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)，通過實驗測試表明所研發(fā)的智能路由管理系統(tǒng)能實現(xiàn)全局網(wǎng)絡(luò)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(xù)簡化網(wǎng)絡(luò)運維具有重要的指導(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：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(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)與LTE移動承載網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模部署與快速發(fā)展，以中國移動的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)模地進行建設(shè)部署。IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益龐大，作為運營商如何為客戶提供高速協(xié)同接入、高效運維管理、質(zhì)量按需保障的業(yè)務(wù)差異化服務(wù)，這也是運營服務(wù)商網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的“啞管道”向精細化的“智能管道”轉(zhuǎn)變的動力源泉[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來實現(xiàn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，并且運維人員在沒有經(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)是一種動態(tài)的、智能的網(wǎng)絡(luò)。路由協(xié)議的動態(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]。針對超大規(guī)模的IP RAN網(wǎng)絡(luò)維護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)提供者有必要針對自己網(wǎng)絡(luò)的特性，對IP網(wǎng)絡(luò)路由實現(xiàn)智能化管理進行深入的應(yīng)用研究，實現(xiàn)對IP RAN超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)路由狀態(tài)進行觀察、監(jiān)控、分析。

2 IP RAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及面對的問題

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。對于匯聚層B設(shè)備，主要實現(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，對于超大規(guī)模IP RAN網(wǎng)絡(luò)路由管理和維護將會出現(xiàn)以下幾個問題：

（1）超大規(guī)模的IP RAN網(wǎng)絡(luò)路由管理

未來5G時代IP RAN網(wǎng)絡(luò)需要接入更多基站、承載帶寬更大、時延要求更低、網(wǎng)絡(luò)調(diào)度能力更智能。因此對IP RAN承載網(wǎng)而言，整張網(wǎng)絡(luò)路由數(shù)量也會對應(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，路由收斂速度直接影響到整張網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，進一步增加了運維人員排除網(wǎng)絡(luò)障礙的難度。

（2）多種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議維護

IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間運行了多種網(wǎng)絡(luò)路由協(xié)議，比如IGP、BGP、IBGP、MPLS VPN路由信息等。當網(wǎng)絡(luò)間路由抖動或部分路由發(fā)生異常時，通過傳統(tǒng)網(wǎng)管展現(xiàn)的物理鏈路拓撲已經(jīng)無法監(jiān)測邏輯路由的變化，因此無法準確定位網(wǎng)絡(luò)故障的根源，很難監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量以及缺少對VPN路由管理的監(jiān)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(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)計理念對IP RAN網(wǎng)絡(luò)中海量網(wǎng)元進行統(tǒng)一性管理，掌握全局網(wǎng)絡(luò)路由信息，實現(xiàn)全網(wǎng)IGP、BGP路由拓撲可視化管理、路由抖動監(jiān)測、故障報表、VPN路由時間監(jiān)測、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，同時也為整個通信領(lǐng)域的后續(xù)發(fā)展和演進提供了技術(shù)支持和方向選擇，是簡化網(wǎng)絡(luò)管理和運維最為理想的實現(xiàn)方式。本文針對上述幾個問題，重點對IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)中路由管理問題進行研究，并根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的實際要求對研發(fā)的路由管理系統(tǒng)進行了實驗測試，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網(wǎng)絡(luò)的通信。對于剛接觸IP RAN網(wǎng)絡(luò)維護的人員來講，現(xiàn)有的簡單運維技術(shù)還無法準確對網(wǎng)絡(luò)路由抖動及故障進行定位，也沒有一套完整的分析系統(tǒng)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)進行整合和挖掘分析。

在IP網(wǎng)絡(luò)中網(wǎng)絡(luò)路由具有動態(tài)性、可變性等特點，本文對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)特點及路由特征進行分析，確定基本的路由管理系統(tǒng)實施方案。以SDN技術(shù)理念為指導(dǎo)，初步設(shè)計了基于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)計中根據(jù)路由管理功能要求，確定各模塊功能并對其進行開發(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)換成對應(yīng)的圖形界面及按鈕形式展現(xiàn)給運維人員?？梢詫崿F(xiàn)路由全局邏輯拓撲視圖，在該視圖上可以實時動態(tài)地監(jiān)測路由狀態(tài)、路由抖動、故障分析報表、路由快照回放、VPN路由監(jiān)測等功能。

（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。該層主要是實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)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(shè)備的支持能力及要求，系統(tǒng)設(shè)計方案可以有兩種實現(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準的REST北向接口上報全局路由信息給控制層[2]，實現(xiàn)全網(wǎng)路由監(jiān)測。

（3）基礎(chǔ)設(shè)施層：主要是被監(jiān)測物理網(wǎng)絡(luò)的路由器設(shè)備，在路由器中運行了各種路由協(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

