何曉明 邢亮 盧泉 鄒潔
【摘 要】ChinaNet骨干網(wǎng)流量疏導與優(yōu)化是一項長期的、復雜的系統(tǒng)工程。從ChinaNet骨干網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀出發(fā),深入分析了中國電信ChinaNet骨干網(wǎng)流量疏導和優(yōu)化所面臨的問題和挑戰(zhàn),闡述了SDN具有流量疏導和優(yōu)化的天然適應性。結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)實際情況,自主研發(fā)了一套基于SDN的智能路由反射器的流量調(diào)優(yōu)系統(tǒng),并成功應用于ChinaNet骨干網(wǎng)多個場景的流量疏導與優(yōu)化實踐,取得了預期效果。
【關鍵詞】SDN;ChinaNet骨干網(wǎng);流量疏導與優(yōu)化;智能RR
Application of SDN to Traffic Optimization in ChinaNet Backbone Networks
HE Xiaoming1, XING Liang2, LU Quan1, ZOU Jie1
[Abstract] Traffic optimization of ChinaNet backbone networks is a long-term, complex system engineering. From the status quo of ChinaNet backbone network structure, the problems and challenges faced by traffic optimization in China Telecoms ChinaNet backbone networks are analyzed in depth. The natural adaptability of SDN to optimizing network traffic is elaborated. Combined with the actual situation of existing networks, a set of traffic optimization system based on intelligent route reflector has been developed independently and successfully applied to multiple traffic optimization scenarios of ChinaNet backbone networks with the expected results.
[Key words]SDN; ChinaNet backbone networks; traffic optimization; intelligent route reflector
1 引言
ChinaNet骨干網(wǎng)作為中國電信固定和移動寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的主要承載網(wǎng)絡,已發(fā)展成為全球規(guī)模最大的互聯(lián)網(wǎng)流量承載網(wǎng)。近幾年來,隨著移動互聯(lián)、云計算、大數(shù)據(jù)的飛速發(fā)展,ChinaNet網(wǎng)絡流量一直保持40%的年增長速度,網(wǎng)絡容量每隔兩年增長一倍,目前中國電信ChinaNet骨干網(wǎng)流量已超過80 Tb/s。面對不斷增長的互聯(lián)網(wǎng)流量,網(wǎng)絡擴容固然是緩解骨干網(wǎng)流量壓力的主要手段,但是,骨干網(wǎng)流量疏導和優(yōu)化作為提升網(wǎng)絡資源利用效率,保障互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務服務質(zhì)量不可或缺的輔助手段,已成為網(wǎng)絡運行和維護的一個重要方面。隨著骨干網(wǎng)流量的不斷增長以及網(wǎng)絡持續(xù)擴容,骨干網(wǎng)流量優(yōu)化正面臨日益凸顯的問題和挑戰(zhàn)。
