劉明波，趙乾宏，吉 慶，丁 冉

（中國衛(wèi)星海上測控部，江蘇 江陰 214431）

0 引言

自某專用業(yè)務網部署建設以來，信息通信方式由專線環(huán)境下的同步傳輸通信轉變?yōu)榫W絡方式下的異步傳輸通信，實現了專用任務數據、話音、圖像等業(yè)務的統一承載、綜合傳輸與交換。與專線傳輸相比，IP 模式下業(yè)務網信息傳輸帶寬更大，組網方式更靈活，狀態(tài)監(jiān)測和故障定位更方便，已圓滿完成了數百次專用任務中各類業(yè)務的交換和傳輸，承擔著信息高速公路和信息神經網絡的功能，在任務中發(fā)揮了關鍵作用[1]。

但是，在業(yè)務網的日常使用過程中也出現了一些亟需完善的地方。例如，雖然業(yè)務網各節(jié)點間備份、冗余、轉接線路和設備很多，但是由于廣域網采用靜態(tài)路由設置方法，當出現某一個骨干線路中斷或骨干設備宕機等故障時，由于無法自動適應網絡拓撲的變化，需要整個線路上各節(jié)點崗位人員重新進行路由配置，線路切換時間長，效率低?？梢?，當前路由設置方法已不能很好地滿足新型專用任務對信息傳輸“不間斷”的需求。

以往相關研究中主要針對專用業(yè)務網現有配置情況下的優(yōu)化方法進行分析完善，沒有從根本上解決現有網絡路由收斂慢、故障處置低效等問題[2]。本文重點對在當前某專用業(yè)務網中部署路由信息協 議（Routing Information Protocol，RIP）、開 放最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF）、中間系統到中間系統（Intermediate System-to-Intermediate System，IS-IS）路由協議、邊界網關協議（Border Gateway Protocol，BGP）等動態(tài)路由協議替代靜態(tài)路由協議的可行性開展研究，對比各類路由協議的優(yōu)缺點和應用場景，對某專用業(yè)務網的路由設置提出改進完善建議，確保能夠滿足現有業(yè)務傳輸對網絡路由快速收斂、故障高效處置（50 ms 內）的迫切需求。

1 業(yè)務網拓撲結構

某專用業(yè)務網網絡平臺根據組網方式分為節(jié)點間廣域網和節(jié)點內城域/局域網兩部分。

節(jié)點間廣域網是指需使用長途光纖通信或衛(wèi)星通信等遠距離傳輸手段作為傳送通道進行通信的IP通信網，一般采用路由器組網。為保證信息遠距離傳輸的可靠性，各廣域網節(jié)點采用兩個路由器分別接入兩條相互獨立的廣域傳送通道，與其他廣域網節(jié)點對應路由器相連，形成雙路由獨立組網結構，構成兩個相互獨立的網絡傳輸平臺，分別為第一路由廣域網和第二路由廣域網[3]。節(jié)點間廣域網組網方式如圖1 所示。

圖1 節(jié)點間廣域網組網方式

節(jié)點內城域網/局域網主要指各子節(jié)點內部的IP 通信網，一般采用三層交換機組網，以節(jié)點內光纖和電纜線路作為傳送通道。城域網和局域網在網絡覆蓋范圍、層次結構、網絡流量以及用戶數量上存在一定的差別。

在層次結構方面，城域網/局域網主要采用“核心——匯聚——接入”三層結構或“核心匯聚合一——接入”的二層結構。核心層是城域/局域網的中心，對外連接廣域網，對內連接下級節(jié)點；匯聚層是城域網的區(qū)域中心，對上連接核心層，對下連接接入層，主要實現區(qū)域內的信息匯聚與交換；接入層節(jié)點完成用戶接入，一般部署在各用戶集中點位。核心節(jié)點、匯聚節(jié)點和重要的接入節(jié)點均采用雙交換機配置，匯聚或接入節(jié)點交換機均采用雙上聯方式與上級節(jié)點的兩個交換機連接，核心交換機之間采用環(huán)狀連接或采用全網狀網連接，上下級交換機之間統一采用路由方式，同一個節(jié)點的兩個交換機之間采用路由方式或二層連接方式。一般情況下，一個城域網/局域網各有一條鏈路與任務中心第一廣域網和第二廣域網相連[4]。城域網/局域網的一般結構及其對外連接關系，如圖2 所示。

