云網(wǎng)融合PCEP應(yīng)用及端到端保障方案

王越，王愛(ài)俊，徐洪磊

（中國(guó)電信股份有限公司研究院， 北京 102209）

1 引言

2 PCEP在云網(wǎng)融合場(chǎng)景的應(yīng)用

作為當(dāng)前云計(jì)算市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的核心，云網(wǎng)融合已經(jīng)成為全球領(lǐng)先運(yùn)營(yíng)商正積極推進(jìn)的發(fā)展戰(zhàn)略。云網(wǎng)融合不僅需要利用虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)元設(shè)備算力、網(wǎng)絡(luò)和存儲(chǔ)等基礎(chǔ)設(shè)施的集中解耦、融合和重構(gòu)，保證資源的一體化供給，更要求承載網(wǎng)絡(luò)能夠根據(jù)各類云服務(wù)需求按需開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與云的敏捷打通、按需互聯(lián)，并體現(xiàn)出智能化、自服務(wù)、高速等特性，實(shí)現(xiàn)一體化智慧運(yùn)營(yíng)和服務(wù)保障。從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的角度出發(fā)，以DC（data center）為中心構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，重點(diǎn)解決云資源池和互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心的鏈路扁平直達(dá)問(wèn)題，做到東西流量和南北流量并重。在目前的數(shù)據(jù)中心中，云資源和網(wǎng)絡(luò)資源大多基于OpenStack 的 Neutron 組件實(shí)現(xiàn)對(duì)接，功能有限，無(wú)法實(shí)現(xiàn)在廣域網(wǎng)進(jìn)行大量的網(wǎng)絡(luò)配置和調(diào)整，尤其在面對(duì)混合云、跨云互聯(lián)以及多點(diǎn)入云等場(chǎng)景，稍顯力不從心。此外，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行精細(xì)化管控問(wèn)題也變得尤為突出。

在云網(wǎng)融合大趨勢(shì)推進(jìn)運(yùn)營(yíng)商向IP網(wǎng)絡(luò)智能化逐步演進(jìn)的背景下，控制器作為SDN架構(gòu)的核心組件其重要性日益凸顯，且從以對(duì)內(nèi)應(yīng)用為主，逐步轉(zhuǎn)向以對(duì)外提供服務(wù)為主。作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體系的“大腦”，控制器利用北向接口使業(yè)務(wù)具備能夠便利調(diào)用底層網(wǎng)絡(luò)資源的能力，實(shí)現(xiàn)資源的統(tǒng)一調(diào)度和管理。南向接口則負(fù)責(zé)與底層設(shè)備通信，通過(guò)業(yè)務(wù)功能抽象屏蔽了底層物理轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的差異，實(shí)現(xiàn)了資源的虛擬化，完成了對(duì)底層設(shè)備的集中統(tǒng)一控制[2]。

當(dāng)前，在運(yùn)營(yíng)商的IP網(wǎng)絡(luò)中，二層數(shù)據(jù)報(bào)文中只有源和目的地址的字段，是面向無(wú)連接狀態(tài)的逐跳式服務(wù)，缺少針對(duì)數(shù)據(jù)流量路徑的控制消息。為更好地實(shí)現(xiàn)流量感知和路徑優(yōu)化，提供應(yīng)用驅(qū)動(dòng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)質(zhì)量，均衡流量分布，運(yùn)營(yíng)商通常會(huì)采用多協(xié)議標(biāo)簽交換（multi-protocol label switching，MPLS）網(wǎng)絡(luò)或者IPv6網(wǎng)絡(luò)的方案。隨著業(yè)務(wù)量的增加，網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，這樣的做法將過(guò)多的復(fù)雜協(xié)議引入封閉的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不僅需要承擔(dān)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由管理、路由協(xié)議解析等任務(wù)，還要消耗大量計(jì)算資源進(jìn)行復(fù)雜約束條件的路由運(yùn)算[3]，給網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)帶來(lái)額外負(fù)擔(dān)的同時(shí)，增加了管理難度和運(yùn)維工作量。

