传输路径优化技术在SD-WAN中的应用和研究

胡方伟

（四川速宝网络科技有限公司 上海璞速网络科技分公司，上海 200126）

0 引 言

软件定义广域网（Software-Defined Wide Area Network，SD-WAN）是使用SDN的思想软件定义广域网。传统的广域网基于互联网的局部可靠可信自愈的思想构建，广域网连接的网络使用边界网关协议（Border Gateway Protocol，BGP）分发域间路由。本端网络只通告可信的路由给对端自治域系统，这种网络架构在软件定义网络技术提出之前，很难管控广域网的端到端业务和流量。

随着网络虚拟化和软件定义网络技术的发展，基于overlay的网络虚拟化转发被大规模采用[1,2]。同时SDN的控制转发分离理念使用专用的控制器集中计算overlay路径，分发overlay和underlay之间的网络转发标识，使得广域网连接网络之间业务路径的实时监控和端到端的路径计算与控制成为可能，这是SD-WAN技术产生的技术背景。

SD-WAN具备以下5大技术特点。一是支持混合链路接入，SD-WAN提供多种线路接入，包括MPLS专线、互联网线路和4G/LTE/5G等混合链路。二是支持多WAN聚合和线路切换，SD-WAN通过WAN线路实时测速技术，overlay数据支持在多条WAN线路之间实现流量的负载均衡和流量动态切换，实现网络线路的active-active端到端保护。当某条线路出现故障时，流量可以全部切换到其他的线路。三是支持业务QoS，保证关键业务应用，根据业务与企业应用策略选择网络质量高的线路传输关键业务数据。四是支持远程集中管理，SD-WAN支持零接触部署，即使在没有专业IT人员的小门店也可以完成设备上线工作。SD-WAN设备上电即可连接到控制系统，完成注册和设备鉴权。五是支持安全加密，SDWAN提供安全的传输隧道，一般使用AES-128加密算法或AES-256加密算法对传输的数据进行端到端加密[3-8]。

本论文的课题来源于四川速宝网络科技有限公司上海璞速网络科技分公司SD-WAN产品传输优化技术研究项目。其目的是研究SD-WAN产品在使用廉价的互联网线路替代专线后，当互联网线路的网络质量不佳时，使用传输优化能保证客户业务正常运行。

提出的传输优化技术可以应用于物联网、视频加速、在线教育以及企业办公等场景和领域，在SDWAN产品监测到网络质量性能下降时，开启数据传输双发策略，利用SD-WAN的多WAN聚合和虚拟化技术，用户数据在SD-WAN的两个WAN线路复制传输，接收端以收到最先到达的数据为准并忽略后续重复的数据报文。

为了节省网络带宽提高数据传输效率，本论文提出了一种动态双发策略技术和算法，以网络质量参数时延、抖动以及丢包率等网络性能指标为基础，计算网络质量评分和动态双发补偿率。当网络质量越差时，双发补偿率取值越大，数据双发系数越高，双发的数据比例越高。此算法既保证SD-WAN产品在会议视频、IoT、在线教育以及企业办公等应用场景下客户业务在网络质量下降时能正常传输，也提高了网络利用率，节省了网络成本。

本论文所述技术已经应用于公司SD-WAN产品，目前已经部署在某在线教育App接入网络、跨国公司楼宇自控系统的IoT数据采集网络系统以及跨国企业Zoom会议网络系统等，均取得了良好的效果。即使在网络丢包率超过30%、跨国时延超过200 ms时，在开启了本论文提出的传输优化技术功能后，仍能保证业务的正常进行，提高客户使用SD-WAN产品的满意度，增加了公司产品的销售额。

1 传输优化技术

SD-WAN使用了网络虚拟化的overlay技术转发业务数据，分支和总部/数据中心之间的业务流量基于overlay技术建立网络连接，业务流量独立于underlay网络进行传输，underlay网络使用多种网络路径进行underlay数据转发，数据流量具体走哪条通道进行转发，对overlay业务数据无感，企业可以使用互联网线路和MPLS专线，甚至4G线路传输数据。

针对如何提高SD-WAN产品网络传输的传输性能问题，本论文提出一种数据双发策略的传输优化技术，充分利用SD-WAN的多WAN聚合和虚拟化技术。在发送端对overlay数据包进行报文复制，并同时在不同的underlay线路发送和传输，接收端以接收到的第一份为准并忽略掉后续重复的数据报，以满足SDWAN产品在IoT、视频加速、在线教育以及企业办公等领域对网络高质量性能的要求。

相比传统的前向纠错码（Forward Error Correction，FEC）技术在单条线路上传输，在线路质量稍微变差时，FEC技术可以通过冗余算法和适当的冗余比计算出丢失的报文，但是在线路质量急剧时（如丢包率达到40%以上时），FEC的纠错技术即使配置冗余比为1∶1，也无法满足业务需求，因此此时冗余的传输报文也有可能大量丢失，通过冗余的算法无法恢复丢失的报文内容。而本文提出的数据双发策略技术支持利用SD-WAN的多WAN聚合技术，数据支持在多条线路上传输，此时即使一条线路质量出现严重恶化，通过备份线路的双发技术也可以达到恢复丢失的报文，满足业务的传输质量要求。

