基于SDN的大型IP網絡BGP路由優化方案

唐宏，朱華虹，曹維華，鄒潔

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

基于SDN的大型IP網絡BGP路由優化方案

唐宏，朱華虹，曹維華，鄒潔

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

針對IP骨干網路由規模大、路徑多、重疊度高而易繞轉的問題，在分析傳統BGP路由選路機制缺陷的基礎上，采用SDN控制技術，提出了一種支持傳統路由設備和OpenFlow設備的路由反射優化方法，并給出了具體實現算法及部署方案。典型應用場景的測試結果表明，國際訪問時延平均縮短了30%，驗證了方法的有效性。

軟件定義網絡；OpenFlow；邊界網關協議；OpenDaylight

1 引言

近年來，隨著產業變革和新技術的發展，互聯網迅速成為影響社會經濟發展、改善人民生活品質的重要基石。互聯網應用不斷豐富，寬帶用戶數高速增長，尤其是“寬帶中國”戰略進一步促進了寬帶網絡能力的躍升，網絡流量每年以60%的速度高速增長，給IP骨干網運營帶來巨大的挑戰。互聯網路由條目數不斷增加，但受限于傳統分布式的路由算法以及匱乏的整體網絡拓撲，大量的重疊路由導致流量繞轉、用戶感知下降等問題。因此，隨著骨干網規模的增加及流量的增長，如何優化路由選路策略成為一個重要而有價值的研究課題。

軟件定義網絡（software defined networking，SDN）技術［1］為骨干網路由優化提供了有效手段，但骨干網設備數量多、改造成本高，全網設備的升級替換較為困難，需要考慮兼容現有設備能力的解決方案。本文在分析現有路由反射器選路機制缺陷的基礎上，提出了一種基于源和目的地址的路由反射優化方法，并給出了骨干網部署方案。最后，在典型應用場景下進行測試，驗證了方法的有效性。

2 傳統路由反射器路由選路機制

邊界網關協議（border gateway protocol，BGP）［2］是 一種自治系統間的動態路由發現協議，它的基本功能是在自治系統間自動交換無環路的路由信息，通過交換帶有自治系統號（AS）序列屬性的路徑可達信息，構造自治區域的拓撲圖，從而消除路由環路并實施用戶配置的路由策略。在大規模網絡中，通過部署路由反射器來減少對等體連接關系，如圖1所示。路由反射器收到多個指向同一IP地址前綴但下一跳不同的路由信息，路由反射器按照BGP路由選擇機制來確定最優路由，也就是選擇下一跳，然后轉發給客戶機和非客戶機。選路的規則如下［3］：

（1）如果next-hop無法到達，則不考慮；

（2）首選具有最大weight的路由（Cisco特有）；

（3）如果路由具有相同 weight，則使用本地優先級最高的路由；

（4）如果具有相同本地優先級，則首選來自本身路由器的BGP路由；

（5）如果沒有來自本身路由器上的BGP路由，則選擇AS長度最短的路由；

（6）如果所有的路由具有相同的AS長度，則選擇具有最低origin code的路由；

（7）如果origin code相同，則選擇MED值最小的路由；

（8）如果MED相同，則首選外部路由，而不是內部路由；

（9）如果仍然相同，選擇最近的IGP鄰居的路由；

（10）如果仍然相同，選路由器ID最小的路由；

（11）如果仍然相同，選cluster_list最短的路由。

圖1 路由反射示意

因此，從客戶機角度看，經過路由反射器選擇后的下一跳可能不是最佳選擇——只是距離路由反射器最近的路由，而不是源和目的地址間距離最近的路由，導致次優路由的產生，如圖2所示。

圖2中，上海客戶機和廣州客戶機1都有ICP的路由prefix 1，并將該條路由向路由反射器進行通告。路由反射器根據 BGP選路規則進行選路，當（1）～（8）的屬性都相同，無法判斷時，根據規則（9）選擇距離自身IGP最近的上海客戶機作為下一跳反射給所有客戶機，導致廣州客戶機2接入的用戶經上海訪問prefix 1，造成路由繞轉。

圖2 路由繞轉示意

3 基于源和目的地址的路由反射方法

3.1 基于源和目的地址的路由反射方法

傳統路由反射器的選路規則在（9）中是從路由反射器自身角度計算到下一跳的IGP最短距離，因此所有的客戶機都將收到同樣的路由，對于某些客戶機來說，該路由并非最優路徑。在很多情況下，可能導致流量的繞轉，造成時延增大，用戶感知下降。針對該問題，IETF也有相關草案，路由器支持add-path功能［4］，反射器反射多條路由，由客戶機自行計算最佳路由。考慮目前互聯網路由數量超過50萬條［5］，且波動較大，因此，對反射器的性能要求較高，客戶機需要接收的路由條目也較多，實際應用中實施困難。為此，對該條選路規則進行修改，路由反射器反射路由時，對不同的客戶機計算客戶機到下一跳的IGP最短距離，從而選擇源和目的地址間的路徑最短路由。基于OpenFlow技術［6］，在網絡中部署 OpenFlow控制器，對不同的設備下發不同的流表實現最優路徑的選擇。圖3為OpenFlow 1.3［7］的流表結構，對于相同的路由前綴，針對不同的客戶機計算其與各下一跳之間的IGP距離，選擇距離最小的下一跳作為最優路由下發流表。