PCEP（path computation element communication protocol，路徑計(jì)算單元通信協(xié)議）作為基于TCP的路由集中控制方案，是由IETF的PCE（path computation element，路徑計(jì)算單元）工作組于2006年為MPLS網(wǎng)絡(luò)域間流量工程等應(yīng)用提出的通信協(xié)議[4]。其最初應(yīng)用于光網(wǎng)絡(luò)，隨著南向接口技術(shù)在SDN體系發(fā)展的日趨成熟，PCEP也不斷擴(kuò)充和完善，逐步實(shí)現(xiàn)了面向分段路由的以及LSP保護(hù)路徑的擴(kuò)展等能力[5]。作為眾多南向接口協(xié)議（如BGP LS、OpenFlow、Netconf）中較為成熟的PCEP，其采用了集中式的路徑計(jì)算模型，該協(xié)議將路由器的CSPF（constrained shortest path first）功能抽離，通過(guò)集中部署控制器或者PCE，根據(jù)全網(wǎng)的帶寬、代價(jià)、標(biāo)簽等全局資源視圖進(jìn)行約束路徑計(jì)算，以集中算路的方式，為各類應(yīng)用計(jì)算最優(yōu)路徑，下發(fā)給網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，控制報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)全局統(tǒng)一調(diào)度，完成路徑計(jì)算和路徑建立轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離[6]，保障流量端到端全局最優(yōu)，是一種應(yīng)用較為廣泛的網(wǎng)絡(luò)路徑計(jì)算協(xié)議。相比較于分布式路徑計(jì)算，通過(guò)PCE實(shí)現(xiàn)集中算路的方式在解決復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)環(huán)境跨層、跨域的端到端約束路由計(jì)算方面更具優(yōu)勢(shì)，同時(shí)能夠有效降低運(yùn)維復(fù)雜度與難度，為簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提供了可能。

3 基于PCEP協(xié)議的流量端到端保障方案

3.1 端到端保障方案需求

在路由管控方面，傳統(tǒng)的MPLS-VPN在原有IGP（interior gateway protocol）基礎(chǔ)上增加LDP（label distribution protocol）實(shí)現(xiàn)標(biāo)簽的轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，由于 LDP不具備流量工程，而通過(guò) RSVP-TE（resource reservation protocol-traffic engineering）實(shí)現(xiàn)顯示路徑計(jì)算信令較為復(fù)雜，同時(shí)龐大的TE鏈路信息擴(kuò)展和維護(hù)困難，設(shè)備協(xié)議開(kāi)銷以及運(yùn)維復(fù)雜度較高，無(wú)法實(shí)時(shí)采集監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量情況并完成最優(yōu)路徑的自動(dòng)優(yōu)化，因此信息交互效率低。作為新興技術(shù)的SRv6，雖充分利用 IPv6擴(kuò)展頭的機(jī)制，通過(guò)SRH（segment routing header）中的IPv6地址標(biāo)識(shí)segment實(shí)現(xiàn)流量的引導(dǎo)轉(zhuǎn)發(fā)，但因SRH信息的引入，報(bào)文開(kāi)銷較大、網(wǎng)絡(luò)鏈路帶寬利用率低。此外SRv6報(bào)文處理對(duì)芯片要求較高?，F(xiàn)網(wǎng)設(shè)備芯片難以支持對(duì)128 bit SID（segment ID）的擴(kuò)展頭SRH復(fù)制和操作，無(wú)法實(shí)現(xiàn)向SRv6的平滑升級(jí)演進(jìn)，給運(yùn)營(yíng)商部署SRv6帶來(lái)較大成本壓力。

考慮到MPLS以及SRv6類型方案要么利用L3 VPN技術(shù)，要么利用SRH擴(kuò)展IPv6包頭，對(duì)于IPv4網(wǎng)絡(luò)，缺乏良好的解決方案。針對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)中無(wú)連接的狀態(tài)，本文利用 PCEP轉(zhuǎn)控分離的機(jī)制，提出了一種基于 PCEP的流量端到端保障方案。該方案有效利用了二層以太幀結(jié)構(gòu)中的VLAN信息，通過(guò)PCE實(shí)時(shí)收集全網(wǎng)資源信息，響應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求，完成智能路徑計(jì)算和頭端計(jì)算路徑自動(dòng)下發(fā)，從而保證在本地 IP環(huán)境實(shí)現(xiàn)面向連接的網(wǎng)絡(luò)通信及端到端業(yè)務(wù)保障[7]。相較于MPLS、SRv6等方案，本方案利用了全新的VLAN地址空間，避免了與其他已有協(xié)議的沖突，能夠同時(shí)適用于IPv4和IPv6網(wǎng)絡(luò)。

