劉雄雄
(國(guó)家能源神東煤炭集團(tuán)有限責(zé)任公司 智能技術(shù)中心,陜西 榆林 719315)
隨著神東煤炭集團(tuán)公司智能化煤礦的建設(shè),公司對(duì)網(wǎng)絡(luò)的寬帶和可用性提出更高的要求。分段路由技術(shù)是近幾年的熱門(mén)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一,包括基于MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換)的分段路由技術(shù)SR-MPLS(多協(xié)議標(biāo)簽交換的段路由)和基于IPv6(互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議第6版)的分段路由技術(shù)SRv6(基于IPv6轉(zhuǎn)發(fā)平面的段路由)。本文結(jié)合神東公司智能化發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)需求,通過(guò)分析MPLS和SR-MPLS路由技術(shù)原理,規(guī)劃和探索了神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。
網(wǎng)絡(luò)是企業(yè)信息化的重要基礎(chǔ)設(shè)施,煤礦企業(yè)各礦井的地理位置跨度較大,《煤礦安全規(guī)程》規(guī)定的煤礦安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員位置系統(tǒng)和礦井通信聯(lián)絡(luò)系統(tǒng)對(duì)企業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)的可靠性要求較高。而且煤炭企業(yè)各礦井、地面輔助單位網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需求多種多樣,既有對(duì)井下煤礦安全生產(chǎn)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控需求,又有各礦井地面區(qū)域接入互聯(lián)網(wǎng)的辦公需求。
基于神東礦區(qū)井群分布實(shí)際和煤礦智能化的特點(diǎn),針對(duì)神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),利用SR-MPLS的技術(shù)優(yōu)勢(shì),科學(xué)高效連接神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn),滿(mǎn)足神東公司智能化發(fā)展的網(wǎng)絡(luò)需求,同時(shí)能夠適應(yīng)未來(lái)IPv6、SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))等新技術(shù)的升級(jí)擴(kuò)展。
神東礦區(qū)地處蒙、陜、晉三省能源富集區(qū),神東公司擁有13礦14井,每年生產(chǎn)煤炭2億t。為適應(yīng)神東礦區(qū)各礦井地理跨度大,滿(mǎn)足公司智能化建設(shè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的要求,結(jié)合大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃方法,神東公司網(wǎng)絡(luò)需求包括以下方面。
(1)網(wǎng)絡(luò)寬帶性能需求。隨著神東公司智能化轉(zhuǎn)型的深入,公司業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的依賴(lài)程度迅速提高。骨干網(wǎng)絡(luò)不僅要承載企業(yè)的辦公自動(dòng)化、企業(yè)ERP系統(tǒng)等日常辦公業(yè)務(wù)數(shù)據(jù),還要承載涉及企業(yè)安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)的工業(yè)視頻監(jiān)控、礦井調(diào)度通信系統(tǒng)、礦井安全監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)以及井下生產(chǎn)控制系統(tǒng)等安全生產(chǎn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。因此,骨干網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量不斷增加,要求公司骨干網(wǎng)絡(luò)具有處理高帶寬的能力,滿(mǎn)足公司業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的傳輸需求。
(2)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠需求。隨著神東公司的發(fā)展,語(yǔ)音、監(jiān)控、視頻會(huì)議甚至5G等多種數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),需要通過(guò)骨干網(wǎng)絡(luò)傳輸,要求骨干網(wǎng)絡(luò)必須穩(wěn)定可靠。骨干網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定可靠包含物理設(shè)備可靠、物理鏈路可靠和邏輯路由可靠。骨干網(wǎng)絡(luò)的核心設(shè)備和物理鏈路應(yīng)冗余備份,骨干網(wǎng)絡(luò)的路由支持快速重路由協(xié)議,確保骨干路由的可達(dá)性。
(3)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量需求。骨干網(wǎng)絡(luò)承載了包括管理類(lèi)信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)、語(yǔ)音類(lèi)數(shù)據(jù)、視頻類(lèi)數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)等,為保證重要業(yè)務(wù)的高質(zhì)量傳輸,骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)支持流量工程。在不同的時(shí)間段,為不同的數(shù)據(jù)設(shè)置優(yōu)先級(jí),減少數(shù)據(jù)流量擁塞,提高網(wǎng)絡(luò)的整體傳輸效率。大型企業(yè)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)業(yè)務(wù)調(diào)度的合理性是提供高品質(zhì)業(yè)務(wù)的保障。
