分段路由技術在運營商網絡中的部署與應用研究

王 凌

(中國電信股份有限公司福州分公司，福建 福州 350001)

0 引言

移動互聯網時代，網絡流量暴增，運營商網絡面臨極大的挑戰，網絡變得越來越龐大，流量變得越來越難以進行精準控制，這促使運營商考慮采用一種新的網絡技術，使得網絡上數據包的路徑和行為控制變得簡單、精準。分段路由(Segment Routing，SR)就是這樣一種技術。分段路由技術是近幾年的熱門網絡技術之一，包括基于MPLS的分段路由技術(SR-MPLS)以及基于IPV6的分段路由技術(SRV6)，分段路由技術實現了通過程序編程控制網絡的可能性，并使得數據報文控制變得靈活多樣。

1 分段路由技術概述

分段路由(SR)是一種基于源的隧道技術，根據源的信息選擇轉發路徑。分段路由信息封裝在報文包頭中，包括路徑信息以及到達目的地網絡信息。分段路由可以應用于IP/MPLS和IPV6網絡，在IP/MPLS網絡中部署時候，分段路由技術不需要改變現有的數據平面。在IPV6網絡中，分段路由技術可以通過添加一個新的路由擴展頭來實現，這種技術稱為SRV6技術。

分段路由技術原理：分段路由使用段和段標識符(SID)，段是分段路由中的一個基本單位。通過組合多個段，可以創建端到端路由。

如圖1所示，如果數據報文需要從A的入口到F的出口，則在分段路由技術中，通過3個段來進行定義數據報文的路徑，分別是Segment1,Segment2,Segment3，從而實現報文按照預定的路徑進行轉發。

圖1 分段路由技術下數據報文的轉發路徑

2 分段路由技術優勢

運營商網絡中采用分段路由技術的好處：

(1)實現網絡編程：通過網絡編程，實現對網絡報文的控制；

(2)簡化網絡：簡化網絡運維、排錯過程；

(3)增強網絡可擴展性：允許網絡核心進行快速進行擴容；

(4)快速重路由：可實現50ms的快速重路由；

(5)流量工程：方便實現流量工程技術；

目前運營商網絡大都采用MPLS LDP、RSVP-TE作為日常信令和標簽分發協議，但是在實際使用中發現這兩種協議在控制平面穩定性和報文轉發復雜性方面具有不少缺點。和MPLS LDP以及RSVP-TE相比，分段路由技術具有如下特點，如表1所示。

表1 分段路由技術與LDP、RSVP-TE的對比

3 分段路由在運營商網絡應用場景研究

3.1 軟件定義網絡

SR可以在集中式、分布式或混合環境中使用。在分布式場景中，段由IS-IS或OSPF或BGP進行分配和運作。在集中式場景中，段由SR控制器(SDN控制器)分配和實例化。分布式和集中式智能可以結合在一個混合場景中，例如，分布式可以在同一個IGP域中使用，當目標在IGP域之外時，SR控制器(SDN控制器)可以代表IGP節點創建路由策略。

通過對網絡控制的邏輯集中，可以根據TE目標對每流路由進行編程。在網絡狀態有限的情況下，SDN集中式控制器可以利用現有的協議(如BGP-LS)主動地從網絡中收集拓撲信息，然后根據用戶定義個性化需求來計算最佳路徑。

運營商網絡的應用有多種類型，有些對時延敏感(金融交易和VoIP數據流)，有些對帶寬敏感(如數據中心數據流)，有些則需要低抖動(如視頻流)。運營商在日常網絡中運行SR時候，不建議手動配置這些隧道，這些隧道可能運行到數千個，這樣的任務可以交給集中式SDN控制器進行創建、管理。SDN控制器通過與其他系統互通，了解到終端用戶SLA需求，控制器可以敏捷地根據這些SLA需求創建出合適的隧道給用戶使用。

3.2 無狀態服務鏈

服務鏈(Services Function Chaining，SFC)是近幾年運營商網絡中提到比較多的一個技術，服務鏈是通過有序的功能列表來引導流量的一個過程，例如讓流量有序通過負載均衡器、防火墻和IPS等設備。

SFC由IETF定義，網絡服務頭部(NSH)是SFC的一部分，NSH裝載在數據包或幀上實現服務功能路徑[1]。SR可以實現SFC，因為它可以基于SRV6頭堆棧執行一個功能后執行另一個功能。然而由于SR本質上是無狀態的，策略只在網絡的路徑入口時候進行編排，因此與NSH相比，SR更具強的可伸縮性，而NSH依賴于網絡每一跳的配置。

3.3 組播

運營商網絡一般通過PIM-SM協議來實現組播，PIM-SM協議需要匯聚節點(RP)作為整個組播轉發的核心。采用SRV6之后，SRV6可以使用單播流來實現組播功能，取消傳統組播網絡的RP節點，從而降低了組播網絡的復雜性。

3.4 5G

SRV6將在5G傳輸中發揮重要作用，因此它有可能取代5G GTP-U隧道協議。在移動網絡中，GTP-U作為隧道協議，用于GPRS、LTE網絡、5G網絡中的用戶數據傳輸，每個用戶會話都需要創建隧道[2]。

SRV6可以作為5G中GTP-U隧道協議的替代品，從而使得用戶報文傳輸更加簡單。在GTP-U中使用TEID作為標識符來連接不同的節點，SRV6具有SID字段，因此它可以很容易地和TEID信息進行關聯，從而為完全替換GTP-U鋪平道路。

5G核心(5G-C)有復雜的基于NFV的服務鏈的虛擬化設備層，SRV6能夠具有服務鏈創建和網絡可編程性的優勢，使其成為在5G環境中使用的理想協議。

網絡切片是5G網絡的其他主要特征之一。不同類型業務有不同SLA需求，要求通用的網絡基礎設施支持網絡切片。每個切片代表不同的網絡特性，取決于不同的SLA需求，對時延、丟包、抖動、吞吐量、移動寬帶等都有不同需求。通過SRV6創建網絡切片的好處是，由于SRV6的特點，如隧道、SRTE和網絡可編程性，可以輕松地實現網絡切片/虛擬化，不需要任何額外的隧道協議來實現這種網絡切片。

4 結語

分段路由協議不僅僅在實驗室中進行測試，目前已經逐步開始在網絡中部署和使用，特別是在運營商網絡或者大型網絡中。分段路由協議，特別是SRV6，即將對網絡變革產生巨大的影響，將引領傳統網絡向軟件定義網絡進行過渡。