民航数据网路由技术及应用策略

民航数据网路由技术及应用策略
【摘要】
本文从一起民航数据网典型故障着手，分析了目前民航数据网存在的路由问
题、形成机制及技术解决方案，并提出了高级路由管理技术应用策略及民航数据
网网络精细化管理建议。

【关键字】
民航数据网网络管理路由技术及应用策略
一、引言
民航数据网是近年由中国民航总局投资，向中国民航空管相关部门提供数据通信服务的基础网络平台。

随着民航空管体制改革的不断深化，可以预见在民航数据网承载更多业务种类提供更为复杂的综合业务传输服务的同时，广域网络传输业务量将迅速增加；随着网络规模进一步扩大，冗余链路的不断增多，网络结构将更为复杂。

这些变化都将给正式运行不久的民航数据网带来更大的运行保障压力。

就目前民航数据网运行情况看，随着网络承载业务的不断增加，已开始出现传输服务质量不稳定，传输性能指标满足不了用户业务需求的情况。

如：今年9月21日起上海ACC引接中南5部雷达信号的一条业务虚电路（以下简称中南雷达信号电路）在连续一周内多次出现传输质量下降（传输延迟高达600ms以上，延迟抖动增大），致使上海ACC雷达自动化系统无法使用相关雷达信号。

本文从以上典型故障处理着手，探讨了目前民航数据网存在的路由问题，分析了问题形成机制及技术解决方案，并提出“现阶段民航数据网网络管理应适时由粗放型管理转变为精细化管理”的观点。

笔者希望以此文章推进民航数据网网络管理的精细化。

二、民航数据网路由问题
经网络跟踪分析，9月21日起上海ACC引接中南雷达信号传输质量下降状况发生前后网络及业务路由变化情况如下：
图1 上海ACC 引接中南雷达信号业务相关网络拓扑图
1. 最初，由于中南雷达信号电路传输路径上某条链路中断原因，导致中南
雷达信号电路重路由；
2. 上海ACC 节点根据最优路由表业务传输路由应为上海ACC －上海浦东－
广州白云－广州ACC ，但GCAC 资源检查发现上海浦东－广州白云8M 中继可用带宽资源仅剩245cps （约500b/s ），无法满足业务384kb/s(nrtVBR 服务级别CIR 值)需求，于是上海ACC 节点采用动态按需路由方式，为中南雷达信号电路选择的传输路径为上海ACC －上海浦东－北京天航信－广州白云－广州ACC 。

也就是这条路径，自9月21日起多次出现传输延迟大（用户接入路由器间600ms 以上），延迟抖动不稳定的情况。

在用户反映后，跟踪路径上相关链路未发现有带宽资源耗尽情况；
3. 经数据网网管人员手工重路由后，业务路径走向改为上海ACC －上海浦
东－北京首都机场－北京天航信－广州白云－广州ACC ，传输延迟在200ms 左右，用户反映业务传输正常。

对于上述过程存在三个疑问：
1. 路径沿途各链路带宽资源还未被全部用完，传输服务质量为什么会出现
问题？
2. 经手工重路由后，业务路径增加首都机场节点，路径长度显然更长了，
而此时服务质量为什么会反而更好？
3. 广州白云－上海浦东有8M 那么多的业务量吗？
分析以上疑问，我们可发现目前民航数据网路由及业务传输服务质量方面存北京首都机场上海ACC 北京天航信
广州白云
广州ACC 上海浦东
在的一些典型问题：
1. 业务虚电路服务等级配置不合理，实时业务传输质量无法得到保证 我们知道当分组交换网络内所有业务在同一服务级别时，网络为各业务提供的服务没有差异性，设备对于同时到达节点端口的相同服务等级流量无法进行有效调度，业务传输服务质量无法得到保证；当分组交换网络内同时存在多种优先级的业务时，网络可以以损失较低优先级业务传输质量为代价，较好地保证高优先级业务服务质量。

对于民航数据网，相同原理同样适用。

据此，目前民航数据网各种业务服务等级配置存在一定不合理性。

如：雷达、甚高频等实时性要求很强的业务目前配置的服务等级为nrtVBR ，居然同转报业务使用相同的服务等级。

可想而知，在这种状况下，虽然传输路径上链路尚有带宽资源，但相同服务等级在网络内节点端口处不规则的流量，必然无法使业务获得稳定的传输延迟及延迟抖动，从而无法满足实时业务的传输质量需求。

