基于SDN的IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由管理系統(tǒng)應(yīng)用研究

尹遠(yuǎn)陽+孫嘉琪+盧泉+楊廣銘

【摘 要】隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模建設(shè)不斷擴(kuò)大。根據(jù)SDN技術(shù)架構(gòu)要求，提出IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由管理系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明所研發(fā)的智能路由管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)路由可視化、路由抖動(dòng)、故障告警及事件回放等管理功能，對(duì)后續(xù)簡化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維具有重要的指導(dǎo)意義。

【關(guān)鍵詞】智能路由 IP RAN網(wǎng)絡(luò) SDN技術(shù) 集約化

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

1 引言

隨著寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與LTE移動(dòng)承載網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署與快速發(fā)展，以中國移動(dòng)的PTN網(wǎng)絡(luò)、中國聯(lián)通和中國電信的IP RAN網(wǎng)絡(luò)為典型，基站業(yè)務(wù)的接入承載網(wǎng)絡(luò)都在大規(guī)模地進(jìn)行建設(shè)部署。IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益龐大，作為運(yùn)營商如何為客戶提供高速協(xié)同接入、高效運(yùn)維管理、質(zhì)量按需保障的業(yè)務(wù)差異化服務(wù)，這也是運(yùn)營服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的“啞管道”向精細(xì)化的“智能管道”轉(zhuǎn)變的動(dòng)力源泉[1]。國內(nèi)外目前只有美國的Packet Design公司研發(fā)的Explorer Router是一款比較成熟的路由分析系統(tǒng)，但是該系統(tǒng)非常昂貴而且是基于license來實(shí)現(xiàn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，并且運(yùn)維人員在沒有經(jīng)過特殊培訓(xùn)的情況下使用該系統(tǒng)有一定的技術(shù)難度。運(yùn)營商是網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中智能管道的提供者，而數(shù)據(jù)IP網(wǎng)是一種動(dòng)態(tài)的、智能的網(wǎng)絡(luò)。路由協(xié)議的動(dòng)態(tài)性及網(wǎng)絡(luò)路由故障的未知性一直困擾著網(wǎng)絡(luò)管理者和維護(hù)人員，使網(wǎng)絡(luò)管理人員難以掌握全局的網(wǎng)絡(luò)路由控制能力[1，3，6]。針對(duì)超大規(guī)模的IP RAN網(wǎng)絡(luò)維護(hù)問題以及如何提高智能管道差異化服務(wù)問題，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者有必要針對(duì)自己網(wǎng)絡(luò)的特性，對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)路由實(shí)現(xiàn)智能化管理進(jìn)行深入的應(yīng)用研究，實(shí)現(xiàn)對(duì)IP RAN超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)路由狀態(tài)進(jìn)行觀察、監(jiān)控、分析。

2 IP RAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及面對(duì)的問題

IP RAN是指以IP/MPLS協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，主要面向移動(dòng)業(yè)務(wù)承載并兼顧提供二三層通道類業(yè)務(wù)承載，以省為單位，依托CN2骨干層組成的端到端的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)[3]。在IP RAN網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)的基本架構(gòu)如圖1所示[3，4]：

接入層A設(shè)備接入的業(yè)務(wù)主要包括基站業(yè)務(wù)、政企類業(yè)務(wù)。政企通道業(yè)務(wù)主要采用二層PW方式。對(duì)于匯聚層B設(shè)備，主要實(shí)現(xiàn)的是終結(jié)pw業(yè)務(wù)，開啟L2VPN或L3VPN業(yè)務(wù)。邏輯上接入環(huán)內(nèi)采用的是IGP路由協(xié)議中的OSPF協(xié)議，而匯聚環(huán)以上采用ISIS路由協(xié)議與接入環(huán)實(shí)現(xiàn)路由隔離。IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)隨著4G及4G+的部署商用和政企專線業(yè)務(wù)承載，甚至后續(xù)作為新建DCI云承載網(wǎng)絡(luò)的延伸接入，使得IP RAN這張網(wǎng)絡(luò)顯得越來越重要，采用的技術(shù)也就越來越復(fù)雜，對(duì)于超大規(guī)模IP RAN網(wǎng)絡(luò)路由管理和維護(hù)將會(huì)出現(xiàn)以下幾個(gè)問題：

