面向5G承載的Segment Routing技術(shù)淺析

蔣弢 李敏

【摘要】? ? “5G商用，承載先行”， 5G時代的承載網(wǎng)在向著化繁為簡，低時延，SDN/NFV化發(fā)展?；诔杀?、靈活性、網(wǎng)絡(luò)可編程等因素，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備簡化已成為業(yè)界共識;協(xié)議簡單化、標準化、自動化是方向，為目標智能網(wǎng)絡(luò)奠定基礎(chǔ)。作為當前承載網(wǎng)絡(luò)SDN化演進的重要技術(shù)之一，Segment Routing從誕生之日起，一直受到業(yè)界的廣泛關(guān)注，并已逐漸在商用網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G承載? ? 智能? ? SDN? ? SR

前言

5G時代，“萬物互聯(lián)”。商用的5G承載網(wǎng)絡(luò)應(yīng)該具備簡化、靈活、開放、集中等特性，從而滿足物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、人工智能等對網(wǎng)絡(luò)的要求，實現(xiàn)5G時代的網(wǎng)絡(luò)即服務(wù)（NaaS）能力。

5G承載網(wǎng)架構(gòu)的革新，SDN、NFV、云化會是其中關(guān)鍵的技術(shù)。SDN主要面向網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的創(chuàng)新，解決智能控制和能力開放的問題;NFV主要面向設(shè)備形態(tài)的創(chuàng)新，解決網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備成本的問題;云化主要面向基礎(chǔ)設(shè)施，解決虛擬化和開源技術(shù)問題。

本文將結(jié)合國內(nèi)某運營商的新型智能城域網(wǎng)建設(shè)方案，淺析Segment Routing技術(shù)。

一、 Segment Routing技術(shù)介紹

1.1 Segment Routing技術(shù)產(chǎn)生背景

目前，在互聯(lián)網(wǎng)的路由/轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)中，使用的最廣泛的是MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協(xié)議標簽交換技術(shù)）技術(shù)。MPLS引入了基于標簽的機制，將第二層的簡單交換和第三層的IP路由控制有機的結(jié)合起來，在不改變用戶現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的情況下能提供高速、安全、多業(yè)務(wù)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)平臺。

一個典型的MPLS業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)包括CE、PE、P以及RR路由器，通常采用OSPF/ISIS作為IGP協(xié)議，MP-BGP傳遞VPN信息，LDP（標簽分發(fā)協(xié)議）分發(fā)標簽以及采用RSVP-TE（資源預留協(xié)議）特定應(yīng)用或目的地的流量工程和帶寬預留。

在4G/5G時代，互聯(lián)網(wǎng)飛速發(fā)展，人們越來越明顯的感到MPLS控制平面（LDP和RSVP-TE）太過于復雜，而且缺乏可擴展性。畢竟LDP本身有11種協(xié)議報文，在應(yīng)用時大大增加了鏈路帶寬的消耗和設(shè)備CPU利用率;而RSVP依據(jù)CSPF算路結(jié)果逐跳形成端到端的LSP，途徑節(jié)點都會維護該Tunnel的狀態(tài)信息，同樣占據(jù)了大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬和CPU利用率。

那么，在無法提供足夠的容量和無限的人力的情況下，運營商們就對目前所應(yīng)用的MPLS網(wǎng)絡(luò)協(xié)議產(chǎn)生了一種新的訴求：既然LDP不維護狀態(tài)信息，只對IGP中的目的IP和MPLS標簽做了一層映射，干脆不再部署LDP協(xié)議，由IGP來分發(fā)標簽;既然每個節(jié)點都要通過RSVP進行大量的交互以維護全網(wǎng)的狀態(tài)信息，干脆把RSVP功能集中起來，不用每個節(jié)點都計算交互。

這樣，Segment Routing（段路由，簡稱SR）技術(shù)就誕生了。

1.2 Segment Routing的概念

Segment Routing是基于源路由理念而設(shè)計的，在網(wǎng)絡(luò)上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的一種協(xié)議。它由節(jié)點（路由器、主機等）選擇路徑，并且引導數(shù)據(jù)包沿著該路徑通過網(wǎng)絡(luò)。實質(zhì)上是在數(shù)據(jù)包報頭中插入帶順序的Segment列表，以指示接收到這些數(shù)據(jù)包的節(jié)點怎么去處理和轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)包。

打個比方，我們需要把行李從夏威夷發(fā)往上海，途徑香港。航空運輸系統(tǒng)采用的方法是：在始發(fā)機場給行李貼上一個標簽：“先到香港，再到上海”。這樣，航空傳輸系統(tǒng)就不需要識別行程中的這件行李，而只需要識別幾千個機場代碼，就能知道怎么按照行李標簽，把行李從一個機場送往另一個機場。

SR的做法其實完全相同：一個Segment代表著一個機場代碼，數(shù)據(jù)包報文頭中的Segment列表代表著行李上的標簽。我們要實現(xiàn)從夏威夷經(jīng)由香港去往上海的路由需求，控制器需要做的不是對沿路的每一臺路由器下發(fā)指令，僅僅只需要給路徑源節(jié)點下發(fā)指令即可。而給路徑源節(jié)點下發(fā)的指令僅僅包括一條源路徑信息，其表達為一個具有順序的Segment列表。

Segment Routing 通過隧道首節(jié)點對報文增加段標簽棧，控制整個報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳輸路徑。優(yōu)化IP、MPLS網(wǎng)絡(luò)能力，并以更加簡單的方式提供TE、FRR等功能。通過Segment Routing可以簡易的定義一條顯式路徑，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點只需要維護Segment Routing信息，即可應(yīng)對業(yè)務(wù)的實時快速發(fā)展。其實，每個Segment就像是一塊樂高積木一樣，控制器可以像我們組合樂高積木一樣，按照需要把Segment組合起來，用于表達所需要的流量工程策略（SR-TE）。