通過(guò)PCE的全域資源感知，能夠獲得云網(wǎng)資源的一致質(zhì)量保證，確保業(yè)務(wù)的一體化規(guī)劃和運(yùn)維管理，實(shí)現(xiàn)云業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的深度融合。結(jié)合Telemetry和Netflow等技術(shù)亦可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)流量可視化和按需調(diào)度，保證網(wǎng)絡(luò)資源和云資源的一體化彈性供給和敏捷服務(wù)。

正因?yàn)轸斘骰试谝后w肥研發(fā)中緊盯綠色發(fā)展需要，服務(wù)于“土壤修養(yǎng)”的目標(biāo)，其系列液體肥的PH值為中性，適用多種作物，真正實(shí)現(xiàn)有效改良土壤。

3.2 端到端保障方案模型架構(gòu)

基于 PCEP的流量下發(fā)保障方案，主要思路是控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)約束參數(shù)完成關(guān)鍵數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)端到端的初始化路徑計(jì)算，并通過(guò)和設(shè)備建立PCEP將結(jié)果以三元組和交叉表方式通過(guò)南向接口下發(fā)至設(shè)備。設(shè)備收到信息，在本地形成路由映射表和路由交叉表，根據(jù)表項(xiàng)內(nèi)容，將數(shù)據(jù)流量封裝對(duì)應(yīng)的VLAN_ID進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流量的二層封裝和面向連接的快速轉(zhuǎn)發(fā)，保障業(yè)務(wù)端到端質(zhì)量。

本方案系統(tǒng)主要包括SDN控制器、邊緣路由設(shè)備（入口路由器和出口路由器）、轉(zhuǎn)發(fā)路由設(shè)備。

其中，SDN控制器通過(guò)PCEP分別與系統(tǒng)邊緣設(shè)備、轉(zhuǎn)發(fā)路由設(shè)備建立連接，根據(jù)實(shí)際業(yè)務(wù)需求，完成業(yè)務(wù)端到端保障路徑的計(jì)算，形成三元組信息和網(wǎng)絡(luò)交叉信息分別下發(fā)至邊緣和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備；邊緣入方向設(shè)備（入口路由器）負(fù)責(zé)向控制器發(fā)送路徑請(qǐng)求初始化確認(rèn)信息，同時(shí)根據(jù)控制器下發(fā)的路徑計(jì)算結(jié)果在本地形成路由映射表，設(shè)備依據(jù)此表對(duì)接收的數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行匹配，對(duì)匹配的報(bào)文封裝對(duì)應(yīng)的VLAN-ID進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)；轉(zhuǎn)發(fā)路由設(shè)備根據(jù)控制器下發(fā)的路由交叉表，完成從入方向子接口標(biāo)識(shí)到出方向子接口 VLAN-ID標(biāo)識(shí)的交叉轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)再封裝。而邊緣出方向設(shè)備（出口路由器）則將VLAN-ID解封裝，并基于數(shù)據(jù)目的地址進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

在實(shí)際業(yè)務(wù)場(chǎng)景中，可以在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲羞吘壢敕较蛟O(shè)備和出方向設(shè)備分別部署多個(gè)BGP session，不同的BGP session分發(fā)不同的前綴，并具有不同的BGP 下一跳。在控制層，入口路由設(shè)備通過(guò)BGP可以學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲杏煽刂破骷s束的基于同一BGP session的源/目的peer的不同路徑，即源和目的BGP前綴?？刂破髯鳛镻CE則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、流量工程策略（TE policy）等參數(shù)信息計(jì)算滿足約束條件請(qǐng)求的路徑，通過(guò) PCEP的PC初始信息將路徑通過(guò)三元組信息——源 BGP peer、目的BGP peer、VLAN-ID下發(fā)至作為路徑計(jì)算客戶端（path computation client, PCC）的入口路由設(shè)備，完成VLAN路徑的初始化。入口路由設(shè)備收到 PCEP下發(fā)的三元組信息后，向控制器發(fā)送 PCRpt消息完成確認(rèn)，同時(shí)形成基于源/目的BGP前綴的映射路由表，最終轉(zhuǎn)化為實(shí)際的隧道和隧道路徑的配置。

