畢軍+胡虹雨+王旸旸

摘要：介紹了構建網絡創(chuàng)新試驗環(huán)境方面的一些實踐。認為在中國試驗網方面，主要采用穩(wěn)定性與先進性相結合的技術路線：在主干網，基于虛擬可擴展局域網（VxLAN）靈活構建虛擬網絡，為用戶提供網絡資源；在邊緣的試驗站點，提供虛機和可編程設備等豐富的試驗資源。在國際試驗網方面，則主要采用域間分布式協(xié)作與域內集中式管控相結合的技術路線，基于所提出的WE-Bridge域間軟件定義網絡（SDN）機制為用戶提供跨域試驗網和可編程資源。

關鍵詞： 試驗網；VxLAN；域間SDN

隨著社會發(fā)展，互聯(lián)網作為通信基礎設施之一在經濟文化發(fā)展起到越來越重要的作用。面對實際需求，當前互聯(lián)網在擴展性、安全性和移動性等方面存在的不足也逐漸顯現(xiàn)出來。在未來網絡體系結構創(chuàng)新方面，引發(fā)了學術界和產業(yè)界的研究熱潮[1]。然而新型網絡體系結構難以在現(xiàn)有網絡上部署，缺乏包容多重創(chuàng)新網絡結構的真實試驗環(huán)境。為此，由清華大學牽頭的國家“863”課題“未來網絡體系結構創(chuàng)新環(huán)境”圍繞構建網絡創(chuàng)新試驗環(huán)境方面在中國首次開展了實踐，課題提出了未來網絡創(chuàng)新環(huán)境體系結構——FINE [2]。FINE結構在網絡功能虛擬化、軟件定義網技術等方面，實現(xiàn)虛擬網動態(tài)建設、網絡資源隔離、跨域網絡可編程，提供了支持異構未來網絡創(chuàng)新所需基礎環(huán)境，并且在數據平面提出了帶狀態(tài)的轉發(fā)抽象帶狀態(tài)轉發(fā)抽象（SFA）等8種新型的轉發(fā)抽象技術及其原型系統(tǒng)，在控制平面提出了WE-Bridge協(xié)作式域間軟件定義網絡（SDN）、混合層次式多控制器、網絡資源和控制規(guī)則調度等一些新型的機制。

基于上述新型網絡設備和軟件系統(tǒng)，該課題依托清華大學、北京大學、北京郵電大學等高校，中科院計算所、工信部電信研究院等科研院所，中國電信和中國移動等運營商研究院，建成了17個節(jié)點的網絡創(chuàng)新中國國內試驗平臺；依托亞美歐學術網絡合作建成了首個跨國域間網絡試驗平臺。基于上述試驗平臺，開展了10余項新型網絡體系結構或IP新協(xié)議的研究和試驗，展示了該網絡創(chuàng)新環(huán)境試驗平臺的技術優(yōu)勢。上述實踐對構架網絡創(chuàng)新試驗平臺有一定探索意義。

1 FINE中國試驗網

1.1 試驗網架構及虛擬網絡構建

FINE中國試驗網的總體結構如圖1所示，該試驗網采用成熟性與先進性相結合的技術路線。

在試驗網主干網方面，核心目標是為試驗用戶提供穩(wěn)定可靠、多樣可選擇的網絡連接拓撲。為此，我們采用了先進的虛擬可擴展局域網（VxLAN）技術，用戶通過試驗網絡虛擬化平臺，基于Netconf配置試驗拓撲所涉及的節(jié)點的網絡設備，來靈活構建虛擬試驗網。VxLAN被封裝于用戶數據報協(xié)議（UDP）報文中，易于增量部署，存活性強。理論上可以支持224個虛擬網絡的建立，也具有很好的擴展性。此外，試驗用戶可通過試驗網絡虛擬化平臺提出虛擬網的服務質量需求，基于實時測量的延遲、丟包、抖動等數據，試驗平臺可以在虛擬網創(chuàng)建時用戶選擇符合服務質量需求的VxLAN隧道，并在試驗過程中根據實時測量結果，調度新的符合需要求的VxLAN隧道。

