IP網絡資源利用的研究

趙力力，李 文，蔣元兵，康宗緒，王建兵

（1.重慶金美通信有限責任公司，重慶 400030；2.軍事科學院系統工程研究院，北京 100141）

0 引 言

傳輸控制協議 /網際協議（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP/IP）是不同網絡實體實現信息互通的協議族，在20世紀80年代提出并得到迅速發展，已成為現代因特網基礎和標準協議[1]。只要遵循TCP/IP協議，不同主機、網絡設備之間即使傳輸介質和操作系統各異，也能實現網內或跨網通信[2]。隨著通信技術的迅猛發展，互聯網用戶數量也在急劇增加，網絡不斷興建大量的信息化基礎設施，包括各種各樣的二層交換機、三層交換機、以太網無源光網絡（Ethernet Passive Optical Network，EPON）以及服務器等。此外，大型互聯網公司為了給不同地域的用戶提供低時延高帶寬的可靠服務，在世界各地逐步部署數據服務中心，如Google公司在世界各地部署的數據中心超過30個，這些數據中心內的服務器數量高達4.5×105臺[3]。

近年來，網絡規模日益劇增，網絡流量也在不斷增長，根據思科（Cisco）2017年發布的技術白皮書，到2022年，全球聯網設備數量將達到人口總數的3倍以上[4]。數據中心之上的應用和數據中心之間的同步都會產生巨大的流量，并且傳統的服務器下行數據到客戶端模式逐漸被數據中心同步流量所取代。Cisco的研究報告表明，截至2020年，數據中心內的服務器下行數據流量僅為數據中心同步流量的1/3，同時數據中心之間的流量還在急劇增長，每月能夠達到330 TB至330 PB，這給數據中心供應商產生了數以億計的經濟成本[5]。在這種背景下，廣域網資源利用率成為熱點研究課題。

1 既有成果介紹

目前，解決廣域網資源利用率最成功的方法就是軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）。2006年，斯坦福大學的Clean Slate課題開始研究SDN技術，McKeown N教授的研究團隊提出了OpenFlow的技術概念用于校園網絡的試驗創新[6]。在SDN的概念中，將網絡控制面與轉發面進行分離，網絡狀態被集中控制，底層網絡設備提供統一的管理和編程接口供上層應用使用。2009年，MIT Technology Review雜志將SDN評選為未來十大突破性技術之一[7]。

許多大型互聯網公司都在廣域網中進行了SDN的嘗試，以提高網絡利用率，并取得了顯著的成果。Google采用SDN來改造的就是數據中心之間互聯的廣域網，改造后的網絡被稱為B4網絡[8]。在B4網絡中，每個數據中心都部署物理設備層的物理交換機和局部網絡控制層的控制器，而全局控制層的網關和流量工程（Traffic Engineering，TE）服務器則部署在全局統一的控制地。改造之后B4網絡的鏈路帶寬利用率接近100%，鏈路成本大大降低，網絡服務更加穩定。

微軟公司的軟件驅動廣域網（software-driver Wide Area Network，SWAN）與 B4 系統基本原理類似，同樣利用SDN，通過OpenFlow接口控制開放式網絡設備，采用流量工程算法，實現了數據中心私有廣域網鏈路的高效利用。微軟聲稱，與使用多協議標記交換流量工程（Multi-Protocol Label Switching-TE，MPLS-TE）的58.3%帶寬利用率相比，SWAN帶寬利用率可以達到99%，并且同時提高了數據流轉發的公平性和網絡更新的速度等[9]。

除了SDN技術外，傳統的集成模型技術在流量工程方面具備較好的拓展性和靈活性。利用資源預留 協 議（Resource Reservation Protocol，RSVP） 建 立MPLS-TE隧道，通過多協議標簽交換技術來提高網絡的帶寬利用率[10]。

除了SDN和RSVP外，本文介紹了一種協議無關的源路由技術方法，也可以提高IP數據網絡的資源利用率。

2 設計方法

2.1 設計原則

在IP網絡中，業務數據報文從源節點到目的節點的最優路徑是由單播路由協議計算得出，如果網絡中存在多條傳播路徑，則需要從拓撲數據庫中去掉最優路徑后再次運行最短路徑優先（Shortest Path First，SPF）算法，從而計算出次優路徑。通過SPF算法可以得到網絡內兩個節點之間的最短路徑，其帶來的問題是當網絡中任意一條鏈路狀態發生變化后，將引起全網鏈路數據同步，當業務報文沿著計算出的次優路徑傳輸時會和鏈路狀態泛洪競爭帶寬資源。