(4)網(wǎng)絡(luò)智能化管理需求。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)大,給網(wǎng)絡(luò)維護(hù)工作提出更高的要求,因此,骨干網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該適應(yīng)維護(hù)簡(jiǎn)單、智能化管理的需求。SDN(軟件定義網(wǎng)絡(luò))是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),SDN將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與數(shù)據(jù)面分離開(kāi)來(lái),對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象以屏蔽底層復(fù)雜度,為上層提供簡(jiǎn)單、高效的配置與管理,讓網(wǎng)絡(luò)管理更加智能。
傳統(tǒng)的多協(xié)議標(biāo)簽交換協(xié)議MPLS(Multi-Protocol Label Switching)是操作在OSI(開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)通信參考模型)的二層(數(shù)據(jù)鏈路層)和三層(網(wǎng)絡(luò)層)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)。MPLS中增加LDP(Label Distribution Protocol,標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議)和RSVP-TE(Resource Reservation Protocol-Traffic Engineering,基于流量工程的資源預(yù)留協(xié)議)兩大協(xié)議,LDP依賴(lài)IGP協(xié)議(內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議)完成標(biāo)簽分發(fā)。而LDP不支持流量工程,通過(guò)增加RSVP-TE協(xié)議才能實(shí)現(xiàn)了流量工程。因此,傳統(tǒng)的MPLS存在協(xié)議復(fù)雜、擴(kuò)展性差、部署維護(hù)困難等問(wèn)題。
Segment Routing(簡(jiǎn)稱(chēng)SR)是一種源路由協(xié)議,也稱(chēng)分段路由協(xié)議,是基于源路由理念而設(shè)計(jì)的在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的一種協(xié)議。SR-MPLS(Segment Routing MPLS,基于MPLS轉(zhuǎn)發(fā)平面的段路由)的核心思想是將報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)路徑切割成不同的段,并為每個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)路徑分配不同的SID(Segment Identifier,段標(biāo)識(shí)符),利用封裝在報(bào)文中的段標(biāo)識(shí)符引導(dǎo)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。SR-MPLS通過(guò)IGP擴(kuò)展SR屬性省略了LDP協(xié)議,并實(shí)現(xiàn)基于源地址標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)的集中控制。
因此,SR-MPLS具有簡(jiǎn)單、高效、易擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì),具體表現(xiàn)為:①SR-MPLS是面向SDN架構(gòu)設(shè)計(jì)的協(xié)議,天然支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和SDN網(wǎng)絡(luò),兼容現(xiàn)有設(shè)備,保障網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn);②簡(jiǎn)化設(shè)備控制平面,減少路由協(xié)議數(shù)量,簡(jiǎn)化運(yùn)維管理,降低運(yùn)營(yíng)成本,SR-MPLS網(wǎng)絡(luò)需要維護(hù)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表規(guī)模很小,一臺(tái)設(shè)備上維護(hù)的轉(zhuǎn)發(fā)表數(shù)為N(節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽數(shù)量,一般為全網(wǎng)節(jié)點(diǎn)數(shù)量)+A(鄰接標(biāo)簽數(shù)據(jù),一般為設(shè)備接口數(shù)量),而傳統(tǒng)MPLS網(wǎng)絡(luò)則為N2;③能以更簡(jiǎn)單的方式實(shí)現(xiàn)TE(流量工程)、FRR(快速重路由)、OAM(Operation,Administration and Maintenance,操作、管理和維護(hù))等功能,從而簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和管理,快速獲得網(wǎng)絡(luò)服務(wù),優(yōu)化整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的性能。
SR-MPLS及SRv6技術(shù)以其簡(jiǎn)單性逐步替代傳統(tǒng)的MPLS技術(shù),已廣泛應(yīng)用在通信運(yùn)營(yíng)商的骨干、城域、移動(dòng)回傳網(wǎng)絡(luò)中,同時(shí)在政府、企業(yè)的骨干網(wǎng)中也得到了廣泛的應(yīng)用,是未來(lái)骨干網(wǎng)絡(luò)、移動(dòng)承載網(wǎng)的主流發(fā)展方向。
結(jié)合神東公司智能化建設(shè)要求、各煤礦地理位置分布以及光纖資源情況,神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)由5個(gè)骨干節(jié)點(diǎn)組成,如圖1所示,骨干節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)萬(wàn)兆光模塊連接,每個(gè)節(jié)點(diǎn)部署2臺(tái)骨干路由器,各節(jié)點(diǎn)之間用2條物理光釬連接。
圖1 骨干網(wǎng)絡(luò)示意Fig.1 Backbone network diagram
