陶 駿,顏云生,嚴(yán)志兵,張?jiān)屏?/p>

(1.安徽信息工程學(xué)院 計(jì)算機(jī)與軟件工程學(xué)院， 安徽 蕪湖 241000;2.廣西科技大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與通信工程學(xué)院,廣西 柳州 545000)

目前，很多企業(yè)的網(wǎng)絡(luò)仍然使用OSPF或者RIP協(xié)議進(jìn)行路由轉(zhuǎn)發(fā)，而OSPF和RIP協(xié)議的一些缺陷將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率。

RIP路由協(xié)議是一種基于距離矢量的路由協(xié)議,和靜態(tài)路由協(xié)議相比, RIP路由協(xié)議有靈活和配置方便的特點(diǎn)。但是其缺點(diǎn)也很明顯：收斂速度慢，最大路徑長(zhǎng)度為15，對(duì)無類路由支持較差[1]。

OSPF協(xié)議相對(duì)于RIP協(xié)議，其具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如支持無類路由、路由收斂速度快等，但是也存在很多不足：首先，OSPF協(xié)議采用的Hello協(xié)議比較復(fù)雜，而且鄰居之間的hello間隔和dead間隔必須一致；第二，OSPF協(xié)議中優(yōu)先級(jí)最高的路由器不一定是DR路由器，因?yàn)镈R路由器的選定不是搶占式的，優(yōu)先級(jí)為0的不可能為DR，而且當(dāng)DR路由器down時(shí)，DBR便成為DR，當(dāng)DR恢復(fù)時(shí)便不再是DR；第三，OSPF協(xié)議的 LSA種類很多，數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，定位故障困難。在OSPF協(xié)議中只有LSA可擴(kuò)展，但LSA擴(kuò)展性很差，從而也導(dǎo)致OSPF協(xié)議擴(kuò)展性比較差。

針對(duì)RIP和OSPF協(xié)議的不足和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置的缺陷，本文利用ISIS協(xié)議來充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議進(jìn)行研究,并在運(yùn)行ISIS的基礎(chǔ)上進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母脑?，提高了網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率和網(wǎng)絡(luò)的健壯性。

ISIS協(xié)議指中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng)的路由協(xié)議，屬于內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議。ISIS協(xié)議是由國(guó)際化標(biāo)準(zhǔn)組織制定的，它跟OSPF協(xié)議非常相似，例如它們都屬于鏈路狀態(tài)路由協(xié)議,都采用迪杰斯特拉算法計(jì)算最短路徑。

ISIS相對(duì)于OSPF協(xié)議，它的優(yōu)點(diǎn)是：ISIS協(xié)議中一個(gè)路由器只能在一個(gè)區(qū)域中，而在OSPF協(xié)議中，一個(gè)路由器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接口劃分可屬于多個(gè)區(qū)域；ISIS協(xié)議支持的網(wǎng)絡(luò)類型有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)和廣播網(wǎng)絡(luò)，在廣播網(wǎng)絡(luò)中，基于OSPF協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)在進(jìn)行LSP報(bào)文交換和同步自己的LSDB時(shí)會(huì)選取一個(gè)DR路由器和一個(gè)DBR路由器，而在基于ISIS協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中會(huì)選取一個(gè)DIS路由器，它不會(huì)再選取一個(gè)備份DIS路由器，當(dāng)DIS路由器發(fā)生故障時(shí)，ISIS協(xié)議會(huì)重新選取另一個(gè)路由器作為DIS路由器；同時(shí)DIS路由器發(fā)送數(shù)據(jù)包的時(shí)間間隔是普通路由器時(shí)間間隔的1/3，這樣，當(dāng)DIS路由器發(fā)生故障時(shí)能很快地被發(fā)現(xiàn)；ISIS協(xié)議的度量值全部默認(rèn)為10。由于ISIS協(xié)議具備上述優(yōu)點(diǎn)，其目前是大多數(shù)電信運(yùn)營(yíng)商(ISP)的首選內(nèi)部路由協(xié)議[2]。

ISIS協(xié)議能較好地彌補(bǔ)OSPF協(xié)議的不足，但是這兩種協(xié)議的部署目前還是靠人工去執(zhí)行，這將浪費(fèi)大量的人力和物力。依靠SDN協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理能避免人力和物力的浪費(fèi)[3]。

SDN指軟件定義網(wǎng)絡(luò)，是一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，它的核心理念是：在網(wǎng)絡(luò)中“轉(zhuǎn)控分離”，應(yīng)用軟件按照上層業(yè)務(wù)需求參與對(duì)網(wǎng)絡(luò)的控制管理，通過軟件對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行自動(dòng)化部署，提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的效率。SDN的邏輯體系結(jié)構(gòu)如圖1所示[3，5]。

圖1 SDN體系結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)被分成3層，這3層分別是：應(yīng)用、控制和轉(zhuǎn)發(fā)。服務(wù)器完成相關(guān)的控制功能，上層應(yīng)用軟件把底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)施抽象看成是多個(gè)邏輯實(shí)體，并對(duì)其進(jìn)行操縱管理[4]。