基于以上考慮，提出一種協議無關的IP業務數據引流方法，該方法采用泛搜索機制來計算次優路徑，利用嚴格的源路由來引導數據流按照次優路徑傳輸。

2.2 前向路徑探尋

前向路徑探詢示意如圖1所示，當發送終端的數據業務報文進入三層交換機后，通過匹配關鍵字段（源IP地址、目的IP地址、源UDP端口號、目的UDP端口號以及服務類型），引導該數據報文進入CPU的軟件應用程序，啟動根據數據目的IP地址進行前向路徑探尋的過程。前向路徑探尋采用泛洪方式在排除最優路徑指定的出接口后，向三層交換機的其他所有接口發送Explore-Packet（探詢報文）。由源三層交換機維護Explore-Packet的序號，每發送一個Explore-Packet，探詢序號加1。序號作為查詢計數使用，不同的查詢計數因前向消息和后向消息的各種判斷導致處理方式有所不同，如果三層交換機收到的探詢和確認報的序號文小于當前記錄序號，則不進行相關處理。

前向探詢路徑上的所有三層交換機節點收到探尋報文后需要記錄報文中的原節點信息、目的節點信息、序號信息、前向鄰居IP地址、接口信息以及是否發送確認報文，并在收到確認報文時記錄后向鄰居IP地址和接口信息。

前向探詢報文需要攜帶每個發送接口的IP地址信息，以便確認報文正確封裝；后向確認報文需要攜帶每個發送接口的IP地址信息，以便業務端引導數據流使用。

2.3 后向路徑確認

后向路徑確認示意圖如圖2所示。前向路徑探尋的終點是目的節點的網關三層交換機，該節點判斷自身是終點三層交換機的方法是目的節點的IP地址落入直連路由的范圍內。當三層交換機收到前向探詢報文后，向前向路徑的三層交換機依次發送單播后向路徑確認報文。網絡中的中間三層交換機根據后向確認報文攜帶的前向路徑能夠推算出引用的本地信息，獲取前向鄰居信息后向其發送確認報文。每個三層交換機需要保證后向確認消息不會向同一個出接口發送相同的確認消息，這樣才能確保選出的業務次優鏈路不會重合。

圖2 后向路徑確認

2.4 次優路徑確認

結合圖1和圖2所示過程，原始節點終端開始向目的節點終端192.10.14.2發送數據業務。第一跳三層交換機節點A根據五元組信息匹配到相應信息后將符合條件的數據報文進行啟動前向路徑探尋處理。

節點A以目的節點IP地址192.10.14.2進行查詢路由表，取得路由接口，然后向所有非路由接口發送泛洪請求報文。節點C收到此探尋報文后，將報文的源IP地址192.10.11.1的地址記錄下來放入探尋報文后，繼續沿著非路由接口進行泛洪。節點E收到此探尋報文后，將報文的源IP地址192.10.12.1的地址記錄下來放入探尋報文后，繼續沿著非路由接口進行泛洪。節點F收到此探尋報文后，因為192.10.14.2的地址落入直連路由的網段內，判斷自身是終點三層交換機，開始進行后向路徑確認過程。確認報文將依次經過的節點即為前向探尋報文中記錄的節點地址：192.10.13.1、192.10.12.1、192.10.11.1。后向確認報文將按照前向探尋報文的反向進行單播逐級傳遞，最終確認報文到達原始節點A，完成路徑確認，得到完成的路徑為192.10.11.2，192.10.12.2、192.10.13.2。

2.5 路徑維護

三層交換機的前向鄰居信息和后向鄰居信息完整后啟動鄰居維護定時器，維護前向和后向節點的鄰居關系。當鄰居超時脫網后，刪除記錄的鄰居信息。如果前向鄰居超時，則三層交換機直接刪除記錄的鄰居信息；如果是后向鄰居超時，則需要向申請地節點發送鄰居消失通告消息。

2.6 業務引導

業務源通過以上泛搜索機制獲取到次優路徑上的三層交換機IP地址，并通過嚴格源路由方式將用戶業務數據引導至網關設備。嚴格源路由規定IP數據要經過路徑上的每一個路由器，相鄰路由器之間不得有中間路由器，并且經過路由器的順序不可更改。

如圖1和圖2所示，經過前向路徑探尋和后向路徑確認，原始節點A獲取了特定業務的規劃路徑192.10.11.2、192.10.12.2、192.10.13.2。通過嚴格源路由的方式，為特定業務報文封裝特定的IP頭部選項。在IP頭部選項中將整個路徑的IP地址都封裝在里面，然后每個接收節點按照標準的IP頭部選項處理即可。IP數據報文到達目的三層交換機后，將被恢復為原始IP報文，IP頭部選項字段內的內容已被清零，然后繼續按照標準路由的方式將該報文送到目的終端計算機。

3 結 語

本文研究了一種協議無關的與業務主路徑不重合的次優傳輸路徑生成方法，采用源路由方式引導業務報文按照生成的次優路徑從源節點傳輸到目的節點。該方法在次優路徑生成過程中無需獲取全網拓撲，并且不占用主路徑的鏈路帶寬，非常適用于窄帶鏈路構成的網絡。