2 現狀分析

如前所述，某專用業(yè)務網網絡平臺主要由節(jié)點間廣域網和節(jié)點內城域/局域網兩部分組成，總體拓撲結構如圖3 所示。

圖2 城域網/局域網結構及對外連接關系

圖3 某專用業(yè)務網總體拓撲結構

網絡由若干中心節(jié)點（以2 個為例）和若干子節(jié)點（子節(jié)點1～子節(jié)點N）組成，其中中心節(jié)點根據信息安全設備類型的不同，設置兩類雙路由廣域網互聯接口，同時部分子節(jié)點也據此設置兩類雙路由廣域網互聯接口。業(yè)務傳輸主要在子節(jié)點至中心節(jié)點以及子節(jié)點至子節(jié)點間進行。子節(jié)點至中心節(jié)點直接傳輸，子節(jié)點間通過中心節(jié)點轉接。

當前，子節(jié)點至中心節(jié)點廣域網間采用靜態(tài)路由。靜態(tài)路由是一種需要手工配置的特殊路由，當網絡結構比較簡單時，只需要配置靜態(tài)路由就可以使網絡正常工作；在復雜網絡環(huán)境中，配置靜態(tài)路由可以減少不必要的動態(tài)路由協議更新報文開銷，增加網絡的穩(wěn)定性，改進網絡的性能，并為重要的應用保證帶寬；靜態(tài)路由比動態(tài)路由使用更少的帶寬，且不占用CPU 資源來計算和分析路由更新。但是，由于靜態(tài)路由的特點，在當前網絡的使用過程中存在以下問題。

（1）靜態(tài)路由不能很好地適應包含多個可行路由的網絡。某專用業(yè)務網中各個節(jié)點（特別是子節(jié)點與子節(jié)點）間存在多條可用路徑，但是由于靜態(tài)路由的局限性，只能設置少量的可用路由；

（2）靜態(tài)路由需要網絡管理員投入大量的時間進行配置，不僅要創(chuàng)建路由表，還要根據網絡拓撲變化持續(xù)更新參數配置；

（3）當網絡發(fā)生故障或者拓撲發(fā)生變化后，靜態(tài)路由不會自動更新，必須手動重新配置，涉及到多節(jié)點多設備參數狀態(tài)變更，協調難度大、效率低，故障應急處置時間較長。以中心節(jié)點間骨干線路中斷為例，執(zhí)行發(fā)現故障、上報故障、請求切換備份鏈路、批準切換、協調各方向以及完成切換，整個流程至少需要30 min，給某專用業(yè)務的實時傳輸帶來了較大隱患。

高密度、新型號任務形勢下，對專用業(yè)務網網絡傳輸的可靠性和快速響應能力提出了新的更高的需求，要求網絡傳輸萬無一失。鏈路故障代通時間不超過50 ms，因此亟需對現有路由設置方法優(yōu)化完善。

3 路由設置優(yōu)化方法研究

隨著專用業(yè)務網中廣域網鏈路帶寬增加、網絡設備性能提升以及路由協議優(yōu)化等，在網絡中部署RIP、OSPF、IS-IS、BGP 等動態(tài)路由協議，可以在保證網絡穩(wěn)定的情況下，大大提高網絡性能和應急處置效率[5]。本文分別對各協議特點和應用的可行性進行研究，給出后續(xù)路由設置優(yōu)化建議。

3.1 RIP 協議

路由信息協議（Routing Information Protocol，RIP）是一種較為簡單的、基于距離矢量算法的內部網關協議，采用跳數作為度量來衡量到達目的網絡的距離[6]。RIP 協議是一個早期開發(fā)的協議，具有可擴展性受限的問題。受到最大跳數的限制，允許的路由器直徑不能超過15跳，否則路由無法學習。同時，每次更新時間到期，RIP 協議將發(fā)布整個路由表，占用了大量鏈路帶寬[7]。

專用業(yè)務網中各分支節(jié)點間數據傳輸一般要經過中心節(jié)點或其他分支節(jié)點，因此路由器（或跨網段交換機）直徑可能會超過15 跳。同時，業(yè)務網中某些廣域網通過衛(wèi)星鏈路互聯，帶寬嚴格受限。因此，RIP 協議的跳數限制和鏈路帶寬占用的特點不能適用于該專用業(yè)務網。

