適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的輕量級(jí)路由通告機(jī)制

北方工業(yè)大學(xué) 王鵬宇 黃思恬 陳依

天地一體化網(wǎng)絡(luò)是中國“科技創(chuàng)新2030”的重要項(xiàng)目，其中衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)與地面網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)起到關(guān)鍵作用。但是直接部署傳統(tǒng)的域間網(wǎng)絡(luò)協(xié)議會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中的帶寬資源被大量控制路由占用，現(xiàn)有的輕量級(jí)部署方案要求設(shè)備存儲(chǔ)全網(wǎng)路由。本文提出一種輕量級(jí)路由通告機(jī)制LRAM，將通告路由改為通告對(duì)等體組，并使用索引形式保存路由。實(shí)驗(yàn)表明：LRAM對(duì)帶寬資源和存儲(chǔ)空間的優(yōu)化效果明顯。

隨著地面網(wǎng)絡(luò)的蓬勃發(fā)展以及海洋、偏遠(yuǎn)農(nóng)村等地區(qū)網(wǎng)絡(luò)需求的不斷增長，構(gòu)建一個(gè)能夠覆蓋全球互聯(lián)網(wǎng)接入的天地一體的網(wǎng)絡(luò)變得越來越有價(jià)值。這不僅是中國“科技創(chuàng)新2030”的重要項(xiàng)目，還是未來互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢。但是地面網(wǎng)絡(luò)和空間網(wǎng)絡(luò)有較大區(qū)別，屬于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，想要實(shí)現(xiàn)互聯(lián)有諸多問題待解決。而域間路由協(xié)議的設(shè)計(jì)目的就是互聯(lián)各類異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)間的互聯(lián)。然而，直接將現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)的域間路由協(xié)議BGP[1]部署至天地一體化網(wǎng)絡(luò)中會(huì)遇到很多的技術(shù)挑戰(zhàn)，如路由頻繁更新、鏈路時(shí)延較大、帶寬資源受限等。并且天地一體化網(wǎng)絡(luò)中BGP的鄰居關(guān)系不穩(wěn)定，對(duì)等體組頻繁變化會(huì)帶來大量路由收斂[2]。于是，關(guān)于如何將BGP部署到天地一體化網(wǎng)絡(luò)中的研究逐漸受到重視，Yang[3]等人提出了一種簡化鄰居耦合關(guān)系的BGP協(xié)議——NTD-BGP，該協(xié)議能根據(jù)衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)周期性的特點(diǎn)較為準(zhǔn)確的預(yù)測網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)域之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系，再通過標(biāo)記的方法減少路由收斂。但由于該機(jī)制要求每個(gè)路由器保存整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的路由，因此會(huì)給路由設(shè)備帶來較大的存儲(chǔ)壓力，反而會(huì)影響查表轉(zhuǎn)發(fā)速度。

基于此，本文提出一種適用于天地一體化網(wǎng)絡(luò)的輕量級(jí)路由通告機(jī)制（Lightweight Route Advertisement Mechanism，LRAM），將通告路由替換為通告對(duì)等體變化，并使用索引的方式保存路由屬性，可以做到減少路由收斂的同時(shí)顯著降低存儲(chǔ)壓力。

1 方案設(shè)計(jì)

本文提出的LRAM機(jī)制主要用于解決天地一體化網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星與地面站間頻繁的斷連重連過程中產(chǎn)生的大量路由通告問題，主要包括BGP對(duì)等體之間的重復(fù)路由收斂以及斷連重連引發(fā)的OSPF域內(nèi)的實(shí)施鏈路信息洪泛。還有設(shè)備上路由存儲(chǔ)過多的問題，主要包括BGP的通告路由和OSPF的AS-External-LSA。

為了解決這些問題，我們基于開源的路由軟件Quagga[4]設(shè)計(jì)LRAM機(jī)制，在其中BGP和OSPF模塊中均添加了屬性表（BGP-Attr、OSPF-Attr），索引表（BGP-Index、OSPF-Index）。

（1）為了解決BGP對(duì)等體間重復(fù)路由收斂的問題，本文設(shè)計(jì)的LRAM機(jī)制修改了斷連重連時(shí)的BGP UPDATE通告。在路由器初始化時(shí)，在報(bào)文中的路由信息后添加一條對(duì)等體組信息，這樣便于路由器保存屬性，在后續(xù)斷連重連過程中，若沒有路由變化，只需要通告一條攜帶對(duì)等體組的信息即可。為了減小衛(wèi)星設(shè)備的路由存儲(chǔ)壓力，在控制平面里的BGP模塊中添加了BGP路由屬性表，即BGP-Attr，該表主要用于保存通過BGP學(xué)到的路由及其屬性，包括路由前綴、下一跳、對(duì)等體組等，在每條路由中添加序號(hào)（用于索引）和狀態(tài)碼（用于標(biāo)記當(dāng)前路由生效與否）。此外，再添加一個(gè)路由索引表BGPIndex，用于存儲(chǔ)每條路由前綴當(dāng)前的可選路由，該表中的路由信息用BGP-Attr表中的序號(hào)索引表示。

