陳鄭超

(1.北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2.北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)已基本建成，作為基礎(chǔ)承載網(wǎng)，承載了鐵路大量信息業(yè)務(wù)。如何利用軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）等新技術(shù)為各類業(yè)務(wù)服務(wù)，并為今后鐵路各類應(yīng)用系統(tǒng)向云端遷移提供彈性可擴(kuò)展的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)，是今后一段時(shí)間內(nèi)應(yīng)該認(rèn)真考慮的問題。

1 骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡(jiǎn)介

骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)在邏輯上分為骨干—區(qū)域兩層架構(gòu)。骨干網(wǎng)絡(luò)為了實(shí)現(xiàn)總公司—路局、路局—路局之間的高速數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，利用骨干傳輸系統(tǒng)提供的10GE波道，建立轉(zhuǎn)發(fā)平面節(jié)點(diǎn)間的半網(wǎng)狀互聯(lián)結(jié)構(gòu)。區(qū)域網(wǎng)絡(luò)利用傳輸通道或裸光纖實(shí)現(xiàn)了接入—匯聚—核心的千兆連接。

為了實(shí)現(xiàn)承載業(yè)務(wù)的邏輯隔離，全網(wǎng)采用MPLS技術(shù)，為各類承載業(yè)務(wù)建立獨(dú)立的虛擬專用網(wǎng)絡(luò)（VPN），并通過Diffserv方式來實(shí)現(xiàn)承載業(yè)務(wù)QoS的區(qū)分。

在骨干網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)平面，為實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)流量的精細(xì)調(diào)度和嚴(yán)格的QoS，配置了流量工程（Traffic Engineering，TE）隧道，將不同類型的業(yè)務(wù)根據(jù)不同的QoS要求映射入相應(yīng)的TE隧道進(jìn)行承載。

2 SDN技術(shù)簡(jiǎn)介

SDN是一種優(yōu)化和簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)操作的體系結(jié)構(gòu)方式，它將應(yīng)用與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、設(shè)備之間的交互（如服務(wù)開通配置、消息傳遞、告警信息）緊密地結(jié)合在一起。利用一個(gè)邏輯上集中式的網(wǎng)絡(luò)控制器（SDN控制器）來實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)元設(shè)備的交互，并通過雙向可編程接口來展示和抽象網(wǎng)絡(luò)功能和操作。

SDN技術(shù)聚焦于以下3點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò)可編程、控制平面與數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面的分離以及網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)狀態(tài)管理的集中式控制模型。理想化的SDN控制器模型結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 理想化SDN控制器模型Fig.1 Idealized SDN control model

可編程性（通過API和開放接口訪問網(wǎng)絡(luò)）是SDN的核心，將網(wǎng)絡(luò)的控制和管理平面集中并托管給應(yīng)用（控制器），并通過SDN協(xié)議來連接應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，是SDN實(shí)現(xiàn)的主要目標(biāo)。目前SDN協(xié)議和組件主要有Openflow、I2RS、PCE-P、BGP-LS、FORCES、OMI和NetConf/Yang等。

3 鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)應(yīng)用SDN需求及場(chǎng)景分析

鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)作為專用廣域承載網(wǎng)，主要實(shí)現(xiàn)鐵路內(nèi)部信息業(yè)務(wù)的高速承載。隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴(kuò)展和各類新應(yīng)用的部署，讓用戶更方便的根據(jù)應(yīng)用需求提供彈性網(wǎng)絡(luò)服務(wù)并實(shí)時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的可視化管理是鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)發(fā)展的方向。

鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)部署SDN技術(shù)應(yīng)關(guān)注以下功能特性的實(shí)現(xiàn)。

1）集中化控制和管理平面，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活擴(kuò)展和網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞某橄笳宫F(xiàn)

