分段路由技术在运营商网络中的部署与应用研究

2021-01-11王凌

无线互联科技 2020年22期

王凌

(中国电信股份有限公司福州分公司，福建福州 350001)

0 引言

移动互联网时代，网络流量暴增，运营商网络面临极大的挑战，网络变得越来越庞大，流量变得越来越难以进行精准控制，这促使运营商考虑采用一种新的网络技术，使得网络上数据包的路径和行为控制变得简单、精准。分段路由(Segment Routing，SR)就是这样一种技术。分段路由技术是近几年的热门网络技术之一，包括基于MPLS的分段路由技术(SR-MPLS)以及基于IPV6的分段路由技术(SRV6)，分段路由技术实现了通过程序编程控制网络的可能性，并使得数据报文控制变得灵活多样。

1 分段路由技术概述

分段路由(SR)是一种基于源的隧道技术，根据源的信息选择转发路径。分段路由信息封装在报文包头中，包括路径信息以及到达目的地网络信息。分段路由可以应用于IP/MPLS和IPV6网络，在IP/MPLS网络中部署时候，分段路由技术不需要改变现有的数据平面。在IPV6网络中，分段路由技术可以通过添加一个新的路由扩展头来实现，这种技术称为SRV6技术。

分段路由技术原理：分段路由使用段和段标识符(SID)，段是分段路由中的一个基本单位。通过组合多个段，可以创建端到端路由。

如图1所示，如果数据报文需要从A的入口到F的出口，则在分段路由技术中，通过3个段来进行定义数据报文的路径，分别是Segment1,Segment2,Segment3，从而实现报文按照预定的路径进行转发。

图1 分段路由技术下数据报文的转发路径

2 分段路由技术优势

运营商网络中采用分段路由技术的好处：

(1)实现网络编程：通过网络编程，实现对网络报文的控制；

(2)简化网络：简化网络运维、排错过程；

(3)增强网络可扩展性：允许网络核心进行快速进行扩容；

(4)快速重路由：可实现50ms的快速重路由；

(5)流量工程：方便实现流量工程技术；

目前运营商网络大都采用MPLS LDP、RSVP-TE作为日常信令和标签分发协议，但是在实际使用中发现这两种协议在控制平面稳定性和报文转发复杂性方面具有不少缺点。和MPLS LDP以及RSVP-TE相比，分段路由技术具有如下特点，如表1所示。

表1 分段路由技术与LDP、RSVP-TE的对比

3 分段路由在运营商网络应用场景研究

3.1 软件定义网络

SR可以在集中式、分布式或混合环境中使用。在分布式场景中，段由IS-IS或OSPF或BGP进行分配和运作。在集中式场景中，段由SR控制器(SDN控制器)分配和实例化。分布式和集中式智能可以结合在一个混合场景中，例如，分布式可以在同一个IGP域中使用，当目标在IGP域之外时，SR控制器(SDN控制器)可以代表IGP节点创建路由策略。

通过对网络控制的逻辑集中，可以根据TE目标对每流路由进行编程。在网络状态有限的情况下，SDN集中式控制器可以利用现有的协议(如BGP-LS)主动地从网络中收集拓扑信息，然后根据用户定义个性化需求来计算最佳路径。

运营商网络的应用有多种类型，有些对时延敏感(金融交易和VoIP数据流)，有些对带宽敏感(如数据中心数据流)，有些则需要低抖动(如视频流)。运营商在日常网络中运行SR时候，不建议手动配置这些隧道，这些隧道可能运行到数千个，这样的任务可以交给集中式SDN控制器进行创建、管理。SDN控制器通过与其他系统互通，了解到终端用户SLA需求，控制器可以敏捷地根据这些SLA需求创建出合适的隧道给用户使用。

3.2 无状态服务链

服务链(Services Function Chaining，SFC)是近几年运营商网络中提到比较多的一个技术，服务链是通过有序的功能列表来引导流量的一个过程，例如让流量有序通过负载均衡器、防火墙和IPS等设备。

SFC由IETF定义，网络服务头部(NSH)是SFC的一部分，NSH装载在数据包或帧上实现服务功能路径[1]。SR可以实现SFC，因为它可以基于SRV6头堆栈执行一个功能后执行另一个功能。然而由于SR本质上是无状态的，策略只在网络的路径入口时候进行编排，因此与NSH相比，SR更具强的可伸缩性，而NSH依赖于网络每一跳的配置。

3.3 组播

运营商网络一般通过PIM-SM协议来实现组播，PIM-SM协议需要汇聚节点(RP)作为整个组播转发的核心。采用SRV6之后，SRV6可以使用单播流来实现组播功能，取消传统组播网络的RP节点，从而降低了组播网络的复杂性。

3.4 5G

SRV6将在5G传输中发挥重要作用，因此它有可能取代5G GTP-U隧道协议。在移动网络中，GTP-U作为隧道协议，用于GPRS、LTE网络、5G网络中的用户数据传输，每个用户会话都需要创建隧道[2]。

SRV6可以作为5G中GTP-U隧道协议的替代品，从而使得用户报文传输更加简单。在GTP-U中使用TEID作为标识符来连接不同的节点，SRV6具有SID字段，因此它可以很容易地和TEID信息进行关联，从而为完全替换GTP-U铺平道路。

5G核心(5G-C)有复杂的基于NFV的服务链的虚拟化设备层，SRV6能够具有服务链创建和网络可编程性的优势，使其成为在5G环境中使用的理想协议。

网络切片是5G网络的其他主要特征之一。不同类型业务有不同SLA需求，要求通用的网络基础设施支持网络切片。每个切片代表不同的网络特性，取决于不同的SLA需求，对时延、丢包、抖动、吞吐量、移动宽带等都有不同需求。通过SRV6创建网络切片的好处是，由于SRV6的特点，如隧道、SRTE和网络可编程性，可以轻松地实现网络切片/虚拟化，不需要任何额外的隧道协议来实现这种网络切片。