然而，在骨干網中，仍然存在大量傳統路由設備，對OpenFlow的支持有限。為了在現網中實現該方法，依然需要考慮基于BGP對網絡設備進行控制。控制器主要包含狀態信息采集、數據中心、策略管理、網絡建模、統一計算以及指令適配模塊，具體如圖4所示。

狀態信息采集模塊采集IP骨干網拓撲及網絡基礎設施和互聯網業務路由、業務流量流向和業務質量等信息數據，同時將這一系列的大數據入庫到數據中心；統一計算模塊從 BGP路由表中選出上述選路規則中（1）～（8）全相同的路由條目，同時計算設備間IGP metric矩陣，并對不同的客戶機計算下一跳IGP最短的最優路徑；經路由仿真模塊驗證策略后，最后進行統一下發。主要算法實現如下所示。

步驟1 從當前BGP路由表查找選路規則（1）～（8）中路由屬性相同（如 local-preference、MED、AS path length）的路由，即經過路由反射器可能產生非優選的路由。

圖3 OpenFlow 1.3流表結構

圖4 控制器主要功能

步驟2 將步驟1中查到的路由數據復制到數據表BGP prefix中（先清空BGP prefix中已有數據，再寫入）。

步驟3 由于BGP路由更新頻繁，為了便于比較更新的路由，數據表prefixSnap用于存放以前采用步驟1獲取的路由。將BGP prefix表中的prefix與數據表prefixSnap中的prefix進行比較，如果相同，說明路由沒有更新，不做處理；如果不同，則將BGP prefix表中的prefix增量更新到數據表prefixSnap中。

步驟4 采集當前網絡中IGP拓撲信息，生成設備間IGP metric矩陣。

步驟5 獲取當前控制器的客戶機列表igpDevMetric，為了便于比較更新的拓撲，peerIpMetricSnap用于存放以前采集的客戶機列表。將igpDevMetric與peerIpMetricSnap進行比較，如果相同，說明拓撲沒有更新，不做處理；如果不同，則將igpDevMetric增量更新到peerIpMetricSnap中。

步驟6 獲取peerIpMetricSnap中的客戶機列表，針對每個客戶機，分別以該客戶機為根節點，基于IGP metric矩陣，采用SPF算法，對數據表prefixSnap中的相同prefix計算根節點到各下一跳的metric，將metric最小的下一跳作為該prefix的優選路由。

步驟7 無論是否需要進行配置下發，都將上述最優路由進行統計，并將其放入數據表WorkStatus中。

3.2 網絡部署方案

軟件定義網絡技術為傳統IP的優化提供了重要手段，然而，IP網絡全面實現軟件自主定義還有很長的過程。首先是技術的成熟度還不適合大規模現網運營的要求，如高可靠性、高安全性以及電信級SLA要求；其次，現網設備的技術支持能力也成為應用推廣的關鍵。考慮到骨干網仍然以傳統網絡設備為主及新技術引入的可能風險，網絡中的部署方案以增量疊加為主：在網絡中部署SDN控制器，支持OpenFlow和BGP，對傳統設備采用BGP的更新方式，對OpenFlow設備下發流表進行控制。其部署方案如圖5所示。

控制器與路由反射器、相關的客戶機建立IBGP鄰居關系，并僅接收路由反射器反射的路由，同時獲取IGP metric矩陣信息。結合BGP路由數據庫及鏈路狀態數據庫，提取多路徑路由，計算源到路由接收段之間的SPF計算，針對不同的客戶機提取最優路徑，經校驗路由可達后分別對不同的客戶機反射相關路由，或者下發流表，具體算法見第3.1節中的描述。客戶機同時收到傳統路由反射器及控制器的路由，根據BGP選路信息可以進一步得到最佳路徑，放入路由表。該部署方案的好處在于，如果控制器發生故障或者計算錯誤，可以直接退出服務，原有IP地址仍然起效，不會對網絡運營造成巨大影響。為了更好地對全網路由進行維護和監控，系統提供了相關的展示功能，如圖6所示。

路由表中的數據可以按 “路由前綴”（prefix字段）、歸屬AS（destAS字段）、next-hop進行查詢及顯示，方便人員進行操作。

圖5 網絡部署方案

圖6 多路徑路由發布界面

4 測試結果分析

SDN控制器主要是一個軟件實體，目前主流的開源控制器主要有NOX、POX、Ryu等。本文提出的控制器主要基于 OpenDaylight開源平臺［8］實現，采用 OSGI框架和 Java開發，南向支持SNMP、BGP、OpenFlow等協議，北向提供RESTful接口［9］，便于實現開放性。

