基于SDN的IP RAN网络智能路由管理系统应用研究

尹远阳+孙嘉琪+卢泉+杨广铭

【摘 要】随着数据业务的不断发展，IP网络规模建设不断扩大。根据SDN技术架构要求，提出IP RAN网络智能路由管理系统，通过实验测试表明所研发的智能路由管理系统能实现全局网络路由可视化、路由抖动、故障告警及事件回放等管理功能，对后续简化网络运维具有重要的指导意义。

【关键词】智能路由 IP RAN网络 SDN技术 集约化

doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.20.012 中图分类号：TN915.06 文献标志码：A 文章编号：1006-1010（2016）20-0061-05

1 引言

随着宽带互联网业务与LTE移动承载网络的大规模部署与快速发展，以中国移动的PTN网络、中国联通和中国电信的IP RAN网络为典型，基站业务的接入承载网络都在大规模地进行建设部署。IP网络规模日益庞大，作为运营商如何为客户提供高速协同接入、高效运维管理、质量按需保障的业务差异化服务，这也是运营服务商网络由传统的“哑管道”向精细化的“智能管道”转变的动力源泉[1]。国内外目前只有美国的Packet Design公司研发的Explorer Router是一款比较成熟的路由分析系统，但是该系统非常昂贵而且是基于license来实现服务网络规模，并且运维人员在没有经过特殊培训的情况下使用该系统有一定的技术难度。运营商是网络服务中智能管道的提供者，而数据IP网是一种动态的、智能的网络。路由协议的动态性及网络路由故障的未知性一直困扰着网络管理者和维护人员，使网络管理人员难以掌握全局的网络路由控制能力[1，3，6]。针对超大规模的IP RAN网络维护问题以及如何提高智能管道差异化服务问题，网络服务提供者有必要针对自己网络的特性，对IP网络路由实现智能化管理进行深入的应用研究，实现对IP RAN超大规模网络路由状态进行观察、监控、分析。

2 IP RAN网络发展及面对的问题

IP RAN是指以IP/MPLS协议及关键技术为基础，主要面向移动业务承载并兼顾提供二三层通道类业务承载，以省为单位，依托CN2骨干层组成的端到端的业务承载网络[3]。在IP RAN网络中主要包括接入层、汇聚层和核心层，而核心层又分为城域核心层、省核心层，具体IP RAN承载网络的基本架构如图1所示[3，4]：

接入层A设备接入的业务主要包括基站业务、政企类业务。政企通道业务主要采用二层PW方式。对于汇聚层B设备，主要实现的是终结pw业务，开启L2VPN或L3VPN业务。逻辑上接入环内采用的是IGP路由协议中的OSPF协议，而汇聚环以上采用ISIS路由协议与接入环实现路由隔离。IP RAN承载网络随着4G及4G+的部署商用和政企专线业务承载，甚至后续作为新建DCI云承载网络的延伸接入，使得IP RAN这张网络显得越来越重要，采用的技术也就越来越复杂，对于超大规模IP RAN网络路由管理和维护将会出现以下几个问题：

（1）超大规模的IP RAN网络路由管理

未来5G时代IP RAN网络需要接入更多基站、承载带宽更大、时延要求更低、网络调度能力更智能。因此对IP RAN承载网而言，整张网络路由数量也会对应增加。如果网络域内或域间路由发生变化或是异常抖动，路由收敛速度直接影响到整张网络的稳定性，进一步增加了运维人员排除网络障碍的难度。

（2）多种网络路由协议维护

IP RAN承载网络设备之间运行了多种网络路由协议，比如IGP、BGP、IBGP、MPLS VPN路由信息等。当网络间路由抖动或部分路由发生异常时，通过传统网管展现的物理链路拓扑已经无法监测逻辑路由的变化，因此无法准确定位网络故障的根源，很难监测网络的服务质量以及缺少对VPN路由管理的监控手段，只能通过一段一段地测试进行排除，工作量大，耗时长。

（3）统一可视化的网络路由智能化管理

新型SDN技术的兴起，根据现网建设和维护的要求如何在现有的IP RAN网络中采用SDN技术架构设计理念对IP RAN网络中海量网元进行统一性管理，掌握全局网络路由信息，实现全网IGP、BGP路由拓扑可视化管理、路由抖动监测、故障报表、VPN路由时间监测、路由回放等功能，满足业务快速响应、故障快速定位等功能要求是实现智能路由管理重要的研究内容。

SDN技术是一种新的网络架构发展[5，12]，它的兴起改变了传统网络的发展模式，同时也为整个通信领域的后续发展和演进提供了技术支持和方向选择，是简化网络管理和运维最为理想的实现方式。本文针对上述几个问题，重点对IP RAN承载网络中路由管理问题进行研究，并根据网络的实际要求对研发的路由管理系统进行了实验测试，取得了一定的成果。

