SR-MPLS技術(shù)在神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用探索

劉雄雄

（國(guó)家能源神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 智能技術(shù)中心，陜西 榆林 719315）

0 引 言

隨著神東煤炭集團(tuán)公司智能化煤礦的建設(shè)，公司對(duì)網(wǎng)絡(luò)的寬帶和可用性提出更高的要求。分段路由技術(shù)是近幾年的熱門網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，包括基于MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換）的分段路由技術(shù)SR-MPLS（多協(xié)議標(biāo)簽交換的段路由）和基于IPv6（互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版）的分段路由技術(shù)SRv6（基于IPv6轉(zhuǎn)發(fā)平面的段路由）。本文結(jié)合神東公司智能化發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)需求，通過分析MPLS和SR-MPLS路由技術(shù)原理，規(guī)劃和探索了神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。

1 概 況

網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施，煤礦企業(yè)各礦井的地理位置跨度較大，《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員位置系統(tǒng)和礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)企業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求較高。而且煤炭企業(yè)各礦井、地面輔助單位網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求多種多樣，既有對(duì)井下煤礦安全生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控需求，又有各礦井地面區(qū)域接入互聯(lián)網(wǎng)的辦公需求。

基于神東礦區(qū)井群分布實(shí)際和煤礦智能化的特點(diǎn)，針對(duì)神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用SR-MPLS的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，科學(xué)高效連接神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，滿足神東公司智能化發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)需求，同時(shí)能夠適應(yīng)未來IPv6、SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）等新技術(shù)的升級(jí)擴(kuò)展。

2 神東公司網(wǎng)絡(luò)需求及特點(diǎn)

神東礦區(qū)地處蒙、陜、晉三省能源富集區(qū)，神東公司擁有13礦14井，每年生產(chǎn)煤炭2億t。為適應(yīng)神東礦區(qū)各礦井地理跨度大，滿足公司智能化建設(shè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求，結(jié)合大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法，神東公司網(wǎng)絡(luò)需求包括以下方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)寬帶性能需求。隨著神東公司智能化轉(zhuǎn)型的深入，公司業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴程度迅速提高。骨干網(wǎng)絡(luò)不僅要承載企業(yè)的辦公自動(dòng)化、企業(yè)ERP系統(tǒng)等日常辦公業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，還要承載涉及企業(yè)安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的工業(yè)視頻監(jiān)控、礦井調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)以及井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)等安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。因此，骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量不斷增加，要求公司骨干網(wǎng)絡(luò)具有處理高帶寬的能力，滿足公司業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸需求。

（2）網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠需求。隨著神東公司的發(fā)展，語音、監(jiān)控、視頻會(huì)議甚至5G等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，需要通過骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸，要求骨干網(wǎng)絡(luò)必須穩(wěn)定可靠。骨干網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠包含物理設(shè)備可靠、物理鏈路可靠和邏輯路由可靠。骨干網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備和物理鏈路應(yīng)冗余備份，骨干網(wǎng)絡(luò)的路由支持快速重路由協(xié)議，確保骨干路由的可達(dá)性。

（3）網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求。骨干網(wǎng)絡(luò)承載了包括管理類信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、語音類數(shù)據(jù)、視頻類數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等，為保證重要業(yè)務(wù)的高質(zhì)量傳輸，骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持流量工程。在不同的時(shí)間段，為不同的數(shù)據(jù)設(shè)置優(yōu)先級(jí)，減少數(shù)據(jù)流量擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸效率。大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度的合理性是提供高品質(zhì)業(yè)務(wù)的保障。

（4）網(wǎng)絡(luò)智能化管理需求。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，給網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作提出更高的要求，因此，骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該適應(yīng)維護(hù)簡(jiǎn)單、智能化管理的需求。SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，SDN將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開來，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象以屏蔽底層復(fù)雜度，為上層提供簡(jiǎn)單、高效的配置與管理，讓網(wǎng)絡(luò)管理更加智能。

