面向電力通信網的分段路由研究

張志海 潘信宏 王偉亮

（廣西電網有限責任公司電力調度控制中心，廣西 南寧 530023）

隨著電網的快速增長，電力通信網規模不斷擴大，形成了一個覆蓋高壓、低壓，承載多樣業務的復雜網絡。電力通信網是電網運行信息的傳送系統，是電網運行的“神經網絡”，即依附于電網，又相對獨立自成網絡，其運行方式日益復雜、承載業務繁多，各類業務的QoS需求各異。為了保證各類業務數據通信的實時、可靠傳輸，尤其是實時類調度業務的穩定可靠，各省網公司都陸續采用了MPLS技術和流量工程TE對業務進行管控和網絡優化[1]，一定程度上滿足了電網發展、運行和管理的需要。

電力通信網的業務管控不僅要考慮傳統的QoS需求，如帶寬、時延抖動、傳輸延時、丟包率等，還要針對電力業務特點考慮其他特性，比如隔離、保護、安全等。自從2013年分段路由SR概念提出以來，SR與軟件定義網絡SDN的結合引起了人們的廣泛關注。SR支持無狀態源路由，能夠減輕中間轉發節點的開銷，可以靈活地對轉發路由進行管控。SDN從網絡全局角度，綜合全網狀態和拓撲信息，高效地部署SR。針對電力業務差異化需求，SR和SDN的結合可對多條業務流分別進行細粒度的路由管理和QoS控制。與目前廣泛應用的MPLS相比，SR簡化了控制步驟，在網絡性能與控制開銷之前實現了較好的平衡[2]。本文分析了MPLS實施流量工程TE的特點及其不足，介紹了分段路由SR的基本概念，論證了分段路由SR在流量工程中的部署方式及其在電力場景下的應用前景。

1 MPLS應用缺陷

傳統IGP路由協議在建立路由轉發表時，并未考慮帶寬可用性和業務特點，因此無法有效控制網絡流量，導致鏈路阻塞。流量工程TE可以解決這個問題，它根據業務特點和帶寬利用情況來決定業務流和物理網絡拓撲的映射關系，實現不同鏈路、路由器和交換機之間的業務均衡，從而降低網絡阻塞出現的概率。流量工程充分利用網絡整體資源，已成為路由結構中一個重要的輔助部分。

流量工程TE主要通過MPLS來實現。MPLS在3層封包前附加了一部分MPLS信息，如圖1所示。

圖1 MPLS頭部結構

MPLS頭部共32位，其中MPLS標簽占用20位。針對3層協議的IP地址業務流，IP地址映射為MPLS標簽。MPLS網絡利用標簽進行數據轉發，并支持顯式路徑（Explicit Path）對流量進行調度。MPLS控制面的主要技術是標簽分發協議LDP和RSVP-TE。國家電網和南方電網均已在電力通信主干網部署了MPLS。通過LDP和RSVP-TE等相關協議，為主干網電力業務提供MPLS-VPN隔離和細粒度、差異化流量調度。

1.1 LDP協議無法實現基于業務精準調度

LDP協議根據IGP協議的路由信息和IP封包中的目的地址分配標簽，并通過LDP信令在不同的路由器間傳播標簽信息。基于LDP協議，MPLS設備把路由信息映射到標簽上，并建立標簽交換路由。LDP的優點是部署簡單，擴展性較好，但不支持流量工程，無法指定轉發路由，無法做到基于業務QoS的精準流量調度。

1.2 RSVP-TE擴展性較低

為了解決LDP不支持流量工程的問題，MPLS引入了RSVP-TE。RSVP-TE引入源路由概念：在開啟RSVP協議的網絡中，業務流在進入第一個RSVP節點后，該節點就會計算出此業務流傳輸到目的地經過的每一跳路由，此路由稱為顯式路徑（Explicit Path）。源路由的計算需要節點事先知道全網的拓撲信息和鏈路狀態信息，RSVP-TE過IGP協議進行了擴展，擴展字段收集此類信息。此外，RSVP-TE的顯式路徑也可以根據業務的QoS需求靈活定制：如某業務要求一條延時低于20ms、帶寬不小于8G的最優的轉發路由。源路由和顯式路徑的高效優化依賴于每個節點中的鏈路信息數據庫，因此，RSVP-TE節點需要保持其鏈路信息數據庫始終為最新狀態，限制了其擴展性。