2. 动态路由未考虑负载均衡
对以上路由过程分析我们可以得出结论，600ms 延迟问题主要出在上海浦东－北京天航信链路上，我们可以推测该条链路上必然业务相当多，从而致使服务质量无法保证，而经首都机场迂回后，虽然在传输路径上多走了一跳，但由于上海浦东－北京首都机场－北京天航信路径上业务较少，服务质量反而更好，这也就是典型的负载均衡问题。

图2 路径负载均衡
我们知道，动态路由算法普遍以最短路径作为路由选择目标，在图2中，上海浦东－北京天航信最短路径为上海浦东－北京天航信，于是只要链路带宽资源够用，不管链路拥挤程度，动态路由协议会把经上海浦东－北京天航信的业务都安排在这条链路，这时既使上海浦东－北京首都机场－北京天航信路径可用带宽资源再多，业务也不会走该条路径。

对于用于防止单点故障而设置的迂回备份中继电路，由于其在直达链路工作正常时不承载业务，长期发挥不了作用，因此资源利用率极低，负载非平衡弊端尤为明显。

流量大北京天航信首都机场
上海浦东流量小流量小
3.非优化路由直接空耗带宽资源，降低网络效率，间接影响传输质量
为缩短由中继电路中断造成的业务传输中断时间（即业务传输路径切换时间），目前民航数据网PNNI路由采用first fit按需路由策略，即在业务传输路径发生中断的瞬间，最优路由计算还未收敛，新的最优路由表尚未建立，PNNI 于是启动按需路由计算,并将查找到的第一条满足业务服务质量需求的路径作为业务传输路径。

伴随该种路由方式民航数据网存在网络固有缺陷：
1)．非优化路径空耗中继带宽资源
鉴于目前民航数据网采用first fit按需路由方式,PNNI寻找到的业务连接路由并不一定是最优路径，业务实际传输路由与最优路由相比，这些非最优路由将空耗中继带宽资源。

这也就是上海浦东－广州白云8M中继带宽资源耗尽的根本原因。

随着业务量的不断增多，可迂回中继电路的增加，当前民航数据网该种路由方法所造成的带宽资源无效消耗现象将会愈发严重，ATM节点设备的负担也会随之增加。

2)．备份路径可能无法起到备份作用
如果两个节点之间存在迂回路径，在带宽资源充足的情况下，主用路径中断时，这条路径上的业务会自动切换到迂回路径上，即迂回链路可起到备份链路作用。

但是目前ATM网按需路由采用的first fit路由策略，会造成备用链路上不止传送两节点间的业务，还会传送经该链路迂回的其他节点业务，而且这些迂回虚电路既使其最优路径恢复，它们都无法自动重路由到最优路由，即这些迂回虚电路在正常情况下（链路不中断且人工不干预）将一直占用带宽。

当备用中继带宽已被正常路由业务及迂回路由业务占满（或剩余带宽不足），在主用路径中断时，两节点间业务SPVC将无法切换到备用路径上，业务将会中断。

显然，备份电路在关键时刻无法起到备份作用的缺陷对于民航空管安全将是无法忍受的。

3)．间接影响业务传输质量
经非优化路径传输的业务必然路径长度增长，网络上不可控因素增加，业务传输质量变差概率显然增加。

三、解决策略
鉴于以上问题，我们提出以下解决策略：
1.根据各业务传输需求，区别配置服务优先等级，保障重要关键业务传输质
量，提高网络整体效益。

✧对于雷达业务由于其传输信号持续，速率相对稳定，且有延迟抖动要求，
建议使用rtVBR服务等级甚至CBR服务等级，同时设置最大延迟约束值；
✧对于甚高频、VOIP等话音业务，由于话音压缩后数据流速率可变，同时
业务具有实时性要求，因此建议使用rtVBR服务等级；
✧对于转报等纯数据业务，由于其对延迟不敏感（如电报延迟1、2分钟
到达几乎可以忽略），并且考虑底层（如X.25）或应用层一般提供高可
靠性的重发机制，既使在传输环节丢弃部分数据包，在应用层也不会产
生影响，因此业务数据传输可在高优先级业务传输空闲间隙进行，建议
使用ABR甚至UBR服务等级；
✧对于其他接入业务，我们还需要根据业务的特点，选择合适的服务等级，
提供不同的传输特性。