3 基于SDN技术的IP RAN网络智能路由系统

3.1 RAN智能路由管理系统架构

IP RAN这张网所采用的设备和技术都是新技术的集合，是一张扁平化和集约化管理的承载接入网络。IP数据网络是通过路由协议的交互来保证整个网络的通信。对于刚接触IP RAN网络维护的人员来讲，现有的简单运维技术还无法准确对网络路由抖动及故障进行定位，也没有一套完整的分析系统对现有网络资源数据进行整合和挖掘分析。

在IP网络中网络路由具有动态性、可变性等特点，本文对现有网络特点及路由特征进行分析，确定基本的路由管理系统实施方案。以SDN技术理念为指导，初步设计了基于SDN技术的智能路由管理系统的基本架构[5]，在系统设计中根据路由管理功能要求，确定各模块功能并对其进行开发，系统架构如图2所示：

由图2可知智能路由管理系统主要分为三层，每层之间通过开放接口协议来实现各组件之间的信息交互，各模块之间信息处理由控制器统一进行，数据都存入在DB（Data Base）库中。

（1）应用层：这是系统的展示层，该层的主要功能是将SDN控制器处理后的数据通过北向接口，按照规定的格式要求提出相关数据，并将数据转换成对应的图形界面及按钮形式展现给运维人员。可以实现路由全局逻辑拓扑视图，在该视图上可以实时动态地监测路由状态、路由抖动、故障分析报表、路由快照回放、VPN路由监测等功能。

（2）控制层：主要是由处理核心控制器、事务处理模块、数据库管理等子模块组成。该层主要是实现整个网络中路由信息收集和加工处理以及完成对历史事件的存储。考虑到设备的支持能力及要求，系统设计方案可以有两种实现方式：一种是在基础设施层本地网或单域内设置普通路由代理器方式，通过该区域代理路由器收集全局路由信息，再经过TCP协议封装上报给控制层的管理中心。另一种是基于开源技术的ODL方式，在不同区域部署ODL方式开发的仿真路由器通过标准的REST北向接口上报全局路由信息给控制层[2]，实现全网路由监测。

（3）基础设施层：主要是被监测物理网络的路由器设备，在路由器中运行了各种路由协议，物理路由器与开发的路由仿真器之间通过路由协议交互信息。

3.2 智能路由管理系统代理路由器与控制层通信设计

（1）路由代理与控制层中心管理平台通信建立流程

步骤1：协议启动，加载所开发的代理路由器通信模块，打开TCP连接并周期性地发送Hello心跳报文；

步骤2：若3次发出Hello后未收到控制层中心管理平台发送Hello报文，则代理路由器通信组件将连接状态置为DOWN；

步骤3：连接状态为DOWN时代理路由器模块不处理任何数据上报消息，直到TCP连接状态变为UP为止；

步骤4：当控制层的中心管理平台启动并发出Hello报文后，代理路由器模块收到心跳Hello后将接口通信连接置为UP；

步骤5：代理路由器模块通过路由协议模块请求网络路由信息，并全量上报路由（状态）信息。

（2）控制层中心管理平台主动请求数据上报流程

步骤1：代理路由器仿真节点在IP RAN智能路由管理系统启动后，会主动与路由管理系统进行会话通信，完成会话后，主动上报网络路由信息；

步骤2：中心管理平台根据自身需求（如同步数据等），发送请求到代理模块请求指定类型数据上报；

步骤3：代理路由器节点根据请求消息向内部协议请求相应数据并上报给中心管理平台。

路由代理启动与中心平台请求上报数据交互过程如图3所示：

通过上述的两个交互过程，路由代理器和中心控制平台之间已经建立起可靠的TCP连接用来彼此传输需要的数据。在建立好连接的情况下，中心管理平台向路由模块发送请求上报路由状态信息，本地路由代理进程将路由状态信息全量发送给路由代理中心，然后路由代理将收集路由信息（如IGP路由状态、BGP路由信息、路由代理、OSPF、ISIS、BGP/RTM），数据按照路由协议标准封装成标准的TCP数据流，全量上报给中心管理平台。由中心平台控制器还原所收集的区域网络逻辑拓扑结构，在监控管理平台以可视化的网络图形展现给维护人员。该平台还能根据链路监测要求对链路路由拓扑进行实时分析。

4 基于SDN的IP RAN网络智能路由系统验证实验

4.1 验证系统性能网络仿真测试

为了验证系统的基本功能是否满足路由的可视化监测以及动态路由管理等功能，为此通过思博伦仪表仿真不同路由节点，节点数量为4000个，模拟一个完整的网络模型。该模型中主要分为三层：接入层、汇聚层、核心层，具体测试网络部署的拓扑示意图如图4所示。

图4中路由代理基于TCP传输方式，主动收集区域内路由信息，与智能路由管理系统建立通信连接后，当中心管理平台请求全量上报时，路由代理的通信组件将当下路由信息以定义好的数据格式主动上报给中心管理平台数据中心，从而实现实时的路由拓扑视图。当域内或域间路由发生变化时，路由代理监控到路由变化，应用层能动态地展示路由抖动状态，并保存原有路由状态信息，实现路由抖动监控和路由状态统计。

