SDN技术实现铁路数据网业务优化研究

陈郑超

(1.北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2.北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

铁路数据通信网已基本建成，作为基础承载网，承载了铁路大量信息业务。如何利用软件定义网络（Software Defined Network，SDN）等新技术为各类业务服务，并为今后铁路各类应用系统向云端迁移提供弹性可扩展的网络基础架构，是今后一段时间内应该认真考虑的问题。

1 骨干数据网网络架构简介

骨干数据网在逻辑上分为骨干—区域两层架构。骨干网络为了实现总公司—路局、路局—路局之间的高速数据转发，利用骨干传输系统提供的10GE波道，建立转发平面节点间的半网状互联结构。区域网络利用传输通道或裸光纤实现了接入—汇聚—核心的千兆连接。

为了实现承载业务的逻辑隔离，全网采用MPLS技术，为各类承载业务建立独立的虚拟专用网络（VPN），并通过Diffserv方式来实现承载业务QoS的区分。

在骨干网转发平面，为实现转发流量的精细调度和严格的QoS，配置了流量工程（Traffic Engineering，TE）隧道，将不同类型的业务根据不同的QoS要求映射入相应的TE隧道进行承载。

2 SDN技术简介

SDN是一种优化和简化网络操作的体系结构方式，它将应用与网络服务、设备之间的交互（如服务开通配置、消息传递、告警信息）紧密地结合在一起。利用一个逻辑上集中式的网络控制器（SDN控制器）来实现与网元设备的交互，并通过双向可编程接口来展示和抽象网络功能和操作。

SDN技术聚焦于以下3点：网络可编程、控制平面与数据转发平面的分离以及网络实时状态管理的集中式控制模型。理想化的SDN控制器模型结构如图1所示。

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

可编程性（通过API和开放接口访问网络）是SDN的核心，将网络的控制和管理平面集中并托管给应用（控制器），并通过SDN协议来连接应用和网络设备，是SDN实现的主要目标。目前SDN协议和组件主要有Openflow、I2RS、PCE-P、BGP-LS、FORCES、OMI和NetConf/Yang等。

3 铁路数据通信网应用SDN需求及场景分析

铁路数据通信网作为专用广域承载网，主要实现铁路内部信息业务的高速承载。随着网络规模的不断扩展和各类新应用的部署，让用户更方便的根据应用需求提供弹性网络服务并实时进行网络资源调度，实现网络资源的可视化管理是铁路数据通信网发展的方向。

铁路数据通信网部署SDN技术应关注以下功能特性的实现。

1）集中化控制和管理平面，实现网络的灵活扩展和网络拓扑的抽象展现

数据通信网采用分布式控制平面，随着网络规模的扩大，各种IP/MPLS协议的叠加，造成网络的复杂性日益增加，路由及转发表规模迅速增长，网络收敛速度越来越慢。由于网络内厂家及设备型号繁多，造成网络的灵活性和用户控制手段（如对路由选择的精细控制）缺乏、各厂家不同特性协议间的协商日益困难。

在南向接口上，采用集中式控制平面可以将全网的路由及转发表计算功能托管至控制器，由控制器向网元设备下发转发表项。控制器采用高可用性及弹性扩展架构，可根据网络规模灵活进行扩展，网络的路由处理能力不再被网元设备的路由引擎和交换矩阵的能力所限制。

在北向接口上，控制器向用户提供抽象的网络视图和简化编程控制接口，用户不需要直接操作网元设备，而是与控制器进行交互，通过控制器提供的抽象网络拓扑和标准接口进行网元设备操作，从而为应用系统与网络的集成开发提供基础条件。

2）PCE结合TE技术，实时优化带宽，提高网络效率

在数据通信网转发平面目前经典的RSVPTE网络环境下，进行业务标签交换路径（Label Switching Path，LSP）规划，通常是根据承载业务的流量流向模型进行，通过路由设备命令行接口（command-line interface，CLI）来创建TE LSP，并采用轻载方式保证规划TE LSP的成功建立。而在SDN引入路径计算单元（path computation element，PCE）后，允许将TE LSP的计算托管给外部PCE服务器，并通过自动化工具来根据应用需求实时进行TE-LSP的计算和下发，大大减轻人工参与网络管理的工作量，提高网络效率。

