趙力力，李 文，蔣元兵，康宗緒，王建兵

（1.重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030；2.軍事科學(xué)院系統(tǒng)工程研究院，北京 100141）

0 引 言

傳輸控制協(xié)議 /網(wǎng)際協(xié)議（Transmission Control Protocol / Internet Protocol，TCP/IP）是不同網(wǎng)絡(luò)實(shí)體實(shí)現(xiàn)信息互通的協(xié)議族，在20世紀(jì)80年代提出并得到迅速發(fā)展，已成為現(xiàn)代因特網(wǎng)基礎(chǔ)和標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議[1]。只要遵循TCP/IP協(xié)議，不同主機(jī)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間即使傳輸介質(zhì)和操作系統(tǒng)各異，也能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)或跨網(wǎng)通信[2]。隨著通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，互聯(lián)網(wǎng)用戶數(shù)量也在急劇增加，網(wǎng)絡(luò)不斷興建大量的信息化基礎(chǔ)設(shè)施，包括各種各樣的二層交換機(jī)、三層交換機(jī)、以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（Ethernet Passive Optical Network，EPON）以及服務(wù)器等。此外，大型互聯(lián)網(wǎng)公司為了給不同地域的用戶提供低時(shí)延高帶寬的可靠服務(wù)，在世界各地逐步部署數(shù)據(jù)服務(wù)中心，如Google公司在世界各地部署的數(shù)據(jù)中心超過30個(gè)，這些數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器數(shù)量高達(dá)4.5×105臺(tái)[3]。

近年來，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模日益劇增，網(wǎng)絡(luò)流量也在不斷增長，根據(jù)思科（Cisco）2017年發(fā)布的技術(shù)白皮書，到2022年，全球聯(lián)網(wǎng)設(shè)備數(shù)量將達(dá)到人口總數(shù)的3倍以上[4]。數(shù)據(jù)中心之上的應(yīng)用和數(shù)據(jù)中心之間的同步都會(huì)產(chǎn)生巨大的流量，并且傳統(tǒng)的服務(wù)器下行數(shù)據(jù)到客戶端模式逐漸被數(shù)據(jù)中心同步流量所取代。Cisco的研究報(bào)告表明，截至2020年，數(shù)據(jù)中心內(nèi)的服務(wù)器下行數(shù)據(jù)流量僅為數(shù)據(jù)中心同步流量的1/3，同時(shí)數(shù)據(jù)中心之間的流量還在急劇增長，每月能夠達(dá)到330 TB至330 PB，這給數(shù)據(jù)中心供應(yīng)商產(chǎn)生了數(shù)以億計(jì)的經(jīng)濟(jì)成本[5]。在這種背景下，廣域網(wǎng)資源利用率成為熱點(diǎn)研究課題。

1 既有成果介紹

目前，解決廣域網(wǎng)資源利用率最成功的方法就是軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）。2006年，斯坦福大學(xué)的Clean Slate課題開始研究SDN技術(shù)，McKeown N教授的研究團(tuán)隊(duì)提出了OpenFlow的技術(shù)概念用于校園網(wǎng)絡(luò)的試驗(yàn)創(chuàng)新[6]。在SDN的概念中，將網(wǎng)絡(luò)控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行分離，網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)被集中控制，底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備提供統(tǒng)一的管理和編程接口供上層應(yīng)用使用。2009年，MIT Technology Review雜志將SDN評(píng)選為未來十大突破性技術(shù)之一[7]。

許多大型互聯(lián)網(wǎng)公司都在廣域網(wǎng)中進(jìn)行了SDN的嘗試，以提高網(wǎng)絡(luò)利用率，并取得了顯著的成果。Google采用SDN來改造的就是數(shù)據(jù)中心之間互聯(lián)的廣域網(wǎng)，改造后的網(wǎng)絡(luò)被稱為B4網(wǎng)絡(luò)[8]。在B4網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)數(shù)據(jù)中心都部署物理設(shè)備層的物理交換機(jī)和局部網(wǎng)絡(luò)控制層的控制器，而全局控制層的網(wǎng)關(guān)和流量工程（Traffic Engineering，TE）服務(wù)器則部署在全局統(tǒng)一的控制地。改造之后B4網(wǎng)絡(luò)的鏈路帶寬利用率接近100%，鏈路成本大大降低，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)更加穩(wěn)定。

微軟公司的軟件驅(qū)動(dòng)廣域網(wǎng)（software-driver Wide Area Network，SWAN）與 B4 系統(tǒng)基本原理類似，同樣利用SDN，通過OpenFlow接口控制開放式網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，采用流量工程算法，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心私有廣域網(wǎng)鏈路的高效利用。微軟聲稱，與使用多協(xié)議標(biāo)記交換流量工程（Multi-Protocol Label Switching-TE，MPLS-TE）的58.3%帶寬利用率相比，SWAN帶寬利用率可以達(dá)到99%，并且同時(shí)提高了數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)的公平性和網(wǎng)絡(luò)更新的速度等[9]。