2.部署流量工程技术
动态路由算法普遍仅能以单一目标作为路由选择标准，多数仅追求单路径的可达性与性能最优性，并未关注全局资源的使用性能，路由算法不具备动态负载调度和资源调度能力。

所谓流量工程就是专门用以平衡网络中不同链路之间业务负荷的一种技术，可充分、有效地利用整个网络的资源，提高整个网络的网络的吞吐量和整体运行效益。

由于民航数据网网络设备自身不提供基于可用带宽的最优路由技术，因此实施流量工程技术，需要依靠外来机制进行弥补。

为获得良好的流量均衡效果，我们需要根据全网各级网络拓扑、链路状况、业务负载等情况进行综合研究，同时结合网络设备提供的技术方法，全网统一部署实施流量工程策略。

流量工程实施方法及步骤：
1)．设计负载均衡通路。

根据全局或局部网络拓扑及业务分布特点，通过
网络模拟仿真等技术手段，设计合理均衡路径；
2)．建立负载均衡通路。

根据设计，调整网络相关节点链路各服务等级路
由计算度量值，影响各节点不同服务等级最优路由走向，预设负载均
衡通路路由；
3)．调配业务路由走向。

利用MGX设备由业务虚电路Master端源节点确定
业务路由的特性，通过指定业务虚电路Master端的方法，间接指定业
务传输路径，从而达到合理调配链路负载、引导业务路由走向的目的。

这里仅以较为简单的，在配备备份迂回电路的上海ACC －南昌－上海虹桥三地节点为例，说明以上流量工程实施方法：
图3 上海ACC －南昌－上海虹桥负载均衡
1)． 在配置上海ACC －南昌－上海虹桥三地节点链路时，我们出于对网络
链路安全性的考虑，建立了上海ACC －南昌及上海虹桥－南昌的链路（网络拓扑见图3），两条链路互为备份。

在两条链路均连通正常的情况下，我们希望两条链路能均衡负载，降低单条链路处理能力压力，提高业务传输服务质量；
2)． 通过调整链路AW 值配置两条上海ACC －南昌间负载均衡路径。

在上海
ACC －南昌链路南昌端调整链路AW 值为11000，其余链路AW 值取默认值5040。

此时，在上海ACC 节点，至南昌最优路由为路径1（上海ACC －南昌 AW=5040）；在南昌节点，至上海ACC 最优路由为路径2（南昌－上海虹桥－上海ACC AW=10080）；
3)． 统计两节点间业务，均分业务流量至两条路径，调整各业务SPVC 配置
使其分别以上海ACC 和南昌为Master 端，从而间接引导相应业务路由流经指定路径。

基于以上配置，对于南昌以下三级节点至上海ACC 业务，沿用步骤3方法，可同样获得流量均衡效果。

对于更为复杂的核心层流量工程方案，需做更为缜密的调研，并制定完整技术方案，建议通盘考虑，统一部署。

3. 引入辅助网管手段，加强网络维护力度
要减少非最优路由消耗带宽资源给网络带来的不良影响，关键在于及时发现非最优路径业务连接，然而目前MGX 设备及网管系统均未提供非最优路径管理方法，唯一支持的操作就是可通过网管软件或设备维护指令对单一业务连接进行路由跟踪，进而发现非最优路径，然后通过业务连接重路由方法，使业务连接从非最优路径切换回最优路径。

然而网络维护人员无法通过手工手段对全网近千条业务连接逐一进行路由跟踪（对每一业务连接进行路由跟踪需要输入5条指令，维上海ACC 南昌上海虹桥路径2路径1504050405040
504011000
5040
护全网近千条业务连接的维护成本将难以承受）。