針對(duì)RIP和OSPF協(xié)議的不足和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)配置的缺陷，本文利用ISIS協(xié)議來充當(dāng)網(wǎng)絡(luò)的路由協(xié)議，提高了網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)效率和網(wǎng)絡(luò)的健壯性；使用SDN協(xié)議進(jìn)行統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)配置下發(fā)，提升了網(wǎng)絡(luò)的管理效率[4-5]。

1 基于ISIS協(xié)議與NAT協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)改造

對(duì)一個(gè)典型的基于OSPF協(xié)議的中型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)改造。此企業(yè)有8棟樓，每棟樓有3層，有1臺(tái)路由器(型號(hào)為思科2811)，1臺(tái)匯聚交換機(jī)(型號(hào)為華為8505)，每層樓有1臺(tái)接入交換機(jī)(型號(hào)為H3C的3100)，接入交換機(jī)通過網(wǎng)線上聯(lián)到匯聚交換機(jī)，匯聚交換機(jī)通過光纖上聯(lián)到核心路由器。樓棟路由器再通過光纖上聯(lián)到核心路由器(型號(hào)為思科7206)，其中，防火墻與中國(guó)電信互聯(lián)，具體的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D2所示。

每層樓的用戶上網(wǎng)都需要經(jīng)過核心路由器的NAT才能連上互聯(lián)網(wǎng)。每層樓的接入交換機(jī)負(fù)責(zé)為該層樓用戶劃分VLAN，1層樓屬于1個(gè)VLAN，1個(gè)VLAN對(duì)應(yīng)128個(gè)地址(半個(gè)C類地址)，每棟樓的匯聚交換機(jī)負(fù)責(zé)將接入層交換機(jī)傳來的數(shù)據(jù)匯聚到核心層路由器。樓棟路由器使用OSPF協(xié)議宣告內(nèi)網(wǎng)的網(wǎng)段，使內(nèi)網(wǎng)中各個(gè)路由器之間能夠互相連通，核心路由器與中國(guó)電信之間使用靜態(tài)路由器進(jìn)行通信，核心路由器在OSPF協(xié)議下發(fā)默認(rèn)路由來指明互聯(lián)網(wǎng)的路徑。

企業(yè)網(wǎng)絡(luò)除了上述OSPF的缺點(diǎn)之外，在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)上也存在一定缺陷：第一，樓棟路由器的出口僅有1臺(tái)核心路由器，缺乏冗余保護(hù)；第二，網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)任務(wù)繁瑣，每臺(tái)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都需要人工進(jìn)行配置，工作量巨大。

1.1 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涓脑?/h3>

網(wǎng)絡(luò)改造主要是網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)協(xié)議的改造，網(wǎng)絡(luò)改造后拓?fù)鋱D如圖3所示。

網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞母脑熘饕缦拢盒陆?臺(tái)核心路由器，其出口通過中國(guó)聯(lián)通的網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)互聯(lián)網(wǎng)，另一個(gè)核心路由器的出口仍然通過中國(guó)電信的網(wǎng)絡(luò)上聯(lián)互聯(lián)網(wǎng)，這就使企業(yè)的出口有兩個(gè)，達(dá)到了冗余保護(hù)的目的；每臺(tái)樓棟的路由器1條上行通過光纖上聯(lián)到核心路由器1，另一條上行通過光纖上聯(lián)到核心路由器2，這兩條上行電路是基于負(fù)載均衡的，達(dá)到對(duì)樓棟路由器的上行進(jìn)行冗余保護(hù)的目的；新建兩套SDN系統(tǒng)，它們以主備的方式進(jìn)行工作，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。接入層和匯聚層的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浔３植蛔儭?/p>

1.2 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建模擬分析

在linux環(huán)境下，根據(jù)圖3用NS3軟件模擬基于OSPF、SDN與ISIS路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建[6]。

采用Waxman隨機(jī)圖模型分析路由算法的實(shí)驗(yàn)，在此模型中，隨機(jī)圖的節(jié)點(diǎn)隨機(jī)分布在一個(gè)符合條件的區(qū)域內(nèi)，節(jié)點(diǎn)u與v之間存在邊的概率為

(1)

圖3 公司網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

式中：d(u,v)為節(jié)點(diǎn)u到節(jié)點(diǎn)v之間的歐拉距離，L為節(jié)點(diǎn)間的歐拉距離最大值，參數(shù)α，β定義域?yàn)閰^(qū)間(0,1),α越大,距離遠(yuǎn)的節(jié)點(diǎn)間存在邊的概率就越大,β越大,網(wǎng)絡(luò)就會(huì)稠密。在模擬實(shí)驗(yàn)中取α=0.65,β=0.45，為了更好地比較路由協(xié)議的優(yōu)越性，作如下的約定：Cospf和Cisis代表OSPF路由協(xié)議和基于SDN的ISIS路由協(xié)議的轉(zhuǎn)發(fā)代價(jià)。

定義中δ為采用的優(yōu)化百分比,i為進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn)的次數(shù)，具體為

δi=((Cisis-Cospf)/ Cisis)×100%.

