面向电力通信网的分段路由研究

张志海 潘信宏 王伟亮

（广西电网有限责任公司电力调度控制中心，广西 南宁 530023）

随着电网的快速增长，电力通信网规模不断扩大，形成了一个覆盖高压、低压，承载多样业务的复杂网络。电力通信网是电网运行信息的传送系统，是电网运行的“神经网络”，即依附于电网，又相对独立自成网络，其运行方式日益复杂、承载业务繁多，各类业务的QoS需求各异。为了保证各类业务数据通信的实时、可靠传输，尤其是实时类调度业务的稳定可靠，各省网公司都陆续采用了MPLS技术和流量工程TE对业务进行管控和网络优化[1]，一定程度上满足了电网发展、运行和管理的需要。

电力通信网的业务管控不仅要考虑传统的QoS需求，如带宽、时延抖动、传输延时、丢包率等，还要针对电力业务特点考虑其他特性，比如隔离、保护、安全等。自从2013年分段路由SR概念提出以来，SR与软件定义网络SDN的结合引起了人们的广泛关注。SR支持无状态源路由，能够减轻中间转发节点的开销，可以灵活地对转发路由进行管控。SDN从网络全局角度，综合全网状态和拓扑信息，高效地部署SR。针对电力业务差异化需求，SR和SDN的结合可对多条业务流分别进行细粒度的路由管理和QoS控制。与目前广泛应用的MPLS相比，SR简化了控制步骤，在网络性能与控制开销之前实现了较好的平衡[2]。本文分析了MPLS实施流量工程TE的特点及其不足，介绍了分段路由SR的基本概念，论证了分段路由SR在流量工程中的部署方式及其在电力场景下的应用前景。

1 MPLS应用缺陷

传统IGP路由协议在建立路由转发表时，并未考虑带宽可用性和业务特点，因此无法有效控制网络流量，导致链路阻塞。流量工程TE可以解决这个问题，它根据业务特点和带宽利用情况来决定业务流和物理网络拓扑的映射关系，实现不同链路、路由器和交换机之间的业务均衡，从而降低网络阻塞出现的概率。流量工程充分利用网络整体资源，已成为路由结构中一个重要的辅助部分。

流量工程TE主要通过MPLS来实现。MPLS在3层封包前附加了一部分MPLS信息，如图1所示。

图1 MPLS头部结构

MPLS头部共32位，其中MPLS标签占用20位。针对3层协议的IP地址业务流，IP地址映射为MPLS标签。MPLS网络利用标签进行数据转发，并支持显式路径（Explicit Path）对流量进行调度。MPLS控制面的主要技术是标签分发协议LDP和RSVP-TE。国家电网和南方电网均已在电力通信主干网部署了MPLS。通过LDP和RSVP-TE等相关协议，为主干网电力业务提供MPLS-VPN隔离和细粒度、差异化流量调度。

1.1 LDP协议无法实现基于业务精准调度

LDP协议根据IGP协议的路由信息和IP封包中的目的地址分配标签，并通过LDP信令在不同的路由器间传播标签信息。基于LDP协议，MPLS设备把路由信息映射到标签上，并建立标签交换路由。LDP的优点是部署简单，扩展性较好，但不支持流量工程，无法指定转发路由，无法做到基于业务QoS的精准流量调度。

1.2 RSVP-TE扩展性较低

为了解决LDP不支持流量工程的问题，MPLS引入了RSVP-TE。RSVP-TE引入源路由概念：在开启RSVP协议的网络中，业务流在进入第一个RSVP节点后，该节点就会计算出此业务流传输到目的地经过的每一跳路由，此路由称为显式路径（Explicit Path）。源路由的计算需要节点事先知道全网的拓扑信息和链路状态信息，RSVP-TE过IGP协议进行了扩展，扩展字段收集此类信息。此外，RSVP-TE的显式路径也可以根据业务的QoS需求灵活定制：如某业务要求一条延时低于20ms、带宽不小于8G的最优的转发路由。源路由和显式路径的高效优化依赖于每个节点中的链路信息数据库，因此，RSVP-TE节点需要保持其链路信息数据库始终为最新状态，限制了其扩展性。

