分段路由基于網絡質量的設計探究

唐寅 張進 江逸茗

【摘要】? ? 云網融合和業務的創新發展，對網絡的服務質量提出了更高的要求，需要提供能保證確定性帶寬、時延、抖動、丟包率等技術指標的網絡。分段路由作為重要的網絡技術，提供了多條路徑的計算方法以及多路徑選擇技術。在分段路由策略的基礎上，擴展策略模板增加了服務質量參數，用于表示可提供的網絡服務質量要求;通過結合網絡檢測技術，對多個候選路徑同時質量檢測，根據檢測的結果來決定選擇哪條路徑作為最優路徑，提升了轉發器對業務需求定制化的能力，更好的滿足業務對網絡的應用需求。

【關鍵詞】? ? 分段路由? ? 分段路由策略? ? 確定性網絡? ? 網絡質量

一、背景

云網融合網絡的特征在于提供更加智能、靈活的連接，其技術內涵是面向云和網的基礎資源層，通過實施虛擬化/云化乃至一體化的技術架構，最終實現簡潔、敏捷、開放的新型信息基礎設施的資源供給。數字化轉型的加速，使得云對網絡的需求更加強調靈活定制和快速交付能力，網絡面向云業務持續提供可靠連接服務的能力，主要包括 SLA 保障和差異化保障等。為滿足云的靈活多變需求，需要提升智能化方面的能力，網絡資源可以根據云業務的需求量、用戶訪問量等因素實現動態的實時優化。

分段路由（Segment Routing，SR）正是在此背景下產生的。通過SR可以簡易的定義一條顯式路徑，網絡中的節點只需要維護SR的段信息，可應對業務的實時快速發展。SR通過對現有路由協議進行擴展，能使現有網絡更好的平滑演進;同時支持控制器的集中控制模式和轉發器的分布控制模式，提供集中控制和分布控制之間的平衡。

SR基于源路由的方式，頭節點和尾節點承擔了維護SR MPLS隧道狀態和策略的任務，在基于軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的場景中，頭節點也承擔了和控制器對接的角色;因此基于SR的頭端節點隧道相關的管理是非常重要的。

使用SR技術，帶來的受益主要包括：1.簡化MPLS網絡的控制平面。使用控制器或者路由協議集中計算路徑并分發標簽，不再需要額外的隧道協議。2.具有更好的網絡容量擴展能力。使用的標簽數量只和網絡規模相關，與隧道數量和業務規模無關，設備控制層面壓力小。3.更好的向SDN網絡平滑演進。基于源路由理念，通過源節點即可控制數據包在網絡中的轉發路徑，可靈活簡便的實現路徑控制與調整。

二、分段路由策略

SR的發展初期，使用隧道接口體系進行引流。主要原因為能兼容原有的技術實現路線，早期能滿足大多數用戶的需要。隨著網絡業務種類增多，以及不同類型業務對網絡的要求，隧道接口體系存在著明顯不足，主要包括： 需要預先配置隧道，在無法明確隧道終點的情況下，只能是部署全網狀的隧道，造成可擴展性問題，由于隧道與路徑一對一的關系，因此要配置多個隧道接口用于實現多條路徑，配置繁瑣且影響擴展性。

分段路由策略（Segment Routing Policy，SR Policy）是在SR技術基礎上發展出來的隧道引流技術。通過SR Policy路徑表示為指定路徑的段列表，指示網絡中的設備遵循指定的路徑。如果數據包被導入SR Policy中，段列表由頭端添加到數據包上進行轉發。

為了解決傳統隧道接口體系存在的問題，并為SR Policy后續創新打造更加堅實的基礎，文獻[1]提出全新的SR Policy體系架構。SR Policy由（頭端，顏色，端點）三元組標識。在給定的頭端節點上，SR Policy由（顏色，端點）二元組標識。頭端：SR Policy 生成/配置的地方，通常在分段網絡的入口設備。 顏色：用于區分同一頭端和端點對之間的多條SR Policy;顏色通常代表意圖，表示到達端點的特定方式，例如低延遲、高帶寬等要求。端點：SR Policy的終結點，是一個IPv4/IPv6地址，通常在分段網絡的出口設備。