3 SR-MPLS技術(shù)原理和優(yōu)勢(shì)

傳統(tǒng)的多協(xié)議標(biāo)簽交換協(xié)議MPLS（Multi-Protocol Label Switching）是操作在OSI（開放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型）的二層（數(shù)據(jù)鏈路層）和三層（網(wǎng)絡(luò)層）之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。MPLS中增加LDP（Label Distribution Protocol，標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議）和RSVP-TE（Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering，基于流量工程的資源預(yù)留協(xié)議）兩大協(xié)議，LDP依賴IGP協(xié)議（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）完成標(biāo)簽分發(fā)。而LDP不支持流量工程，通過增加RSVP-TE協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)了流量工程。因此，傳統(tǒng)的MPLS存在協(xié)議復(fù)雜、擴(kuò)展性差、部署維護(hù)困難等問題。

Segment Routing（簡(jiǎn)稱SR）是一種源路由協(xié)議，也稱分段路由協(xié)議，是基于源路由理念而設(shè)計(jì)的在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的一種協(xié)議。SR-MPLS（Segment Routing MPLS，基于MPLS轉(zhuǎn)發(fā)平面的段路由）的核心思想是將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑切割成不同的段，并為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路徑分配不同的SID（Segment Identifier，段標(biāo)識(shí)符），利用封裝在報(bào)文中的段標(biāo)識(shí)符引導(dǎo)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。SR-MPLS通過IGP擴(kuò)展SR屬性省略了LDP協(xié)議，并實(shí)現(xiàn)基于源地址標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)的集中控制。

因此，SR-MPLS具有簡(jiǎn)單、高效、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)，具體表現(xiàn)為：①SR-MPLS是面向SDN架構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)議，天然支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和SDN網(wǎng)絡(luò)，兼容現(xiàn)有設(shè)備，保障網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)；②簡(jiǎn)化設(shè)備控制平面，減少路由協(xié)議數(shù)量，簡(jiǎn)化運(yùn)維管理，降低運(yùn)營(yíng)成本，SR-MPLS網(wǎng)絡(luò)需要維護(hù)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表規(guī)模很小，一臺(tái)設(shè)備上維護(hù)的轉(zhuǎn)發(fā)表數(shù)為N（節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽數(shù)量，一般為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量）+A（鄰接標(biāo)簽數(shù)據(jù)，一般為設(shè)備接口數(shù)量），而傳統(tǒng)MPLS網(wǎng)絡(luò)則為N2；③能以更簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)TE（流量工程）、FRR（快速重路由）、OAM（Operation,Administration and Maintenance，操作、管理和維護(hù)）等功能，從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和管理，快速獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。

SR-MPLS及SRv6技術(shù)以其簡(jiǎn)單性逐步替代傳統(tǒng)的MPLS技術(shù)，已廣泛應(yīng)用在通信運(yùn)營(yíng)商的骨干、城域、移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)在政府、企業(yè)的骨干網(wǎng)中也得到了廣泛的應(yīng)用，是未來骨干網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)承載網(wǎng)的主流發(fā)展方向。

4 SR-MPLS技術(shù)的組網(wǎng)方案

4.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

結(jié)合神東公司智能化建設(shè)要求、各煤礦地理位置分布以及光纖資源情況，神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)組成，如圖1所示，骨干節(jié)點(diǎn)之間通過萬兆光模塊連接，每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署2臺(tái)骨干路由器，各節(jié)點(diǎn)之間用2條物理光釬連接。

圖1 骨干網(wǎng)絡(luò)示意Fig.1 Backbone network diagram

4.2 技術(shù)方案

首先在骨干節(jié)點(diǎn)上配置IS-IS（Intermediate System-to-Intermediate System，中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)）協(xié)議，實(shí)現(xiàn)骨干節(jié)點(diǎn)之間的路由協(xié)議層面互通、標(biāo)簽分配、以及路徑計(jì)算。在骨干節(jié)點(diǎn)上使能SR-MPLS，通過段路由來建立LSP（Label Switching Path標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑）。其次，為滿足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)智能化管理需求，引入段路由流量工程（SR-MPLS TE）技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中的SDN控制器上，通過配置不同業(yè)務(wù)的TE約束條件來定義數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的物理轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