首先從ChinaNet骨干網(wǎng)網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀出發(fā),深入分析中國電信ChinaNet骨干網(wǎng)流量疏導和優(yōu)化所面臨的問題和挑戰(zhàn),闡述了SDN在骨干網(wǎng)流量疏導和優(yōu)化方面所具有的天然適應性。最后介紹中國電信自主研發(fā)的基于智能RR的流量優(yōu)化系統(tǒng),并成功應用于ChinaNet骨干網(wǎng)多個場景的流量疏導與優(yōu)化實踐。
2 ChinaNet骨干網(wǎng)流量優(yōu)化面臨的問題
和挑戰(zhàn)
當前ChinaNet骨干網(wǎng)主要包括核心層和匯接層這兩層。ChinaNet骨干網(wǎng)使用ISIS作為IGP路由協(xié)議,具有獨立的自治域,與CN2、城域網(wǎng)、IDC以及其他運營商網(wǎng)絡間采用BGP進行路由交換。采用路由反射器(RR)技術解決骨干網(wǎng)內(nèi)路由器間IBGP全連接的擴展性問題。骨干網(wǎng)內(nèi)IGP Metric的設置完全依據(jù)節(jié)點間的拓撲位置,符合“最短路徑”原則,與鏈路帶寬無關。這種IGP Metric設計原則帶來的最大好處是方便了網(wǎng)絡擴容,節(jié)點間的鏈路擴容僅僅只是本地的局部行為,對全網(wǎng)的流量流向不會產(chǎn)生任何影響。只要Metric值保持不變,網(wǎng)絡流量流向就具有確定性,跟節(jié)點間中繼帶寬無關。由于省匯接節(jié)點間的Metric值最小,匯接節(jié)點上聯(lián)片區(qū)內(nèi)大區(qū)的普核節(jié)點間的Metric值次之,匯接節(jié)點上聯(lián)片區(qū)內(nèi)超核節(jié)點間Metric值最大,導致省間互訪流量優(yōu)先使用省間直達電路疏導。若省間直達路由不可得,依次使用第一迂回路由(由普核疏導)和第二迂回路由(由超核疏導)進行省間互訪流量疏導。
2.1 ChinaNet骨干網(wǎng)流量優(yōu)化需求分析
ChinaNet骨干網(wǎng)基于拓撲的路由機制,理論上可最大程度地減少流量的迂回,最大化網(wǎng)絡資源利用率,同時也能提升互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務的服務質(zhì)量。這依賴于對全網(wǎng)流量流向的精確預測和網(wǎng)絡資源的合理規(guī)劃,使得節(jié)點間鏈路擴容與流量增長相匹配,進而達到全網(wǎng)負載均衡的理想化狀態(tài)。然而,現(xiàn)實情況是網(wǎng)絡規(guī)劃建設通常以1年為時間周期,這種相對漫長的規(guī)劃時間難以適配互聯(lián)網(wǎng)流量的突發(fā)性和易變性,凸顯出常規(guī)方式下網(wǎng)絡規(guī)劃和擴容的滯后性。因此,骨干網(wǎng)上流量不均衡現(xiàn)象幾乎成為一種常態(tài),表現(xiàn)為一些中繼電路處于擁塞狀態(tài),而另一些中繼電路利用率卻嚴重不足。骨干網(wǎng)上流量疏導和優(yōu)化也就成為近年來的一項繁重的日常維護工作。
當前ChinaNet骨干網(wǎng)存在幾種典型的流量疏導和優(yōu)化需求場景。
(1)城域網(wǎng)/IDC跨域多歸屬上聯(lián)骨干網(wǎng)的負載均衡