測試的典型場景如圖5所示，大量ICP會在多地接入骨干網，例如從上海、廣州兩地的ASBR均擁有ICP的路由，經骨干網路由反射器后只優選一條下一跳為上海節點的路由進行反射，導致廣州接入段的用戶需要繞轉到上海節點訪問ICP，造成時延增加，用戶體驗下降。尤其在國際網絡環境下，繞轉的距離將大幅度增加，從而裂化訪問質量。在骨干網（100多臺路由器，50萬多條互聯網路由）中部署SDN控制器，采用本文所提方法采集全網拓撲信息和路由數據，針對廣州客戶機2，計算出到達ICP的最優路徑為廣州客戶機1，于是對廣州客戶機2下發下一跳為廣州客戶機1的ICP路由，實現路由最優化，降低單向訪問時延約15 ms，如圖7所示。進一步地，國際訪問時延平均可降低30%。測試結果表明，本文方法可實現路由端到端優化，提高互聯網訪問質量，驗證了方法的可行性。

5 結束語

SDN作為一種優化和簡化網絡操作的體系結構方式，具有更大的靈活性和敏捷性，為基礎互聯網設施提供了智能化選擇，成為當前網絡領域最熱門和最具發展前途的技術之一。本文針對BGP的缺陷導致IP骨干網路由不佳、流量繞轉問題，提出了一種基于SDN的路由反射方法，并給出了網絡規模部署方案。測試結果表明，新方法可減少流量繞轉情況，國際互聯網訪問質量可大幅度提升，證明了方法的有效性。然而，SDN作為一項系統工程，仍有大量的技術研發及實例化工作，后續將進一步完善控制器功能，實現網絡的高質量運營。

圖7 優化前后訪問時延結果對比

［1］張朝昆，崔勇，唐翯祎，等.軟件定義網絡（SDN）研究進展［J］.軟件學報，2015，26（1）：62-81.ZHANG C K，CUI Y，TANG H Y，et al.State-of-the-art survey on software-defined networking （SDN）［J］.Journal of Software，2015，26（1）：62-81.

［2］李道豐，王高才，王志偉，等.標準模型下可證明安全的BGP路由屬性保護機制［J］.計算機學報，2015，38（4）：859-871.LI D F，WANG G C，WANG Z W，et al.Provable secure mechanism for BGP path protection in the standard model［J］.Chinese Journal of Computers，2015，38（4）：859-871.

［3］徐建鋒，朱華虹.改進BGP實現大型復雜IP網絡的負載均衡［J］.電信科學，2004，20（10）：15-19.XU J F，ZHU H H.Load sharing implementation in large complicated IP networks by improving BGP ［J］.Telecommunications Science，2004，20（10）：15-19.

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［6］左青云，陳鳴，趙廣松，等.基于OpenFlow的 SDN技術研究［J］.軟件學報，2013，24（5）：1078-1097.ZUO Q Y，CHEN M，ZHAO G S，et al.SDN technology research based on OpenFlow［J］.Journal of Software，2013，24（5）：1078-1097.

［7］徐秋伊.基于SDN的路由映射算法的設計與實現 ［D］.北京：北京郵電大學，2015.XU Q Y.Design and realization of route mapping algorithm based on SDN ［D］.Beijing：Beijing University of Posts and Telecommunications，2015.

［8］AHMED S，MARTINI B，GHARBAOUI M，et al.Orchestration algorithms for network-assisted virtual machine migrations using OpenDaylight controller［C］／／2015 2nd International Conference on ElectricalInformation and Communication Technology（EICT），December10-12，2015，Khulna，Bangladesh.New Jersey：IEEE Press，2015.

［9］WEI Z，LI L，MIN L，et al.REST API design patterns for SDN northbound API ［C］／／2014 28th International Conference on Advanced Information Networking and Applications Workshops（WAINA），May 13-16，2014，Victoria，BC，USA.New Jersey：IEEE Press，2014：358-365.

Route optimization method for BGP based on SDN in large-scale IP network

TANG Hong，ZHU Huahong，CAO Weihua，ZOU Jie
Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.，Ltd.，Guangzhou 510630，China

Aiming at rotation problem of route because of large-scale，multi-path，overlap in IP backbone networks，an optimization method for route reflection supported by both traditional routing devices and OpenFlow devices based on SDN controller technology was proposed.At first，the defects of traditional BGP routing mechanism was analyzed in detail.Then，a specific algorithm implementation and deployment scenarios were given.Test results of typical application scenarios demonstrate the validity of the proposed method.The average delay of international access reduces by 30%.

software defined networking，OpenFlow，border gateway protocol，OpenDaylight

TN915.41

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016112

2015-12-01；

2016-03-15

唐宏（1974-），男，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要研究方向為IP網絡技術、SDN技、移動互聯網技術。

朱華虹（1978-），女，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要研究方向為IP路由技術、SDN技術。

曹維華（1976-），女，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要研究方向為IP技術、移動互聯網技術。

鄒潔（1975-），女，中國電信股份有限公司廣州研究院高級工程師，主要研究方向為IP技術、SDN技術。