（1）超大規(guī)模的IP RAN網(wǎng)絡(luò)路由管理

未來5G時(shí)代IP RAN網(wǎng)絡(luò)需要接入更多基站、承載帶寬更大、時(shí)延要求更低、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能力更智能。因此對(duì)IP RAN承載網(wǎng)而言，整張網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)量也會(huì)對(duì)應(yīng)增加。如果網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)或域間路由發(fā)生變化或是異常抖動(dòng)，路由收斂速度直接影響到整張網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步增加了運(yùn)維人員排除網(wǎng)絡(luò)障礙的難度。

（2）多種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議維護(hù)

IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間運(yùn)行了多種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，比如IGP、BGP、IBGP、MPLS VPN路由信息等。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)間路由抖動(dòng)或部分路由發(fā)生異常時(shí)，通過傳統(tǒng)網(wǎng)管展現(xiàn)的物理鏈路拓?fù)湟呀?jīng)無法監(jiān)測(cè)邏輯路由的變化，因此無法準(zhǔn)確定位網(wǎng)絡(luò)故障的根源，很難監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量以及缺少對(duì)VPN路由管理的監(jiān)控手段，只能通過一段一段地測(cè)試進(jìn)行排除，工作量大，耗時(shí)長。

（3）統(tǒng)一可視化的網(wǎng)絡(luò)路由智能化管理

新型SDN技術(shù)的興起，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)建設(shè)和維護(hù)的要求如何在現(xiàn)有的IP RAN網(wǎng)絡(luò)中采用SDN技術(shù)架構(gòu)設(shè)計(jì)理念對(duì)IP RAN網(wǎng)絡(luò)中海量網(wǎng)元進(jìn)行統(tǒng)一性管理，掌握全局網(wǎng)絡(luò)路由信息，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)IGP、BGP路由拓?fù)淇梢暬芾怼⒙酚啥秳?dòng)監(jiān)測(cè)、故障報(bào)表、VPN路由時(shí)間監(jiān)測(cè)、路由回放等功能，滿足業(yè)務(wù)快速響應(yīng)、故障快速定位等功能要求是實(shí)現(xiàn)智能路由管理重要的研究內(nèi)容。

SDN技術(shù)是一種新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)展[5，12]，它的興起改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展模式，同時(shí)也為整個(gè)通信領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展和演進(jìn)提供了技術(shù)支持和方向選擇，是簡化網(wǎng)絡(luò)管理和運(yùn)維最為理想的實(shí)現(xiàn)方式。本文針對(duì)上述幾個(gè)問題，重點(diǎn)對(duì)IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)中路由管理問題進(jìn)行研究，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際要求對(duì)研發(fā)的路由管理系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，取得了一定的成果。

3 基于SDN技術(shù)的IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由系統(tǒng)

3.1 RAN智能路由管理系統(tǒng)架構(gòu)

IP RAN這張網(wǎng)所采用的設(shè)備和技術(shù)都是新技術(shù)的集合，是一張扁平化和集約化管理的承載接入網(wǎng)絡(luò)。IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)是通過路由協(xié)議的交互來保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信。對(duì)于剛接觸IP RAN網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的人員來講，現(xiàn)有的簡單運(yùn)維技術(shù)還無法準(zhǔn)確對(duì)網(wǎng)絡(luò)路由抖動(dòng)及故障進(jìn)行定位，也沒有一套完整的分析系統(tǒng)對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和挖掘分析。

