唐寅 张进 江逸茗

【摘要】    云网融合和业务的创新发展，对网络的服务质量提出了更高的要求，需要提供能保证确定性带宽、时延、抖动、丢包率等技术指标的网络。分段路由作为重要的网络技术，提供了多条路径的计算方法以及多路径选择技术。在分段路由策略的基础上，扩展策略模板增加了服务质量参数，用于表示可提供的网络服务质量要求;通过结合网络检测技术，对多个候选路径同时质量检测，根据检测的结果来决定选择哪条路径作为最优路径，提升了转发器对业务需求定制化的能力，更好的满足业务对网络的应用需求。

【关键词】    分段路由    分段路由策略    確定性网络    网络质量

一、背景

云网融合网络的特征在于提供更加智能、灵活的连接，其技术内涵是面向云和网的基础资源层，通过实施虚拟化/云化乃至一体化的技术架构，最终实现简洁、敏捷、开放的新型信息基础设施的资源供给。数字化转型的加速，使得云对网络的需求更加强调灵活定制和快速交付能力，网络面向云业务持续提供可靠连接服务的能力，主要包括 SLA 保障和差异化保障等。为满足云的灵活多变需求，需要提升智能化方面的能力，网络资源可以根据云业务的需求量、用户访问量等因素实现动态的实时优化。

分段路由（Segment Routing，SR）正是在此背景下产生的。通过SR可以简易的定义一条显式路径，网络中的节点只需要维护SR的段信息，可应对业务的实时快速发展。SR通过对现有路由协议进行扩展，能使现有网络更好的平滑演进;同时支持控制器的集中控制模式和转发器的分布控制模式，提供集中控制和分布控制之间的平衡。

SR基于源路由的方式，头节点和尾节点承担了维护SR MPLS隧道状态和策略的任务，在基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的场景中，头节点也承担了和控制器对接的角色;因此基于SR的头端节点隧道相关的管理是非常重要的。

使用SR技术，带来的受益主要包括：1.简化MPLS网络的控制平面。使用控制器或者路由协议集中计算路径并分发标签，不再需要额外的隧道协议。2.具有更好的网络容量扩展能力。使用的标签数量只和网络规模相关，与隧道数量和业务规模无关，设备控制层面压力小。3.更好的向SDN网络平滑演进。基于源路由理念，通过源节点即可控制数据包在网络中的转发路径，可灵活简便的实现路径控制与调整。

二、分段路由策略

SR的发展初期，使用隧道接口体系进行引流。主要原因为能兼容原有的技术实现路线，早期能满足大多数用户的需要。随着网络业务种类增多，以及不同类型业务对网络的要求，隧道接口体系存在着明显不足，主要包括： 需要预先配置隧道，在无法明确隧道终点的情况下，只能是部署全网状的隧道，造成可扩展性问题，由于隧道与路径一对一的关系，因此要配置多个隧道接口用于实现多条路径，配置繁琐且影响扩展性。

分段路由策略（Segment Routing Policy，SR Policy）是在SR技术基础上发展出来的隧道引流技术。通过SR Policy路径表示为指定路径的段列表，指示网络中的设备遵循指定的路径。如果数据包被导入SR Policy中，段列表由头端添加到数据包上进行转发。

为了解决传统隧道接口体系存在的问题，并为SR Policy后续创新打造更加坚实的基础，文献[1]提出全新的SR Policy体系架构。SR Policy由（头端，颜色，端点）三元组标识。在给定的头端节点上，SR Policy由（颜色，端点）二元组标识。头端：SR Policy 生成/配置的地方，通常在分段网络的入口设备。 颜色：用于区分同一头端和端点对之间的多条SR Policy;颜色通常代表意图，表示到达端点的特定方式，例如低延迟、高带宽等要求。端点：SR Policy的终结点，是一个IPv4/IPv6地址，通常在分段网络的出口设备。

SR Policy的候选路径代表将流量从相应SR Policy头端传送到端点的特定方式。每条候选路径有一个优先级，路径的优先级值越高则越优选。SR Policy具有至少一条候选路径，其中具有最高优先值的候选路径是生效的路径。每条候选路径可以具有一个或者多个段列表，对于被引导至SR Policy的数据包，此段列表将被压入到数据包报头中进行转发。

SR Policy提供了灵活的转发路径选择方法，满足用户和业务不同的转发需求。当SR网络的源节点和目的节点之间存在多条路径时，合理利用SR Policy选择转发路径，不仅可以方便管理员对网络进行管理和规划，还可以有效地减轻网络设备的转发压力。

三、确定性网络的要求

文献[2]阐述了确定性网络的技术要求，确定性网络是指能保证业务的确定性带宽、时延、抖动、丢包率指标的网络，帮助实现从“尽力而为”的网络到“准时、准确、快速”网络的过渡，控制并降低端到端时延，抖动，丢包率。确定性网络的最初提出主要是为了解决低丢包、低时延等工业互联网的需求，确定性网络技术的部署还可以与固移融合网络及边缘云统筹考虑，未来还将继续推进在广域网、5G、边缘云的落地。SR技术越来越多的应用，也需要结合确定性网络的理念，提升网络的服务定制化。

SDN是对传统网络架构的一次重构，可以实现资源实时管控、业务自动下发、路由分析、流量调度等功能，通过SDN实现差异化服务和业务流量路径灵活调优等能力。路径计算单元（Path Computation Element，PCE）是SDN的一种形态，PCE通过BGP-LS或其他协议获取网络拓扑，以隧道路径的计算、控制和下发能力为基础，路径计算时可以基于多重约束条件计算路径，可以支持带宽、时延、跳数限制、显示路径等约束条件进行选路。当网络质量发生改变时，BGP-LS更新上报链路时延、带宽等信息，PCE重新计算出新的更优路径并下发转发器实现路径的调整。