在轉(zhuǎn)發(fā)層，當(dāng)入口路由設(shè)備接收到數(shù)據(jù)報(bào)文時(shí)，會(huì)將數(shù)據(jù)報(bào)文的源/目的地址和映射路由表中源BGP前綴、目的BGP前綴進(jìn)行匹配，如果一致，則將數(shù)據(jù)包打上對(duì)應(yīng)的VLAN-ID標(biāo)簽，并創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的VLAN子接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

轉(zhuǎn)發(fā)路由器收到封裝對(duì)應(yīng)VLAN-ID的數(shù)據(jù)報(bào)文后，通過(guò)匹配控制器下發(fā)的VLAN交叉表，將數(shù)據(jù)報(bào)文原有VLAN信息解封裝，打上新的VLAN-ID標(biāo)簽，同時(shí)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的VLAN子接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

出口路由設(shè)備則根據(jù)映射信息，將封裝VLAN-ID的二層包頭去掉，對(duì)報(bào)文進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā)。實(shí)現(xiàn)了在本地 IP環(huán)境下，面向連接的網(wǎng)絡(luò)通信及端到端業(yè)務(wù)保障。解決了傳統(tǒng)IP報(bào)文無(wú)連接無(wú)狀態(tài)的痛點(diǎn)。

3.3 基于PCEP架構(gòu)的VLAN流量轉(zhuǎn)發(fā)流程

對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)中較為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌W(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間往往會(huì)存在多個(gè)BGP session，不同的session用于承載不同的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流，用于實(shí)現(xiàn)流量的端到端隔離和不同級(jí)別的 SLA（service level agreement）等級(jí)保障。基于前述端到端保障方案模型架構(gòu)設(shè)計(jì)，PCEP架構(gòu)的VLAN流量轉(zhuǎn)發(fā)方案的實(shí)施流程如圖1所示。

圖1 基于PCEP協(xié)議的流量端到端保障方案

在R1和R8之間通過(guò)不同的子接口創(chuàng)建3個(gè)BGP實(shí)例，分別對(duì)應(yīng)3個(gè)BGP session，不同的BGP session分發(fā)不同的前綴，并具有不同的BGP下一跳。

若要對(duì)R1和R8之間的某些關(guān)鍵業(yè)務(wù)進(jìn)行流量端到端保障。在BGP session 1中業(yè)務(wù)流量的源IP前綴（source IP-prefix）和目的 IP前綴（destination IP-prefix）分別為P1和P8，入口設(shè)備通過(guò) BGP可以學(xué)習(xí)到網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲谢?BGP session 1的源/目的peer的不同路徑前綴P1、P8。

控制器和入口設(shè)備R1通過(guò)PCEP建立連接?？刂破鞲鶕?jù)全局網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹E policy等參數(shù)信息計(jì)算全局優(yōu)化路徑，形成基于BGP session 1的三元組信息（BS1_R1、BS1_R8、VLAN12），其中，BS1_R1和BS1_R8分別表示基于BGP session 1的 R1和 R8的邏輯子接口地址，VLAN12表示R1到R2路徑所對(duì)應(yīng)的VLAN。控制器將該三元組信息通過(guò)PCEP下發(fā)至R1，R1收到信息后返回PCRpt確認(rèn)信息。

入口設(shè)備R1根據(jù)收到的三元組信息，結(jié)合之前學(xué)到的路徑信息形成基于源/目的 BGP前綴的映射路由表，示例見(jiàn)表1。

表1 映射路徑表

其中，P1前綴和P8前綴分別對(duì)應(yīng)sessioni中業(yè)務(wù)流量的 source IP-prefix和 destination IP-prefix，P1前綴匹配N條源IP，P8前綴匹配M條目的 IP，因此該路由表針對(duì) session 1共有N×M條路徑組合。