3.2 OSPF 協議

開放最短路徑優(yōu)先（Open Shortest Path First，OSPF）是由IETF 開發(fā)的廣泛使用的鏈路狀態(tài)路由協議。它使用Dijkstra 算法計算路由，快速收斂，層次化多區(qū)域結構設計，多部署在中大型園區(qū)、企業(yè)或城域網中[8]。目前，OSPF 雖然比其他內部網關協議（Interior Gateway Protocol，IGP）復雜，但因其成熟性而廣為使用。

3.2.1 區(qū)域結構設計

為了防止路由環(huán)路的出現，OSPF 定義的區(qū)域結構為骨干區(qū)域（Area0）、普通區(qū)域、Stub 區(qū)域及NSSA 區(qū)域4 種。骨干區(qū)域有且只有一個，所有其他區(qū)域必須同骨干區(qū)域相連。如果沒有連接到骨干區(qū)域，它將不會學習到其他區(qū)域的路由。OSPF中所有區(qū)域間路由必須經過骨干區(qū)域傳遞。

根據專用網絡拓撲結構、業(yè)務傳輸要求以及OSPF 協議特點，網絡中所有節(jié)點間的業(yè)務傳輸都要經過出口路由器和節(jié)點間廣域網進行傳輸，因此可以將所有節(jié)點（包括中心節(jié)點和子節(jié)點）出口路由器的廣域網接口組成骨干區(qū)域Area0。各節(jié)點內部（即出口路由器以下）網絡為普通區(qū)域、Stub 區(qū)域或NSSA 區(qū)域，區(qū)域結構設計如圖4 所示。

為了方便示意和原理說明，圖4 中只列出包含了2 個中心節(jié)點和4 個分支節(jié)點的網絡拓撲結構，且每個節(jié)點只包含1 個出口路由器。在實際應用過程中，需要將每個節(jié)點出口路由器的廣域網接口（包括第一路由和第二路由）以及中心節(jié)點間的所有互聯廣域網接口均放置在骨干區(qū)域Area0 中。中心節(jié)點以及分支節(jié)點內部城域網/局域網設置為普通區(qū)域或其他類型區(qū)域，區(qū)域號根據規(guī)劃統一設置。

圖4 某專用業(yè)務網OSPF 協議區(qū)域結構設計

3.2.2 協議應用場景

下面以節(jié)點1 與節(jié)點2 之間的網絡數據傳輸為例，說明OSPF 協議在業(yè)務網中的應用場景。

正常情況下，各節(jié)點路由信息通過Area0 中的ABR 發(fā)布給其他各個區(qū)域，因此節(jié)點1 通過“節(jié)點1-ER1—中心節(jié)點1/2-ER1（等價路由）—節(jié)點2-ER1”與節(jié)點2 建立業(yè)務傳輸鏈路，節(jié)點2 通過反向路徑與節(jié)點1 建立業(yè)務傳輸鏈路。若節(jié)點間某條廣域網鏈路中斷或出現故障（假如中心節(jié)點1 和節(jié)點2 之間廣域網鏈路中斷），只要存在迂回鏈路，節(jié)點1 和節(jié)點2之間的業(yè)務傳輸都不會中斷。節(jié)點1 可以通過“節(jié)點1-ER1—中心節(jié)點2-ER1—節(jié)點2-ER1”與節(jié)點2 保持業(yè)務傳輸，確保了專用業(yè)務數據的高效、可靠傳輸。

根據業(yè)務網OSPF 區(qū)域結構設計，采用華為eNSP 網絡模擬仿真軟件建立如圖5 所示的網絡拓撲。圖5 中模擬了兩個子節(jié)點通過兩個中心節(jié)點進行數據傳輸，子節(jié)點和中心節(jié)點出口路由器之間建立OSPF Area0，出口路由器以下的城域網部分建立OSPF AreaX（X 號根據圖示設置）。為了顯示清晰，中心節(jié)點1 和中心節(jié)點2 第一/第二平面出口路由器之間的互聯線纜分別通過HUB 轉接。

根據業(yè)務網廣域網鏈路調配和帶寬分配情況，OSPF 協議在實際配置過程中需要注意以下情況。

（1）等價路由導致數據傳輸異常。專用業(yè)務傳輸對亂序、丟包等問題比較敏感。當鏈路中存在等價路由時，由于各個等價路由之間傳輸時延、帶寬占用等情況不完全一樣，數據在傳輸過程中容易出現亂序、丟包等問題。OSPF 可以通過maximum load-balancing 1 和nexthop XX weight X 等參數設置控制協議不使用等價路由。