SR Policy的候選路徑代表將流量從相應SR Policy頭端傳送到端點的特定方式。每條候選路徑有一個優先級，路徑的優先級值越高則越優選。SR Policy具有至少一條候選路徑，其中具有最高優先值的候選路徑是生效的路徑。每條候選路徑可以具有一個或者多個段列表，對于被引導至SR Policy的數據包，此段列表將被壓入到數據包報頭中進行轉發。

SR Policy提供了靈活的轉發路徑選擇方法，滿足用戶和業務不同的轉發需求。當SR網絡的源節點和目的節點之間存在多條路徑時，合理利用SR Policy選擇轉發路徑，不僅可以方便管理員對網絡進行管理和規劃，還可以有效地減輕網絡設備的轉發壓力。

三、確定性網絡的要求

文獻[2]闡述了確定性網絡的技術要求，確定性網絡是指能保證業務的確定性帶寬、時延、抖動、丟包率指標的網絡，幫助實現從“盡力而為”的網絡到“準時、準確、快速”網絡的過渡，控制并降低端到端時延，抖動，丟包率。確定性網絡的最初提出主要是為了解決低丟包、低時延等工業互聯網的需求，確定性網絡技術的部署還可以與固移融合網絡及邊緣云統籌考慮，未來還將繼續推進在廣域網、5G、邊緣云的落地。SR技術越來越多的應用，也需要結合確定性網絡的理念，提升網絡的服務定制化。

SDN是對傳統網絡架構的一次重構，可以實現資源實時管控、業務自動下發、路由分析、流量調度等功能，通過SDN實現差異化服務和業務流量路徑靈活調優等能力。路徑計算單元（Path Computation Element，PCE）是SDN的一種形態，PCE通過BGP-LS或其他協議獲取網絡拓撲，以隧道路徑的計算、控制和下發能力為基礎，路徑計算時可以基于多重約束條件計算路徑，可以支持帶寬、時延、跳數限制、顯示路徑等約束條件進行選路。當網絡質量發生改變時，BGP-LS更新上報鏈路時延、帶寬等信息，PCE重新計算出新的更優路徑并下發轉發器實現路徑的調整。

如圖1所示，BGP-LS搜集的信息，包括了物理鏈路的時延和抖動等參數，而SR Policy中路徑的端到端時延不僅包括鏈路時延，還包括了轉發網元的交換時延，因此物理鏈路時延的累加不能完全表達端到端路徑的時延。

四、基于網絡質量的分段路由策略方案

影響分段路由網絡質量的因素，除了導致網絡中斷的幾種情況，還包括了影響網絡質量的幾個因素，如鏈路帶寬利用率，轉發網元的交換時延，物理鏈路的質量等。

本文方案增加對SR Policy多條候選路徑的檢測能力，并且即使在路由器脫離了PCE的情況下，能夠自主完成SR路徑的網絡質量端到端檢測，并能實現自主的最優候選路徑的選擇和切換。對SR Policy的模板進行擴展，在SR Policy模型中增加網絡質量參數，包括網絡時延、抖動、丟包率參數，表示使用該SR Policy的業務所能承受的路徑的最大網絡時延、抖動和丟包率。使得SR Policy可以更直接的表示業務的需求，省略了從業務需求到網絡語言再到網絡對象的翻譯過程。

通過結合網絡質量分析（Network Quality Analysis，NQA），對SR Policy的多個候選路徑進行網絡質量檢測;最優候選路徑的選擇，不僅需要考慮優先級值，還需要根據網絡質量檢測的結果來決定選擇哪條候選路徑作為最優路徑，路徑選擇的結果更好的滿足業務對網絡的應用需求。