中等規(guī)模以上的城域網(wǎng)/IDC一般通過2臺以上出口路由器上聯(lián)骨干網(wǎng)匯接層或核心層的多臺路由器。在出口路由器容量、局向、上聯(lián)鏈速率均相同的情況下,利用現(xiàn)有技術,如等價多徑(ECMP)等,基本可以達到流量在鏈路各個方向的負載均衡。實際情況是各出口路由器在容量、上聯(lián)鏈路速率均存在差異性,在10G、40G、100G多種非等速鏈路共存的環(huán)境下,傳統(tǒng)技術難以實現(xiàn)流量在非等速鏈路間的均衡調(diào)配,需要借助于新的手段和方法。某些大型城域網(wǎng),如上海和重慶,存在與多個省份的大量互訪流量,要求城域網(wǎng)跨省上聯(lián),由此產(chǎn)生了一種新型的“EBGP方式多歸屬跨省上聯(lián)”組網(wǎng)模式,這種組網(wǎng)模式對城域網(wǎng)流量在多個方向負載均衡提出了更高要求??傊瑢崿F(xiàn)多歸屬鏈路的負載均衡是一項復雜的運維任務,需要借助創(chuàng)新的思維和方法來減少維護的工作量。
(2)骨干網(wǎng)互聯(lián)互通流量在多個互聯(lián)點的負載均衡
為提升互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)互通服務質(zhì)量,根據(jù)工信部要求,互聯(lián)互通直聯(lián)點由原來的京滬穗三個擴容到現(xiàn)在的十三個,網(wǎng)絡調(diào)優(yōu)和維護工作量也成倍增加。目前,由于路由策略或路由發(fā)布的不盡合理,仍存在大量流量繞轉(zhuǎn)的非最優(yōu)路徑,廣州和上海的長途及本地互聯(lián)鏈路流量不均衡現(xiàn)象突出。同時,互聯(lián)互通流量需要在新增十個直聯(lián)點與京滬穗互聯(lián)點實現(xiàn)再平衡。人工優(yōu)化調(diào)度方式耗時費力,急需借助于一套自動化流量疏導和優(yōu)化系統(tǒng)來實現(xiàn)流量的動態(tài)優(yōu)化調(diào)度。
(3)國際互聯(lián)網(wǎng)出口層與超核節(jié)點間的負載均衡
京滬穗國際互聯(lián)網(wǎng)出口層節(jié)點(I)分別上聯(lián)ChinaNet骨干網(wǎng)核心層的京滬穗超核節(jié)點(C),由于各片區(qū)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務發(fā)展的不平衡導致京滬穗C-I間負載分擔不均。如北京C-I鏈路利用率相對偏低,而上海C-I鏈路持續(xù)擁塞,需要實現(xiàn)京滬穗C-I鏈路流量均衡的靈活配置,提升承載效率,改善國際互聯(lián)網(wǎng)訪問體驗。另一方面,也需要為有高質(zhì)量要求的VIP客戶提供優(yōu)于普通客戶的業(yè)務體驗,為這些客戶選擇更佳的國際互聯(lián)網(wǎng)訪問路徑(較小的傳輸延時和丟包)。一套靈活可定制化的流量調(diào)度系統(tǒng)可大幅提高運維的工作效率。
(4)骨干中繼鏈路的流量均衡
當前ChinaNet骨干網(wǎng)核心到核心(C-C)及匯接到核心(C-D)中繼鏈路均存在流量不均現(xiàn)象,部分中繼鏈路擁塞,部分中繼鏈路的利用不足。理論上,這種流量不均衡可以通過適時的鏈路擴容來解決。由于網(wǎng)絡擴容的滯后性,需要一套靈活的流量疏導和優(yōu)化系統(tǒng)快速調(diào)整網(wǎng)絡流量,實現(xiàn)全網(wǎng)流量在各中繼鏈路的動態(tài)均衡。
2.2 傳統(tǒng)流量優(yōu)化技術的局限性
由于互聯(lián)網(wǎng)流量的突發(fā)性和動態(tài)變化的特征,所有的流量統(tǒng)計數(shù)據(jù)只能反映互聯(lián)網(wǎng)流量歷史變化,難以精確預測未來較長一段時間的流量變化趨勢。因此,基于流量預測數(shù)據(jù)模型的網(wǎng)絡規(guī)劃和擴容難以匹配真實的網(wǎng)絡流量。從這個意義上來講,ChinaNet骨干網(wǎng)內(nèi)流量本質(zhì)上是不均衡的,這就決定了網(wǎng)絡優(yōu)化是一項持續(xù)性的日常工作。