MPLS一定程度上解決了流量靈活調度的問題，得到了廣泛應用，但在電力業務種類和特性逐漸增多的前提下，MPLS-TE的復雜性和靈活性亟待改善。

2 電力通信網需求分析

傳統MPLS網絡基于IGP協議實現標簽分發，從而實現傳輸路徑的控制，雖然部署簡單，但無法基于業務進行精細的業務流量調度。目前電力通信網絡承載業務眾多，對帶寬實驗的要求均有不用，詳細需求見表1。

如何解決不同業務帶寬時延要求的精準控制，成了MPLS技術體系最大的技術瓶頸，隨著技術的進步，軟件定義網絡SDN進入了視線。SDN是虛擬化技術在網絡中的一種實現方式，是對傳統網絡架構的創新。SDN在將網絡控制與網絡轉發分離的基礎上，進一步構建為一個開放的、可編程的網絡架構。SDN重新定義了網絡連接和網絡行為，并提供了開放的接口，為未來網絡體系結構和網絡業務的創新提供了良好的基礎平臺。

SDN特征是數據轉發和控制分離、網絡虛擬化和接口開放。SDN實現了網絡設備與業務分離，網絡設備只負責數據轉發和存儲，不對業務進行控制。網絡的控制平面與數據平面分離，控制器負責網絡控制平面，集中管理所有的數據轉發，能實時掌握全網資源信息，并根據業務QoS需求進行資源的全局分配和優化。SDN的集中控制特性簡化了網絡控制平面的復雜度。SDN通過開放的南向和北向接口，實現了業務應用和底層傳輸網絡的緊密結合，業務應用可以驅動網絡如何配置運行，比如剩余帶寬、最低時延等。另外，用戶可以根據自身業務特殊需求，基于開放接口自行配置業務傳輸所需調用的資源。SDN如何與現有MPLS網絡的高效結合，提出了分段路由的理念。

表1 各業務網絡需求表

3 MPLS網絡優化方案

為了使當前的 IP/MPLS 網絡變得更加面向服務和高效，IETF于2013年提出了分段路由SR的概念。SR技術脫胎于MPLS，用于優化MPLS網絡。源路由是SR 的基礎，即由源節點決定數據如何轉發，并將轉發路由設置在數據包頭。中間節點轉發數據時，中間節點只需根據數據包頭部保存的路由信息對數據包進行轉發。SR與SDN的結合可以使網絡獲得更佳的可擴展性[4]，并以更加簡單的方式提供流量工程（TE）、快速重路由（FRR）、MPLSVPN等功能。在未來的網絡架構中，SR將為網絡提供和上層應用快速交互的能力。采用SR實現了業務流與網絡控制的解耦，降低了網絡運維和管理成本，擴展了網絡泛在連接能力。

3.1 SR架構

SR分段路由架構基于源節點（通常為路由器、主機或設備）選擇路由，在數據包報頭中插入帶順序的Segment列表，以指示接收到這些數據包的節點怎么去處理和轉發這些數據包。由于除源節點外的節點不需要儲存和維持任何流的狀態信息，所以流量的引導決定權僅在于源節點。通過這種方式，SR能在MPLS網絡中提供高級流量引導的能力，同時在數據平面和控制平面中保持可拓展性。Segment是節點對所接收到數據包要執行的指令，該指令指示節點如何處理數據包[5]。多個Segment組成一個有序的列表，可以引導數據包到網絡的任何路由上，此路由不受最短路徑、域邊界、路由協議等的影響。這種Segment的有序列表被稱為Segment List或者“SID列表”。SID列表中的每一條目錄是一條指令，作為構成整個路由的一個部分或一段。

SR在主機或網絡入口節點為數據包添加若干個包含分段指令的數據包頭，中間節點會依據SR指令規定的路由對數據包進行分段轉發。各個分段用 SID標記，表示網絡中的實體或服務，在每個分段里按照最短路徑優先的算法進行轉發。所有數據包的狀態只需要在網絡入口節點維護，網絡中間路由無需進行狀態記錄。

主要的SID類型有節點SID、鄰接SID、服務SID三種。在一個IGP網絡中，節點SID和鄰接SID可以由鏈路狀態協議廣播。擴展后的IGP協議在本地數據表中維護節點SID和鄰接SID信息。雖然分段路由為數據包的定向移動提供了更加靈活的策略，然而在使用上還是有一定限制的。不能為數據包添加無限的分段，現在的商業路由支持的最大數量為11。

在實際部署SR時，不需要對現有的 MPLS 控制平面做較大的修改，可以使用MPLS 標簽棧來存儲SR中的SIDs 序列。與已有的MPLS 技術相比，SR簡化了控制平面：①僅在入口節點保存業務流量轉發信息；②無需采用信令協議在中間節點構建轉發表；③不需要維護大量MPLS 標簽交換路徑。