除了SDN技術(shù)外，傳統(tǒng)的集成模型技術(shù)在流量工程方面具備較好的拓展性和靈活性。利用資源預(yù)留 協(xié) 議（Resource Reservation Protocol，RSVP） 建 立MPLS-TE隧道，通過多協(xié)議標(biāo)簽交換技術(shù)來提高網(wǎng)絡(luò)的帶寬利用率[10]。

除了SDN和RSVP外，本文介紹了一種協(xié)議無關(guān)的源路由技術(shù)方法，也可以提高IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的資源利用率。

2 設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)原則

在IP網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)報(bào)文從源節(jié)點(diǎn)到目的節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)路徑是由單播路由協(xié)議計(jì)算得出，如果網(wǎng)絡(luò)中存在多條傳播路徑，則需要從拓?fù)鋽?shù)據(jù)庫中去掉最優(yōu)路徑后再次運(yùn)行最短路徑優(yōu)先（Shortest Path First，SPF）算法，從而計(jì)算出次優(yōu)路徑。通過SPF算法可以得到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的最短路徑，其帶來的問題是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)中任意一條鏈路狀態(tài)發(fā)生變化后，將引起全網(wǎng)鏈路數(shù)據(jù)同步，當(dāng)業(yè)務(wù)報(bào)文沿著計(jì)算出的次優(yōu)路徑傳輸時(shí)會(huì)和鏈路狀態(tài)泛洪競爭帶寬資源。

基于以上考慮，提出一種協(xié)議無關(guān)的IP業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)引流方法，該方法采用泛搜索機(jī)制來計(jì)算次優(yōu)路徑，利用嚴(yán)格的源路由來引導(dǎo)數(shù)據(jù)流按照次優(yōu)路徑傳輸。

2.2 前向路徑探尋

前向路徑探詢示意如圖1所示，當(dāng)發(fā)送終端的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)報(bào)文進(jìn)入三層交換機(jī)后，通過匹配關(guān)鍵字段（源IP地址、目的IP地址、源UDP端口號(hào)、目的UDP端口號(hào)以及服務(wù)類型），引導(dǎo)該數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)入CPU的軟件應(yīng)用程序，啟動(dòng)根據(jù)數(shù)據(jù)目的IP地址進(jìn)行前向路徑探尋的過程。前向路徑探尋采用泛洪方式在排除最優(yōu)路徑指定的出接口后，向三層交換機(jī)的其他所有接口發(fā)送Explore-Packet（探詢報(bào)文）。由源三層交換機(jī)維護(hù)Explore-Packet的序號(hào)，每發(fā)送一個(gè)Explore-Packet，探詢序號(hào)加1。序號(hào)作為查詢計(jì)數(shù)使用，不同的查詢計(jì)數(shù)因前向消息和后向消息的各種判斷導(dǎo)致處理方式有所不同，如果三層交換機(jī)收到的探詢和確認(rèn)報(bào)的序號(hào)文小于當(dāng)前記錄序號(hào)，則不進(jìn)行相關(guān)處理。

前向探詢路徑上的所有三層交換機(jī)節(jié)點(diǎn)收到探尋報(bào)文后需要記錄報(bào)文中的原節(jié)點(diǎn)信息、目的節(jié)點(diǎn)信息、序號(hào)信息、前向鄰居IP地址、接口信息以及是否發(fā)送確認(rèn)報(bào)文，并在收到確認(rèn)報(bào)文時(shí)記錄后向鄰居IP地址和接口信息。

前向探詢報(bào)文需要攜帶每個(gè)發(fā)送接口的IP地址信息，以便確認(rèn)報(bào)文正確封裝；后向確認(rèn)報(bào)文需要攜帶每個(gè)發(fā)送接口的IP地址信息，以便業(yè)務(wù)端引導(dǎo)數(shù)據(jù)流使用。

2.3 后向路徑確認(rèn)

后向路徑確認(rèn)示意圖如圖2所示。前向路徑探尋的終點(diǎn)是目的節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)關(guān)三層交換機(jī)，該節(jié)點(diǎn)判斷自身是終點(diǎn)三層交換機(jī)的方法是目的節(jié)點(diǎn)的IP地址落入直連路由的范圍內(nèi)。當(dāng)三層交換機(jī)收到前向探詢報(bào)文后，向前向路徑的三層交換機(jī)依次發(fā)送單播后向路徑確認(rèn)報(bào)文。網(wǎng)絡(luò)中的中間三層交換機(jī)根據(jù)后向確認(rèn)報(bào)文攜帶的前向路徑能夠推算出引用的本地信息，獲取前向鄰居信息后向其發(fā)送確認(rèn)報(bào)文。每個(gè)三層交換機(jī)需要保證后向確認(rèn)消息不會(huì)向同一個(gè)出接口發(fā)送相同的確認(rèn)消息，這樣才能確保選出的業(yè)務(wù)次優(yōu)鏈路不會(huì)重合。