MPLS一定程度上解决了流量灵活调度的问题，得到了广泛应用，但在电力业务种类和特性逐渐增多的前提下，MPLS-TE的复杂性和灵活性亟待改善。

2 电力通信网需求分析

传统MPLS网络基于IGP协议实现标签分发，从而实现传输路径的控制，虽然部署简单，但无法基于业务进行精细的业务流量调度。目前电力通信网络承载业务众多，对带宽实验的要求均有不用，详细需求见表1。

如何解决不同业务带宽时延要求的精准控制，成了MPLS技术体系最大的技术瓶颈，随着技术的进步，软件定义网络SDN进入了视线。SDN是虚拟化技术在网络中的一种实现方式，是对传统网络架构的创新。SDN在将网络控制与网络转发分离的基础上，进一步构建为一个开放的、可编程的网络架构。SDN重新定义了网络连接和网络行为，并提供了开放的接口，为未来网络体系结构和网络业务的创新提供了良好的基础平台。

SDN特征是数据转发和控制分离、网络虚拟化和接口开放。SDN实现了网络设备与业务分离，网络设备只负责数据转发和存储，不对业务进行控制。网络的控制平面与数据平面分离，控制器负责网络控制平面，集中管理所有的数据转发，能实时掌握全网资源信息，并根据业务QoS需求进行资源的全局分配和优化。SDN的集中控制特性简化了网络控制平面的复杂度。SDN通过开放的南向和北向接口，实现了业务应用和底层传输网络的紧密结合，业务应用可以驱动网络如何配置运行，比如剩余带宽、最低时延等。另外，用户可以根据自身业务特殊需求，基于开放接口自行配置业务传输所需调用的资源。SDN如何与现有MPLS网络的高效结合，提出了分段路由的理念。

表1 各业务网络需求表

3 MPLS网络优化方案

为了使当前的 IP/MPLS 网络变得更加面向服务和高效，IETF于2013年提出了分段路由SR的概念。SR技术脱胎于MPLS，用于优化MPLS网络。源路由是SR 的基础，即由源节点决定数据如何转发，并将转发路由设置在数据包头。中间节点转发数据时，中间节点只需根据数据包头部保存的路由信息对数据包进行转发。SR与SDN的结合可以使网络获得更佳的可扩展性[4]，并以更加简单的方式提供流量工程（TE）、快速重路由（FRR）、MPLSVPN等功能。在未来的网络架构中，SR将为网络提供和上层应用快速交互的能力。采用SR实现了业务流与网络控制的解耦，降低了网络运维和管理成本，扩展了网络泛在连接能力。

3.1 SR架构

SR分段路由架构基于源节点（通常为路由器、主机或设备）选择路由，在数据包报头中插入带顺序的Segment列表，以指示接收到这些数据包的节点怎么去处理和转发这些数据包。由于除源节点外的节点不需要储存和维持任何流的状态信息，所以流量的引导决定权仅在于源节点。通过这种方式，SR能在MPLS网络中提供高级流量引导的能力，同时在数据平面和控制平面中保持可拓展性。Segment是节点对所接收到数据包要执行的指令，该指令指示节点如何处理数据包[5]。多个Segment组成一个有序的列表，可以引导数据包到网络的任何路由上，此路由不受最短路径、域边界、路由协议等的影响。这种Segment的有序列表被称为Segment List或者“SID列表”。SID列表中的每一条目录是一条指令，作为构成整个路由的一个部分或一段。

SR在主机或网络入口节点为数据包添加若干个包含分段指令的数据包头，中间节点会依据SR指令规定的路由对数据包进行分段转发。各个分段用 SID标记，表示网络中的实体或服务，在每个分段里按照最短路径优先的算法进行转发。所有数据包的状态只需要在网络入口节点维护，网络中间路由无需进行状态记录。

主要的SID类型有节点SID、邻接SID、服务SID三种。在一个IGP网络中，节点SID和邻接SID可以由链路状态协议广播。扩展后的IGP协议在本地数据表中维护节点SID和邻接SID信息。虽然分段路由为数据包的定向移动提供了更加灵活的策略，然而在使用上还是有一定限制的。不能为数据包添加无限的分段，现在的商业路由支持的最大数量为11。

在实际部署SR时，不需要对现有的 MPLS 控制平面做较大的修改，可以使用MPLS 标签栈来存储SR中的SIDs 序列。与已有的MPLS 技术相比，SR简化了控制平面：①仅在入口节点保存业务流量转发信息；②无需采用信令协议在中间节点构建转发表；③不需要维护大量MPLS 标签交换路径。