因此，该方法难以作为一种手工维护手段周期性地进行非最优路径管理。

鉴于民航数据网非最优路由消耗带宽资源问题无法通过现有技术手段予以解决，我们考虑利用计算机软件的智能及自动化特性，由计算机软件代替网管人员手工处理。

该方法的核心技术即是以计算机程序模拟人工智能进行交互式的操作查找业务连接非最优路径，从而实现自动网络维护功能，以弥补现有网管软件技术上的不足，增加更具实效的网络管理功能。

此外，从非优化路径形成机制看非优化路径的产生是个随机事件，且无法避免，因此，减少非优化路径对网络的影响是项长期性的工作，需要周期地对全网所有业务传输路径进行检查，以尽量减少非优化路径对全网的影响。

建议把非最优业务路径检查工作作为一项周期维护规范，列入民航数据网运行维护规程。

四、高级路由管理技术应用策略
除了上述提及的民航数据网可提供基于服务等级及度量组合的静态路由、动态按需路由等技术外，Cisco MGX8800系列交换机设备还提供了一些更为灵活的高级路由管理技术。

本节我们就相关技术在民航空管系统专用传输网络中的使用策略，提出我们的建议。

1.优化目标选择策略
从目前路由算法研究角度讲，在网络中求解多目标优化问题具有NPC难度，找到问题的最优解几乎是不可能的。

于是Cisco MGX8800系列交换机静态路由计算也仅能分别基于管理权重（AW）、延迟（CTD）、延迟抖动（CDV）三个度量值（即优化目标），生成与四种服务等级组合的共10张最优路由表（即各种服务等级均有分别基于AW、CTD、CDV三种度量的最优路由表），供业务路由选择。

不同于路由优化目标的单一性要求，在配置业务虚电路SPVC时，网管人员可根据业务传输要求单一或组合设定AW、CTD、CDV三个度量的约束值，显式要求设备路由进程为其选择一条满足业务需求的路径。

基于上述机制，为提高业务传输服务质量及网络整体效益，我们建议采用更为精细的网络管理方法：网络管理员在配置虚电路时，需要根据业务性质选择业务最为敏感、最为关注的关键传输特性执行差异性的路由优化，如：雷达业务对延迟抖动最为敏感，于是我们可以取CDV作为路由优化目标，从相应服务等级（建议用CBR或rtVBR）CDV路由表中选取最优路径；对于转报等非实时数据传输业
务，它们对延迟及延迟抖动不敏感，而从节约网络资源角度考虑，我们希望SPVC 消耗的网络资源越少越好（即传输路径最短），于是我们建议从相应服务等级（建议用ABR或UBR）的AW路由表中选取最优路径。

2.传输路径负载均衡策略
Cisco MGX设备PNNI路由协议可提供最小跳数、随机方式（目前方式）或MaxBw方式三种传输路径负载均衡策略选项，即：在为某项业务选择路由时，当存在多条相同优化度量值的路径时， PNNI路由协议可根据预设的静态最优路由负载均衡策略：最小跳数、随机方式（默认方式）或MaxBw方式，使各业务流量分布到各条最优路径上。

虽然目前采用的默认方式——随机方式，貌似合理地将各业务流量分摊到各最优路径上，但这种方式存在一定不合理性：使用随机方式无法充分发挥各最优路径中带宽较宽的链路的作用；使用MaxBw方式是在相同优化度量值路径中，选择路径可用带宽（剩余带宽）瓶颈最大的路径，这样可使相等路径上最大瓶颈带宽（可用带宽）趋于相等，使业务流量更合理地分布在各链路上。

这种部署有利于提高网络资源的整体效率，有利于业务传输质量的优化。

因此我们建议使用MaxBw方式作为民航数据网路径选择负载均衡策略。

3.链路选择负载均衡策略
在一条路径上两相邻节点存在两条以上并行链路情况下，业务源节点显式路由不决定去往下一跳的链路（端口），链路选择由路径上相邻的上游节点根据其链路选择策略确定，可选策略包括：minaw（最小管理权重）、maxavcr（最大可用信元速率）、maxcr（最大信元速率）、load balance（负载均衡）等，默认情况下使用minaw策略为业务选择并行链路。