在IP網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)路由具有動(dòng)態(tài)性、可變性等特點(diǎn)，本文對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)及路由特征進(jìn)行分析，確定基本的路由管理系統(tǒng)實(shí)施方案。以SDN技術(shù)理念為指導(dǎo)，初步設(shè)計(jì)了基于SDN技術(shù)的智能路由管理系統(tǒng)的基本架構(gòu)[5]，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)中根據(jù)路由管理功能要求，確定各模塊功能并對(duì)其進(jìn)行開發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：

由圖2可知智能路由管理系統(tǒng)主要分為三層，每層之間通過開放接口協(xié)議來實(shí)現(xiàn)各組件之間的信息交互，各模塊之間信息處理由控制器統(tǒng)一進(jìn)行，數(shù)據(jù)都存入在DB（Data Base）庫中。

（1）應(yīng)用層：這是系統(tǒng)的展示層，該層的主要功能是將SDN控制器處理后的數(shù)據(jù)通過北向接口，按照規(guī)定的格式要求提出相關(guān)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的圖形界面及按鈕形式展現(xiàn)給運(yùn)維人員。可以實(shí)現(xiàn)路由全局邏輯拓?fù)湟晥D，在該視圖上可以實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地監(jiān)測(cè)路由狀態(tài)、路由抖動(dòng)、故障分析報(bào)表、路由快照回放、VPN路由監(jiān)測(cè)等功能。

（2）控制層：主要是由處理核心控制器、事務(wù)處理模塊、數(shù)據(jù)庫管理等子模塊組成。該層主要是實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中路由信息收集和加工處理以及完成對(duì)歷史事件的存儲(chǔ)。考慮到設(shè)備的支持能力及要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案可以有兩種實(shí)現(xiàn)方式：一種是在基礎(chǔ)設(shè)施層本地網(wǎng)或單域內(nèi)設(shè)置普通路由代理器方式，通過該區(qū)域代理路由器收集全局路由信息，再經(jīng)過TCP協(xié)議封裝上報(bào)給控制層的管理中心。另一種是基于開源技術(shù)的ODL方式，在不同區(qū)域部署ODL方式開發(fā)的仿真路由器通過標(biāo)準(zhǔn)的REST北向接口上報(bào)全局路由信息給控制層[2]，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)路由監(jiān)測(cè)。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施層：主要是被監(jiān)測(cè)物理網(wǎng)絡(luò)的路由器設(shè)備，在路由器中運(yùn)行了各種路由協(xié)議，物理路由器與開發(fā)的路由仿真器之間通過路由協(xié)議交互信息。

3.2 智能路由管理系統(tǒng)代理路由器與控制層通信設(shè)計(jì)

（1）路由代理與控制層中心管理平臺(tái)通信建立流程

步驟1：協(xié)議啟動(dòng)，加載所開發(fā)的代理路由器通信模塊，打開TCP連接并周期性地發(fā)送Hello心跳報(bào)文；

步驟2：若3次發(fā)出Hello后未收到控制層中心管理平臺(tái)發(fā)送Hello報(bào)文，則代理路由器通信組件將連接狀態(tài)置為DOWN；

步驟3：連接狀態(tài)為DOWN時(shí)代理路由器模塊不處理任何數(shù)據(jù)上報(bào)消息，直到TCP連接狀態(tài)變?yōu)閁P為止；

步驟4：當(dāng)控制層的中心管理平臺(tái)啟動(dòng)并發(fā)出Hello報(bào)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(xié)議模塊請(qǐng)求網(wǎng)絡(luò)路由信息，并全量上報(bào)路由（狀態(tài)）信息。

（2）控制層中心管理平臺(tái)主動(dòng)請(qǐng)求數(shù)據(jù)上報(bào)流程

步驟1：代理路由器仿真節(jié)點(diǎn)在IP RAN智能路由管理系統(tǒng)啟動(dòng)后，會(huì)主動(dòng)與路由管理系統(tǒng)進(jìn)行會(huì)話通信，完成會(huì)話后，主動(dòng)上報(bào)網(wǎng)絡(luò)路由信息；