（2）為了解決斷連重連引發(fā)的OSPF域內(nèi)的實(shí)施鏈路信息洪泛問題，本文設(shè)計(jì)的LRAM機(jī)制仿照AS-External-LSA，制造PEER-LSA，在數(shù)據(jù)部分填入對(duì)等體組及狀態(tài)碼。取消了原有的AS-External-LSA，發(fā)生斷連重連時(shí)，僅洪泛一條PEER-LSA即可。相應(yīng)的，也在OSPF模塊中添加了OSPF路由屬性表和索引表，即OSPFAttr和OSPF-Index，具體結(jié)構(gòu)與BGP-Attr和BGPIndex相同。

2 工作原理

為了說明LRAM的工作原理，我們以一個(gè)簡易的天地一體化網(wǎng)絡(luò)為例。假設(shè)網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)如圖1所示，地面站A-C處于同一網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)（AS 100），衛(wèi)星1-3處于同一網(wǎng)絡(luò)域內(nèi)（AS 200），域內(nèi)運(yùn)行OSPF協(xié)議。衛(wèi)星與地面站之間通過BGP協(xié)議建立對(duì)等體組，不同網(wǎng)段的鄰居使用PPP協(xié)議建立連接。另外，地面站A上外接一個(gè)PC，代表用戶終端設(shè)備。

圖1 網(wǎng)絡(luò)初始狀態(tài)Fig.1 Initial state of network

所有設(shè)備在初始化過程中在屬性表中添加網(wǎng)絡(luò)中所有路由的屬性信息。在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)初始狀態(tài)后，索引表中會(huì)保存所有可選路由屬性，生效的路由屬性狀態(tài)碼標(biāo)記為1，失效的路由屬性狀態(tài)碼標(biāo)記為0。如果一個(gè)路由前綴的所有路由屬性狀態(tài)碼全部為0則將該前綴標(biāo)記為Sleep。將所有標(biāo)記為Active的前綴及其屬性同步到原路由表中（BGP-RIB、LSDB），觸發(fā)重新選路的操作，再通過BGP UPDATE或PEER-LSA同步給鄰居。

隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星1與地面站A斷開連接。BGP鄰居10.0.0.1與10.0.0.2之間通 過BGP UPDATE通告對(duì)等體組斷連。之后衛(wèi)星1和地面站A在BGP-Index表中，將所有對(duì)等體組為10.0.0.1-10.0.0.2的屬性狀態(tài)碼置為0，將所有標(biāo)記為Active的前綴及其屬性同步到BGP-RIB中，觸發(fā)重新選路的操作，再Redistribute到OSPF中。OSPF同樣在OSPF-Index表中將所有對(duì)等體組為10.0.0.1-10.0.0.2的屬性狀態(tài)碼置為0，將所有標(biāo)記為Active的前綴及其屬性同步到LSDB中，觸發(fā)重新選路的操作，再組織PEER-LSA通告，將對(duì)等體組10.0.0.1-10.0.0.2以及狀態(tài)碼0填入，發(fā)送給域內(nèi)鄰居。

域內(nèi)鄰居收到PEER-LSA后，解析對(duì)等體組和狀態(tài)碼，在OSPF-Index中查找相同的對(duì)等體組，并同步狀態(tài)碼。將所有標(biāo)記為Active的前綴及其屬性同步到LSDB中，觸發(fā)重新選路的操作。OSPF同樣將PEERLSA轉(zhuǎn)發(fā)給鄰居，并Redistribute到BGP中。BGP執(zhí)行接收到BGP UPDATE通告同樣的操作，再組織BGP UPDATE通告將對(duì)等體組信息填入發(fā)送給鄰居。

隨著衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)，衛(wèi)星2與地面站B建立連接。BGP鄰居20.0.0.1與20.0.0.2之間通過BGP UPDATE通告對(duì)等體組重連。操作流程與斷連過程相同，將狀態(tài)碼置為1。

如果終端設(shè)備與地面站A斷開連接，首先地面站A會(huì)在BGP-Attr和OSPF-Attr表中將所有與終端IP前綴相同的路由屬性的狀態(tài)碼標(biāo)記為0，并將BGP-Index和OSPF-Index表中所有路由前綴與終端IP相同的索引刪除。再組織BGP UPDATE和Route-LSA將信息通告給鄰居，鄰居收到通告后執(zhí)行相同的操作。如果地面站上有新的終端設(shè)備接入，地面站A會(huì)在BGP-Attr和OSPF-Attr中新增前綴和路由屬性，將狀態(tài)碼標(biāo)記為1，在BGP-Index和OSPF-Index表中添加路由前綴和索引。再組織BGP UPDATE和Route-LSA將信息通告給鄰居，鄰居收到通告后執(zhí)行相同的操作。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

正如上文所說，本文為了解決天地一體化網(wǎng)絡(luò)中衛(wèi)星與地面站間頻繁的斷連重連過程中產(chǎn)生的大量路由通告問題和設(shè)備上路由占用存儲(chǔ)過多的問題，提出了LRAM機(jī)制。

