分段路由技術(shù)在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中的部署與應(yīng)用研究

王 凌

(中國(guó)電信股份有限公司福州分公司，福建 福州 350001)

0 引言

移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，網(wǎng)絡(luò)流量暴增，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)面臨極大的挑戰(zhàn)，網(wǎng)絡(luò)變得越來(lái)越龐大，流量變得越來(lái)越難以進(jìn)行精準(zhǔn)控制，這促使運(yùn)營(yíng)商考慮采用一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，使得網(wǎng)絡(luò)上數(shù)據(jù)包的路徑和行為控制變得簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)。分段路由(Segment Routing，SR)就是這樣一種技術(shù)。分段路由技術(shù)是近幾年的熱門(mén)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)之一，包括基于MPLS的分段路由技術(shù)(SR-MPLS)以及基于IPV6的分段路由技術(shù)(SRV6)，分段路由技術(shù)實(shí)現(xiàn)了通過(guò)程序編程控制網(wǎng)絡(luò)的可能性，并使得數(shù)據(jù)報(bào)文控制變得靈活多樣。

1 分段路由技術(shù)概述

分段路由(SR)是一種基于源的隧道技術(shù)，根據(jù)源的信息選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑。分段路由信息封裝在報(bào)文包頭中，包括路徑信息以及到達(dá)目的地網(wǎng)絡(luò)信息。分段路由可以應(yīng)用于IP/MPLS和IPV6網(wǎng)絡(luò)，在IP/MPLS網(wǎng)絡(luò)中部署時(shí)候，分段路由技術(shù)不需要改變現(xiàn)有的數(shù)據(jù)平面。在IPV6網(wǎng)絡(luò)中，分段路由技術(shù)可以通過(guò)添加一個(gè)新的路由擴(kuò)展頭來(lái)實(shí)現(xiàn)，這種技術(shù)稱為SRV6技術(shù)。

分段路由技術(shù)原理：分段路由使用段和段標(biāo)識(shí)符(SID)，段是分段路由中的一個(gè)基本單位。通過(guò)組合多個(gè)段，可以創(chuàng)建端到端路由。

如圖1所示，如果數(shù)據(jù)報(bào)文需要從A的入口到F的出口，則在分段路由技術(shù)中，通過(guò)3個(gè)段來(lái)進(jìn)行定義數(shù)據(jù)報(bào)文的路徑，分別是Segment1,Segment2,Segment3，從而實(shí)現(xiàn)報(bào)文按照預(yù)定的路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

圖1 分段路由技術(shù)下數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)路徑

2 分段路由技術(shù)優(yōu)勢(shì)

運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中采用分段路由技術(shù)的好處：

(1)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)編程：通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的控制；

(2)簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)：簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維、排錯(cuò)過(guò)程；

(3)增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可擴(kuò)展性：允許網(wǎng)絡(luò)核心進(jìn)行快速進(jìn)行擴(kuò)容；

(4)快速重路由：可實(shí)現(xiàn)50ms的快速重路由；

(5)流量工程：方便實(shí)現(xiàn)流量工程技術(shù)；

目前運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)大都采用MPLS LDP、RSVP-TE作為日常信令和標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議，但是在實(shí)際使用中發(fā)現(xiàn)這兩種協(xié)議在控制平面穩(wěn)定性和報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)復(fù)雜性方面具有不少缺點(diǎn)。和MPLS LDP以及RSVP-TE相比，分段路由技術(shù)具有如下特點(diǎn)，如表1所示。

表1 分段路由技術(shù)與LDP、RSVP-TE的對(duì)比

3 分段路由在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場(chǎng)景研究

3.1 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

SR可以在集中式、分布式或混合環(huán)境中使用。在分布式場(chǎng)景中，段由IS-IS或OSPF或BGP進(jìn)行分配和運(yùn)作。在集中式場(chǎng)景中，段由SR控制器(SDN控制器)分配和實(shí)例化。分布式和集中式智能可以結(jié)合在一個(gè)混合場(chǎng)景中，例如，分布式可以在同一個(gè)IGP域中使用，當(dāng)目標(biāo)在IGP域之外時(shí)，SR控制器(SDN控制器)可以代表IGP節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建路由策略。

通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)控制的邏輯集中，可以根據(jù)TE目標(biāo)對(duì)每流路由進(jìn)行編程。在網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)有限的情況下，SDN集中式控制器可以利用現(xiàn)有的協(xié)議(如BGP-LS)主動(dòng)地從網(wǎng)絡(luò)中收集拓?fù)湫畔?，然后根?jù)用戶定義個(gè)性化需求來(lái)計(jì)算最佳路徑。