數(shù)據(jù)通信網(wǎng)采用分布式控制平面，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大，各種IP/MPLS協(xié)議的疊加，造成網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性日益增加，路由及轉(zhuǎn)發(fā)表規(guī)模迅速增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)收斂速度越來越慢。由于網(wǎng)絡(luò)內(nèi)廠家及設(shè)備型號(hào)繁多，造成網(wǎng)絡(luò)的靈活性和用戶控制手段（如對(duì)路由選擇的精細(xì)控制）缺乏、各廠家不同特性協(xié)議間的協(xié)商日益困難。

在南向接口上，采用集中式控制平面可以將全網(wǎng)的路由及轉(zhuǎn)發(fā)表計(jì)算功能托管至控制器，由控制器向網(wǎng)元設(shè)備下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)?？刂破鞑捎酶呖捎眯约皬椥詳U(kuò)展架構(gòu)，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模靈活進(jìn)行擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)的路由處理能力不再被網(wǎng)元設(shè)備的路由引擎和交換矩陣的能力所限制。

在北向接口上，控制器向用戶提供抽象的網(wǎng)絡(luò)視圖和簡(jiǎn)化編程控制接口，用戶不需要直接操作網(wǎng)元設(shè)備，而是與控制器進(jìn)行交互，通過控制器提供的抽象網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蜆?biāo)準(zhǔn)接口進(jìn)行網(wǎng)元設(shè)備操作，從而為應(yīng)用系統(tǒng)與網(wǎng)絡(luò)的集成開發(fā)提供基礎(chǔ)條件。

2）PCE結(jié)合TE技術(shù)，實(shí)時(shí)優(yōu)化帶寬，提高網(wǎng)絡(luò)效率

在數(shù)據(jù)通信網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)平面目前經(jīng)典的RSVPTE網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，進(jìn)行業(yè)務(wù)標(biāo)簽交換路徑（Label Switching Path，LSP）規(guī)劃，通常是根據(jù)承載業(yè)務(wù)的流量流向模型進(jìn)行，通過路由設(shè)備命令行接口（command-line interface，CLI）來創(chuàng)建TE LSP，并采用輕載方式保證規(guī)劃TE LSP的成功建立。而在SDN引入路徑計(jì)算單元（path computation element，PCE）后，允許將TE LSP的計(jì)算托管給外部PCE服務(wù)器，并通過自動(dòng)化工具來根據(jù)應(yīng)用需求實(shí)時(shí)進(jìn)行TE-LSP的計(jì)算和下發(fā)，大大減輕人工參與網(wǎng)絡(luò)管理的工作量，提高網(wǎng)絡(luò)效率。

3）引入Netconf協(xié)議，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置和業(yè)務(wù)開通可視化

目前數(shù)據(jù)通信網(wǎng)采用的簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議（SNMP）是由IETF在20世紀(jì)80年代設(shè)計(jì)，主要用于檢測(cè)網(wǎng)元設(shè)備的狀態(tài)和性能特性。由于SNMP是基于二進(jìn)制編碼，而且大部分廠商也沒有提供通過SNMP實(shí)現(xiàn)完全配置設(shè)備的選項(xiàng)，因此SNMP通常只支持對(duì)于設(shè)備通用信息的“只讀”操作。各廠家對(duì)于設(shè)備底層信息的獲取，依賴于專有MIB（管理信息庫）；而對(duì)于設(shè)備的配置，依賴于各廠家的CLI接口，無法實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)配置和業(yè)務(wù)開通的可視化操作。

Netconf協(xié)議基于可擴(kuò)展標(biāo)記語言（XML）編碼，定義了客戶端獲取數(shù)據(jù)模型，允許應(yīng)用程序或SDN控制器動(dòng)態(tài)的發(fā)現(xiàn)支持Netconf的設(shè)備所具有的能力，有利于動(dòng)態(tài)的、數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的應(yīng)用程序代碼創(chuàng)建。

4 鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)應(yīng)用策略探討

根據(jù)前述可以看到， 在現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境下，SDN技術(shù)的引入不是大規(guī)模的對(duì)既有已建成設(shè)備的替換和更新，而是利用SDN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，針對(duì)鐵路信息化迅速發(fā)展的需求，提供定制化的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決方案。具體到鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的應(yīng)用需求，建議采用PCE服務(wù)器，結(jié)合目前已部署的TE技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)流量的動(dòng)態(tài)調(diào)整和可視化。