步驟2：中心管理平臺(tái)根據(jù)自身需求（如同步數(shù)據(jù)等），發(fā)送請(qǐng)求到代理模塊請(qǐng)求指定類型數(shù)據(jù)上報(bào)；

步驟3：代理路由器節(jié)點(diǎn)根據(jù)請(qǐng)求消息向內(nèi)部協(xié)議請(qǐng)求相應(yīng)數(shù)據(jù)并上報(bào)給中心管理平臺(tái)。

路由代理啟動(dòng)與中心平臺(tái)請(qǐng)求上報(bào)數(shù)據(jù)交互過程如圖3所示：

通過上述的兩個(gè)交互過程，路由代理器和中心控制平臺(tái)之間已經(jīng)建立起可靠的TCP連接用來彼此傳輸需要的數(shù)據(jù)。在建立好連接的情況下，中心管理平臺(tái)向路由模塊發(fā)送請(qǐng)求上報(bào)路由狀態(tài)信息，本地路由代理進(jìn)程將路由狀態(tài)信息全量發(fā)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(tài)、BGP路由信息、路由代理、OSPF、ISIS、BGP/RTM），數(shù)據(jù)按照路由協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)封裝成標(biāo)準(zhǔn)的TCP數(shù)據(jù)流，全量上報(bào)給中心管理平臺(tái)。由中心平臺(tái)控制器還原所收集的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)邏輯拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在監(jiān)控管理平臺(tái)以可視化的網(wǎng)絡(luò)圖形展現(xiàn)給維護(hù)人員。該平臺(tái)還能根據(jù)鏈路監(jiān)測(cè)要求對(duì)鏈路路由拓?fù)溥M(jìn)行實(shí)時(shí)分析。

4 基于SDN的IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由系統(tǒng)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

4.1 驗(yàn)證系統(tǒng)性能網(wǎng)絡(luò)仿真測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的基本功能是否滿足路由的可視化監(jiān)測(cè)以及動(dòng)態(tài)路由管理等功能，為此通過思博倫儀表仿真不同路由節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)數(shù)量為4000個(gè)，模擬一個(gè)完整的網(wǎng)絡(luò)模型。該模型中主要分為三層：接入層、匯聚層、核心層，具體測(cè)試網(wǎng)絡(luò)部署的拓?fù)涫疽鈭D如圖4所示。

圖4中路由代理基于TCP傳輸方式，主動(dòng)收集區(qū)域內(nèi)路由信息，與智能路由管理系統(tǒng)建立通信連接后，當(dāng)中心管理平臺(tái)請(qǐng)求全量上報(bào)時(shí)，路由代理的通信組件將當(dāng)下路由信息以定義好的數(shù)據(jù)格式主動(dòng)上報(bào)給中心管理平臺(tái)數(shù)據(jù)中心，從而實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的路由拓?fù)湟晥D。當(dāng)域內(nèi)或域間路由發(fā)生變化時(shí)，路由代理監(jiān)控到路由變化，應(yīng)用層能動(dòng)態(tài)地展示路由抖動(dòng)狀態(tài)，并保存原有路由狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)路由抖動(dòng)監(jiān)控和路由狀態(tài)統(tǒng)計(jì)。

4.2 IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果

在智能路由管理系統(tǒng)中，為了實(shí)現(xiàn)可視化查詢路由狀態(tài)的變化情況，該系統(tǒng)能完成全局路由拓?fù)湫畔⒁晥D展示、路由統(tǒng)計(jì)報(bào)表、TOPN報(bào)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(cè)試結(jié)果1：全網(wǎng)路由拓?fù)浼奥酚啥秳?dòng)實(shí)時(shí)展現(xiàn)