图2 SR转发流程

3.2 SR转发流程

以图2为例阐述SR的运行机制。SDN控制器采集全网的拓扑变化和链路状态，并负责设置SR标签。假设节点A和节点F有业务流传输，两个节点间的路由非常多，比如ABDF，ACEF，ABDEF等。如果节点A和节点F没有流量QoS要求，数据包按照默认最短路径转发。

若节点A发起的业务（比如数据异地备份）对提出了一项QoS请求，要求转发路径的带宽不少于5G，延时低于40ms。那么节点A会向SDN控制器发起路由重算请求。SDN控制器根据掌握的全网拓扑信息和状态信息，计算出一条符合QoS要求的显式路径。假设红色链路表示该路径出现了拥塞，不能满足节点A的QoS带宽要求。SDN控制器最终的计算结果是图中虚线箭头指示的路径。SDN控制器会给源节点A下发符合路径的SID={16021,16031,16051,16041}来引导节点A的流量按该路径转发。源节点A收到SID后，会将其写入数据包头。

表2 各节点SID列表

表2为中间节点的SID，中间节点各自的转发行为：

①节点A收到SID后，发现第一个分段标识符16021对应B节点，于是查找路由将数据包转发给B；

②B节点收到后，发现下一个分段标识符是16031，并将数据包发往16031对应的节点。

③以此类推，最终数据包会依据指定的路径转发到目的地F。

4 仿真实验

分段路由SR的核心是源路由，数据包到达网络边缘的入口节点处，SR控制平面会在数据包头部添加一个包含定序的SID列表，中间节点只需根据报头SID列表中的顶层SID进行转发。入口节点维护整个路由选择策略和状态信息，不需要通过复杂的信令协议在中间节点传播路由和状态信息。这种设计降低了网络设备复杂度和简化了运维，同MPLS-TE相比，在路由选择方面具有良好的扩展性和灵活性。因此，基于SR和SND实现流量工程具有独特的优势。

图3 仿真测试环境

4.1 仿真环境

为了验证SR在流量工程中应用的可行性，根据某电网省公司的电力通信网络拓扑搭建了如图3所示的仿真测试环境。某电网省公司的主干通信网包括传输网AS1和传输网AS2，彼此互为备份。模拟连接两个地市公司的电力通信网AS3和AS4。整个网络的运行有中央SDN控制器负责调度。

实验选用Mininet仿真软件作为验证平台。SDN控制器采用的ONOS，是一个开源分布式控制器，具备高扩展性和高可用性，并且支持SR功能扩展；在实验中，Mininet虚拟出所有路由节点和SDN控制器，链路带宽均为10Gbit/s。全网运行OSPF协议。

4.2 QoS 保障能力

基于上述实验场景，在自治域AS3中虚拟出节点 1 作为服务定制客户端，AS4中节点2作为Web服务器，要求具有低时延的 QoS 性能保障，然后对传统 SDN 网络路由机制和基于SR的路由调度平均传输时延进行对比测试。实验时，数据包发送满足泊松分布，参数λ=20，表示数据包平均发送速率为20。每个数据包大小为1Mb，实验仿真时间为 100s。

图 4为两种机制在不同时刻的传输时延对比。传统 SDN 机制在整个测试时间内的平均传输时延为37.7ms，而SDN+SR的为32.5ms，降低了约14%。这是由于SR 机制具有精细化的路由定制能力，控制器会根据当前网络资源利用状况为通信的源、目的节点创建最优的SR 数据传输通道，故具有较低的传输时延。试验也验证了SR技术实现流量工程设备配置较简单，简化了网络运维的复杂度。

图4 传输时延对比

5 结语

有厂商对SR进行了试点，应用场景主要集中在骨干网的流量调度。对于电力通信骨干网而言，年均流量增长都在15%左右，业务QoS保证的难度也在提升。分段路由与SDN结合，充分利用SDN网络可编程性和SR分段路由的简单控制，能显著增强屋里网络灵活适配业务的能力。仿真结果表明，基于SDN的SR能够非常灵活的对业务传输进行控制，精确匹配业务QoS指标，有效基于业务需求开展精细化的流量调度，非常适合电力通信网流量工程应用。