云網融合PCEP應用及端到端保障方案

王越，王愛俊，徐洪磊

（中國電信股份有限公司研究院， 北京 102209）

1 引言

2 PCEP在云網融合場景的應用

作為當前云計算市場競爭的核心，云網融合已經成為全球領先運營商正積極推進的發展戰略。云網融合不僅需要利用虛擬化技術實現傳統網元設備算力、網絡和存儲等基礎設施的集中解耦、融合和重構，保證資源的一體化供給，更要求承載網絡能夠根據各類云服務需求按需開放網絡能力，實現網絡與云的敏捷打通、按需互聯，并體現出智能化、自服務、高速等特性，實現一體化智慧運營和服務保障。從網絡架構的角度出發，以DC（data center）為中心構建網絡，重點解決云資源池和互聯網數據中心的鏈路扁平直達問題，做到東西流量和南北流量并重。在目前的數據中心中，云資源和網絡資源大多基于OpenStack 的 Neutron 組件實現對接，功能有限，無法實現在廣域網進行大量的網絡配置和調整，尤其在面對混合云、跨云互聯以及多點入云等場景，稍顯力不從心。此外，隨著網絡規模的增長，對網絡進行精細化管控問題也變得尤為突出。

在云網融合大趨勢推進運營商向IP網絡智能化逐步演進的背景下，控制器作為SDN架構的核心組件其重要性日益凸顯，且從以對內應用為主，逐步轉向以對外提供服務為主。作為整個網絡體系的“大腦”，控制器利用北向接口使業務具備能夠便利調用底層網絡資源的能力，實現資源的統一調度和管理。南向接口則負責與底層設備通信，通過業務功能抽象屏蔽了底層物理轉發設備的差異，實現了資源的虛擬化，完成了對底層設備的集中統一控制[2]。

當前，在運營商的IP網絡中，二層數據報文中只有源和目的地址的字段，是面向無連接狀態的逐跳式服務，缺少針對數據流量路徑的控制消息。為更好地實現流量感知和路徑優化，提供應用驅動的網絡服務，保障關鍵業務質量，均衡流量分布，運營商通常會采用多協議標簽交換（multi-protocol label switching，MPLS）網絡或者IPv6網絡的方案。隨著業務量的增加，網絡規模不斷擴大，這樣的做法將過多的復雜協議引入封閉的網絡設備，網絡設備不僅需要承擔數據轉發、路由管理、路由協議解析等任務，還要消耗大量計算資源進行復雜約束條件的路由運算[3]，給網絡基礎架構帶來額外負擔的同時，增加了管理難度和運維工作量。

PCEP（path computation element communication protocol，路徑計算單元通信協議）作為基于TCP的路由集中控制方案，是由IETF的PCE（path computation element，路徑計算單元）工作組于2006年為MPLS網絡域間流量工程等應用提出的通信協議[4]。其最初應用于光網絡，隨著南向接口技術在SDN體系發展的日趨成熟，PCEP也不斷擴充和完善，逐步實現了面向分段路由的以及LSP保護路徑的擴展等能力[5]。作為眾多南向接口協議（如BGP LS、OpenFlow、Netconf）中較為成熟的PCEP，其采用了集中式的路徑計算模型，該協議將路由器的CSPF（constrained shortest path first）功能抽離，通過集中部署控制器或者PCE，根據全網的帶寬、代價、標簽等全局資源視圖進行約束路徑計算，以集中算路的方式，為各類應用計算最優路徑，下發給網絡設備，控制報文轉發，實現全局統一調度，完成路徑計算和路徑建立轉發功能的分離[6]，保障流量端到端全局最優，是一種應用較為廣泛的網絡路徑計算協議。相比較于分布式路徑計算，通過PCE實現集中算路的方式在解決復雜網絡環境跨層、跨域的端到端約束路由計算方面更具優勢，同時能夠有效降低運維復雜度與難度，為簡化網絡運維，提升網絡質量提供了可能。

3 基于PCEP協議的流量端到端保障方案

3.1 端到端保障方案需求

在路由管控方面，傳統的MPLS-VPN在原有IGP（interior gateway protocol）基礎上增加LDP（label distribution protocol）實現標簽的轉發過程，由于 LDP不具備流量工程，而通過 RSVP-TE（resource reservation protocol-traffic engineering）實現顯示路徑計算信令較為復雜，同時龐大的TE鏈路信息擴展和維護困難，設備協議開銷以及運維復雜度較高，無法實時采集監控網絡質量情況并完成最優路徑的自動優化，因此信息交互效率低。作為新興技術的SRv6，雖充分利用 IPv6擴展頭的機制，通過SRH（segment routing header）中的IPv6地址標識segment實現流量的引導轉發，但因SRH信息的引入，報文開銷較大、網絡鏈路帶寬利用率低。此外SRv6報文處理對芯片要求較高?，F網設備芯片難以支持對128 bit SID（segment ID）的擴展頭SRH復制和操作，無法實現向SRv6的平滑升級演進，給運營商部署SRv6帶來較大成本壓力。

