展望广域网架构和网络协议演进

展望广域网架构和网络协议演进

牟晓立

云南昆明中国人民解放军 75841部队 650034

摘要：广域网技术历经了30多年的发展，不管是连接数量、带宽能力、维护能力都面临着非常多的挑战，主流的三层网络拓扑结构和网络协议越来越不能满足需求。经过对网络架构和网络协议深入研究，发现新型广域网采用leaf-spine叶脊结构，并引入SDN、SRV6、EVPN等新网络协议集，能更好的支撑大带宽、低时延的互联网业务。

关键词：广域网，协议 ，结构，演进

广域网（Wide Area Network，缩写为 WAN），是连接不同地区局域网或城域网计算机通信的远程网。相对局域网（Local Area Network(LAN)）而言， 广域网（WAN）不仅覆盖较大的地理距离，而且还通常涉及固接专线和对于互联网的链接。广域网技术经历了30多年的技术发展，三层网络架构已经非常成熟，BGP、ISIS、OSPF、二层网络协议等网络协议应用也非常广泛，是目前承载互联网业务的基石。但是由于互联网OTT视频业务、VR虚拟现实、5G移动业务的需求越来越多，用户对网络大带宽、低时延、高容量的要求也越来越高，传统的广域网架构和网络协议已经难以支撑新兴互联网业务需求，随着网络技术不断发展创新，并且IPV6、虚拟化技术和云化技术已经非常成熟，目前新的广域网架构和网络协议应用越来越广泛，必将取代原有广域网，成为将来承载新互联网业务的康庄大道。

1. 现有广域网

1. 现有广域网架构

现有广域网架构采用接入层、汇聚层和骨干层三层架构，网络流量从上至下或从下至上，均为纵向流量，网络结构简单可靠、层次清晰、功能齐全，具备语音、视频、数据、移动等综合业务承载能力，基本满足各种普通用户网络需求。

2. 现有网络协议

1. 边界网关协议（BGP）是运行于 TCP 上的一种自治系统的路由协议。BGP 协议运行在广域网核心层和业务接入控制层，承载用户路由。

2. 中间系统到中间系统协议（ISIS）是一个分级的链接状态路由协议，ISIS以广域网为单位划分Area，属于同一广域网的核心层、业务控制层设备划归同一Area，ISIS 协议提供的是业务接入控制层及其以上设备之间的可达性，为IBGP 提供IGP 可达，承载设备路由。

3. OSPF协议是用于网际协议（IP）网络的链路状态路由协议，是基于链路状态算法的路由协议。由于该协议存在配置复杂、路由负载均衡能力较弱等缺点，一般用于网络规模较小、网络设备较少、业务较简单的广域网。

4. 二层网络协议运行在广域网接入层，是七层网络协议中的数据链路层协议，是为用户接入网络提供服务，主要包括PPP、STP、HDLC等，实现在不可靠的物理介质上提供可靠的传输。

2. 新型广域网

（一）新型广域网架构

横向网络(east-west)在纵向设计的网络拓扑中传输数据会带有传输的瓶颈，因为数据经过了许多不必要的节点(如路由和交换机等设备)。三层网络的原始设计更会加剧这种性能衰减。

新型广域网提出了leaf-spine叶脊新广域网拓扑结构。新型架构便于网络横向扩展，提升网络流量疏导效率，新广域网有以下几个特性：

• Spine仅转发流量不识别业务

• Leaf依据网络位置细分不同角色：

新型广域网leaf-spine叶脊架构彻底改变原有的三层网络结构，更便于云资源池边缘接入，流量从纵向变为横向，提升了网络效率，大大降低了用户时延，能更好的支撑大带宽、高容量互联网业务。

（二）新型网络协议

1. 基于SRv6的Spine-Leaf架构

SRv6是一种网络转发技术，其中SR是Segment Routing的缩写，v6是指IPv6，是基于IPv6和源路由（Source Routing）的新一代IP承载协议，可以统一传统的复杂网络协议，实现网络协议简化和应用级的SLA保障。

2. FlexE 硬切片

FlexE就是在传统以太网架构的基础上，引入了全新的FlexE Shim层，实现MAC（介质访问控制子层，属于数据链路层）和PHY（物理层）的解耦。上层和下层的数据流速率，不再强制绑定。实现了捆绑、子速率、通道化三大功能，可支持更加灵活的多速率承载。

3. EVPN

EVPN（Ethernet VPN）是为了解决传统VPLS效率较低做出的协议补充，EVPN引入控制平面，用于更好的控制MAC地址学习过程。在EVPN架构中，PE之间的MAC/IP地址学习是基于控制平面的，采用MP-BGP协议通告MAC/IP的可达性，因此具有较好的扩展性，并能维护主机或虚拟机群彼此间的隔离性，解决了设备多归属或网络多归属接入时的负载分担问题，改善了网络出现故障时的收敛时间。

4. SDN架构

在SDN架构中，控制和数据转发是分离的，应用在控制层之上构建。SDN是对传统网络架构的一次重构，由原来分布式控制的网络架构重构为集中控制的网络架构，SDN主要分为以下两部分：

• Underlay的网络：单纯转发功能，由控制器通过OpenFlow协议或定制的BGP协议将转发表下发给转发器，转发器仅仅执行动作，没有单独控制面，该部分功能主要是由vBRAS承担。

• Overlay的网络：在网络架构中增加了一个SDN控制器，把原来的分布式控制平面集中到一个SDN控制器上，由这个集中的控制器来实现网络集中控制。

SDN网络架构具备3个基本特征：转控分离、集中控制、开放接口。SDN控制器可以自己完成网络业务部署，提供各种网络服务，屏蔽网络内部细节，提供网络业务自动化能力。为实现SDN网络，新引入OpenFlow、OF-CONFIG等协议集。

3. 新型广域网的未来

新型广域网具有智能算路与路径调优等功能，利用scale-out-架构红利和scale-up-技术红利，实现弹性扩展，可以帮助用户快速构建云平台应用环境，满足业务对云资源敏捷性部署的需求，实现业务快速统一入云。可以方便、灵活的部署CDN，能有效提高互联网业务感知。新型广域网架构必将成为未来互联网的主流趋势。

参考文献：

[1]刘化君等.城域网与广域网[M].北京: 电子工业出版社,2015.

[2] 张卫峰. 深度解析SDN——利益、战略、技术、实践[M].北京: 电子工业出版社,2014.