（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(xié)議啟動，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心跳報文；

步驟2：若3次發(fā)出Hello后未收到控制層中心管理平臺發(fā)送Hello報文，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時代理路由器模塊不處理任何數(shù)據(jù)上報消息，直到TCP連接狀態(tài)變?yōu)閁P為止；

步驟4：當控制層的中心管理平臺啟動并發(fā)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(xié)議模塊請求網(wǎng)絡(luò)路由信息，并全量上報路由（狀態(tài)）信息。

（2）控制層中心管理平臺主動請求數(shù)據(jù)上報流程

步驟1：代理路由器仿真節(jié)點在IP RAN智能路由管理系統(tǒng)啟動后，會主動與路由管理系統(tǒng)進行會話通信，完成會話后，主動上報網(wǎng)絡(luò)路由信息；

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

步驟3：代理路由器節(jié)點根據(jù)請求消息向內(nèi)部協(xié)議請求相應(yīng)數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)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(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，中心管理平臺向路由模塊發(fā)送請求上報路由狀態(tài)信息，本地路由代理進程將路由狀態(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)議標準封裝成標準的TCP數(shù)據(jù)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(qū)域網(wǎng)絡(luò)邏輯拓撲結(jié)構(gòu)，在監(jiān)控管理平臺以可視化的網(wǎng)絡(luò)圖形展現(xiàn)給維護人員。該平臺還能根據(jù)鏈路監(jiān)測要求對鏈路路由拓撲進行實時分析。

4 基于SDN的IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能路由系統(tǒng)驗證實驗

4.1 驗證系統(tǒng)性能網(wǎng)絡(luò)仿真測試

為了驗證系統(tǒng)的基本功能是否滿足路由的可視化監(jiān)測以及動態(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，節(jié)點數(shù)量為4000個，模擬一個完整的網(wǎng)絡(luò)模型。該模型中主要分為三層：接入層、匯聚層、核心層，具體測試網(wǎng)絡(luò)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(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(shù)據(jù)格式主動上報給中心管理平臺數(shù)據(jù)中心，從而實現(xiàn)實時的路由拓撲視圖。當域內(nèi)或域間路由發(fā)生變化時，路由代理監(jiān)控到路由變化，應(yīng)用層能動態(tài)地展示路由抖動狀態(tài)，并保存原有路由狀態(tài)信息，實現(xiàn)路由抖動監(jiān)控和路由狀態(tài)統(tǒng)計。

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

在智能路由管理系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)可視化查詢路由狀態(tài)的變化情況，該系統(tǒng)能完成全局路由拓撲信息視圖展示、路由統(tǒng)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(jié)果1：全網(wǎng)路由拓撲及路由抖動實時展現(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)進行封裝。然后由智能監(jiān)控平臺處理后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為可視化的方式實時展示給網(wǎng)絡(luò)維護者和相關(guān)使用用戶，同時系統(tǒng)支持實時刷新加載網(wǎng)絡(luò)中新增的路由邏輯拓撲管理。根據(jù)圖4的要求進行網(wǎng)絡(luò)部署，登錄系統(tǒng)點擊對應(yīng)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(fā)生抖動時該界面視圖會產(chǎn)生紅線（閃動）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）測試結(jié)果2：鏈路路由故障告警統(tǒng)計展示

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，將對應(yīng)的路由關(guān)鍵標識存入到后臺的數(shù)據(jù)庫中，用戶只要在系統(tǒng)界面點擊對應(yīng)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(jiān)測信息以TOPN的報表形式呈現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)維護人員面前。

（3）測試結(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間間隔來定期生成路由拓撲快照并存儲在系統(tǒng)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(nèi)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(wǎng)路由在什么時間段發(fā)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(fā)生的變化，實現(xiàn)路由故障定位、定點分析。

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)運維人員。本文對IP RAN網(wǎng)絡(luò)特點進行了分析，為了進一步提高IP RAN網(wǎng)絡(luò)智能化管理程度，重點對SDN開源技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)運維需求進行了深入研究，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)計方案。根據(jù)網(wǎng)絡(luò)維護管理的實際要求對智能路由管理系統(tǒng)進行了定位分析和系統(tǒng)軟件研發(fā)，最終完成了系統(tǒng)功能測試。研究及測試結(jié)果表明所研發(fā)的智能路由管理系統(tǒng)能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)路由拓撲可視化管理、網(wǎng)絡(luò)路由抖動實時監(jiān)測、路由故障告警、TOPN統(tǒng)計等管理功能，并對系統(tǒng)的可靠性做了充分的論證。同時研究內(nèi)容對進一步推動IP RAN網(wǎng)絡(luò)向SDN智能網(wǎng)絡(luò)演進提供了重要的指導(dǎo)意義。

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