基于分段路由的跨域數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)

（西南石油大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院 四川 610500）

1 緒論

1.1 研究背景與意義

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等業(yè)務(wù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)中心作為云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的也隨之大規(guī)模建設(shè)和部署，而數(shù)據(jù)中心組網(wǎng)尤其是跨域組網(wǎng)也面臨新的要求及挑戰(zhàn)。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 及軟件定義廣域網(wǎng)SD-WAN的體系結(jié)構(gòu)的出現(xiàn)，為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化、智能化的部署提供了可能。SDN 將數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)的控制層面和轉(zhuǎn)發(fā)層面解耦，構(gòu)建了可編程的集中控制器和分布式流表轉(zhuǎn)發(fā)的體系結(jié)構(gòu)，該技術(shù)屏蔽了異構(gòu)硬件及設(shè)備的復(fù)雜度，為上層應(yīng)用提供了簡(jiǎn)單高效的配置與管理。但是基于OpenFlow的SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)為數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)部署帶來(lái)新的問(wèn)題：對(duì)于數(shù)據(jù)流的控制粒度太小，基于流的轉(zhuǎn)發(fā)方式為每一條數(shù)據(jù)流都生成一條表項(xiàng)，需要維持的表項(xiàng)結(jié)構(gòu)過(guò)于龐大；集中控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)生成流表，同步給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備再將其下發(fā)到硬件指導(dǎo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，從某些層面增加了處理及轉(zhuǎn)發(fā)延遲；集中控制器收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湫畔⑷缓笤俑鶕?jù)拓?fù)渥兓?jì)算轉(zhuǎn)發(fā)邏輯，會(huì)造成收斂緩慢等問(wèn)題。

1.2 研究現(xiàn)狀

隨著云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模也隨著服務(wù)器的容量規(guī)模增多而擴(kuò)大，從成本和運(yùn)維角度上來(lái)看，大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)必須考慮較高的服務(wù)器密度，而隨著虛擬機(jī)遷移等東西向流量的日益增加，合理的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的提出必須迎合上述需求、應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)。

2 相關(guān)技術(shù)介紹

2.1 分段路由技術(shù)

SR（Segment Routing）體系結(jié)構(gòu)不是基于特定的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，而是可以使用SR來(lái)優(yōu)化大型數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)的部署，網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)可以使用SR 從“網(wǎng)絡(luò)適配器業(yè)務(wù)”向“業(yè)務(wù)驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)”演進(jìn)，SR 可用于根據(jù)需要計(jì)算業(yè)務(wù)顯示路徑，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)調(diào)整前向神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路徑。SR 具有以下基本概念：

段路由域：SR 節(jié)點(diǎn)的集合。

SID：即Segment ID，用于標(biāo)識(shí)唯一的Segment，作為SRGB的索引，轉(zhuǎn)發(fā)層可以映射到MPLS標(biāo)簽等。

SRGB（分段路由全局塊）：用戶指定的為分段路由保留的全局標(biāo)簽集。

作為高度可擴(kuò)展的路由協(xié)議，ISIS 通過(guò)使用類(lèi)型/長(zhǎng)度/值（TLV）三元組對(duì)通知信息進(jìn)行編碼。此外，通知使用sub-tlv（Sub TLV）將更多信息封裝在TLV中。通過(guò)定義新的TLV 或擴(kuò)展現(xiàn)有的TLV，可以輕松添加新協(xié)議的功能。ISIS SR 擴(kuò)展引入了必要的TLV，可以是Prefix-SID和Adjacency-SID 附加到各種前綴和Adjacency 通知TLV。BGP 也可以用作SR，SID 平面，控制某些網(wǎng)絡(luò)中的分發(fā)網(wǎng)絡(luò)，特別是大型跨域數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)將BGP僅用作路由協(xié)議，而B(niǎo)GP相對(duì)簡(jiǎn)單，其屬性使BGP 路由功能可以支持流量工程的每一個(gè)飛躍，所有供應(yīng)商都可以支持交易，但是實(shí)際上通過(guò)MP-BGP協(xié)議BGP 分配和單播前綴標(biāo)簽在當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中非常普遍。