考慮到MPLS以及SRv6類型方案要么利用L3 VPN技術，要么利用SRH擴展IPv6包頭，對于IPv4網絡，缺乏良好的解決方案。針對IP網絡中無連接的狀態，本文利用 PCEP轉控分離的機制，提出了一種基于 PCEP的流量端到端保障方案。該方案有效利用了二層以太幀結構中的VLAN信息，通過PCE實時收集全網資源信息，響應轉發節點請求，完成智能路徑計算和頭端計算路徑自動下發，從而保證在本地 IP環境實現面向連接的網絡通信及端到端業務保障[7]。相較于MPLS、SRv6等方案，本方案利用了全新的VLAN地址空間，避免了與其他已有協議的沖突，能夠同時適用于IPv4和IPv6網絡。

通過PCE的全域資源感知，能夠獲得云網資源的一致質量保證，確保業務的一體化規劃和運維管理，實現云業務和網絡業務的深度融合。結合Telemetry和Netflow等技術亦可實現業務流量可視化和按需調度，保證網絡資源和云資源的一體化彈性供給和敏捷服務。

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3.2 端到端保障方案模型架構

基于 PCEP的流量下發保障方案，主要思路是控制器根據網絡約束參數完成關鍵數據業務端到端的初始化路徑計算，并通過和設備建立PCEP將結果以三元組和交叉表方式通過南向接口下發至設備。設備收到信息，在本地形成路由映射表和路由交叉表，根據表項內容，將數據流量封裝對應的VLAN_ID進行轉發，實現數據流量的二層封裝和面向連接的快速轉發，保障業務端到端質量。

本方案系統主要包括SDN控制器、邊緣路由設備（入口路由器和出口路由器）、轉發路由設備。

其中，SDN控制器通過PCEP分別與系統邊緣設備、轉發路由設備建立連接，根據實際業務需求，完成業務端到端保障路徑的計算，形成三元組信息和網絡交叉信息分別下發至邊緣和轉發設備；邊緣入方向設備（入口路由器）負責向控制器發送路徑請求初始化確認信息，同時根據控制器下發的路徑計算結果在本地形成路由映射表，設備依據此表對接收的數據報文進行匹配，對匹配的報文封裝對應的VLAN-ID進行轉發；轉發路由設備根據控制器下發的路由交叉表，完成從入方向子接口標識到出方向子接口 VLAN-ID標識的交叉轉發和數據再封裝。而邊緣出方向設備（出口路由器）則將VLAN-ID解封裝，并基于數據目的地址進行轉發。

在實際業務場景中，可以在網絡拓撲中邊緣入方向設備和出方向設備分別部署多個BGP session，不同的BGP session分發不同的前綴，并具有不同的BGP 下一跳。在控制層，入口路由設備通過BGP可以學習網絡拓撲中由控制器約束的基于同一BGP session的源/目的peer的不同路徑，即源和目的BGP前綴?？刂破髯鳛镻CE則根據網絡拓撲、流量工程策略（TE policy）等參數信息計算滿足約束條件請求的路徑，通過 PCEP的PC初始信息將路徑通過三元組信息——源 BGP peer、目的BGP peer、VLAN-ID下發至作為路徑計算客戶端（path computation client, PCC）的入口路由設備，完成VLAN路徑的初始化。入口路由設備收到 PCEP下發的三元組信息后，向控制器發送 PCRpt消息完成確認，同時形成基于源/目的BGP前綴的映射路由表，最終轉化為實際的隧道和隧道路徑的配置。

在轉發層，當入口路由設備接收到數據報文時，會將數據報文的源/目的地址和映射路由表中源BGP前綴、目的BGP前綴進行匹配，如果一致，則將數據包打上對應的VLAN-ID標簽，并創建對應的VLAN子接口進行轉發。

轉發路由器收到封裝對應VLAN-ID的數據報文后，通過匹配控制器下發的VLAN交叉表，將數據報文原有VLAN信息解封裝，打上新的VLAN-ID標簽，同時創建對應的VLAN子接口進行轉發。

出口路由設備則根據映射信息，將封裝VLAN-ID的二層包頭去掉，對報文進行三層轉發。實現了在本地 IP環境下，面向連接的網絡通信及端到端業務保障。解決了傳統IP報文無連接無狀態的痛點。

