基于SRv6的鐵路承載網(wǎng)隧道技術(shù)研究

高 源，邱 萍

（北京全路通信信號研究設(shè)計院集團有限公司，北京 100070）

1 概述

隨著智慧鐵路云網(wǎng)融合、鐵路5G 專用移動通信（5G-R）、鐵路大數(shù)據(jù)中心、云計算平臺建設(shè)的賦能發(fā)展和創(chuàng)新驅(qū)動，對于鐵路承載網(wǎng)的應(yīng)用質(zhì)量保障、靈活跨域互通和動態(tài)擴展能力等智能服務(wù)能力提出了更高要求。

由于傳統(tǒng)隧道技術(shù)存在協(xié)議種類繁多、跨域部署困難、業(yè)務(wù)管理零散、可擴展性較差等問題，影響網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)的敏捷高效部署和靈活多域連接，無法滿足新一代鐵路通信承載網(wǎng)絡(luò)“賦能賦智”的要求。在保障承載業(yè)務(wù)隔離和差異化服務(wù)的基礎(chǔ)上，簡化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議類型，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)配置部署，降低網(wǎng)絡(luò)運維難度等核心訴求成為了現(xiàn)網(wǎng)中的主要錨點，迫切需要解決。

SRv6 隧道技術(shù)通過融合可編程能力，可根據(jù)業(yè)務(wù)的需求靈活編排網(wǎng)絡(luò)功能、區(qū)分業(yè)務(wù)類型和使能行為動作，并由IPv6 替代MPLS 作為數(shù)據(jù)平面實現(xiàn)基于簡潔Native IPv6 的地址轉(zhuǎn)發(fā)和集中控制，打通網(wǎng)間壁壘，賦能云網(wǎng)協(xié)同。

本文基于SRv6 隧道技術(shù)，根據(jù)鐵路承載網(wǎng)的隧道隔離需求和組網(wǎng)模式，對基于SRv6 的鐵路承載網(wǎng)隧道技術(shù)進行研究并結(jié)合應(yīng)用部署方案進一步分析，探究相關(guān)應(yīng)用的解決方案并給出部署建議。

2 隧道技術(shù)需求

隧道技術(shù)主要滿足以下幾個方面的需求。

1）差異化服務(wù)的需求

根據(jù)業(yè)務(wù)的使用場景，不同類型的業(yè)務(wù)在帶寬、時延、優(yōu)先級、可靠性等方面存在巨大差異。結(jié)合業(yè)務(wù)特性，需具備根據(jù)不同的服務(wù)質(zhì)量保障需求來多維度的創(chuàng)建、劃分承載通道，按需分配并合理復用網(wǎng)絡(luò)資源的能力，實現(xiàn)復雜場景統(tǒng)一簡單化承載。

2）業(yè)務(wù)隔離的需求

鐵路承載網(wǎng)的承載業(yè)務(wù)可劃分為涉及行車相關(guān)的業(yè)務(wù)和普通生產(chǎn)相關(guān)的業(yè)務(wù)，二者間需要通過合理的隔離手段來保證可靠性和安全性。其中生產(chǎn)相關(guān)業(yè)務(wù)也存在不同專業(yè)間業(yè)務(wù)隔離不互通的管理需求，避免業(yè)務(wù)之間的網(wǎng)絡(luò)資源搶占和共用。

3）可靠且快速開通的需求

基于態(tài)勢感知的智能運維發(fā)展，鐵路各專業(yè)需求在不干擾既有業(yè)務(wù)的同時并行實現(xiàn)及時準確、可靠無感的業(yè)務(wù)快速開通。

3 承載網(wǎng)隧道技術(shù)介紹

3.1 主流隧道技術(shù)

主流隧道技術(shù)可以區(qū)分為兩大類：傳統(tǒng)隧道技術(shù)和新一代隧道技術(shù)。傳統(tǒng)隧道技術(shù)主要包括基于LDP 的MPLS 和SR-MPLS，新一代隧道技術(shù)為SRv6。其中基于LDP 的MPLS 包括MPLS VPN，SR-MPLS 包括SR-BE、SR-TE 和SR-TP，SRv6 則包括SRv6-TE Policy 和SRv6-BE。

3.2 隧道技術(shù)對比

1）基于LDP 的MPLS

基于LDP 的MPLS 隧道主要是采用MPLS VPN 的隧道部署方案，數(shù)據(jù)平面基于MPLS 標簽進行轉(zhuǎn)發(fā)，控制層面結(jié)合LDP 和MP-BGP 協(xié)議分配公網(wǎng)和私網(wǎng)標簽，從而實現(xiàn)標簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑的建立，以及不同業(yè)務(wù)間承載隧道的隔離和控制訪問。