方案中，將實(shí)時(shí)性要求高的工業(yè)控制類業(yè)務(wù)、大帶寬需求的工業(yè)視頻監(jiān)控類業(yè)務(wù)分別配置了“紅色”和“綠色”段路由策略，并通過SDN控制器模塊將段路由策略下發(fā)至各骨干節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在骨干網(wǎng)絡(luò)邊緣為不同級(jí)別業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量的通信服務(wù)保障，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)智能化、精細(xì)化的運(yùn)維管理需求。

4.3 可靠性方案

神東公司骨干網(wǎng)是公司及各二級(jí)單位日常辦公和安全生產(chǎn)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞲傻溃虼藢?duì)可靠性要求較高。為避免公司骨干網(wǎng)絡(luò)因故障（如鏈路或設(shè)備）而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷，在公司骨干網(wǎng)絡(luò)中需考慮可靠性方案。

可靠性方案包含3個(gè)層面：①站點(diǎn)級(jí)可靠性，如前文所述，每個(gè)骨干站點(diǎn)部署2臺(tái)骨干路由交換設(shè)備，以保證在任一臺(tái)設(shè)備失效時(shí)，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可通過另外一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行處理；②設(shè)備級(jí)可靠性，骨干路由設(shè)備的主控模塊、交換模塊、電源模塊、風(fēng)扇模塊等關(guān)鍵部件均冗余配置，確保骨干路由設(shè)備自身的可靠運(yùn)行；③鏈路級(jí)可靠性，首先每個(gè)站點(diǎn)必須有大于1條物理鏈路連接到其他站點(diǎn)，確保物理鏈路的冗余備份，其次在骨干節(jié)點(diǎn)之間部署快速故障檢測(cè)BFD和快速重路由FRR技術(shù)，在鏈路故障發(fā)生后，實(shí)現(xiàn)主備鏈路的毫秒級(jí)切換，最大限度保證骨干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正常轉(zhuǎn)發(fā)。

4.4 應(yīng)用效果

通過SR-MPLS技術(shù)，實(shí)現(xiàn)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離，簡(jiǎn)化了控制面的協(xié)議數(shù)量，極大減少骨干網(wǎng)絡(luò)路由表數(shù)量，提高了骨干網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)效率，確保神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間低時(shí)延無阻塞。利用SDN控制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)控制、配置下發(fā)和實(shí)時(shí)傳輸質(zhì)量分析等，基于傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)全生命周期的運(yùn)維和管理。SR-MPLS技術(shù)在神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)中的組網(wǎng)方案，有效解決了神東公司視頻會(huì)議、工業(yè)監(jiān)控等網(wǎng)絡(luò)卡頓問題，從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上提升了神東公司的網(wǎng)絡(luò)性能，實(shí)現(xiàn)神東公司各類業(yè)務(wù)高質(zhì)量、高可靠、高利用率的數(shù)據(jù)通信傳輸需求。

5 結(jié) 語

綜上所述，分段路由SR-MPLS技術(shù)讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑和行為控制變得簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)。本文從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的一般方法出發(fā)，通過分析神東礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)整體需求及特點(diǎn)，從技術(shù)上對(duì)比了傳統(tǒng)MPLS協(xié)議和SR-MPLS協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn)，提出了基于SR-MPLS技術(shù)的神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案，對(duì)神東公司的骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí)，提升了公司骨干網(wǎng)絡(luò)的整體性能，為神東公司智能化建設(shè)奠定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。

然而，隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)和IPv6技術(shù)的發(fā)展，分段路由技術(shù)也在進(jìn)一步發(fā)展，從SR-MPLS基于IGP轉(zhuǎn)發(fā)段標(biāo)簽的技術(shù)向直接基于IPv6轉(zhuǎn)發(fā)斷路由的SRv6（Segment Routing IPv6，基于IPv6轉(zhuǎn)發(fā)平面的段路由）技術(shù)演進(jìn)，為用戶提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。