當(dāng)入口設(shè)備接收到數(shù)據(jù)報(bào)文后，會(huì)查找映射路由表，需要保障的報(bào)文通過(guò)映射路由表的匹配被打上VLAN12標(biāo)簽，送至對(duì)應(yīng)BGP session 1的邏輯子接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

對(duì)于中間設(shè)備R2、R4、R6，控制器會(huì)下發(fā)交叉路由表。交叉路由表中的條目為VLAN鍵值對(duì)，對(duì)于R2，條目是（VLAN12、VLAN24），當(dāng)收到封裝對(duì)應(yīng)VLAN-ID的數(shù)據(jù)報(bào)文后，中間設(shè)備R2會(huì)將報(bào)文解封裝，去掉由R1打上的VLAN12標(biāo)簽，打上VLAN24標(biāo)簽送至R4，同時(shí)R4創(chuàng)建對(duì)應(yīng)的VLAN子接口進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，R4和R6的操作同理。

出口設(shè)備R8收到SDN控制器下發(fā)的交叉路由表，當(dāng)R8收到R6送來(lái)的報(bào)文，通過(guò)匹配路由表得知自己是最后一跳目的地址，則不進(jìn)行任何封裝，直接將VLAN-ID的二層包頭去掉，對(duì)報(bào)文進(jìn)行三層轉(zhuǎn)發(fā)。

至此，對(duì)于從R1到R8的數(shù)據(jù)報(bào)文，只有匹配到P1和P8前綴的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，才能使用端到端的邏輯通道，并且該邏輯通道的路徑是可由SDN控制器通過(guò)PCEP下發(fā)特定路由信息進(jìn)行規(guī)劃的，對(duì)于其他接口進(jìn)入的數(shù)據(jù)，則依據(jù)傳統(tǒng)的路由表進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了在本地IP環(huán)境下，面向連接的網(wǎng)絡(luò)通信及端到端業(yè)務(wù)保障的訴求。

以太接口的大規(guī)模部署，使得利用二層幀結(jié)構(gòu)中包含的信息簡(jiǎn)化端到端數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)成為可能。PCEP架構(gòu)基于VLAN的流量轉(zhuǎn)發(fā)，充分利用了二層VLAN信息，以PCEP為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)了流量的全場(chǎng)景接入，在盡可能保留 PCEP結(jié)構(gòu)的同時(shí)簡(jiǎn)化了報(bào)文的端到端路徑計(jì)算和轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程，能夠滿足多業(yè)務(wù)流量不同路徑轉(zhuǎn)發(fā)需求，確保關(guān)鍵業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)和服務(wù)質(zhì)量，從而實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)以及多維度SLA路徑規(guī)劃。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于 PCEP的流量端到端保障方案，可針對(duì)特定客戶、特定應(yīng)用進(jìn)行端到端業(yè)務(wù)保障，實(shí)現(xiàn)IP場(chǎng)景面向關(guān)鍵業(yè)務(wù)的確定性傳輸，相較于當(dāng)前主流的MPLS和SRv6的解決方案，可以減少標(biāo)簽資源的占用，減輕標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表的維護(hù)工作量，提高轉(zhuǎn)發(fā)效率，提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)傳輸效率。借助網(wǎng)絡(luò)云虛擬化、白盒、云原生化等核心能力落地，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速開(kāi)通和確定性轉(zhuǎn)發(fā)。本方案利用頂層控制器完成端到端的流量和業(yè)務(wù)管理，能夠保證全網(wǎng)資源的優(yōu)化調(diào)度和協(xié)同編排，有助于構(gòu)建云網(wǎng)資源一體化管控的云網(wǎng)操作系統(tǒng)，完成云網(wǎng)資源的統(tǒng)一抽象、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一編排、統(tǒng)一優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)融合大環(huán)境的網(wǎng)絡(luò)智慧化運(yùn)營(yíng)，助力構(gòu)建簡(jiǎn)潔、敏捷、開(kāi)放、融合、安全、智能的云網(wǎng)生態(tài)系統(tǒng)。