基于LDP 協(xié)議的MPLS VPN 在多種業(yè)務(wù)共同承載的場景下，網(wǎng)絡(luò)中會同時存在LDP、RSVP、IGP、BGP 等控制平面的協(xié)議，協(xié)議的種類繁多造成業(yè)務(wù)部署難度大和運維管理復雜的現(xiàn)象。基于LDP 的MPLS 為實現(xiàn)流量工程需要結(jié)合RSVP-TE協(xié)議使能實現(xiàn)全網(wǎng)鏈路信息的收集，由于大量維護連接狀態(tài)的協(xié)議報文存在，所帶來的網(wǎng)絡(luò)資源占用和節(jié)點的性能壓力會影響業(yè)務(wù)傳遞效益。

2）SR-MPLS

SR-MPLS 隧 道 主 要 包 括SR-BE、SR-TE 和SR-TP 場景的隧道部署方案，數(shù)據(jù)平面基于MPLS標簽進行轉(zhuǎn)發(fā)，控制層進行了簡化，用于業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)的標簽直接通過擴展IGP 的SR 屬性實現(xiàn)，通過IGP協(xié)議報文傳遞和通告SID 段標識，域內(nèi)路由可達的所有節(jié)點可對應(yīng)生成各節(jié)點的本地SID 轉(zhuǎn)發(fā)表項。

SR-BE 隧道部署是通過IGP 最短路徑算法形成最優(yōu)SR LSP，IGP 收斂結(jié)束，隧道同步建立完畢。對于SR LSP，主要基于前綴標簽創(chuàng)建，目的節(jié)點通過IGP 協(xié)議發(fā)布Prefix SID，中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點解析Prefix SID，并根據(jù)本地SRGB 計算出指導轉(zhuǎn)發(fā)的標簽，關(guān)聯(lián)計算出的下一跳及出標簽指導數(shù)據(jù)報文轉(zhuǎn)發(fā)。

SR-TE 隧道部署不同于SR-BE 的LSP 動態(tài)協(xié)議建立方式，SR-TE 的隧道建立可分為兩種靜態(tài)建立方式。第一種建立方式為靜態(tài)手工配置顯示路徑創(chuàng)建SR-TE 隧道.第二種建立方式為控制器基于MPLS-TE 的隧道約束屬性，通過路徑計算單元（Path Computation Element，PCE）計算路徑，將整條LSP 傳遞鏈路的鄰接標簽、粘連標簽等按序生成標簽棧，由PCEP 協(xié)議實現(xiàn)統(tǒng)一集中的將路徑標簽等詳細配置下發(fā)至網(wǎng)元節(jié)點，并上報LSP 狀態(tài)。

SR-TP 隧道部署是在SR-TE 隧道的基礎(chǔ)之上增加一層端到端標識業(yè)務(wù)流的標簽Path SID，基于Path SID 實現(xiàn)OAM 和APS 等端到端運維能力及保護倒換能力。其補強了SR-TE 隧道使用鄰接標簽僅能標識業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑而不能標識端到端業(yè)務(wù)，導致端到端運維能力(丟包率、時延、抖動等)受限的短板。

3）SRv6

SRv6 隧道是基于IPv6 的數(shù)據(jù)層面轉(zhuǎn)發(fā)來對控制平面SR 的統(tǒng)一實現(xiàn)，SRv6 的出現(xiàn)使得業(yè)務(wù)不再依賴于復雜的MPLS 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面，簡化統(tǒng)一復雜網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即網(wǎng)絡(luò)支持IPv6 的轉(zhuǎn)發(fā)即可迅速實現(xiàn)基于SRv6 隧道的業(yè)務(wù)部署與開通。SRv6 通過在IPv6 報文中嵌入擴展頭SRH，并在SRH 中添加路徑所要經(jīng)過的所有段的Segment ID 從而形成完整路徑信息清單Segment List，以此來顯示規(guī)劃報文在網(wǎng)絡(luò)中的傳遞路徑，中間節(jié)點按照SRH 擴展頭封裝的路徑信息進行轉(zhuǎn)發(fā)。SRH 擴展報頭格式如圖1所示。

SRH 可隨業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)端到端保留，報頭會保留業(yè)務(wù)完整的Segment List，其中所攜帶的完整路徑信息適用于云網(wǎng)融合時代的業(yè)務(wù)意圖探析和全程回溯追蹤等智能管控新型應(yīng)用。

SRv6 包 含SRv6-TE Policy 和SRv6-BE 兩 種隧道模式，SRv6-TE Policy 可以實現(xiàn)流量工程，配合控制器可以在響應(yīng)業(yè)務(wù)差異化需求的同時實現(xiàn)路徑約束；SRv6-BE 具有業(yè)務(wù)快速開通方面的特殊優(yōu)勢，其基于IPv6 路由可達性，利用業(yè)務(wù)SID 來指引報文在IPv6 的網(wǎng)絡(luò)中進行轉(zhuǎn)發(fā)。