IGP Metric確定了網(wǎng)絡流量流向,而網(wǎng)絡拓撲位置決定了Metric值的大小。因此,若在全網(wǎng)拓撲未發(fā)生變化的前提下輕易修改IGP Metric值,可能造成全網(wǎng)流量流向失控,進而嚴重影響網(wǎng)絡業(yè)務的服務質(zhì)量。
ChinaNet骨干網(wǎng)核心功能是疏導城域網(wǎng)與城域網(wǎng)之間以及城域網(wǎng)與IDC之間的業(yè)務流量,骨干網(wǎng)本省并不產(chǎn)生流量。而城域網(wǎng)/IDC的用戶路由和業(yè)務路由完全通過BGP來傳遞,因此,互聯(lián)網(wǎng)流量疏導主要取決于BGP選路策略。在存在路由反射器(RR)的大規(guī)模網(wǎng)絡環(huán)境下,根據(jù)標準BGP選路原則,RR在收到同一目的地網(wǎng)絡的具有相同路由優(yōu)先級屬性多條路由時,優(yōu)選距離發(fā)送通告路由的最近路由器作為該路由的下一跳,并向全網(wǎng)路由器反射,而不是把數(shù)據(jù)源路由器到發(fā)送路由通告的路由器中具有最短距離的那個路由器作為該路由的下一跳,這種依據(jù)RR到通過路由器的最短IGP度量的局部選路觀容易產(chǎn)生次優(yōu)路徑。BGP虛擬下一跳技術雖然能夠彌補RR選路的不足,但是卻增加了網(wǎng)絡配置和運維的復雜度。
3 SDN具有流量疏導與優(yōu)化的天然適應性
傳統(tǒng)IP網(wǎng)絡基于分布式路由計算的網(wǎng)絡架構(gòu),每臺路由器運行統(tǒng)一標準的路由協(xié)議,根據(jù)收集到的全網(wǎng)拓撲信息形成全局一致的拓撲數(shù)據(jù)庫,然后以自身作為根節(jié)點,基于全網(wǎng)一致的路徑最短算法計算全網(wǎng)各個節(jié)點到根節(jié)點的最短距離,標準路由協(xié)議確保了路徑選擇的一致性和環(huán)路避免。這種基于“最短路徑優(yōu)先”的算法導致最優(yōu)路徑過度使用而發(fā)生擁塞,而次優(yōu)路徑因得不到充分利用被閑置。SDN可望解決路由協(xié)議的局限性。
SDN秉承“集中控制”的思想理念,目標是實現(xiàn)網(wǎng)絡設備控制功能與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能完全分離,由集中控制器實現(xiàn)全網(wǎng)拓撲的自動發(fā)現(xiàn),并為每一跳節(jié)點計算路徑。同時,具備開放接口及網(wǎng)絡可編程能力使得網(wǎng)絡能更快速地感知業(yè)務,根據(jù)業(yè)務需求實現(xiàn)網(wǎng)絡可定制化服務。這種全新的網(wǎng)絡架構(gòu)帶來的最大好處是集中控制器具有全局流量觀及全網(wǎng)的資源利用視圖,能實時發(fā)現(xiàn)各鏈路的帶寬利用情況,因此能基于每個業(yè)務流的源、宿端位置以及QoS需求(包括帶寬、時延、丟包),并結(jié)合各鏈路負載情況來確定合適的路徑。因此,SDN技術在實現(xiàn)流量工程和負載均衡方面具有天然優(yōu)勢,目前基于SDN的應用案例主要聚焦在網(wǎng)絡流量優(yōu)化,提高資源利用率等方面。
SDN實現(xiàn)流量疏導和優(yōu)化可以概括為以下三個基本特點。
(1)業(yè)務流路徑選擇的可編程性
集中控制器可以根據(jù)自定義策略規(guī)則為不同業(yè)務流選擇不同路徑,提升網(wǎng)絡服務的差異化水平。比如,為時延敏感的業(yè)務選擇最短路徑,為丟包敏感的業(yè)務選擇鏈路利用率低的路徑,為地域敏感的業(yè)務選擇指定路徑,避開某些存在安全隱患的節(jié)點和鏈路。極大地提高了路徑選擇的靈活性。
(2)流量優(yōu)化調(diào)整的動態(tài)性和實時性
由于互聯(lián)網(wǎng)流量本身具有的突發(fā)性和難以預測性特征,以及像體育賽事或熱點視頻節(jié)目等突發(fā)事件,導致業(yè)務流量在特定局向的大爆發(fā)。之前該局向的規(guī)劃帶寬無法承載這種突如其來的洪流,集中控制器可以很好地應對這種突發(fā)性事件,及時把部分流量遷移到相對輕載的鏈路上,大大提高了傳統(tǒng)人工優(yōu)化方式的時效性。
