面向5G承载的Segment Routing技术浅析

2021-07-01蒋弢李敏

中国新通信 2021年6期

蒋弢李敏

【摘要】 “5G商用，承载先行”， 5G时代的承载网在向着化繁为简，低时延，SDN/NFV化发展。基于成本、灵活性、网络可编程等因素，网络设备简化已成为业界共识;协议简单化、标准化、自动化是方向，为目标智能网络奠定基础。作为当前承载网络SDN化演进的重要技术之一，Segment Routing从诞生之日起，一直受到业界的广泛关注，并已逐渐在商用网络中应用。

【关键词】 5G承载智能 SDN SR

前言

5G时代，“万物互联”。商用的5G承载网络应该具备简化、灵活、开放、集中等特性，从而满足物联网、车联网、智慧城市、人工智能等对网络的要求，实现5G时代的网络即服务（NaaS）能力。

5G承载网架构的革新，SDN、NFV、云化会是其中关键的技术。SDN主要面向网络架构的创新，解决智能控制和能力开放的问题;NFV主要面向设备形态的创新，解决网络终端设备成本的问题;云化主要面向基础设施，解决虚拟化和开源技术问题。

本文将结合国内某运营商的新型智能城域网建设方案，浅析Segment Routing技术。

一、 Segment Routing技术介绍

1.1 Segment Routing技术产生背景

目前，在互联网的路由/转发技术中，使用的最广泛的是MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多协议标签交换技术）技术。MPLS引入了基于标签的机制，将第二层的简单交换和第三层的IP路由控制有机的结合起来，在不改变用户现有网络的情况下能提供高速、安全、多业务统一的网络平台。

一个典型的MPLS业务承载网络包括CE、PE、P以及RR路由器，通常采用OSPF/ISIS作为IGP协议，MP-BGP传递VPN信息，LDP（標签分发协议）分发标签以及采用RSVP-TE（资源预留协议）特定应用或目的地的流量工程和带宽预留。

在4G/5G时代，互联网飞速发展，人们越来越明显的感到MPLS控制平面（LDP和RSVP-TE）太过于复杂，而且缺乏可扩展性。毕竟LDP本身有11种协议报文，在应用时大大增加了链路带宽的消耗和设备CPU利用率;而RSVP依据CSPF算路结果逐跳形成端到端的LSP，途径节点都会维护该Tunnel的状态信息，同样占据了大量的网络带宽和CPU利用率。

那么，在无法提供足够的容量和无限的人力的情况下，运营商们就对目前所应用的MPLS网络协议产生了一种新的诉求：既然LDP不维护状态信息，只对IGP中的目的IP和MPLS标签做了一层映射，干脆不再部署LDP协议，由IGP来分发标签;既然每个节点都要通过RSVP进行大量的交互以维护全网的状态信息，干脆把RSVP功能集中起来，不用每个节点都计算交互。

这样，Segment Routing（段路由，简称SR）技术就诞生了。

1.2 Segment Routing的概念

Segment Routing是基于源路由理念而设计的，在网络上转发数据包的一种协议。它由节点（路由器、主机等）选择路径，并且引导数据包沿着该路径通过网络。实质上是在数据包报头中插入带顺序的Segment列表，以指示接收到这些数据包的节点怎么去处理和转发这些数据包。

打个比方，我们需要把行李从夏威夷发往上海，途径香港。航空运输系统采用的方法是：在始发机场给行李贴上一个标签：“先到香港，再到上海”。这样，航空传输系统就不需要识别行程中的这件行李，而只需要识别几千个机场代码，就能知道怎么按照行李标签，把行李从一个机场送往另一个机场。

SR的做法其实完全相同：一个Segment代表着一个机场代码，数据包报文头中的Segment列表代表着行李上的标签。我们要实现从夏威夷经由香港去往上海的路由需求，控制器需要做的不是对沿路的每一台路由器下发指令，仅仅只需要给路径源节点下发指令即可。而给路径源节点下发的指令仅仅包括一条源路径信息，其表达为一个具有顺序的Segment列表。