在链路选择策略方面，我们沿用上述路径选择负载均衡相同思路，建议两节点间并行链路根据链路maxavcr值（最大可用信元速率，即最大剩余带宽）进行选择。

4.资源调度策略
MGX设备除了可定义链路AW值外，还可细化为为不同服务等级定义AW值。

这种方法可影响不同服务等级的路径选择，从而可作为网络资源调度工具，调配网络资源，使网络获得更好的全局效益。

如图4网络环境，由于A、B节点间直达链路资源较为紧张，我们希望该条路径资源保留给高服务等级业务使用，而对于ABR、UBR服务等级我们希望其走A-C-B路径，根据以上设计，我们可以设A
－B 链路ABR 、UBR 服务等级AW 值为11000，A-C 、C-B 链路UBR 服务等级AW 值取默认值5040，则A-B 两端ABR 、UBR 业务最优路径会取A-C-B 路径，从而实现为关键业务在特定传输路径上保留资源的目标。

图4 不同服务等级差别路由
5. 静态指定路由策略
指定路由（Preferred Routing ）作为一种静态路由，能起到一定优化网络作用，但对于一个大型网络来说采用这种路由方式是不可取的，也是不现实的。

但这种机制在特殊情况下的非常规使用，可以发挥奇特的功效。

1)．指定路由方法在中继电路割接、节点临时计划停机等施工情况下，可
预先主动引导相关业务虚电路改走预设路径，减少网络业务中断和业
务路径不可控情况的发生；
2)．当主备链路带宽不平衡时，指定路由可以用于限制某些非重要业务只
能使用规定路径带宽资源（指定路由设置为direct route 方式时），从而实现资源控制目的。

如图3上海ACC －上海虹桥－南昌三节点网
络结构，其中虹桥－南昌为4M 带宽，上海ACC －南昌备份链路为2M
带宽。

由此我们可以使用指定路由方法将南昌及其下节点非关键业务
走在南昌－虹桥链路上。

当上海ACC －南昌链路中断时，由于有4M
带宽，因此能承载所有至南昌及其下节点业务；当虹桥－南昌4M 链
路中断时，由于上海ACC －南昌只有2M 带宽，重要业务经上海ACC
－南昌链路传输，非重要业务将被放弃，从而使重要业务能得到很好
的带宽保证。

6. Grooming 重路由技术应用策略
鉴于MGX8800系列交换机链路中断等情况可造成业务路由选择非最优路径，且在故障链路恢复后业务路径不会自动返回原先的最优路径，Cisco 公司开发了Grooming 技术，用于优化网内业务路由、释放中继资源，该技术可采用定时或实时方式优化单一SPVC 、一组SPVC 或特定端口上的所有SPVC 。

B
C A 、CBR VBR 、ABR UBR
根据民航空管系统运行特点，对于空中交通管制极为关键的雷达、甚高频等业务都须365×24小时稳定、可靠运行，定时重路由方式存在一定风险。

因此我们建议网管人员使用手工方式进行重路由操作。

在人工方式下当重路由操作出现意外情况时，在场的网管人员还可及时进行应急处理。

五、技术缺陷
虽然设备生产厂家技术人员已考虑了很多技术方法以优化网络资源的使用，但目前民航数据网仍存在一些路由管理技术缺陷，如：
1.目前民航数据网内许多业务并未完全按照业务需求申请带宽资源，用户
单位往往会采用多申请带宽的策略，这种策略对于采用以资源预留方式
保证传输服务质量的ATM网会造成大量的资源浪费。

目前网管人员无法
通过有效技术手段掌握各业务实际带宽使用情况，无法掌握中继电路真
实带宽资源使用情况，设备也无法基于真实的剩余带宽选择路由，这对
于有效开展业务管理和资源管理较为不利，对于提高网络效益极为不
利；
2.虽然在两节点间并行链路可使用根据链路可用带宽（剩余带宽）选择链
路的技术方法，但目前设备仍无法提供基于链路可用带宽（剩余带宽）
选择最优路径的方法，实施流量工程。

六、结论
随着民航数据网试运行阶段的结束，该网对于民航空管系统运行的保障作用将充分体现，试运行阶段的粗放型、应急型网络管理方式已无法满足日益提升的网络运行需求，网络资源管理、服务质量跟踪统计等相对更为科学更为合理的精细化管理措施必须适时实施。