以鐵路創(chuàng)新發(fā)展為出發(fā)點，聚焦以鐵路大數(shù)據(jù)中心、5G-R 等為代表的智慧鐵路應(yīng)用需求發(fā)展變化，SRv6 能夠根據(jù)差分化服務(wù)保障、業(yè)務(wù)特征、相對獨立的網(wǎng)絡(luò)體系等方面提供靈活的可編程能力，以此來靈活響應(yīng)Overlay 層面面向服務(wù)的各類應(yīng)用需求，實現(xiàn)不同場景下各種等級的SLA 保障。

4 基于SRv6的承載網(wǎng)應(yīng)用部署方案

結(jié)合鐵路場景，介紹以下兩種基于SRv6 的應(yīng)用部署方案，分別為SRv6-TE Policy 承載場景（Ng 場景）和SRv6-BE 承載場景（Xn 場景）。

4.1 SRv6-TE Policy隧道承載場景（Ng場景）

針對鐵路通信應(yīng)用場景，車站業(yè)務(wù)回傳至中心的業(yè)務(wù)承載場景最為典型。從車站接入節(jié)點回傳至中心的流量可以模擬為鐵路5G 專用移動通信中業(yè)務(wù)回傳至核心網(wǎng)的業(yè)務(wù)模型，下面以L3VPN over SRv6-TE Policy 隧道的業(yè)務(wù)應(yīng)用承載場景來模擬鐵路Ng 場景業(yè)務(wù)實現(xiàn)。基于SRv6-TE Policy 隧道的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖2 所示。

圖2 基于SRv6-TE Policy隧道的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)Fig.2 Forwarding of service scenario data based on SRv6-TE Policy tunnel

總體過程如下：

1）控制器向始發(fā)節(jié)點 PE1 集中下發(fā)SRv6-TE Policy 隧 道 策 略 的 承 載 路 由，Color 為6，Endpoint 為PE2 的地址2001:A:400::4，Candidate Path 包含的Segment List 為隧道顯示路徑信息；

2）終結(jié)節(jié)點PE2 和PE1 之間建立私網(wǎng)鄰居關(guān)系，分配私網(wǎng)L3VPN 的相關(guān)信息（包含color 和下一跳）；

3） PE1 將接收到的業(yè)務(wù)側(cè)CE 遞送的私網(wǎng)L3VPN 業(yè)務(wù)，通過查詢VPN 實例對應(yīng)的VRF，并利用其Color 和下一跳信息迭代到SRv6-TE Policy的隧道上；

4）PE1 為報文封裝公網(wǎng)側(cè)的IPv6 報文頭信息進行匹配并指導轉(zhuǎn)發(fā)，插入SRH 頭部相關(guān)信息，集中封裝SRv6-TE Policy 的Segment List，其中Segment List 的末端SID 是私網(wǎng)VPN 路由對應(yīng)的End.DT4 SID；

5）中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點P1/P2 收到來自PE1 遞送的報文后，按照SRH 信息逐跳轉(zhuǎn)發(fā)，每次調(diào)用SRH中的地址替換DA 發(fā)送給下一跳節(jié)點，將SL-1；

6）報文到達中心側(cè)PE2 之后，PE2 使用報文中的IPv6 目的地址2001:A:4::1 查找本地 SID 表，擊中觸發(fā)End SID 的Function 動作，將IPv6 的DA 更新為私網(wǎng)VPN SID；

7）中心側(cè)PE2 使用私網(wǎng)VPN SID 查找本地SID 表， 命 中 了End.DT4 SID，PE2 使 能End.DT4 SID 對應(yīng)的Function 能力，在終結(jié)節(jié)點執(zhí)行將外層公網(wǎng)側(cè)IPv6 報文頭解封裝的操作，將報文的SRH 信息和IPv6 報頭解封裝后，使用內(nèi)層私網(wǎng)報文的目的地址查找End.DT4 SID 對應(yīng)的私網(wǎng)IPv4 VPN 實例的VRF 表項等相關(guān)信息，將報文回傳給中心。

SRv6-TE Policy 隧道承載場景的流量數(shù)據(jù)如表1 所示。

表1 SRv6-TE Policy隧道承載場景Tab.1 Scenario with SRv6-TE Policy tunnel as the bearer tunnel

4.2 SRv6-BE隧道承載場景（Xn場景）

鐵路通信應(yīng)用場景中，車站至車站間的業(yè)務(wù)承載場景也是典型場景之一。車站接入節(jié)點間的流量可以模擬為鐵路5G 專用移動通信中的站間業(yè)務(wù)通信模型，下面以L3VPN over SRv6-BE 隧道的業(yè)務(wù)應(yīng)用承載場景來模擬鐵路Xn 場景業(yè)務(wù)實現(xiàn)。基于SRv6-BE 隧道的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程如圖3 所示。