在邊緣網絡方面，核心目標是為試驗者提供了豐富的試驗資源。每個節(jié)點下聯(lián)的試驗站點內，不僅涵蓋了虛擬機和OpenFlow設備，還提供了課題自主研制的SFA、SynFlow等多種數據平面可編程設備，并允許試驗者接入自行研發(fā)設備。

在17個節(jié)點間建立了全連接的VxLAN 隧道，這意味著用戶所需的17個節(jié)點的任意網絡拓撲，都可以通過不同的VxLAN隧道組合來實現(xiàn)。節(jié)點之間的連接除了使用共享資源的互聯(lián)網之外，還在清華大學、北京大學、北京郵電大學等節(jié)點之間架設了直連光纖。多樣的網絡鏈路資源為試驗者帶來更多的選擇和便利，這樣試驗者的在平臺上創(chuàng)建的網絡試驗既能夠運行在互聯(lián)網共享資源的真實環(huán)境下，又能夠運行在高帶寬、低延時的光纖環(huán)境。

1.2 跨站點虛擬網絡試驗示例

用戶可以根據試驗需要，選擇在位于某一大學的試驗站點內試驗，或進行跨站點的試驗。

圖2是單站點內試驗的示意。試驗者通過試驗資源虛擬化平臺的在相應站點內服務器內申請?zhí)摂M機資源，來運行虛擬主機和虛擬交換機，并建立虛擬交換機之間的三角形拓撲，完成試驗網絡構建。

圖3是多站點試驗的示意。對于需要通過真實網絡環(huán)境的網絡試驗，需要利用多站點間的協(xié)同工作。我們仍以組建三角網絡為例，在該場景下用戶自研設備構建單播的三角形網絡。為了貫穿互聯(lián)網，本地站點的虛擬局域網（VLAN）映射到主干網的VxLAN。通過VxLAN ID的隔離，F(xiàn)INE平臺可以支持多個跨站點的網絡試驗同時運行。如圖所示，除了支持VxLAN 1000、2000、3000組成的三角形網絡試驗，還支持了VxLAN 4000組成的網絡試驗。用戶除了使用自研設備，也可以使用站點服務器所提供的虛機進行試驗。

2 FINE國際跨域試驗網

2.1 跨域試驗網協(xié)作機制WE-Bridge

在國際試驗網方面，為了擴展跨域試驗網，我們采用域間分布式協(xié)作與域內集中管控相結合的技術路線，提出了一種軟件定義網絡的東西向接口——WE-Bridge [3]來解決異構的控制器在域間SDN網絡的合作，其原理如圖4所示。對于多個SDN管理域，WE-Bridge是一個高性能的網絡視圖交換機制，它可以兼容不同控制器和網絡視圖信息存儲系統(tǒng)。WE-Bridge通過將物理網絡抽象為不同粒度層次的虛擬網絡視圖以及交換簡化的虛擬網絡視圖信息來構建全局網絡視圖。建立對等會話的兩個管控域的控制器之間通過JSON格式交換網絡視圖信息，實現(xiàn)跨域的可編程性。WE-Bridge機制主要包括網絡視圖信息的定義、網絡視圖的信息存儲格式和傳輸格式，以及一個高性能的網絡視圖交換機制。

我們建設了橫亞、美、歐3地的域間SDN試驗網，主要由6個SDN試驗網組成：清華大學CERNET SDN試驗網、北京郵電大學SDN實驗網、中科院CSTNET SDN試驗網、美國Internet2 SDN試驗網、歐洲SURFNET SDN試驗網、日本APAN-JP/JGN-X SDN試驗網組成。對于不在同一地域的SDN試驗網，試驗網邊界設備之間采用3層GRE隧道的方式進行連接，另外清華與美國Internet2之間、清華與北京郵電大學之間建立了光纖VLAN通道。每個SDN試驗網部署有1個控制器。每個控制器部署由清華大學所開發(fā)的跨控制器平臺的SDN域間通信協(xié)議WE-Bridge。