(3)流量優(yōu)化的自動化和精細化
集中控制器依據(jù)全網(wǎng)流量流向的可視化以及鏈路帶寬利用率的可視化數(shù)據(jù),并基于多目標優(yōu)化算法自動平衡全網(wǎng)流量,可實現(xiàn)流量的精細化調(diào)度,避免了人工優(yōu)化方式的低效和盲目性。
4 智能RR在ChianNet骨干網(wǎng)絡流量優(yōu)化的
應用實踐
4.1 基于SDN的智能RR流量調(diào)優(yōu)系統(tǒng)
盡管涌現(xiàn)出多種SDN技術流派,但目前還尚未有可運用于運營商大規(guī)模網(wǎng)絡的商用案例。一方面需要利舊現(xiàn)有的網(wǎng)絡設備,另一方面需要尋求可平滑演進的SDN技術。ChinaNet骨干互聯(lián)網(wǎng)流量疏導主要取決于BGP選路策略,由于RR擁有全網(wǎng)用戶和業(yè)務路由,如果再輔以全局拓撲和流量視圖,那么對于同一個目的地網(wǎng)絡多條路由,根據(jù)自定義策略為不同路由器反射不同的下一跳,同樣可以達到SDN靈活選路的效果,克服基于標準BGP選路的不足?;谶@個思路,研發(fā)了基于SDN的智能RR流量調(diào)優(yōu)系統(tǒng)。
智能RR流量調(diào)優(yōu)系統(tǒng)是對現(xiàn)有中國電信IP骨干網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)的改造和升級。在原有系統(tǒng)的基礎上增加了流量分析管理模塊、策略管理模塊、智能路由控制模塊、流量仿真模塊以及人機友好應用界面等五個核心部件。圖1是智能RR流量調(diào)優(yōu)系統(tǒng)的示意圖。
(1)流量分析管理模塊
基于SNMP收集全網(wǎng)鏈路的流量數(shù)據(jù),實現(xiàn)流量歷史曲線的可視化。基于NetFlow收集全網(wǎng)流量流向數(shù)據(jù),實現(xiàn)各省份、各城域網(wǎng)以及各IDC等多個維度的流量流向可視化。提供全網(wǎng)各中繼鏈路、各局向的流量TOP N數(shù)據(jù)。
(2)策略管理模塊
制定多種流量疏導和優(yōu)化策略,比如為特定業(yè)務流指定優(yōu)選路徑,根據(jù)業(yè)務流的QoS需求選擇路徑,基于多種約束條件的路徑優(yōu)化算法,流量自動優(yōu)化調(diào)節(jié)的觸發(fā)條件(如鏈路利用率門限、鏈路利用率偏差、時延和丟包的容忍度等)。
(3)智能路由控制模塊
收集全網(wǎng)拓撲及路由信息,根據(jù)流量分析數(shù)據(jù)及策略信息進行路徑優(yōu)化選擇,按需向相關路由器反射優(yōu)選路由,支持人工或自動方式實現(xiàn)全網(wǎng)流量工程和負載均衡。
(4)流量仿真模塊
智能路由控制模塊對被疏導的流量選擇路徑后,這部分流量將遷移到新的中繼鏈路上,受影響的鏈路是否有足夠的空余帶寬來承載這部分新增流量而不會導致鏈路擁塞,還需要流量仿真模塊進行仿真確認,只有通過仿真確認的優(yōu)化路徑才能夠由智能RR向相關路由器反射。
(5)人機友好應用界面
提供流量流向可視化及策略定制界面,方便維護人員制定路徑優(yōu)化策略,為有需要的業(yè)務流選擇優(yōu)化的路徑,對自動優(yōu)化的路徑進行人工確認。
4.2 案例分析
智能RR流量調(diào)優(yōu)系統(tǒng)已在ChinaNet骨干網(wǎng)開展現(xiàn)網(wǎng)試點,主要用于國際互聯(lián)網(wǎng)出口層與超核節(jié)點間的負載均衡、部分骨干中繼鏈路的流量均衡、骨干網(wǎng)互聯(lián)互通流量在多個互聯(lián)點的負載均衡等多個流量優(yōu)化場景,達到了預期效果。限于篇幅,本文僅以骨干網(wǎng)互聯(lián)互通流量優(yōu)化場景為例進行介紹和分析。