Segment Routing 通过隧道首节点对报文增加段标签栈，控制整个报文在网络中的传输路径。优化IP、MPLS网络能力，并以更加简单的方式提供TE、FRR等功能。通过Segment Routing可以简易的定义一条显式路径，网络中的节点只需要维护Segment Routing信息，即可应对业务的实时快速发展。其实，每个Segment就像是一块乐高积木一样，控制器可以像我们组合乐高积木一样，按照需要把Segment组合起来，用于表达所需要的流量工程策略（SR-TE）。

二、面向5G承载的Segment Routing技术

在国家“新基建”的战略部署下，国内某运营商为5G的发展新建了一张新型智能承载网络，其中的关键方案是：

通过简化网络结构，实现简单、标准化的架构，减少建设成本同时便于维护和扩展。

采用SR/EVPN协议，简化设备技术要求，降低设备成本，同时更好实现SDN。

引入通用芯片的SR转发设备，大幅降低建设成本，提供网络流量疏通能力，同时减少对局房资源的需求。

构建智能化、自动化、开放化的网络管控系统，实现端到端的业务自动开通，支撑智能化运维和互联网化运营，提升用户体验。

我们可以明显的看出，SR就是这张5G承载网络的核心技术之一。其实，SR一直以来致力于简化现有的MPLS协议，特别是控制平面，同时增加新的流量工程和保护的能力。其表现在：

简化了MPLS网络的控制平面

SR使用控制器或者IGP集中算路和分发标签，不再需要RSVP-TE，LDP等隧道协议。SR可以直接应用于MPLS架构，转发平面没有任何变化。

提供高效TI-LFA（Topology-Independent Loop-free Alternate，拓撲无关无环备份） FRR保护，实现路径故障的快速恢复

在之前，我们在一个主用路径使用LDP协议的网络中，部署RSVP来实现FRR，会给网络设计和操作带来额外的复杂度，因为这三种协议（IGP、LDP、RSVP-TE）之间存在着交互。

所以，我们在SR技术的基础上结合RLFA（Remote Loop-free Alternate，远程无环备份） FRR算法，形成高效的TI-LFA FRR算法。它支持任意拓扑的节点和链路保护，能够弥补传统隧道保护技术的不足。

具有网络容量扩展能力。

我们知道，传统的MPLS TE是一种面向连接的技术，为了维护连接状态，节点间需要发送和处理大量Keepalive报文，设备控制层面压力大。SR仅在头节点对报文进行标签操作，即可任意控制业务路径，中间节点不需要维护路径信息，设备控制层面压力小。此外，SR技术的标签数量是：全网节点数+本地邻接数，这样就只和网络的规模相关，而与隧道数量和业务规模无关。

更好的向SDN（软件定义网络）网络平滑演进。

SR技术基于源路由理念而设计，通过源节点即可控制数据包在网络中的转发路径。配合集中算路模块，即可灵活简便的实现路径控制与调整。SR同时支持传统网络和SDN网络，兼容现有设备，保障现有网络平滑演进到SDN网络，而不是颠覆现有的网络。

三、Segment Routing在网络中的部署

既然成本是5G承载网的诉求，那么我们首先就要考虑SR在现有IP/MPLS网络中的部署。其实，大多数的路由器都可以通过软件升级支持SR的基本功能，即使有不支持SR的传统设备，借助SR和LDP互操作功能，仍然可以在网络中部署SR。

3.1 SR和其他MPLS协议共存

3.1.1 控制平面协议共存

MPLS架构允许LDP、RSVP-TE、BGP等多种控制平面协议独立运行，这同样适用于SR的ISIS、OSPF、BGP等控制平面协议。

Label Manager确保协议分配的动态标签不会发生冲突，SRGB确保被保留的标签空间只用于SR全局Segment。

3.1.2 数据平面共存

Label Manager可以间接的将特定范围的本地标签（SRGB）委托给SR管理，由SR来确保从SRGB中分配唯一的Prefix-SID。

对于IP到MPLS的转发列表，默认的LDP优先，可以配置成SR优先。

3.1.3 SR和LDP互操作（interworking）