將多條候選路徑的網絡質量檢測結果，包括網絡時延，抖動和丟包率，分別與SR Policy中定義的服務質量參數進行比較，值不超過SR Policy定義的網絡時延，抖動和丟包率時，認為該候選路徑的網絡質量符合SR Policy的服務質量要求。從符合SR Policy的服務質量要求的候選路徑中，選取優先級值最大的候選路徑作為優選。當優選的路徑發生改變時，觸發業務數據流量切換到新的路徑上。

4.1 SR Policy模板擴展

擴展SR Policy的模板，增加網絡服務質量的參數，包括網絡時延，抖動和丟包率。該參數作為SR Policy的附帶屬性，是可選值。

時延：表示經過SR Policy某條候選路徑的端到端的網絡時延;

抖動：表示候選路徑的端到端網絡時延的變化情況，用某段時間內最大時延與最小時延之間的絕對差值表示;

丟包率：所丟失數據包數量占所發送數據包總數的比率。

定義的參數值表示服務質量要求的最大邊界值，對某條候選路徑進行檢測得到的值，如果超過定義的參數值，則認為該候選路徑不符合服務質量要求?？梢允褂眠@幾個參數的任意組合，來表示特定業務對SR Policy的網絡質量要求。

4.2 網絡質量分析的要求

NQA實時采集各種網絡運行指標，為用戶提供網絡服務質量的相關結果，實現用戶對網絡運行狀況的準確控制。為了使網絡服務質量可見，使用戶能夠自行檢查網絡服務質量是否達到要求，以一種統計的方法來提供時延、抖動、丟包率等相關統計參數。

NQA開啟后，對SR Policy下所有的候選路徑同時進行網絡質量檢測，檢測時發送的檢測報文，使用該候選路徑中段的有序列表進行封裝和轉發，檢測報文將會按照候選路徑進行轉發檢測。由于網絡的抖動和丟包率是基于統計的方法計算得到的，因此多個候選路徑的檢測結果計算，必須使用相同的統計周期。

為每條路徑生成檢測結果，包括網絡時延，抖動和丟包率參數，如圖2所示。

4.3 最優候選路徑的選擇

在SR Policy存在多條候選路徑的前提下，用戶首先基于特定業務的網絡質量需求，為SR Policy設定網絡服務質量參數，可以設定網絡時延，抖動和丟包的參數的任意組合;開啟NQA，對SR Policy的所有候選路徑同時進行網絡質量檢測，得到每個有效候選路徑的檢測結果;將檢測結果與SR Policy設定的網絡服務質量參數進行比較，如果檢測結果值在SR Policy設定的網絡服務質量參數范圍內，則認為該候選路徑符合網絡服務質量要求;如果存在符合網絡服務質量要求的候選路徑，從中選擇最高優先級的候選路徑作為最優路徑;如不存在符合網絡服務質量要求的候選路徑，則從所有有效候選路徑中選擇最高優先級的候選路徑作為最優路徑。實現流程如圖3。網絡質量存在不穩定性，因此在不同的時間段內，最優路徑可能會變化。當最優路徑發生變化時，觸發業務流量切換到新的最優路徑上。多條候選路徑的存在，也可以防止網絡中鏈路故障或節點故障導致的業務中斷，提升了網絡的可靠性。

五、結束語

本文方案基于確定性網絡的要求，分析了分段路由策略的技術，通過對分段路由的SR Policy的模板進行擴展，并基于模板設計了對多條候選路徑的網絡質量檢測方案，根據檢測結果來選擇最優的候選路徑，從而更好符合云網融合情況下不同業務的多樣化網絡需求。

SR Policy面向的是特定業務的體驗，提供了靈活的轉發路徑選擇方法，更好的滿足用戶不同的轉發需求。隨著5G、物聯網等業務和應用場景的擴展，SR Policy技術體系也將持續擴展升級以滿足下一代網絡平臺所需要的能力。

參? 考? 文? 獻

[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