(2)

進(jìn)行2 000次的模擬實(shí)驗(yàn)，取其平均值為

(3)

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從結(jié)果可以看出，Cisis優(yōu)于Cospf，平均的優(yōu)化百分比為4.53%。

1.3 網(wǎng)絡(luò)協(xié)議改造

網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的改變主要如下：刪除核心路由器和樓棟路由器的OSPF協(xié)議；配置ISIS協(xié)議，兩臺(tái)核心路由器為lever-12路由器，8臺(tái)樓棟路由器充當(dāng)lever-1路由器；核心路由器1以默認(rèn)靜態(tài)路由協(xié)議把缺省路由指向中國(guó)聯(lián)通，并在ISIS協(xié)議中下發(fā)此靜態(tài)路由；核心路由器2以默認(rèn)靜態(tài)路由協(xié)議把缺省路由指向中國(guó)電信，并在ISIS協(xié)議中下發(fā)此靜態(tài)路由；樓棟路由器配置子接口，終止匯聚交換機(jī)透?jìng)鞯腣LAN；SDN系統(tǒng)以直連路由的方式連接到核心路由器。接入層和匯聚層的交換機(jī)保持協(xié)議不變化[7]。

2 改造后的網(wǎng)絡(luò)分析

網(wǎng)絡(luò)改造后，各項(xiàng)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)使用正常，網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)效率優(yōu)于改造前。

2.1 網(wǎng)絡(luò)維護(hù)效率分析

由于采取SDN的集中控制方式，大大提升了網(wǎng)絡(luò)的維護(hù)效率，通過兩個(gè)例子進(jìn)行說明。

例1. 樓棟路由器是通過兩條上行電路到核心路由器，再通過負(fù)載分擔(dān)的方式通過中國(guó)聯(lián)通和中國(guó)電信上聯(lián)互聯(lián)網(wǎng)，如果某時(shí)刻中國(guó)聯(lián)通的互聯(lián)網(wǎng)發(fā)生擁塞，管理員可快速通過SDN下發(fā)網(wǎng)絡(luò)算法調(diào)整樓棟路由器上行電路的ISIS COST值，使互聯(lián)網(wǎng)流量通過中國(guó)電信的出口電路，具體下發(fā)的算法如表1所示。

表1 算法

例2. 公司成立了1個(gè)新部門，所有樓層都需要新加1個(gè)VLAN，此時(shí)匯聚交換機(jī)和接入交換機(jī)都需要新加VLAN，樓棟路由器需要增加對(duì)應(yīng)的子接口，具體下發(fā)的算法,如表2所示。

在例1中，需要涉及8臺(tái)路由器的配置改變，如果采用傳統(tǒng)管理方式，每臺(tái)路由器配置需要5 min，則總共需要40 min，而采用SDN管理下發(fā)的方式，只需要5 min。對(duì)于例2，涉及8臺(tái)路由器和32臺(tái)交換機(jī)，如果采用傳統(tǒng)管理方式，每臺(tái)路由器或交換機(jī)配置需要5 min，則總共需要200 min，而采用SDN的管理下發(fā)的方式，也只需要5 min，可見SDN管理系統(tǒng)極大地提高了網(wǎng)絡(luò)效率[8-9]。

表2 算法

2.2 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)分析

網(wǎng)絡(luò)建成測(cè)試后采集了各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。采取OSPF(改造前)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)與采取ISIS(改造后)協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)的比較如圖5所示。

圖5 OSPF與ISIS抖動(dòng)次數(shù)折線

圖5中選取11個(gè)時(shí)刻，分別對(duì)應(yīng)測(cè)出的抖動(dòng)次數(shù)，畫出其抖動(dòng)次數(shù)的折線圖[10-11]。從圖中可以看出，除了2，18時(shí)刻外，其余時(shí)刻用OSPF協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)次數(shù)均比用ISIS協(xié)議構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)次數(shù)多。ISIS與OSPF丟包數(shù)目的比較如圖6所示。

圖6通過測(cè)試改造前與改造后2個(gè)網(wǎng)絡(luò)訪問國(guó)外關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)的丟包數(shù)目，并畫出折線圖。從圖中可以看出，從第10時(shí)刻后通過OSPF協(xié)議構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)目明顯比用ISIS協(xié)議構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)丟包數(shù)目多[12-13]。

圖6 ISIS與OSPF丟包數(shù)目折線

3 結(jié)束語

本文介紹使用RIP和OSPF路由協(xié)議來構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的缺點(diǎn)，描述了 SDN和ISIS路由協(xié)議的優(yōu)點(diǎn)。通過基于SDN和ISIS路由協(xié)議對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行構(gòu)建，構(gòu)建之前的模擬實(shí)驗(yàn)分析取得了良好的效果。網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建之后，通過兩個(gè)具體的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)實(shí)例和網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)對(duì)比，從結(jié)果分析中得到基于SDN和ISIS路由協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)更有效和更健壯，更適合于當(dāng)今社會(huì)的大中型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)。對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行服務(wù)質(zhì)量保障以及支持IPV6協(xié)議是后續(xù)的研究重點(diǎn)[14-15]。