2.2 細粒度多路徑路由試驗示例

當今的互聯(lián)網使用邊界網關協(xié)議（BGP）作為域間路由的標準協(xié)議，雖然BGP協(xié)議在通過國際互聯(lián)網工程任務組（IETF）的推動下不斷更新，但當前域間路由受到BGP基于目的IP地址前綴的限制，對同一個目的IP地址前綴，BGP只能選擇唯一域間路徑，無法靈活使用域間的多路徑?；ヂ?lián)網的發(fā)展會產生更多的流量對靈活路由策略的需求，諸如不同用戶到某個特定網絡前綴，選擇多條不同的域間路徑路由，以便滿足通信服務質量和安全的要求。這些需求在當前的BGP路由上難以實現(xiàn)。

SDN可以提供IP流級別（包括源IP地址、目的IP地址、源端口、目的端口和應用協(xié)議號IP五元組）細粒度的細粒度轉發(fā)控制。我們設計了SDN域間細粒度多路徑路由機制試驗方案，在相鄰SDN自治域使用WE-Bridge交換網絡視圖的基礎上，每個SDN自治域獲得全局網絡視圖，計算更細粒度的策略表達，與相鄰自治域協(xié)商基于特定源和目的IP 前綴、協(xié)議端口等多字段的路由策略，實現(xiàn)比傳統(tǒng)BGP路由更靈活的域間細粒度路由。

我們用一個例子說明細粒度多路徑路由實現(xiàn)不同的源網絡到達相同的目的網絡，采用不同的路由路徑。如圖5（a）所示，BGP路由下，從自治域（AS）1自治域下聯(lián)的兩個不同網絡到達AS 5網絡，采用相同的路徑；而SDN域間細粒度路由機制使用WE-Bridge東西協(xié)同接口，傳播基于IP五元組路由信息，在自治域間構建不同的路由路徑，如圖圖5（b）所示，從AS 1自治域下聯(lián)的兩個不同網絡，采用兩條不同的路徑達到AS 5目的網絡。

3 結束語

文章中，我們介紹了構建網絡創(chuàng)新試驗平臺的研究工作，在虛擬網絡動態(tài)構建、網絡資源隔離、跨域網絡協(xié)作等方面提出重要創(chuàng)新。該試驗平臺提供的環(huán)境可以支持多種不同新型網絡體系結構同時開展試驗，為未來網絡體系結構的探索創(chuàng)新提供了支撐平臺，也為構建中國的未來網絡基礎設施建設奠定技術基礎。該試驗平臺的建設也存在許多技術挑戰(zhàn)，比如：在容納更多的網絡試驗同時，兼顧各個網絡試驗對網絡資源使用的效率和公平性；如何提高平臺在控制平面和數據平面的擴展性，提高對網絡試驗支持的規(guī)模和范圍。隨著信息中心網絡（ICN）、5G等新型網絡技術應用和發(fā)展，構建能夠兼容異構網絡創(chuàng)新，達到多種網絡結構共存發(fā)展的未來網絡生態(tài)環(huán)境，在理論和實踐上值得深入探索。

參考文獻

[1] PAN J， PAUL S， JAIN R. A Survey of the Research on Future Internet Architectures [J]. IEEE Communications Magazine， 2011， 49（7）：26-36

[2] BI J. FINE： Future Internet iNnovation Environment [J]. China Communications （IEEE）， 2015， 12（1）： 146-147

[3] LIN P P， BI J， WOLFF S， et al. A West-East Bridge Based SDN Inter-Domain Testbed [J]. IEEE Communications Magazine， 2015， 53（2）： 190-197