以骨干數(shù)據(jù)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)TE環(huán)境下的流量動(dòng)態(tài)調(diào)整和可視化需求為例，制定的部署方案如圖2所示。

圖2 鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)SDN部署方案Fig.2 SDN deployment scheme of railway data communication network

應(yīng)用服務(wù)器：通過SNMP協(xié)議進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)流量信息的采集，通過Netconf協(xié)議實(shí)現(xiàn)調(diào)優(yōu)策略的下發(fā)以及網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)流量信息和業(yè)務(wù)（TE TUNNEL）路徑信息的可視化。

PCE服務(wù)器（控制器）：通過ISIS協(xié)議采集PCC網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼敖涌谛畔ⅲㄟ^Netconf協(xié)議將網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⒑蚅SP路徑信息傳遞給應(yīng)用服務(wù)器，并接收應(yīng)用服務(wù)器下發(fā)的算路策略。PCE服務(wù)器作為控制器托管全網(wǎng)的算路功能，進(jìn)行基于全網(wǎng)的路徑計(jì)算，通過PCE-P協(xié)議將算路結(jié)果（轉(zhuǎn)發(fā)流表）下發(fā)給PCC（轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)）。

PCC：將網(wǎng)元設(shè)備的流量、端口等信息通過SNMP協(xié)議傳遞給應(yīng)用服務(wù)器和控制器，并接收控制器下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)流表，進(jìn)行業(yè)務(wù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)。

典型的流量調(diào)優(yōu)流程如圖3所示。

圖3 典型流量調(diào)優(yōu)進(jìn)程Fig.3 Typical flow tuning process

1）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)通過ISIS向應(yīng)用服務(wù)器器泛洪拓?fù)湫畔ⅲ?轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向控制器托管LSP的隧道信息。

2）應(yīng)用服務(wù)器通過SNMP采集全網(wǎng)的拓?fù)湫畔?；從控制器上載全網(wǎng)LSP數(shù)據(jù)庫。

3）控制器通過SNMP采集全網(wǎng)TE隧道的流量信息。

4）應(yīng)用服務(wù)器上配置網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)優(yōu)策略和TE隧道約束條件（帶寬、延時(shí)、丟包率等）信息。

5）由應(yīng)用服務(wù)器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)調(diào)優(yōu)進(jìn)程，并下發(fā)隧道約束和流量信息給控制器。

6）控制器進(jìn)行全網(wǎng)路徑計(jì)算。

7）應(yīng)用服務(wù)器查詢算路結(jié)果并將結(jié)果提交給用戶確認(rèn)。

8）根據(jù)用戶確認(rèn)信息，控制器向轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)下發(fā)算路結(jié)果（轉(zhuǎn)發(fā)流表）。

9）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)流表進(jìn)行隧道的建立。

10）轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)向控制器托管更新后的LSP隧道信息，完成一次流量調(diào)優(yōu)。

5 結(jié)束語

SDN技術(shù)的優(yōu)勢(shì)在于開放、彈性的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)過程中，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)的再編程，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的彈性擴(kuò)展和優(yōu)化。SDN技術(shù)應(yīng)用于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化以及新建網(wǎng)絡(luò)中，采取何種技術(shù)路線或者策略，不應(yīng)以現(xiàn)有廠家或標(biāo)準(zhǔn)為壑，應(yīng)遵循開放、靈活、以用戶需求為導(dǎo)向，以最簡(jiǎn)潔、高效的方法滿足用戶需求為最高目標(biāo)。本文只是針對(duì)鐵路數(shù)據(jù)通信網(wǎng)的一兩個(gè)現(xiàn)實(shí)需求實(shí)現(xiàn)方案進(jìn)行探討，對(duì)于如何進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)新的需求，不斷進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化與升級(jí)，是每一個(gè)設(shè)計(jì)者、開發(fā)者和運(yùn)營維護(hù)人員應(yīng)該深入思考的問題。