為了存儲(chǔ)路由屬性，避免反復(fù)增刪路由，需要在設(shè)備中新增路由屬性表BGP-Attr/OSPF-Attr，為了減少路由表的存儲(chǔ)壓力，需要新增索引表BGP-Index/OSPF-Index。

屬性表結(jié)構(gòu)如表1所示。

表1 屬性表Tab.1 Attribute table

每個(gè)路由前綴對(duì)應(yīng)的索引表結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 路由前綴索引表Tab.2 Routing prefix index table

為了減少斷連重連同步時(shí)網(wǎng)絡(luò)中的路由，本文修改了BGP UPDATE報(bào)文格式，如表3所示，并仿照AS-External-LSA設(shè)計(jì)了PEER-LSA報(bào)文格式，如表4所示。

表3 BGP UPDATE報(bào)文Tab.3 BGP UPDATE message

表4 PEER-LSA報(bào)文Tab.4 PEER-LSA message

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證LRAM在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中對(duì)控制路由占用帶寬和路由占用設(shè)備存儲(chǔ)空間過大的緩解作用。本文使用內(nèi)存8G、系統(tǒng)Linux14.04且裝有Quagga軟件的主機(jī)設(shè)備搭建了網(wǎng)絡(luò)，并實(shí)現(xiàn)了LRAM的基本思想，改進(jìn)了Quagga中的代碼。

為了驗(yàn)證LRAM機(jī)制對(duì)控制路由占用帶寬的優(yōu)化效果，我們在圖示網(wǎng)絡(luò)中通過拔插網(wǎng)線模擬天地一體化網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行過程，在每臺(tái)設(shè)備上使用TCPDump工具抓取數(shù)據(jù)包并統(tǒng)計(jì)路由數(shù)目。模擬兩個(gè)完整的運(yùn)行周期，一次使用帶有LRAM的方案，另一次不使用LRAM作為對(duì)照。經(jīng)檢測，使用LRAM后，網(wǎng)絡(luò)中的控制路由數(shù)目下降了約70%，優(yōu)化效果明顯。之后，我們在兩組網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)從服務(wù)端注入100條路由，再次檢測網(wǎng)絡(luò)中的路由數(shù)目，結(jié)果更為明顯，網(wǎng)絡(luò)中減少了86%的控制路由。為了更直觀地看優(yōu)化效果，我們在服務(wù)端用VLC搭建視頻服務(wù)器，打開UDP視頻流，在播放端接收網(wǎng)絡(luò)串流播放視頻，觀察網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中斷連重連對(duì)視頻播放造成卡頓的時(shí)長。經(jīng)測試，使用LRAM的方案重連后視頻均可在2s內(nèi)恢復(fù)流暢，而未使用LRAM的方案會(huì)有15s的卡頓。

為了驗(yàn)證LRAM機(jī)制對(duì)路由占用設(shè)備存儲(chǔ)空間的優(yōu)化效果，我們分別在網(wǎng)絡(luò)中部署了LRAM和NTDBGP，在服務(wù)端灌入100條路由并讓網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行一個(gè)完整的周期，再用指令查看每臺(tái)設(shè)備BGP-RIB表和LSDB表中的路由數(shù)目，再通過計(jì)算得到占用的存儲(chǔ)空間。實(shí)驗(yàn)表明：使用LRAM的方案相比NTD-BGP節(jié)省了約80%的存儲(chǔ)空間，且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行過程中變化較小。

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證：在天地一體化網(wǎng)絡(luò)中，LRAM可以明顯降低控制路由對(duì)帶寬的占用，且不會(huì)影響網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。比起現(xiàn)有的輕量級(jí)部署方案，也可以緩解路由占用設(shè)備存儲(chǔ)空間過大的情況。

5 結(jié)語

本文對(duì)天地一體化網(wǎng)絡(luò)在實(shí)際運(yùn)行中可能遇到的問題進(jìn)行分析，總結(jié)出兩大主要問題：對(duì)等體頻繁替換導(dǎo)致大量路由收斂，部署輕量級(jí)的BGP可能帶來過大存儲(chǔ)壓力。針對(duì)這些問題，本文提出了一種輕量級(jí)的路由通告機(jī)制LRAM。我們詳細(xì)地介紹了LRAM的設(shè)計(jì)思路，具體說明了在軟件層面的改進(jìn)。此外，本文對(duì)LRAM在天地一體化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中發(fā)揮作用的流程進(jìn)行了闡述。最后，我們搭建了簡易的天地一體化網(wǎng)絡(luò)，并部署LRAM驗(yàn)證優(yōu)化效果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，優(yōu)化效果顯著。并且我們在場景中加入了實(shí)際業(yè)務(wù)，證明了該方案在實(shí)際應(yīng)用中具有很高的價(jià)值。

引用

[1] 吳曼青,吳巍,周彬,等.天地一體化信息網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)設(shè)想[J].衛(wèi)星與網(wǎng)絡(luò),2016(3):30-36.

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