運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用有多種類型，有些對(duì)時(shí)延敏感(金融交易和VoIP數(shù)據(jù)流)，有些對(duì)帶寬敏感(如數(shù)據(jù)中心數(shù)據(jù)流)，有些則需要低抖動(dòng)(如視頻流)。運(yùn)營(yíng)商在日常網(wǎng)絡(luò)中運(yùn)行SR時(shí)候，不建議手動(dòng)配置這些隧道，這些隧道可能運(yùn)行到數(shù)千個(gè)，這樣的任務(wù)可以交給集中式SDN控制器進(jìn)行創(chuàng)建、管理。SDN控制器通過(guò)與其他系統(tǒng)互通，了解到終端用戶SLA需求，控制器可以敏捷地根據(jù)這些SLA需求創(chuàng)建出合適的隧道給用戶使用。

3.2 無(wú)狀態(tài)服務(wù)鏈

服務(wù)鏈(Services Function Chaining，SFC)是近幾年運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中提到比較多的一個(gè)技術(shù)，服務(wù)鏈?zhǔn)峭ㄟ^(guò)有序的功能列表來(lái)引導(dǎo)流量的一個(gè)過(guò)程，例如讓流量有序通過(guò)負(fù)載均衡器、防火墻和IPS等設(shè)備。

SFC由IETF定義，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)頭部(NSH)是SFC的一部分，NSH裝載在數(shù)據(jù)包或幀上實(shí)現(xiàn)服務(wù)功能路徑[1]。SR可以實(shí)現(xiàn)SFC，因?yàn)樗梢曰赟RV6頭堆棧執(zhí)行一個(gè)功能后執(zhí)行另一個(gè)功能。然而由于SR本質(zhì)上是無(wú)狀態(tài)的，策略只在網(wǎng)絡(luò)的路徑入口時(shí)候進(jìn)行編排，因此與NSH相比，SR更具強(qiáng)的可伸縮性，而NSH依賴于網(wǎng)絡(luò)每一跳的配置。

3.3 組播

運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)一般通過(guò)PIM-SM協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)組播，PIM-SM協(xié)議需要匯聚節(jié)點(diǎn)(RP)作為整個(gè)組播轉(zhuǎn)發(fā)的核心。采用SRV6之后，SRV6可以使用單播流來(lái)實(shí)現(xiàn)組播功能，取消傳統(tǒng)組播網(wǎng)絡(luò)的RP節(jié)點(diǎn)，從而降低了組播網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。

3.4 5G

SRV6將在5G傳輸中發(fā)揮重要作用，因此它有可能取代5G GTP-U隧道協(xié)議。在移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中，GTP-U作為隧道協(xié)議，用于GPRS、LTE網(wǎng)絡(luò)、5G網(wǎng)絡(luò)中的用戶數(shù)據(jù)傳輸，每個(gè)用戶會(huì)話都需要?jiǎng)?chuàng)建隧道[2]。

SRV6可以作為5G中GTP-U隧道協(xié)議的替代品，從而使得用戶報(bào)文傳輸更加簡(jiǎn)單。在GTP-U中使用TEID作為標(biāo)識(shí)符來(lái)連接不同的節(jié)點(diǎn)，SRV6具有SID字段，因此它可以很容易地和TEID信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)，從而為完全替換GTP-U鋪平道路。

5G核心(5G-C)有復(fù)雜的基于NFV的服務(wù)鏈的虛擬化設(shè)備層，SRV6能夠具有服務(wù)鏈創(chuàng)建和網(wǎng)絡(luò)可編程性的優(yōu)勢(shì)，使其成為在5G環(huán)境中使用的理想?yún)f(xié)議。

網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)的其他主要特征之一。不同類型業(yè)務(wù)有不同SLA需求，要求通用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施支持網(wǎng)絡(luò)切片。每個(gè)切片代表不同的網(wǎng)絡(luò)特性，取決于不同的SLA需求，對(duì)時(shí)延、丟包、抖動(dòng)、吞吐量、移動(dòng)寬帶等都有不同需求。通過(guò)SRV6創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片的好處是，由于SRV6的特點(diǎn)，如隧道、SRTE和網(wǎng)絡(luò)可編程性，可以輕松地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片/虛擬化，不需要任何額外的隧道協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)這種網(wǎng)絡(luò)切片。

4 結(jié)語(yǔ)

分段路由協(xié)議不僅僅在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試，目前已經(jīng)逐步開(kāi)始在網(wǎng)絡(luò)中部署和使用，特別是在運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)或者大型網(wǎng)絡(luò)中。分段路由協(xié)議，特別是SRV6，即將對(duì)網(wǎng)絡(luò)變革產(chǎn)生巨大的影響，將引領(lǐng)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)向軟件定義網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行過(guò)渡。