礎，主要面向移動業務承載并兼顧提供二三層通道類業務承載，以省為單位，依托CN2骨干層組成的端到端的業務承載網絡[3]。在IP RAN網絡中主要包括接入層、匯聚層和核心層，而核心層又分為城域核心層、省核心層，具體IP RAN承載網絡的基本架構如圖1所示[3，4]：

接入層A設備接入的業務主要包括基站業務、政企類業務。政企通道業務主要采用二層PW方式。對于匯聚層B設備，主要實現的是終結pw業務，開啟L2VPN或L3VPN業務。邏輯上接入環內采用的是IGP路由協議中的OSPF協議，而匯聚環以上采用ISIS路由協議與接入環實現路由隔離。IP RAN承載網絡隨著4G及4G+的部署商用和政企專線業務承載，甚至后續作為新建DCI云承載網絡的延伸接入，使得IP RAN這張網絡顯得越來越重要，采用的技術也就越來越復雜，對于超大規模IP RAN網絡路由管理和維護將會出現以下幾個問題：

（1）超大規模的IP RAN網絡路由管理

未來5G時代IP RAN網絡需要接入更多基站、承載帶寬更大、時延要求更低、網絡調度能力更智能。因此對IP RAN承載網而言，整張網絡路由數量也會對應增加。如果網絡域內或域間路由發生變化或是異常抖動，路由收斂速度直接影響到整張網絡的穩定性，進一步增加了運維人員排除網絡障礙的難度。

（2）多種網絡路由協議維護

IP RAN承載網絡設備之間運行了多種網絡路由協議，比如IGP、BGP、IBGP、MPLS VPN路由信息等。當網絡間路由抖動或部分路由發生異常時，通過傳統網管展現的物理鏈路拓撲已經無法監測邏輯路由的變化，因此無法準確定位網絡故障的根源，很難監測網絡的服務質量以及缺少對VPN路由管理的監控手段，只能通過一段一段地測試進行排除，工作量大，耗時長。

（3）統一可視化的網絡路由智能化管理

新型SDN技術的興起，根據現網建設和維護的要求如何在現有的IP RAN網絡中采用SDN技術架構設計理念對IP RAN網絡中海量網元進行統一性管理，掌握全局網絡路由信息，實現全網IGP、BGP路由拓撲可視化管理、路由抖動監測、故障報表、VPN路由時間監測、路由回放等功能，滿足業務快速響應、故障快速定位等功能要求是實現智能路由管理重要的研究內容。

SDN技術是一種新的網絡架構發展[5，12]，它的興起改變了傳統網絡的發展模式，同時也為整個通信領域的后續發展和演進提供了技術支持和方向選擇，是簡化網絡管理和運維最為理想的實現方式。本文針對上述幾個問題，重點對IP RAN承載網絡中路由管理問題進行研究，并根據網絡的實際要求對研發的路由管理系統進行了實驗測試，取得了一定的成果。

3 基于SDN技術的IP RAN網絡智能路由系統

3.1 RAN智能路由管理系統架構

IP RAN這張網所采用的設備和技術都是新技術的集合，是一張扁平化和集約化管理的承載接入網絡。IP數據網絡是通過路由協議的交互來保證整個網絡的通信。對于剛接觸IP RAN網絡維護的人員來講，現有的簡單運維技術還無法準確對網絡路由抖動及故障進行定位，也沒有一套完整的分析系統對現有網絡資源數據進行整合和挖掘分析。

在IP網絡中網絡路由具有動態性、可變性等特點，本文對現有網絡特點及路由特征進行分析，確定基本的路由管理系統實施方案。以SDN技術理念為指導，初步設計了基于SDN技術的智能路由管理系統的基本架構[5]，在系統設計中根據路由管理功能要求，確定各模塊功能并對其進行開發，系統架構如圖2所示：

由圖2可知智能路由管理系統主要分為三層，每層之間通過開放接口協議來實現各組件之間的信息交互，各模塊之間信息處理由控制器統一進行，數據都存入在DB（Data Base）庫中。

（1）應用層：這是系統的展示層，該層的主要功能是將SDN控制器處理后的數據通過北向接口，按照規定的格式要求提出相關數據，并將數據轉換成對應的圖形界面及按鈕形式展現給運維人員。可以實現路由全局邏輯拓撲視圖，在該視圖上可以實時動態地監測路由狀態、路由抖動、故障分析報表、路由快照回放、VPN路由監測等功能。

（2）控制層：主要是由處理核心控制器、事務處理模塊、數據庫管理等子模塊組成。該層主要是實現整個網絡中路由信息收集和加工處理以及完成對歷史事件的存儲。考慮到設備的支持能力及要求，系統設計方案可以有兩種實現方式：一種是在基礎設施層本地網或單域內設置普通路由代理器方式，通過該區域代理路由器收集全局路由信息，再經過TCP協議封裝上報給控制層的管理中心。另一種是基于開源技術的ODL方式，在不同區域部署ODL方式開發的仿真路由器通過標準的REST北向接口上報全局路由信息給控制層[2]，實現全網路由監測。