圖2 后向路徑確認(rèn)

2.4 次優(yōu)路徑確認(rèn)

結(jié)合圖1和圖2所示過程，原始節(jié)點(diǎn)終端開始向目的節(jié)點(diǎn)終端192.10.14.2發(fā)送數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。第一跳三層交換機(jī)節(jié)點(diǎn)A根據(jù)五元組信息匹配到相應(yīng)信息后將符合條件的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行啟動(dòng)前向路徑探尋處理。

節(jié)點(diǎn)A以目的節(jié)點(diǎn)IP地址192.10.14.2進(jìn)行查詢路由表，取得路由接口，然后向所有非路由接口發(fā)送泛洪請(qǐng)求報(bào)文。節(jié)點(diǎn)C收到此探尋報(bào)文后，將報(bào)文的源IP地址192.10.11.1的地址記錄下來放入探尋報(bào)文后，繼續(xù)沿著非路由接口進(jìn)行泛洪。節(jié)點(diǎn)E收到此探尋報(bào)文后，將報(bào)文的源IP地址192.10.12.1的地址記錄下來放入探尋報(bào)文后，繼續(xù)沿著非路由接口進(jìn)行泛洪。節(jié)點(diǎn)F收到此探尋報(bào)文后，因?yàn)?92.10.14.2的地址落入直連路由的網(wǎng)段內(nèi)，判斷自身是終點(diǎn)三層交換機(jī)，開始進(jìn)行后向路徑確認(rèn)過程。確認(rèn)報(bào)文將依次經(jīng)過的節(jié)點(diǎn)即為前向探尋報(bào)文中記錄的節(jié)點(diǎn)地址：192.10.13.1、192.10.12.1、192.10.11.1。后向確認(rèn)報(bào)文將按照前向探尋報(bào)文的反向進(jìn)行單播逐級(jí)傳遞，最終確認(rèn)報(bào)文到達(dá)原始節(jié)點(diǎn)A，完成路徑確認(rèn)，得到完成的路徑為192.10.11.2，192.10.12.2、192.10.13.2。

2.5 路徑維護(hù)

三層交換機(jī)的前向鄰居信息和后向鄰居信息完整后啟動(dòng)鄰居維護(hù)定時(shí)器，維護(hù)前向和后向節(jié)點(diǎn)的鄰居關(guān)系。當(dāng)鄰居超時(shí)脫網(wǎng)后，刪除記錄的鄰居信息。如果前向鄰居超時(shí)，則三層交換機(jī)直接刪除記錄的鄰居信息；如果是后向鄰居超時(shí)，則需要向申請(qǐng)地節(jié)點(diǎn)發(fā)送鄰居消失通告消息。

2.6 業(yè)務(wù)引導(dǎo)

業(yè)務(wù)源通過以上泛搜索機(jī)制獲取到次優(yōu)路徑上的三層交換機(jī)IP地址，并通過嚴(yán)格源路由方式將用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)引導(dǎo)至網(wǎng)關(guān)設(shè)備。嚴(yán)格源路由規(guī)定IP數(shù)據(jù)要經(jīng)過路徑上的每一個(gè)路由器，相鄰路由器之間不得有中間路由器，并且經(jīng)過路由器的順序不可更改。

如圖1和圖2所示，經(jīng)過前向路徑探尋和后向路徑確認(rèn)，原始節(jié)點(diǎn)A獲取了特定業(yè)務(wù)的規(guī)劃路徑192.10.11.2、192.10.12.2、192.10.13.2。通過嚴(yán)格源路由的方式，為特定業(yè)務(wù)報(bào)文封裝特定的IP頭部選項(xiàng)。在IP頭部選項(xiàng)中將整個(gè)路徑的IP地址都封裝在里面，然后每個(gè)接收節(jié)點(diǎn)按照標(biāo)準(zhǔn)的IP頭部選項(xiàng)處理即可。IP數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)目的三層交換機(jī)后，將被恢復(fù)為原始IP報(bào)文，IP頭部選項(xiàng)字段內(nèi)的內(nèi)容已被清零，然后繼續(xù)按照標(biāo)準(zhǔn)路由的方式將該報(bào)文送到目的終端計(jì)算機(jī)。

3 結(jié) 語

本文研究了一種協(xié)議無關(guān)的與業(yè)務(wù)主路徑不重合的次優(yōu)傳輸路徑生成方法，采用源路由方式引導(dǎo)業(yè)務(wù)報(bào)文按照生成的次優(yōu)路徑從源節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)侥康墓?jié)點(diǎn)。該方法在次優(yōu)路徑生成過程中無需獲取全網(wǎng)拓?fù)?，并且不占用主路徑的鏈路帶寬，非常適用于窄帶鏈路構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)。