二、面向5G承載的Segment Routing技術(shù)

在國家“新基建”的戰(zhàn)略部署下，國內(nèi)某運營商為5G的發(fā)展新建了一張新型智能承載網(wǎng)絡(luò)，其中的關(guān)鍵方案是：

通過簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)簡單、標準化的架構(gòu)，減少建設(shè)成本同時便于維護和擴展。

采用SR/EVPN協(xié)議，簡化設(shè)備技術(shù)要求，降低設(shè)備成本，同時更好實現(xiàn)SDN。

引入通用芯片的SR轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，大幅降低建設(shè)成本，提供網(wǎng)絡(luò)流量疏通能力，同時減少對局房資源的需求。

構(gòu)建智能化、自動化、開放化的網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)，實現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)自動開通，支撐智能化運維和互聯(lián)網(wǎng)化運營，提升用戶體驗。

我們可以明顯的看出，SR就是這張5G承載網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一。其實，SR一直以來致力于簡化現(xiàn)有的MPLS協(xié)議，特別是控制平面，同時增加新的流量工程和保護的能力。其表現(xiàn)在：

簡化了MPLS網(wǎng)絡(luò)的控制平面

SR使用控制器或者IGP集中算路和分發(fā)標簽，不再需要RSVP-TE，LDP等隧道協(xié)議。SR可以直接應(yīng)用于MPLS架構(gòu)，轉(zhuǎn)發(fā)平面沒有任何變化。

提供高效TI-LFA（Topology-Independent Loop-free Alternate，拓撲無關(guān)無環(huán)備份） FRR保護，實現(xiàn)路徑故障的快速恢復

在之前，我們在一個主用路徑使用LDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)中，部署RSVP來實現(xiàn)FRR，會給網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和操作帶來額外的復雜度，因為這三種協(xié)議（IGP、LDP、RSVP-TE）之間存在著交互。

所以，我們在SR技術(shù)的基礎(chǔ)上結(jié)合RLFA（Remote Loop-free Alternate，遠程無環(huán)備份） FRR算法，形成高效的TI-LFA FRR算法。它支持任意拓撲的節(jié)點和鏈路保護，能夠彌補傳統(tǒng)隧道保護技術(shù)的不足。

具有網(wǎng)絡(luò)容量擴展能力。

我們知道，傳統(tǒng)的MPLS TE是一種面向連接的技術(shù)，為了維護連接狀態(tài)，節(jié)點間需要發(fā)送和處理大量Keepalive報文，設(shè)備控制層面壓力大。SR僅在頭節(jié)點對報文進行標簽操作，即可任意控制業(yè)務(wù)路徑，中間節(jié)點不需要維護路徑信息，設(shè)備控制層面壓力小。此外，SR技術(shù)的標簽數(shù)量是：全網(wǎng)節(jié)點數(shù)+本地鄰接數(shù)，這樣就只和網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模相關(guān)，而與隧道數(shù)量和業(yè)務(wù)規(guī)模無關(guān)。

更好的向SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)平滑演進。

SR技術(shù)基于源路由理念而設(shè)計，通過源節(jié)點即可控制數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。配合集中算路模塊，即可靈活簡便的實現(xiàn)路徑控制與調(diào)整。SR同時支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)和SDN網(wǎng)絡(luò)，兼容現(xiàn)有設(shè)備，保障現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)平滑演進到SDN網(wǎng)絡(luò)，而不是顛覆現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)。

三、Segment Routing在網(wǎng)絡(luò)中的部署

既然成本是5G承載網(wǎng)的訴求，那么我們首先就要考慮SR在現(xiàn)有IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)中的部署。其實，大多數(shù)的路由器都可以通過軟件升級支持SR的基本功能，即使有不支持SR的傳統(tǒng)設(shè)備，借助SR和LDP互操作功能，仍然可以在網(wǎng)絡(luò)中部署SR。

3.1 SR和其他MPLS協(xié)議共存

3.1.1 控制平面協(xié)議共存

MPLS架構(gòu)允許LDP、RSVP-TE、BGP等多種控制平面協(xié)議獨立運行，這同樣適用于SR的ISIS、OSPF、BGP等控制平面協(xié)議。

Label Manager確保協(xié)議分配的動態(tài)標簽不會發(fā)生沖突，SRGB確保被保留的標簽空間只用于SR全局Segment。

3.1.2 數(shù)據(jù)平面共存

Label Manager可以間接的將特定范圍的本地標簽（SRGB）委托給SR管理，由SR來確保從SRGB中分配唯一的Prefix-SID。

對于IP到MPLS的轉(zhuǎn)發(fā)列表，默認的LDP優(yōu)先，可以配置成SR優(yōu)先。

3.1.3 SR和LDP互操作（interworking）

SR和LDP互操作不需要特別配置，無需定義特定的網(wǎng)關(guān)，可以在任意邊界節(jié)點上自動完成。

SR和LDP互操作的數(shù)據(jù)平面功能是通過把一個協(xié)議的未知出向標簽替換為另一個協(xié)議的有效的出向標簽來實現(xiàn)。

映射服務(wù)器只支持LDP節(jié)點通告前綴到SID的映射，這樣SR路由器可以只往支持LDP的節(jié)點發(fā)送SR流量。

四、結(jié)束語

SR是一項核心的創(chuàng)新，它既是對現(xiàn)有IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)的高效簡化，同時又充分利用了MPLS的轉(zhuǎn)發(fā)機制，能很好的兼容目前的IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)，并幫助現(xiàn)有IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)向SDN的平滑演進。它會像當年的IP/MPLS一樣，改變我們構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的方式。

參? 考? 文? 獻

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