（2）異常情況下鏈路擁塞。當傳輸鏈路中某個設備或某條鏈路出現異常宕機或斷路時，協議通過拓撲更新和路由計算，可能會將海量數據通過其他某一個設備或某一條鏈路進行傳輸，導致該設備或鏈路負載較重而出現擁塞情況。OSPF 可以通過在接口下OSPF cost XX 設置切換優(yōu)先級，當主用路徑出現異常時，優(yōu)先通過傳輸能力強的路徑進行傳輸。在進行任務規(guī)劃和方案設計時，也可以各節(jié)點分別設置不同的備份路徑，避免所有數據都切換到一條路徑上。

圖5 ENSP 模擬節(jié)點間路由設置拓撲

（3）雙平面同路徑問題。為了確保數據傳輸的可靠性，業(yè)務網對外數據傳輸鏈路采用雙平面。一般來說，雙平面的出口帶寬差別很大，OSPF 協議在自動進行路由計算時優(yōu)先選擇大帶寬路徑，導致兩個平面的數據均通過一個出口路由器傳輸至其他節(jié)點。根據目前的區(qū)域結構設計，OSPF 協議可以在骨干區(qū)域Area0 中通過filter import ip-prefix XXX 過濾本節(jié)點其他平面路由信息，防止其他節(jié)點通過本路由器傳輸其他平面數據。同時，OSPF 協議規(guī)定，ABR 通過非骨干區(qū)域學習到的LSA3 路由不能進入該ABR 路由表，進一步避免了兩個平面數據的同路徑混傳問題。

（4）海量路由信息導致路由震蕩問題。專用業(yè)務網中節(jié)點眾多，海量路由信息占用大量的存儲空間。如果某條路由出現抖動，將觸發(fā)全網通告路由信息，占用鏈路帶寬和計算資源。OSPF 協議可以通過ABR-Summary 進行路由聚合，減少了大量的路由信息，同時節(jié)點中某些路由抖動也不會觸發(fā)路由通告和計算，降低了對鏈路帶寬和計算資源的消耗。

（5）鏈路切換過程中數據丟包問題。MA 網絡中，OSPF 協議的超時時間DeadTime 為40 s。非直連鏈路中斷情況下，OSPF 協議最大需要40 s 才能完成鏈路切換，期間會導致大量的數據丟包。OSPF 協議可通過與雙向轉發(fā)檢測（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）聯動機制，最短將切換時間控制在2 ms 以內。

OSPF 協議配置完成后，鏈路正常情況下節(jié)點（以子節(jié)點1 為例）路由信息及傳輸路徑如圖6 所示。子節(jié)點1 通過中心節(jié)點1 轉接至子節(jié)點2。

圖6 ENSP 拓撲中鏈路正常情況下子節(jié)點1 第一/第二平面出口路由條目及tracert 路徑

鏈路異常（子節(jié)點至中心節(jié)點1、中心節(jié)點1至子節(jié)點2 第一平面直連鏈路均中斷）情況下節(jié)點（以子節(jié)點1 為例）第一平面連通性和傳輸路徑，如圖7 所示。子節(jié)點1 通過“中心節(jié)點1—中心節(jié)點2—子節(jié)點2”的路徑完成數據的迂回傳輸，且鏈路切換過程中數據傳輸沒有丟包，理論上最快可以在2 ms 內完成鏈路切換，且傳輸速率50 Mb/s 以內的數據不會出現明顯丟包現象。

3.3 IS-IS 協議

中間系統到中間系統（Intermediate System-to-Intermediate System，IS-IS）路由協議最初起源于DEC 公司的PhaseV 網絡，只支持OSI 協議棧的數據鏈路層，而不能工作在IP 協議層，后IETF 開發(fā)了可為IP 工作的IS-IS，稱為集成IS-IS。由于集成IS-IS 運行穩(wěn)定，收斂快，具有支持大量路由設備的能力，因此ISP 相繼選用IS-IS 作為其內部骨干IGP 路由協議。

IS-IS 與OSPF 協議均為鏈路狀態(tài)路由協議，路由計算方法相似，均基于區(qū)域設計，支持層次化網絡設計。區(qū)域結構和應用場景與OSPF 基本一致，因此不再贅述。