4.2 IP RAN网络智能路由系统测试结果

在智能路由管理系统中，为了实现可视化查询路由状态的变化情况，该系统能完成全局路由拓扑信息视图展示、路由统计报表、TOPN报表、路由故障告警展示、路由历史事件回放等可视化管理。

（1）测试结果1：全网路由拓扑及路由抖动实时展现

代理路由器将接收的模拟网络的LSP路由信息上报给智能路由管理系统的控制器处理，控制器按照路由协议及定义的封装格式将提出的数据进行封装。然后由智能监控平台处理后将数据转换为可视化的方式实时展示给网络维护者和相关使用用户，同时系统支持实时刷新加载网络中新增的路由逻辑拓扑管理。根据图4的要求进行网络部署，登录系统点击对应的可控键就可以看到实时的路由拓扑展示，具体如图5所示。当路由发生抖动时该界面视图会产生红线（闪动）提示用户该段路由发生故障，如图5中的红色线条所示。

（2）测试结果2：链路路由故障告警统计展示

在模拟的网络中选择一条或数条原本正常的路由，在路由器上经过配置操作使其路由不断发生撤销然后又重新收敛建立等操作，IP RAN智能路由管理系统根据系统收集的数据处理，将对应的路由关键标识存入到后台的数据库中，用户只要在系统界面点击对应的按钮，通过筛选查询就可以获得该段时间路由故障的报表，并将所有监测信息以TOPN的报表形式呈现在网络维护人员面前。

（3）测试结果3：路由历史事件回放功能展示

IP RAN网络智能路由管理系统可以根据用户需要在界面指定时间间隔来定期生成路由拓扑快照并存储在系统中。通过该事件的回放功能对比处理用户可以轻松观察一段时间内路由的变化过程，用户可全天候查看整个过程的各个时间段的回放基准点，回放全网路由在什么时间段发生了哪些变化。对于路由历史事件回放功能，维护人员可以自由选择记录的路由快照作为路由回放起点，观察这期间路由拓扑前后时间段发生的变化，实现路由故障定位、定点分析。

5 结束语

超大规模IP RAN网络的复杂路由管理、路径优化和业务质量保障等问题一直困扰着网络运维人员。本文对IP RAN网络特点进行了分析，为了进一步提高IP RAN网络智能化管理程度，重点对SDN开源技术和网络运维需求进行了深入研究，提出了基于SDN的超大规模IP RAN网络智能路由管理系统设计方案。根据网络维护管理的实际要求对智能路由管理系统进行了定位分析和系统软件研发，最终完成了系统功能测试。研究及测试结果表明所研发的智能路由管理系统能实现网络路由拓扑可视化管理、网络路由抖动实时监测、路由故障告警、TOPN统计等管理功能，并对系统的可靠性做了充分的论证。同时研究内容对进一步推动IP RAN网络向SDN智能网络演进提供了重要的指导意义。

参考文献：

[1] 王歆平，王茜，刘恩慧，等. 基于SDN的按需智能路由系统研究与验证[J]. 电信科学， 2014（4）： 8-14.

[2] Open daylight. OpenDaylight：开源 SDN [EB/OL]. [2016-06-15]. http：//www.opendaylight.org.

[3] 中国通信标准协会. YD/T 3020-2016基于SDN的IP RAN网络技术要求[S]. 2016.

[4] 尹远阳，卢泉，杨广铭，等. IP RAN综合承载网络中引入SDN技术的应用研究[J]. 移动通信， 2015（24）： 39-44.

[5] 杨沛霖，吕光宏，张团利. 关于软件定义网络可扩展性的综述[J]. 计算机应用研究， 2016（4）： 967-972.

[6] 刘彩红，魏战争. 对计算机网络问题中路由器故障的分析[J]. 黑龙江科技信息， 2016（9）： 175.

[7] 孙嘉琪，杨广铭，卢泉. IP RAN SDN的研究与实践[J]. 互联网天地， 2014（9）： 44-49.

[8] 陶智勇，高潮. 基于OpenFlow网络的流媒体传输QoS的研究与设计[J]. 电视技术， 2015 （3）： 133-135.

[9] 俞淑妍，丁健，刘江，等. 校园级SDN创新试验平台的研究与实践[J]. 信息通信技术， 2014（1）： 30-35.

[10] 陈斌，季文翀，邱忠辉. IPv6网络管理与运营支撑系统的研究与设计[J]. 中兴通讯技术， 2006（1）： 17-21.

[11] 何鹏，陆建新，陈继红，等. 针对路由信息残缺的网络拓扑发现研究与实现[J]. 计算机工程， 2009（3）： 130-132.

[12] E Haleplidis， J Hadi Salim， S Denazis. Towards a network abstraction model for SDN[J]. Journal of Network & Systems Management， 2014，23（2）： 1-19.