代理路由器將接收的模擬網(wǎng)絡(luò)的LSP路由信息上報(bào)給智能路由管理系統(tǒng)的控制器處理，控制器按照路由協(xié)議及定義的封裝格式將提出的數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝。然后由智能監(jiān)控平臺(tái)處理后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的方式實(shí)時(shí)展示給網(wǎng)絡(luò)維護(hù)者和相關(guān)使用用戶，同時(shí)系統(tǒng)支持實(shí)時(shí)刷新加載網(wǎng)絡(luò)中新增的路由邏輯拓?fù)涔芾怼８鶕?jù)圖4的要求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)部署，登錄系統(tǒng)點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的可控鍵就可以看到實(shí)時(shí)的路由拓?fù)湔故荆唧w如圖5所示。當(dāng)路由發(fā)生抖動(dòng)時(shí)該界面視圖會(huì)產(chǎn)生紅線（閃動(dòng)）提示用戶該段路由發(fā)生故障，如圖5中的紅色線條所示。

（2）測(cè)試結(jié)果2：鏈路路由故障告警統(tǒng)計(jì)展示

在模擬的網(wǎng)絡(luò)中選擇一條或數(shù)條原本正常的路由，在路由器上經(jīng)過配置操作使其路由不斷發(fā)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(tǒng)根據(jù)系統(tǒng)收集的數(shù)據(jù)處理，將對(duì)應(yīng)的路由關(guān)鍵標(biāo)識(shí)存入到后臺(tái)的數(shù)據(jù)庫中，用戶只要在系統(tǒng)界面點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)的按鈕，通過篩選查詢就可以獲得該段時(shí)間路由故障的報(bào)表，并將所有監(jiān)測(cè)信息以TOPN的報(bào)表形式呈現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)維護(hù)人員面前。

（3）測(cè)試結(jié)果3：路由歷史事件回放功能展示

IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由管理系統(tǒng)可以根據(jù)用戶需要在界面指定時(shí)間間隔來定期生成路由拓?fù)淇煺詹⒋鎯?chǔ)在系統(tǒng)中。通過該事件的回放功能對(duì)比處理用戶可以輕松觀察一段時(shí)間內(nèi)路由的變化過程，用戶可全天候查看整個(gè)過程的各個(gè)時(shí)間段的回放基準(zhǔn)點(diǎn)，回放全網(wǎng)路由在什么時(shí)間段發(fā)生了哪些變化。對(duì)于路由歷史事件回放功能，維護(hù)人員可以自由選擇記錄的路由快照作為路由回放起點(diǎn)，觀察這期間路由拓?fù)淝昂髸r(shí)間段發(fā)生的變化，實(shí)現(xiàn)路由故障定位、定點(diǎn)分析。

5 結(jié)束語

超大規(guī)模IP RAN網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜路由管理、路徑優(yōu)化和業(yè)務(wù)質(zhì)量保障等問題一直困擾著網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維人員。本文對(duì)IP RAN網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)進(jìn)行了分析，為了進(jìn)一步提高IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能化管理程度，重點(diǎn)對(duì)SDN開源技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維需求進(jìn)行了深入研究，提出了基于SDN的超大規(guī)模IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)維護(hù)管理的實(shí)際要求對(duì)智能路由管理系統(tǒng)進(jìn)行了定位分析和系統(tǒng)軟件研發(fā)，最終完成了系統(tǒng)功能測(cè)試。研究及測(cè)試結(jié)果表明所研發(fā)的智能路由管理系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由拓?fù)淇梢暬芾怼⒕W(wǎng)絡(luò)路由抖動(dòng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、路由故障告警、TOPN統(tǒng)計(jì)等管理功能，并對(duì)系統(tǒng)的可靠性做了充分的論證。同時(shí)研究內(nèi)容對(duì)進(jìn)一步推動(dòng)IP RAN網(wǎng)絡(luò)向SDN智能網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)提供了重要的指導(dǎo)意義。

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