圖2 SR轉發流程

3.2 SR轉發流程

以圖2為例闡述SR的運行機制。SDN控制器采集全網的拓撲變化和鏈路狀態，并負責設置SR標簽。假設節點A和節點F有業務流傳輸，兩個節點間的路由非常多，比如ABDF，ACEF，ABDEF等。如果節點A和節點F沒有流量QoS要求，數據包按照默認最短路徑轉發。

若節點A發起的業務（比如數據異地備份）對提出了一項QoS請求，要求轉發路徑的帶寬不少于5G，延時低于40ms。那么節點A會向SDN控制器發起路由重算請求。SDN控制器根據掌握的全網拓撲信息和狀態信息，計算出一條符合QoS要求的顯式路徑。假設紅色鏈路表示該路徑出現了擁塞，不能滿足節點A的QoS帶寬要求。SDN控制器最終的計算結果是圖中虛線箭頭指示的路徑。SDN控制器會給源節點A下發符合路徑的SID={16021,16031,16051,16041}來引導節點A的流量按該路徑轉發。源節點A收到SID后，會將其寫入數據包頭。

表2 各節點SID列表

表2為中間節點的SID，中間節點各自的轉發行為：

①節點A收到SID后，發現第一個分段標識符16021對應B節點，于是查找路由將數據包轉發給B；

②B節點收到后，發現下一個分段標識符是16031，并將數據包發往16031對應的節點。

③以此類推，最終數據包會依據指定的路徑轉發到目的地F。

4 仿真實驗

分段路由SR的核心是源路由，數據包到達網絡邊緣的入口節點處，SR控制平面會在數據包頭部添加一個包含定序的SID列表，中間節點只需根據報頭SID列表中的頂層SID進行轉發。入口節點維護整個路由選擇策略和狀態信息，不需要通過復雜的信令協議在中間節點傳播路由和狀態信息。這種設計降低了網絡設備復雜度和簡化了運維，同MPLS-TE相比，在路由選擇方面具有良好的擴展性和靈活性。因此，基于SR和SND實現流量工程具有獨特的優勢。

圖3 仿真測試環境

4.1 仿真環境

為了驗證SR在流量工程中應用的可行性，根據某電網省公司的電力通信網絡拓撲搭建了如圖3所示的仿真測試環境。某電網省公司的主干通信網包括傳輸網AS1和傳輸網AS2，彼此互為備份。模擬連接兩個地市公司的電力通信網AS3和AS4。整個網絡的運行有中央SDN控制器負責調度。

實驗選用Mininet仿真軟件作為驗證平臺。SDN控制器采用的ONOS，是一個開源分布式控制器，具備高擴展性和高可用性，并且支持SR功能擴展；在實驗中，Mininet虛擬出所有路由節點和SDN控制器，鏈路帶寬均為10Gbit/s。全網運行OSPF協議。

4.2 QoS 保障能力

基于上述實驗場景，在自治域AS3中虛擬出節點 1 作為服務定制客戶端，AS4中節點2作為Web服務器，要求具有低時延的 QoS 性能保障，然后對傳統 SDN 網絡路由機制和基于SR的路由調度平均傳輸時延進行對比測試。實驗時，數據包發送滿足泊松分布，參數λ=20，表示數據包平均發送速率為20。每個數據包大小為1Mb，實驗仿真時間為 100s。

圖 4為兩種機制在不同時刻的傳輸時延對比。傳統 SDN 機制在整個測試時間內的平均傳輸時延為37.7ms，而SDN+SR的為32.5ms，降低了約14%。這是由于SR 機制具有精細化的路由定制能力，控制器會根據當前網絡資源利用狀況為通信的源、目的節點創建最優的SR 數據傳輸通道，故具有較低的傳輸時延。試驗也驗證了SR技術實現流量工程設備配置較簡單，簡化了網絡運維的復雜度。

圖4 傳輸時延對比

5 結語

有廠商對SR進行了試點，應用場景主要集中在骨干網的流量調度。對于電力通信骨干網而言，年均流量增長都在15%左右，業務QoS保證的難度也在提升。分段路由與SDN結合，充分利用SDN網絡可編程性和SR分段路由的簡單控制，能顯著增強屋里網絡靈活適配業務的能力。仿真結果表明，基于SDN的SR能夠非常靈活的對業務傳輸進行控制，精確匹配業務QoS指標，有效基于業務需求開展精細化的流量調度，非常適合電力通信網流量工程應用。