2 设计要点

2.1 双发策略

本论文提出的双发策略包括持续双发策略和动态双发策略，这两种双发策略各有优缺点，适用于不同的应用场景。

持续双发策略在指定的两条SD-WAN的WAN路径上启用双发策略，不论指定的WAN路径线路质量好坏，都在指定的两条WAN路径上双发，除非某条线路出现故障，否则报文双发一直工作。

动态双发策略根据本文的线路评分系统计算双发路径的线路质量，并根据双发补偿率对网络的数据双发进行补偿。当网络质量良好时，少双发甚至不双发，以减少网络带宽额外损耗。当网络质量不好时，启用双发策略，保证网络传输线路变差时业务能正常传输。

2.2 线路质量评价

本文动态可靠传输基于一种MOS评价系统，根据一系列的评分公式计算得到网络的质量分数，评分分数与网络质量判定的对应关系如表1所示[9,10]。

表1 线路评分

本文提出的链路质量评分公式以网络质量参数时延、丢包率以及抖动等为基础，并参考历史取值，以避免短期的波动带来数据的尖峰值扰动。

t0为当前时间取值，而t1、t2、t3以及t4分别代表过去1 h，12 h，24 h及7×24 h的取值，用D、L与J分别代表时延、丢包率与抖动取值。

D0为当前的时延值，D1为过去1 h内的时延平均值，D2为过去12 h时延的平均值，D3为过去24 h内的时延平均值，D4为过去7×24 h的时延平均值。L0为当前的丢包率，L1为过去1 h内的丢包率平均值，L2为过去12 h丢包率的平均值，L3为过去24 h内的丢包率平均值，L4为过去7×24 h的丢包平均值。J0为当前的抖动值，J1为过去1 h内的抖动平均值，J2为过去12 h抖动的平均值，J3为过去24 h内的抖动平均值，J4为过去7×24 h的抖动平均值。

使用历史加权平均的方法分别计算得到时延阈值Delay、丢包率阈值Loss以及抖动阈值Jitter，计算如下：

取采样时间周期t内满足基准值集合的流量的数量，即在采样时间周期t内，同时满足以下3个阈值的流量数，及实际时延小于时延阈值Delay，实际抖动小于抖动阈值Jitter，实际丢包率小于丢包率阈值Loss。

线路的评分值取值大小为0～10，值越大表示越多的采样数据值满足设定的阈值，链路质量越好，评分值越小表示线路质量越差。例如，一定周期时间t为10 min，根据式（1）、式（2）以及式（3）计算得到时延阈值为30 ms，抖动阈值为2 ms，丢包率阈值为0.5%。假定10 min内总数据流为10 000条，其中满足时延小于或等于30 ms，抖动小于或等于2 ms且丢包率小于或等于0.5%的数据流的数量为8 000条，则评分值S为8，线路评分等级为好。

2.3 双发补偿率

根据阈值计算得到不同的双发策略，当线路质量评分为良好时，双发补偿率α取0，当线路质量为一般时，双发补偿率为0.5，即两个数据包中有1个数据包进行了双发，当线路质量为差时，双发补偿率为1，全部数据双发，具体如表2所示。

表2 双发补偿率α

2.4 双发策略比较

本论文提出的两种双发策略各有优缺点，详细分析如下。持续双发策略的优点是实现简单，不需要复杂的配置和算法计算即可利用双发策略保证业务的网络传输质量。其不足是不能根据线路的质量动态调整双发策略，当线路质量很好时，不双发也可以保证业务的传输质量，此时双发额外消耗网络带宽，减少带宽利用率，增加网络成本。适用于对网络质量要求很高而对网络带宽利用率要求不高的场景，如语音视频会议、在线游戏、证券股票以及期货交易等实时类场景。

动态双发的优点是根据业务需要启动双发策略，在网络质量良好的时候，减少了网络带宽消耗，节省网络成本。不足是动态双发启动需要满足一定的阈值条件，可能会短时影响正常的业务。适用于办公应用和云访问等交互类业务数据场景。

2.5 网络流程图

支持双发策略优化的CPE转发流程如图1所示，CPE接收到用户数据后，根据系统的传输优化策略进行转发。当系统配置不支持双发策略时，其转发过程跟传统的CPE转发过程一样，根据CPE的流表和路由表转发。当配置动态双发时，CPE根据本论文提出的公式和方法计算线路质量计算线路的评分和双发补偿率，当线路质量触发双发阈值时，CPE启动动态双发策略，不仅在主用线路转发用户数据，而且在备用线路上根据双发补偿率复制一定的双发数据，并在备用线路传输。当线路质量没有触发双发策略时，数据仅在主用线路上传输，当系统配置持续双发策略时，CPE启动持续双发流程，数据在指定的两条WAN线路上转发。