如图1所示，BGP-LS搜集的信息，包括了物理链路的时延和抖动等参数，而SR Policy中路径的端到端时延不仅包括链路时延，还包括了转发网元的交换时延，因此物理链路时延的累加不能完全表达端到端路径的时延。

四、基于网络质量的分段路由策略方案

影响分段路由网络质量的因素，除了导致网络中断的几种情况，还包括了影响网络质量的几个因素，如链路带宽利用率，转发网元的交换时延，物理链路的质量等。

本文方案增加对SR Policy多条候选路径的检测能力，并且即使在路由器脱离了PCE的情况下，能够自主完成SR路径的网络质量端到端检测，并能实现自主的最优候选路径的选择和切换。对SR Policy的模板进行扩展，在SR Policy模型中增加网络质量参数，包括网络时延、抖动、丢包率参数，表示使用该SR Policy的业务所能承受的路径的最大网络时延、抖动和丢包率。使得SR Policy可以更直接的表示业务的需求，省略了从业务需求到网络语言再到网络对象的翻译过程。

通过结合网络质量分析（Network Quality Analysis，NQA），对SR Policy的多个候选路径进行网络质量检测;最优候选路径的选择，不仅需要考虑优先级值，还需要根据网络质量检测的结果来决定选择哪条候选路径作为最优路径，路径选择的结果更好的满足业务对网络的应用需求。

将多条候选路径的网络质量检测结果，包括网络时延，抖动和丢包率，分别与SR Policy中定义的服务质量参数进行比较，值不超过SR Policy定义的网络时延，抖动和丢包率时，认为该候选路径的网络质量符合SR Policy的服务质量要求。从符合SR Policy的服务质量要求的候选路径中，选取优先级值最大的候选路径作为优选。当优选的路径发生改变时，触发业务数据流量切换到新的路径上。

4.1 SR Policy模板扩展

扩展SR Policy的模板，增加网络服务质量的参数，包括网络时延，抖动和丢包率。该参数作为SR Policy的附带属性，是可选值。

时延：表示经过SR Policy某条候选路径的端到端的网络时延;

抖动：表示候选路径的端到端网络时延的变化情况，用某段时间内最大时延与最小时延之间的绝对差值表示;

丢包率：所丢失数据包数量占所发送数据包总数的比率。

定义的参数值表示服务质量要求的最大边界值，对某条候选路径进行检测得到的值，如果超过定义的参数值，则认为该候选路径不符合服务质量要求。可以使用这几个参数的任意组合，来表示特定业务对SR Policy的网络质量要求。

4.2 网络质量分析的要求

NQA实时采集各种网络运行指标，为用户提供网络服务质量的相关结果，实现用户对网络运行状况的准确控制。为了使网络服务质量可见，使用户能够自行检查网络服务质量是否达到要求，以一种统计的方法来提供时延、抖动、丢包率等相关统计参数。

NQA开启后，对SR Policy下所有的候选路径同时进行网络质量检测，检测时发送的检测报文，使用该候选路径中段的有序列表进行封装和转发，检测报文将会按照候选路径进行转发检测。由于网络的抖动和丢包率是基于统计的方法计算得到的，因此多个候选路径的检测结果计算，必须使用相同的统计周期。

为每条路径生成检测结果，包括网络时延，抖动和丢包率参数，如图2所示。

4.3 最优候选路径的选择

在SR Policy存在多条候选路径的前提下，用户首先基于特定业务的网络质量需求，为SR Policy设定网络服务质量参数，可以设定网络时延，抖动和丢包的参数的任意组合;开启NQA，对SR Policy的所有候选路径同时进行网络质量检测，得到每个有效候选路径的检测结果;将检测结果与SR Policy设定的网络服务质量参数进行比较，如果检测结果值在SR Policy设定的网络服务质量参数范围内，则认为该候选路径符合网络服务质量要求;如果存在符合网络服务质量要求的候选路径，从中选择最高优先级的候选路径作为最优路径;如不存在符合网络服务质量要求的候选路径，则从所有有效候选路径中选择最高优先级的候选路径作为最优路径。实现流程如图3。网络质量存在不稳定性，因此在不同的时间段內，最优路径可能会变化。当最优路径发生变化时，触发业务流量切换到新的最优路径上。多条候选路径的存在，也可以防止网络中链路故障或节点故障导致的业务中断，提升了网络的可靠性。

五、结束语

本文方案基于确定性网络的要求，分析了分段路由策略的技术，通过对分段路由的SR Policy的模板进行扩展，并基于模板设计了对多条候选路径的网络质量检测方案，根据检测结果来选择最优的候选路径，从而更好符合云网融合情况下不同业务的多样化网络需求。

SR Policy面向的是特定业务的体验，提供了灵活的转发路径选择方法，更好的满足用户不同的转发需求。随着5G、物联网等业务和应用场景的扩展，SR Policy技术体系也将持续扩展升级以满足下一代网络平台所需要的能力。

参  考  文  献

[1]draft-ietf-spring-segment-routing-policy-08，Segment Routing Policy Architecture.SPRING Working Group.July 7， 2020

[2]RFC 8655，Deterministic Networking Architecture.Internet Engineering Task Force （IETF）.October 2019