3.3 基于PCEP架構的VLAN流量轉發流程

對于現網中較為復雜的網絡拓撲，網絡設備之間往往會存在多個BGP session，不同的session用于承載不同的數據業務流，用于實現流量的端到端隔離和不同級別的 SLA（service level agreement）等級保障?；谇笆龆说蕉吮Ｕ戏桨改Ｐ图軜嬙O計，PCEP架構的VLAN流量轉發方案的實施流程如圖1所示。

圖1 基于PCEP協議的流量端到端保障方案

在R1和R8之間通過不同的子接口創建3個BGP實例，分別對應3個BGP session，不同的BGP session分發不同的前綴，并具有不同的BGP下一跳。

若要對R1和R8之間的某些關鍵業務進行流量端到端保障。在BGP session 1中業務流量的源IP前綴（source IP-prefix）和目的 IP前綴（destination IP-prefix）分別為P1和P8，入口設備通過 BGP可以學習到網絡拓撲中基于 BGP session 1的源/目的peer的不同路徑前綴P1、P8。

控制器和入口設備R1通過PCEP建立連接?？刂破鞲鶕志W絡拓撲、TE policy等參數信息計算全局優化路徑，形成基于BGP session 1的三元組信息（BS1_R1、BS1_R8、VLAN12），其中，BS1_R1和BS1_R8分別表示基于BGP session 1的 R1和 R8的邏輯子接口地址，VLAN12表示R1到R2路徑所對應的VLAN?？刂破鲗⒃撊M信息通過PCEP下發至R1，R1收到信息后返回PCRpt確認信息。

入口設備R1根據收到的三元組信息，結合之前學到的路徑信息形成基于源/目的 BGP前綴的映射路由表，示例見表1。

表1 映射路徑表

其中，P1前綴和P8前綴分別對應sessioni中業務流量的 source IP-prefix和 destination IP-prefix，P1前綴匹配N條源IP，P8前綴匹配M條目的 IP，因此該路由表針對 session 1共有N×M條路徑組合。

當入口設備接收到數據報文后，會查找映射路由表，需要保障的報文通過映射路由表的匹配被打上VLAN12標簽，送至對應BGP session 1的邏輯子接口進行轉發。

對于中間設備R2、R4、R6，控制器會下發交叉路由表。交叉路由表中的條目為VLAN鍵值對，對于R2，條目是（VLAN12、VLAN24），當收到封裝對應VLAN-ID的數據報文后，中間設備R2會將報文解封裝，去掉由R1打上的VLAN12標簽，打上VLAN24標簽送至R4，同時R4創建對應的VLAN子接口進行轉發，R4和R6的操作同理。

出口設備R8收到SDN控制器下發的交叉路由表，當R8收到R6送來的報文，通過匹配路由表得知自己是最后一跳目的地址，則不進行任何封裝，直接將VLAN-ID的二層包頭去掉，對報文進行三層轉發。

至此，對于從R1到R8的數據報文，只有匹配到P1和P8前綴的數據業務，才能使用端到端的邏輯通道，并且該邏輯通道的路徑是可由SDN控制器通過PCEP下發特定路由信息進行規劃的，對于其他接口進入的數據，則依據傳統的路由表進行轉發，實現了在本地IP環境下，面向連接的網絡通信及端到端業務保障的訴求。

以太接口的大規模部署，使得利用二層幀結構中包含的信息簡化端到端數據轉發成為可能。PCEP架構基于VLAN的流量轉發，充分利用了二層VLAN信息，以PCEP為基礎實現了流量的全場景接入，在盡可能保留 PCEP結構的同時簡化了報文的端到端路徑計算和轉發過程，能夠滿足多業務流量不同路徑轉發需求，確保關鍵業務的優先級和服務質量，從而實現靈活組網以及多維度SLA路徑規劃。

4 結束語

本文提出的基于 PCEP的流量端到端保障方案，可針對特定客戶、特定應用進行端到端業務保障，實現IP場景面向關鍵業務的確定性傳輸，相較于當前主流的MPLS和SRv6的解決方案，可以減少標簽資源的占用，減輕標簽轉發表的維護工作量，提高轉發效率，提高整個網絡傳輸效率。借助網絡云虛擬化、白盒、云原生化等核心能力落地，可實現業務的快速開通和確定性轉發。本方案利用頂層控制器完成端到端的流量和業務管理，能夠保證全網資源的優化調度和協同編排，有助于構建云網資源一體化管控的云網操作系統，完成云網資源的統一抽象、統一管理、統一編排、統一優化，實現云網融合大環境的網絡智慧化運營，助力構建簡潔、敏捷、開放、融合、安全、智能的云網生態系統。