目前在七個新增互聯(lián)節(jié)點與原京滬穗互聯(lián)節(jié)點的互聯(lián)鏈路存在流量不均衡,需要在遵循中國電信和其他運營商所簽訂的互聯(lián)互通協(xié)議的條件下,提出流量均衡調(diào)整策略,實現(xiàn)入方向流量在七個互聯(lián)節(jié)點的負載均衡。
本方案基本實現(xiàn)原理是精細化控制不同地址前綴在多個互聯(lián)點向外網(wǎng)通告達到入方向流量的均衡分配。智能RR把收集到的全網(wǎng)路由按省份、城域網(wǎng)進行分類。流量分析管理模塊統(tǒng)計到各省份和城域網(wǎng)訪問其他運營商網(wǎng)絡的入方向流量歷史和實時數(shù)據(jù),并對各省份和各城域網(wǎng)的流量大小進行排序,流量分析管理模塊同時還統(tǒng)計到互聯(lián)互通鏈路的利用情況。策略管理模塊給出流量疏導和優(yōu)化的觸發(fā)條件:如鏈路利用率上限小于80%,鏈路利用率偏差小于20%。當滿足流量優(yōu)化條件時,系統(tǒng)基于各省份/城域網(wǎng)的流量大小,挑選合適的省份/城域網(wǎng)的地址前綴,更改它們向外網(wǎng)通告的互聯(lián)點。這樣便達到了流量調(diào)整的目的。
圖2中,智能RR僅與七個互聯(lián)互通路由器(E)建立BGP連接,智能RR向E路由器反射攜帶特定團體屬性(Community)標記的待調(diào)整路由,并為這些待調(diào)整路由設置比普通RR更高的本地優(yōu)先級屬性(Local Preference),在E路由器上預配置Community匹配命令(如if match community1,set MED=小值;if match community2,set MED=大值)。當E路由器接收到來自智能RR的路由與預配置命令相匹配時,通過修改對應的多出口鑒別屬性(MED)來影響入方向流量路徑。沒有匹配上的路由(普通RR反射的路由)仍然依照原來的規(guī)劃路徑疏導流量。圖2中,實線代表調(diào)整前的城域網(wǎng)流量路徑,虛線代表調(diào)整后的流量路徑。表1給出了互聯(lián)互通流量調(diào)整前后的互聯(lián)節(jié)點鏈路利用率對比情況(表中流標識代表某個城域網(wǎng))。
5 結(jié)束語
ChinaNet骨干網(wǎng)流量疏導與優(yōu)化是一項長期的、復雜的系統(tǒng)工程,科學而富有前瞻性的網(wǎng)絡規(guī)劃和流量預測固然能減輕骨干網(wǎng)流量疏導和優(yōu)化的繁重任務,但不能以單純網(wǎng)絡擴容來代替網(wǎng)絡優(yōu)化這項日常運維工作。好的網(wǎng)絡優(yōu)化方法和手段不僅要求能達到良好的流量優(yōu)化效果,而且能簡化網(wǎng)絡運維,減少人力成本。SDN具有業(yè)務流路徑選擇的可編程性、流量優(yōu)化調(diào)整的動態(tài)性和實時性、流量優(yōu)化的自動化和精細化的這些特點,這決定了它具有流量疏導和優(yōu)化的天然適應性。由于當前SDN技術和產(chǎn)品仍處于快速發(fā)展中,沒有可以遵循的標準和規(guī)范,全球運營商正在積極探索和實踐可應用于運營商大規(guī)模網(wǎng)絡的SDN技術。秉持務實創(chuàng)新的精神,中國電信自主研發(fā)的基于智能RR的流量優(yōu)化系統(tǒng)成功應用于ChinaNet骨干網(wǎng)多個場景的流量疏導與優(yōu)化實踐,取得了預期效果,這是中國電信依托現(xiàn)網(wǎng)開展自主研發(fā)的一次有益嘗試。在后續(xù)的實踐和研發(fā)工作中,將進一步完善流量優(yōu)化系統(tǒng)的軟件框架、接口規(guī)范、功能性能以及擴展性等各個方面,使之成為真正應用于運營商大規(guī)模網(wǎng)絡可商用化的流量優(yōu)化系統(tǒng)。
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