图1 CPE转发流程

3 测试结果

3.1 测试组网图

测试组网如图2所示，为实现本文所述的双发策略，在SD-WAN设备1和SD-WAN设备2之间模拟两条WAN线路，分别为Internet线路和MPLS线路。为了验证各种网络质量场景下本文的策略效果，在模拟Internet线路和MPLS线路中间增加TC模拟损伤仪。SD-WAN设备1和SD-WAN设备2的LAN口连接Spirent（思博伦）TestCenter测试仪的测试端口，TestCenter模拟发送各种业务（如视频业务、办公业务）的测试报文。

3.2 持续双发策略测试结果

根据图2的测试组网图，使用TestCenter模拟发送视频业务（RTSP流量），测试路径的时延约为15 ms，发送视频业务流量的速率为10 Mb/s。在转发路径上使用TC命令模拟各种大小的丢包率，得到的测试结果如图3和图4所示。图3和图4分别为不使用持续双发策略和使用了持续双发策略时不同的丢包率下的业务带宽。图3中，当丢包率超过10%时，业务带宽从10 Mb/s下降到9 Mb/s，丢包率超过30%时，业务带宽只有2 Mb/s，此时视频业务基本上不可用。图4中，当丢包率超过10%时，由于使用了双发机制，业务带宽仍然保持在10 Mb/s左右，当丢包率超过30%时，业务带宽在9.5 Mb/s，业务仍然正常，一直到丢包率达到50%时，业务带宽才有明显的下降。

图2 测试组网图

图3 不使用持续双发策略时不同丢包率下的业务带宽

图4 使用持续双发策略时不同丢包率下的业务带宽

在转发线路上使用TC命令增加50 ms时延，即当前转发路径的时延约为65 ms，模拟长距离视频通信业务，然后使用TC命令模拟各种大小的丢包率，得到的测试结果如图5和图6所示。图5和图6分别为在增加了50 ms时延的情况下不使用持续双发策略和使用了持续双发策略时不同的丢包率下的业务带宽。图5中，当丢包率在10%以内时，视频业务通信良好，业务带宽基本上达到10 Mb/s，当丢包率超过10%时，由于重传机制，业务带宽有明显的下降，只有9 Mb/s左右，当丢包率超过20%时，业务带宽只有5 Mb/s，视频业务传输带宽只有限速值的1/2，此时会出现卡顿，丢包率超过30%时，业务带宽只有2 Mb/s不到，视频业务无法正常开展。图6中，当丢包率超过10%时，由于持续双发策略的补偿机制，视频业务带宽仍然有9 Mb/s，当丢包率超过30%时，视频业务带宽在7 Mb/s，此时视频业务基本正常，直到丢包率超过40%以后，视频业务带宽下降明显，影响视频业务的正常进行。

图5 不使用持续双发策略时不同丢包率下的业务带宽

通过对比测试发现，使用本文提出的持续双发策略，对于近距离视频传输，业务正常开展的丢包率从30%提高到50%。对于远距离的视频通信，业务正常开展的丢包率从20%提高到40%。保证了SDWAN场景下使用互联网替代MPLS专线后的业务正常工作，提高了网络传输质量，降低网络成本。

3.3 动态双发策略测试结果

仍然以图2所示的测试组网图为例，使用TestCenter模拟发送大文件业务（如office办公和下载流量），测试路径的时延约为15 ms，发送业务流量的速率为50 Mb/s。在转发路径上使用TC命令模拟各种大小的丢包率，得到的测试结果如图7和图8所示。图7和图8分别为不使用动态双发策略和使用了动态双发策略时不同的丢包率下的业务带宽。图7中，当丢包率超过20%时，业务带宽从50 Mb/s下降到44 Mb/s，丢包率30%时，业务带宽只有30 Mb/s，丢包率超过30%后，业务带宽下降更快，当丢包率超过40%时，业务带宽只有20 Mb/s，此时业务使用人员会明显感觉到网页访问速度很慢，下载速率下降。图8中，当丢包率超过20%后，由于动态双发策略生效，此时采用部分补偿机制，业务带宽从46 Mb/s恢复到50Mb/s左右，当丢包率超过30%时，动态双发机制使用全部补偿机制，业务带宽从30%左右的45 Mb/s左右又恢复到50 Mb/s，当丢包率超过50%时，业务带宽明显快速下降。

图7 不使用动态双发策略时不同丢包率下的业务带宽

图8 使用动态双发策略时不同丢包率下的业务带宽

通过对比发现，使用本文提出的动态双发策略，业务正常开展的丢包率从30%提高到50%，并且由于部分补偿机制，网络丢包率在20%以内时，可以保证网络的带宽保持在50 Mb/s左右，网络传输更加稳定。

4 结 论

本文针对SD-WAN网络中使用互联网线路取代专线后的网络质量下降问题，提出了在SD-WAN多WAN线路的基础上使用双发策略的技术方案。双发策略包括持续双发策略和动态双发策略。对于动态双发策略，本论文提出了一种以网络质量参数时延、抖动以及丢包率等参数为基础的线路质量评分系统，并在评分基础上计算双发补偿率的公式。

通过测试验证，本文提出的持续双发策略和动态双发对业务传输有明显提高，即使在互联网线路出现质量下降、网络丢包率大幅提高时也能保证业务的正常使用。