首先在骨干節(jié)點(diǎn)上配置IS-IS(Intermediate System-to-Intermediate System,中間系統(tǒng)到中間系統(tǒng))協(xié)議,實(shí)現(xiàn)骨干節(jié)點(diǎn)之間的路由協(xié)議層面互通、標(biāo)簽分配、以及路徑計(jì)算。在骨干節(jié)點(diǎn)上使能SR-MPLS,通過(guò)段路由來(lái)建立LSP(Label Switching Path標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑)。其次,為滿(mǎn)足網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)智能化管理需求,引入段路由流量工程(SR-MPLS TE)技術(shù)和軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)技術(shù)。在網(wǎng)絡(luò)中的SDN控制器上,通過(guò)配置不同業(yè)務(wù)的TE約束條件來(lái)定義數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的物理轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
方案中,將實(shí)時(shí)性要求高的工業(yè)控制類(lèi)業(yè)務(wù)、大帶寬需求的工業(yè)視頻監(jiān)控類(lèi)業(yè)務(wù)分別配置了“紅色”和“綠色”段路由策略,并通過(guò)SDN控制器模塊將段路由策略下發(fā)至各骨干節(jié)點(diǎn),實(shí)現(xiàn)在骨干網(wǎng)絡(luò)邊緣為不同級(jí)別業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量的通信服務(wù)保障,同時(shí)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)智能化、精細(xì)化的運(yùn)維管理需求。
神東公司骨干網(wǎng)是公司及各二級(jí)單位日常辦公和安全生產(chǎn)等業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)闹鞲傻?,因此?duì)可靠性要求較高。為避免公司骨干網(wǎng)絡(luò)因故障(如鏈路或設(shè)備)而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)服務(wù)中斷,在公司骨干網(wǎng)絡(luò)中需考慮可靠性方案。
可靠性方案包含3個(gè)層面:①站點(diǎn)級(jí)可靠性,如前文所述,每個(gè)骨干站點(diǎn)部署2臺(tái)骨干路由交換設(shè)備,以保證在任一臺(tái)設(shè)備失效時(shí),網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)可通過(guò)另外一臺(tái)設(shè)備進(jìn)行處理;②設(shè)備級(jí)可靠性,骨干路由設(shè)備的主控模塊、交換模塊、電源模塊、風(fēng)扇模塊等關(guān)鍵部件均冗余配置,確保骨干路由設(shè)備自身的可靠運(yùn)行;③鏈路級(jí)可靠性,首先每個(gè)站點(diǎn)必須有大于1條物理鏈路連接到其他站點(diǎn),確保物理鏈路的冗余備份,其次在骨干節(jié)點(diǎn)之間部署快速故障檢測(cè)BFD和快速重路由FRR技術(shù),在鏈路故障發(fā)生后,實(shí)現(xiàn)主備鏈路的毫秒級(jí)切換,最大限度保證骨干網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的正常轉(zhuǎn)發(fā)。
通過(guò)SR-MPLS技術(shù),實(shí)現(xiàn)控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面分離,簡(jiǎn)化了控制面的協(xié)議數(shù)量,極大減少骨干網(wǎng)絡(luò)路由表數(shù)量,提高了骨干網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)效率,確保神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間低時(shí)延無(wú)阻塞。利用SDN控制器,實(shí)現(xiàn)對(duì)骨干網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)控制、配置下發(fā)和實(shí)時(shí)傳輸質(zhì)量分析等,基于傳輸質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)資源狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)全生命周期的運(yùn)維和管理。SR-MPLS技術(shù)在神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)中的組網(wǎng)方案,有效解決了神東公司視頻會(huì)議、工業(yè)監(jiān)控等網(wǎng)絡(luò)卡頓問(wèn)題,從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上提升了神東公司的網(wǎng)絡(luò)性能,實(shí)現(xiàn)神東公司各類(lèi)業(yè)務(wù)高質(zhì)量、高可靠、高利用率的數(shù)據(jù)通信傳輸需求。
綜上所述,分段路由SR-MPLS技術(shù)讓網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)路徑和行為控制變得簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)。本文從網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的一般方法出發(fā),通過(guò)分析神東礦區(qū)網(wǎng)絡(luò)整體需求及特點(diǎn),從技術(shù)上對(duì)比了傳統(tǒng)MPLS協(xié)議和SR-MPLS協(xié)議的優(yōu)缺點(diǎn),提出了基于SR-MPLS技術(shù)的神東公司骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)方案,對(duì)神東公司的骨干網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化升級(jí),提升了公司骨干網(wǎng)絡(luò)的整體性能,為神東公司智能化建設(shè)奠定網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。
然而,隨著軟件定義網(wǎng)絡(luò)和IPv6技術(shù)的發(fā)展,分段路由技術(shù)也在進(jìn)一步發(fā)展,從SR-MPLS基于IGP轉(zhuǎn)發(fā)段標(biāo)簽的技術(shù)向直接基于IPv6轉(zhuǎn)發(fā)斷路由的SRv6(Segment Routing IPv6,基于IPv6轉(zhuǎn)發(fā)平面的段路由)技術(shù)演進(jìn),為用戶(hù)提供優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。