與OSPF 相比，IS-IS 協議更加精煉，使用更少的報文和更優(yōu)化的路由計算方式。在類似規(guī)模的網絡中，IS-IS 消耗的資源更少。同時，IS-IS 報文直接在數據鏈路層傳遞，因此不易遭受欺騙或DoS 攻擊。

圖7 ENSP 拓撲中鏈路異常情況下子節(jié)點1 第一平面tracert 路徑

OSPF 報文基于IP 之上封裝的，容易遭受IP欺騙或DoS 攻擊。以往的網絡設計過程中，IS-IS協議在前期主要應用于OSI 協議棧，在IP 網絡中應用較少，因此網絡設計和管理人員對其了解掌握的較少。隨著集成IS-IS 的普及，越來越多的新建網絡選用IS-IS 協議作為骨干IGP 路由協議。后續(xù)新建或改造的專用業(yè)務網絡建議可以選擇IS-IS 協議作為骨干IGP 路由協議。

3.4 BGP 協議

邊界網關協議（Border Gateway Protocol，BGP）是一種在自治系統AS 之間傳遞并選擇最佳路由的高級矢量路由協議。它為路由定義了多種屬性，并提供了靈活的路由選路規(guī)則和豐富的路由策略，主要具有如下特點。

（1）BGP 是一種外部網關協議，與OSPF、RIP、ISIS 等內部網關協議（IGP）不同，著眼點不在于發(fā)現和計算路由，而在于控制路由的傳播和選擇最佳路由；

（2）路由收斂時間相對較長，可以工作在非直連鄰居間，使用TCP 作為其傳輸層協議，提高了協議的可靠性；

（3）提供豐富的路由策略，能夠對路由實現靈活的過濾和選擇；

（4）一般應用于大型、超大型運營商網絡。在實際網絡建設和實施過程中，BGP 協議一般部署在以下網絡中：

（1）路由規(guī)模龐大且無法聚合；

（2）跨經營實體，信息溝通不便利，信息加密傳輸；

（3）一個路由選擇域內運行了多種IGP 協議；

（4）IGP 協議無法提供相應的工具來實施所需策略。

專用業(yè)務網對路由收斂時間要求較高，且路由規(guī)模相對較少，整個路由域由一個實體單位維護管理，可以方便部署一種IGP 協議，因此沒有部署B(yǎng)GP 協議的必要性。

3.5 結論

根據業(yè)務網拓撲結構和業(yè)務傳輸特點，綜合分析比對RIP、OSPF、IS-IS 和BGP 等路由協議的特點和應用場景，得出如下結論。

（1）RIP 協議由于協議設計缺陷和路由傳遞對帶寬的占用較大，不適用于本專用業(yè)務網；

（2）BGP 協議一般應用于超大型運營商網絡，且配置前要求網絡IGP 路由配置正確，給網絡設備帶來了額外負擔，收斂時間較長，不適用于本專用業(yè)務網；

（3）OSPF 和IS-IS 協議同為鏈路狀態(tài)路由協議，使用最短路徑算法計算路由，收斂速度快，鏈路故障情況下的代通時間最短為2 ms 左右。層次化多區(qū)域結構設計，占用帶寬少，路由控制策略雖然沒有矢量路由協議豐富，但也能滿足常用需求。針對實際應用中可能存在的問題，可以通過合適的參數設置加以解決，因此較適用于本專用業(yè)務網；

（4）針對特殊的、臨時的數據傳輸業(yè)務，路由協議策略無法滿足需求時，可以臨時采用策略路由的方式進行設置。但是，由于策略路由是本地有效的且協議無關組播（Protocol Independent Multicast，PIM）等組播路由協議也無法基于它生成組播路由表，因此不建議大量使用。

4 結語

某專用業(yè)務網承載了專用業(yè)務系統眾多重要業(yè)務信息的傳輸任務，其骨干鏈路的可靠性是任務完成的基本前提?？紤]到后續(xù)高密度、新型號任務態(tài)勢下業(yè)務傳輸需求多樣化、鏈路資源保障難度大等實際情況，采用動態(tài)路由協議可以在短時間內完成鏈路資源動態(tài)調整情況下的主備路徑切換，實現新增業(yè)務“入網即通”、故障鏈路“即刻切換”的高可靠、高性能骨干數據傳輸網絡。同時，由于動態(tài)路由協議運行較為復雜，一定程度上增加了網絡維護和配置的復雜度，對崗位人員的能力水平提出了一定的要求。