基于分段路由的跨域數據中心網絡關鍵技術

（西南石油大學計算機科學學院 四川 610500）

1 緒論

1.1 研究背景與意義

近年來，隨著互聯網和云計算等業務的飛速發展，數據中心作為云計算基礎架構的也隨之大規模建設和部署，而數據中心組網尤其是跨域組網也面臨新的要求及挑戰。

軟件定義網絡SDN 及軟件定義廣域網SD-WAN的體系結構的出現，為數據中心網絡自動化、智能化的部署提供了可能。SDN 將數據中心網絡的控制層面和轉發層面解耦，構建了可編程的集中控制器和分布式流表轉發的體系結構，該技術屏蔽了異構硬件及設備的復雜度，為上層應用提供了簡單高效的配置與管理。但是基于OpenFlow的SDN技術實現為數據中心網絡部署帶來新的問題：對于數據流的控制粒度太小，基于流的轉發方式為每一條數據流都生成一條表項，需要維持的表項結構過于龐大；集中控制器根據網絡狀態生成流表，同步給網絡設備，網絡設備再將其下發到硬件指導數據轉發，從某些層面增加了處理及轉發延遲；集中控制器收集網絡拓撲信息然后再根據拓撲變化計算轉發邏輯，會造成收斂緩慢等問題。

1.2 研究現狀

隨著云計算技術的發展，數據中心的網絡規模也隨著服務器的容量規模增多而擴大，從成本和運維角度上來看，大規模數據中心網絡架構的設計必須考慮較高的服務器密度，而隨著虛擬機遷移等東西向流量的日益增加，合理的數據中心網絡架構的提出必須迎合上述需求、應對上述挑戰。

2 相關技術介紹

2.1 分段路由技術

SR（Segment Routing）體系結構不是基于特定的網絡拓撲，而是可以使用SR來優化大型數據中心網絡體系結構的部署，網絡體系結構可以使用SR 從“網絡適配器業務”向“業務驅動的網絡”演進，SR 可用于根據需要計算業務顯示路徑，實時動態調整前向神經網絡路徑。SR 具有以下基本概念：

段路由域：SR 節點的集合。

SID：即Segment ID，用于標識唯一的Segment，作為SRGB的索引，轉發層可以映射到MPLS標簽等。

SRGB（分段路由全局塊）：用戶指定的為分段路由保留的全局標簽集。

作為高度可擴展的路由協議，ISIS 通過使用類型/長度/值（TLV）三元組對通知信息進行編碼。此外，通知使用sub-tlv（Sub TLV）將更多信息封裝在TLV中。通過定義新的TLV 或擴展現有的TLV，可以輕松添加新協議的功能。ISIS SR 擴展引入了必要的TLV，可以是Prefix-SID和Adjacency-SID 附加到各種前綴和Adjacency 通知TLV。BGP 也可以用作SR，SID 平面，控制某些網絡中的分發網絡，特別是大型跨域數據中心網絡將BGP僅用作路由協議，而BGP相對簡單，其屬性使BGP 路由功能可以支持流量工程的每一個飛躍，所有供應商都可以支持交易，但是實際上通過MP-BGP協議BGP 分配和單播前綴標簽在當前網絡中非常普遍。

2.2 IS-IS for SR

隨著網絡的不斷發展，VoIP和在線視頻等業務對實時性的要求越來越高，而IS-IS 故障恢復需要經歷“故障感知、LSP 更新、LSP泛洪、路由計算和下發FIB 由這幾個過程才能將流量切換到新的鏈路上，因此流量中斷的時間遠遠超過了50ms，不能滿足此類網絡業務對實時性的要求。TI-LFA FRR 能為Segment Routing 隧道提供鏈路及節點的保護。當某處鏈路或節點故障時，流量會快速切換到備份路徑，繼續轉發，從而最大程度上避免流量的丟失。LFA和Remote LFA對于某些大型組網，特別是P 空間和Q 空間即沒有交集，也沒有直連的鄰居，當某處鏈路或者節點故障時，無法計算出備份路徑，導致流量丟失，不能滿足可靠性要求。這種情況下實現了TI-LFA。

3 中心網絡關鍵技術研究

3.1 快速重路由

快速重路由（FRR）是為網絡中出現鏈路或節點故障后的這些重要節點或鏈路提供備份保護，以實現快速重路由，減少鏈路或節點故障對流量的影響，使流量快速恢復。段路由（SR）是一種新興的網絡技術，可以應用于快速重路由方案。單鏈路故障時可以實現快速重路由。對于具有大量流量的網絡，當多個鏈接同時出現故障時，將出現一些問題。最可能的問題是鏈路擁塞，這會導致整體網絡性能下降。如果多個鏈路發生故障，并且仍基于下一跳選擇恢復路徑，則業務流量會頻繁地在故障鏈路的兩端恢復，不僅影響業務的恢復過程，而且在業務出現故障時容易造成擁塞，流量很大，而且，先前的算法可能存在一些網絡拓撲的恢復路徑重疊的問題。

3.2 分段路由

分段路由（Segment Routing，可以轉換為指令的路由），簡稱為SR，是一種基于SPRING 框架，網絡節點（通常為路由器或主機設備等）選擇路徑的源路由協議，并且引導數據包沿網絡路徑通過，具體的實現方法是在入口節點中按順序插入Segment數據包頭列表，以指導如何處理相應的節點并轉發數據包。這種部署方法可以將整個數據中心網絡簡化為幾個部分。由幾個段構成的顯示路徑只需要根據上述指示轉發數據包，而不需要維護大量的狀態信息或轉發項。通過將SR的部署模式與SDN相結合，SDN 集中式控制器只需在網絡源節點或入口節點上發布相應的網段列表，就大大簡化了控制級別的復雜性，并提高了相應SDN 控制器的可擴展性。但是，上述部署模式不需要控制器與所有網絡節點之間頻繁的交互，因此可以提高網絡的收斂速度。

針對網絡中多鏈路故障的情況下的快速重路由。該算法基于不同的服務目的地來計算其恢復路徑，當受影響的服務數量較大時，可以最大限度地減少網絡多鏈路故障引起的鏈路擁塞。通過應用分段路由（SR）編碼恢復路徑來獲得分段列表，然后在分段列表中標簽（分段）的指導下將受影響的業務流轉發到目標。

目前，主流的數據中心網絡架構是Clos網絡架構，可以根據需求分為三層或兩層。

4 結論

隨著Internet的不斷快速發展，部署在Internet上的應用程序發生了很大變化。Internet上部署的應用程序正在從非實時應用程序發展為實時應用程序（股票交易，視頻流，實時通信等）。但是現在，實時應用程序可用于網絡并對網絡提出了更高的要求。在此之前，分組傳輸網絡已經在運營商網絡中大規模部署，以滿足客戶對于網絡越來越高的要求。