圖3 基于SRv6-BE隧道的業(yè)務(wù)場景數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)Fig.3 Forwarding of service scenario data based on SRv6-BE tunnel

總體過程如下。

1）業(yè)務(wù)側(cè)CE1 向車站接入節(jié)點PE1 發(fā)送業(yè)務(wù)報文。

2）PE1 從綁定了VPN 實例的接口上收到私網(wǎng)業(yè)務(wù)報文以后，根據(jù)VPN 實例查找VRF 表項并關(guān)聯(lián)SRv6 VPN SID 及下一跳信息。直接使用SRv6私網(wǎng)VPN SID 2001:A:6::A666 作為目的地址封裝成公網(wǎng)側(cè)的IPv6 報文并形成邏輯隧道，指引轉(zhuǎn)發(fā)。

3）PE1 進行正常的IPv6 轉(zhuǎn)發(fā)匹配路由的Locator，按最優(yōu)路徑轉(zhuǎn)發(fā)至中間轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點P1 和P3。

4）P1/P3 節(jié)點按照最長匹配原則，匹配到PE2發(fā)布的Locator 路由（路由 2001:A:6::/64），按最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)到另一個車站側(cè)的PE2。

5）PE2 使用目的地址2001:A:6::A666 查找本地SID 表，匹 配 到End.DT4 SID 的Function 功能并行使動作，將IPv6 報頭去除，然后根據(jù) End.DT4 SID 匹配私網(wǎng)IPv4 VPN 實例進行轉(zhuǎn)發(fā)，將業(yè)務(wù)報文遞送至業(yè)務(wù)側(cè)CE，從而完成車站至車站節(jié)點間的業(yè)務(wù)傳送。

SRv6-BE 隧道承載場景的流量數(shù)據(jù)如表2 所示。

表2 SRv6-BE隧道承載場景Tab.2 Scenario with SRv6-BE tunnel as the bearer tunnel

5 基于SRv6的鐵路承載網(wǎng)應(yīng)用部署建議

針對鐵路綜合承載業(yè)務(wù)場景，業(yè)務(wù)的隧道承載可以根據(jù)承載業(yè)務(wù)安全性、承載業(yè)務(wù)敏感度和承載業(yè)務(wù)的“可容忍度”等需求對應(yīng)的條件指標按照模型進行區(qū)分，不同的模型對應(yīng)匹配不同的SLA 服務(wù)保障需求，結(jié)合SRv6 的兩類隧道承載特點進行劃分。因此建議將端到端安全性要求較高的重要專線業(yè)務(wù)、極低時延抖動的高可靠性業(yè)務(wù)和大規(guī)模跨域互通的業(yè)務(wù)，類似于5G-R 回傳業(yè)務(wù)等，通過SRv6-TE Policy 隧道承載和部署實現(xiàn)；對于類似站間、跨域范圍小且具有大帶寬、低時延和一定的隨機性、突發(fā)性應(yīng)用需求的業(yè)務(wù)通過SRv6-BE 隧道進行承載和部署實現(xiàn)，不同種類的業(yè)務(wù)間通過隧道進行隔離，在保障差異化服務(wù)的同時靈活可靠快速開通。

目前主流的下一代承載網(wǎng)設(shè)備可以分為SPN 設(shè)備和增強型IPRAN 設(shè)備，增強型IPRAN 設(shè)備全面支持基于SRv6 的隧道承載，SPN 設(shè)備也在積極引進和支持SRv6 隧道技術(shù)，屆時主流承載設(shè)備都將具備SRv6 隧道的加載和實現(xiàn)，為云網(wǎng)融合時代的承載提供支撐。

6 結(jié)束語

遠望未來智慧鐵路發(fā)展，鐵路通信邁步至云網(wǎng)融合時代，SRv6 為鐵路智能通信網(wǎng)絡(luò)提供了靈活高效的控制手段和“一步入云”的靈活跨域能力。其部署簡單、容易擴展、維護簡單、智能控制等特點是下一代鐵路承載網(wǎng)重要特性，能夠更好地實現(xiàn)跨域流量調(diào)度和業(yè)務(wù)路徑優(yōu)化，保障關(guān)鍵業(yè)務(wù)質(zhì)量、均衡流量分布、提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率和降低網(wǎng)絡(luò)運行復雜程度。基于SRv6 的鐵路承載網(wǎng)隧道技術(shù)也為鐵路新型業(yè)務(wù)提供創(chuàng)新的起點和平臺，促進智慧鐵路蓬勃發(fā)展。