3）引入Netconf协议，实现网络配置和业务开通可视化

目前数据通信网采用的简单网络管理协议（SNMP）是由IETF在20世纪80年代设计，主要用于检测网元设备的状态和性能特性。由于SNMP是基于二进制编码，而且大部分厂商也没有提供通过SNMP实现完全配置设备的选项，因此SNMP通常只支持对于设备通用信息的“只读”操作。各厂家对于设备底层信息的获取，依赖于专有MIB（管理信息库）；而对于设备的配置，依赖于各厂家的CLI接口，无法实现网络配置和业务开通的可视化操作。

Netconf协议基于可扩展标记语言（XML）编码，定义了客户端获取数据模型，允许应用程序或SDN控制器动态的发现支持Netconf的设备所具有的能力，有利于动态的、数据驱动的应用程序代码创建。

4 铁路数据通信网应用策略探讨

根据前述可以看到， 在现网环境下，SDN技术的引入不是大规模的对既有已建成设备的替换和更新，而是利用SDN技术的优势，针对铁路信息化迅速发展的需求，提供定制化的网络优化解决方案。具体到铁路数据通信网的应用需求，建议采用PCE服务器，结合目前已部署的TE技术，实现全网流量的动态调整和可视化。

以骨干数据网实现TE环境下的流量动态调整和可视化需求为例，制定的部署方案如图2所示。

图2 铁路数据通信网SDN部署方案Fig.2 SDN deployment scheme of railway data communication network

应用服务器：通过SNMP协议进行现网流量信息的采集，通过Netconf协议实现调优策略的下发以及网络拓扑、网络流量信息和业务（TE TUNNEL）路径信息的可视化。

PCE服务器（控制器）：通过ISIS协议采集PCC网络拓扑及接口信息，通过Netconf协议将网络拓扑信息和LSP路径信息传递给应用服务器，并接收应用服务器下发的算路策略。PCE服务器作为控制器托管全网的算路功能，进行基于全网的路径计算，通过PCE-P协议将算路结果（转发流表）下发给PCC（转发节点）。

PCC：将网元设备的流量、端口等信息通过SNMP协议传递给应用服务器和控制器，并接收控制器下发的转发流表，进行业务流量的转发。

典型的流量调优流程如图3所示。

图3 典型流量调优进程Fig.3 Typical flow tuning process

1）转发节点通过ISIS向应用服务器器泛洪拓扑信息； 转发节点向控制器托管LSP的隧道信息。

2）应用服务器通过SNMP采集全网的拓扑信息；从控制器上载全网LSP数据库。

3）控制器通过SNMP采集全网TE隧道的流量信息。

4）应用服务器上配置网络流量调优策略和TE隧道约束条件（带宽、延时、丢包率等）信息。

5）由应用服务器启动网络调优进程，并下发隧道约束和流量信息给控制器。

6）控制器进行全网路径计算。

7）应用服务器查询算路结果并将结果提交给用户确认。

8）根据用户确认信息，控制器向转发节点下发算路结果（转发流表）。

9）转发节点根据转发流表进行隧道的建立。

10）转发节点向控制器托管更新后的LSP隧道信息，完成一次流量调优。

5 结束语

SDN技术的优势在于开放、弹性的网络架构，在网络的建设和维护过程中，通过对网络的再编程，实现网络的弹性扩展和优化。SDN技术应用于现有网络的优化以及新建网络中，采取何种技术路线或者策略，不应以现有厂家或标准为壑，应遵循开放、灵活、以用户需求为导向，以最简洁、高效的方法满足用户需求为最高目标。本文只是针对铁路数据通信网的一两个现实需求实现方案进行探讨，对于如何进一步发现新的需求，不断进行网络的优化与升级，是每一个设计者、开发者和运营维护人员应该深入思考的问题。