2.2 IS-IS for SR

隨著網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，VoIP和在線視頻等業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求越來(lái)越高，而IS-IS 故障恢復(fù)需要經(jīng)歷“故障感知、LSP 更新、LSP泛洪、路由計(jì)算和下發(fā)FIB 由這幾個(gè)過(guò)程才能將流量切換到新的鏈路上，因此流量中斷的時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了50ms，不能滿足此類(lèi)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。TI-LFA FRR 能為Segment Routing 隧道提供鏈路及節(jié)點(diǎn)的保護(hù)。當(dāng)某處鏈路或節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，流量會(huì)快速切換到備份路徑，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而最大程度上避免流量的丟失。LFA和Remote LFA對(duì)于某些大型組網(wǎng)，特別是P 空間和Q 空間即沒(méi)有交集，也沒(méi)有直連的鄰居，當(dāng)某處鏈路或者節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，無(wú)法計(jì)算出備份路徑，導(dǎo)致流量丟失，不能滿足可靠性要求。這種情況下實(shí)現(xiàn)了TI-LFA。

3 中心網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)研究

3.1 快速重路由

快速重路由（FRR）是為網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)鏈路或節(jié)點(diǎn)故障后的這些重要節(jié)點(diǎn)或鏈路提供備份保護(hù)，以實(shí)現(xiàn)快速重路由，減少鏈路或節(jié)點(diǎn)故障對(duì)流量的影響，使流量快速恢復(fù)。段路由（SR）是一種新興的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以應(yīng)用于快速重路由方案。單鏈路故障時(shí)可以實(shí)現(xiàn)快速重路由。對(duì)于具有大量流量的網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)多個(gè)鏈接同時(shí)出現(xiàn)故障時(shí)，將出現(xiàn)一些問(wèn)題。最可能的問(wèn)題是鏈路擁塞，這會(huì)導(dǎo)致整體網(wǎng)絡(luò)性能下降。如果多個(gè)鏈路發(fā)生故障，并且仍基于下一跳選擇恢復(fù)路徑，則業(yè)務(wù)流量會(huì)頻繁地在故障鏈路的兩端恢復(fù)，不僅影響業(yè)務(wù)的恢復(fù)過(guò)程，而且在業(yè)務(wù)出現(xiàn)故障時(shí)容易造成擁塞，流量很大，而且，先前的算法可能存在一些網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞幕謴?fù)路徑重疊的問(wèn)題。

3.2 分段路由

分段路由（Segment Routing，可以轉(zhuǎn)換為指令的路由），簡(jiǎn)稱為SR，是一種基于SPRING 框架，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)（通常為路由器或主機(jī)設(shè)備等）選擇路徑的源路由協(xié)議，并且引導(dǎo)數(shù)據(jù)包沿網(wǎng)絡(luò)路徑通過(guò)，具體的實(shí)現(xiàn)方法是在入口節(jié)點(diǎn)中按順序插入Segment數(shù)據(jù)包頭列表，以指導(dǎo)如何處理相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)并轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。這種部署方法可以將整個(gè)數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)化為幾個(gè)部分。由幾個(gè)段構(gòu)成的顯示路徑只需要根據(jù)上述指示轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包，而不需要維護(hù)大量的狀態(tài)信息或轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)。通過(guò)將SR的部署模式與SDN相結(jié)合，SDN 集中式控制器只需在網(wǎng)絡(luò)源節(jié)點(diǎn)或入口節(jié)點(diǎn)上發(fā)布相應(yīng)的網(wǎng)段列表，就大大簡(jiǎn)化了控制級(jí)別的復(fù)雜性，并提高了相應(yīng)SDN 控制器的可擴(kuò)展性。但是，上述部署模式不需要控制器與所有網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)之間頻繁的交互，因此可以提高網(wǎng)絡(luò)的收斂速度。

針對(duì)網(wǎng)絡(luò)中多鏈路故障的情況下的快速重路由。該算法基于不同的服務(wù)目的地來(lái)計(jì)算其恢復(fù)路徑，當(dāng)受影響的服務(wù)數(shù)量較大時(shí)，可以最大限度地減少網(wǎng)絡(luò)多鏈路故障引起的鏈路擁塞。通過(guò)應(yīng)用分段路由（SR）編碼恢復(fù)路徑來(lái)獲得分段列表，然后在分段列表中標(biāo)簽（分段）的指導(dǎo)下將受影響的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)到目標(biāo)。

目前，主流的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是Clos網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以根據(jù)需求分為三層或兩層。

4 結(jié)論

隨著Internet的不斷快速發(fā)展，部署在Internet上的應(yīng)用程序發(fā)生了很大變化。Internet上部署的應(yīng)用程序正在從非實(shí)時(shí)應(yīng)用程序發(fā)展為實(shí)時(shí)應(yīng)用程序（股票交易，視頻流，實(shí)時(shí)通信等）。但是現(xiàn)在，實(shí)時(shí)應(yīng)用程序可用于網(wǎng)絡(luò)并對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。在此之前，分組傳輸網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中大規(guī)模部署，以滿足客戶對(duì)于網(wǎng)絡(luò)越來(lái)越高的要求。