（3）基礎設施層：主要是被監測物理網絡的路由器設備，在路由器中運行了各種路由協議，物理路由器與開發的路由仿真器之間通過路由協議交互信息。

3.2 智能路由管理系統代理路由器與控制層通信設計

（1）路由代理與控制層中心管理平臺通信建立流程

步驟1：協議啟動，加載所開發的代理路由器通信模塊，打開TCP連接并周期性地發送Hello心跳報文；

步驟2：若3次發出Hello后未收到控制層中心管理平臺發送Hello報文，則代理路由器通信組件將連接狀態置為DOWN；

步驟3：連接狀態為DOWN時代理路由器模塊不處理任何數據上報消息，直到TCP連接狀態變為UP為止；

步驟4：當控制層的中心管理平臺啟動并發出Hello報文后，代理路由器模塊收到心跳Hello后將接口通信連接置為UP；

步驟5：代理路由器模塊通過路由協議模塊請求網絡路由信息，并全量上報路由（狀態）信息。

（2）控制層中心管理平臺主動請求數據上報流程

步驟1：代理路由器仿真節點在IP RAN智能路由管理系統啟動后，會主動與路由管理系統進行會話通信，完成會話后，主動上報網絡路由信息；

步驟2：中心管理平臺根據自身需求（如同步數據等），發送請求到代理模塊請求指定類型數據上報；

步驟3：代理路由器節點根據請求消息向內部協議請求相應數據并上報給中心管理平臺。

路由代理啟動與中心平臺請求上報數據交互過程如圖3所示：

通過上述的兩個交互過程，路由代理器和中心控制平臺之間已經建立起可靠的TCP連接用來彼此傳輸需要的數據。在建立好連接的情況下，中心管理平臺向路由模塊發送請求上報路由狀態信息，本地路由代理進程將路由狀態信息全量發送給路由代理中心，然后路由代理將收集路由信息（如IGP路由狀態、BGP路由信息、路由代理、OSPF、ISIS、BGP/RTM），數據按照路由協議標準封裝成標準的TCP數據流，全量上報給中心管理平臺。由中心平臺控制器還原所收集的區域網絡邏輯拓撲結構，在監控管理平臺以可視化的網絡圖形展現給維護人員。該平臺還能根據鏈路監測要求對鏈路路由拓撲進行實時分析。

4 基于SDN的IP RAN網絡智能路由系統驗證實驗

4.1 驗證系統性能網絡仿真測試

為了驗證系統的基本功能是否滿足路由的可視化監測以及動態路由管理等功能，為此通過思博倫儀表仿真不同路由節點，節點數量為4000個，模擬一個完整的網絡模型。該模型中主要分為三層：接入層、匯聚層、核心層，具體測試網絡部署的拓撲示意圖如圖4所示。

圖4中路由代理基于TCP傳輸方式，主動收集區域內路由信息，與智能路由管理系統建立通信連接后，當中心管理平臺請求全量上報時，路由代理的通信組件將當下路由信息以定義好的數據格式主動上報給中心管理平臺數據中心，從而實現實時的路由拓撲視圖。當域內或域間路由發生變化時，路由代理監控到路由變化，應用層能動態地展示路由抖動狀態，并保存原有路由狀態信息，實現路由抖動監控和路由狀態統計。

4.2 IP RAN網絡智能路由系統測試結果

在智能路由管理系統中，為了實現可視化查詢路由狀態的變化情況，該系統能完成全局路由拓撲信息視圖展示、路由統計報表、TOPN報表、路由故障告警展示、路由歷史事件回放等可視化管理。

（1）測試結果1：全網路由拓撲及路由抖動實時展現

代理路由器將接收的模擬網絡的LSP路由信息上報給智能路由管理系統的控制器處理，控制器按照路由協議及定義的封裝格式將提出的數據進行封裝。然后由智能監控平臺處理后將數據轉換為可視化的方式實時展示給網絡維護者和相關使用用戶，同時系統支持實時刷新加載網絡中新增的路由邏輯拓撲管理。根據圖4的要求進行網絡部署，登錄系統點擊對應的可控鍵就可以看到實時的路由拓撲展示，具體如圖5所示。當路由發生抖動時該界面視圖會產生紅線（閃動）提示用戶該段路由發生故障，如圖5中的紅色線條所示。

（2）測試結果2：鏈路路由故障告警統計展示

在模擬的網絡中選擇一條或數條原本正常的路由，在路由器上經過配置操作使其路由不斷發生撤銷然后又重新收斂建立等操作，IP RAN智能路由管理系統根據系統收集的數據處理，將對應的路由關鍵標識存入到后臺的數據庫中，用戶只要在系統界面點擊對應的按鈕，通過篩選查詢就可以獲得該段時間路由故障的報表，并將所有監測信息以TOPN的報表形式呈現在網絡維護人員面前。

（3）測試結果3：路由歷史事件回放功能展示

IP RAN網絡智能路由管理系統可以根據用戶需要在界面指定時間間隔來定期生成路由拓撲快照并存儲在系統中。通過該事件的回放功能對比處理用戶可以輕松觀察一段時間內路由的變化過程，用戶可全天候查看整個過程的各個時間段的回放基準點，回放全網路由在什么時間段發生了哪些變化。對于路由歷史事件回放功能，維護人員可以自由選擇記錄的路由快照作為路由回放起點，觀察這期間路由拓撲前后時間段發生的變化，實現路由故障定位、定點分析。

5 結束語

超大規模IP RAN網絡的復雜路由管理、路徑優化和業務質量保障等問題一直困擾著網絡運維人員。本文對IP RAN網絡特點進行了分析，為了進一步提高IP RAN網絡智能化管理程度，重點對SDN開源技術和網絡運維需求進行了深入研究，提出了基于SDN的超大規模IP RAN網絡智能路由管理系統設計方案。根據網絡維護管理的實際要求對智能路由管理系統進行了定位分析和系統軟件研發，最終完成了系統功能測試。研究及測試結果表明所研發的智能路由管理系統能實現網絡路由拓撲可視化管理、網絡路由抖動實時監測、路由故障告警、TOPN統計等管理功能，并對系統的可靠性做了充分的論證。同時研究內容對進一步推動IP RAN網絡向SDN智能網絡演進提供了重要的指導意義。

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