基于SR 的IPv6 過渡技術(shù)設(shè)計與實現(xiàn)*

蔣元兵，瞿 輝，夏洪君，雷文虎，康宗緒，顏浩洋

（重慶金美通信有限責(zé)任公司，重慶 400030）

0 引 言

隨著IPv4 地址資源的枯竭，IPv6 技術(shù)上升為國家級戰(zhàn)略，將逐步迎來全面部署。IPv4 向IPv6過渡需要一段時間，而隧道技術(shù)是IPv4 向IPv6 過渡的重要技術(shù)?；贛PLS IPv6（6PE）的隧道技術(shù)，可使多個IPv6 孤島在同一個MPLS IPv4 核心網(wǎng)絡(luò)上相互通信，并且只需要升級運營商邊緣（Provider Edge，PE）設(shè)備，不需要改變核心網(wǎng)設(shè)備，不影響現(xiàn)有IPv4 和MPLS 服務(wù)，最大限度地降低成本和風(fēng)險，成為一種最重要的隧道技術(shù)。6PE 隧道技術(shù)采用的MPLS 網(wǎng)絡(luò)的控制平面協(xié)議非常復(fù)雜，大大增加了MPLS 的部署難度，導(dǎo)致很多專用網(wǎng)絡(luò)不具備MPLS 能力，也不具備6PE 隧道的過渡能力。

分段路由（Segment Routin，SR）采用MPLS 標(biāo)簽作為Segment，可以直接使用MPLS 網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)平面，成為一種新型的MPLS 技術(shù)。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）作為一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，使得原本緊密結(jié)合的獨立網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，變成了可訪問、可編程的計算設(shè)備。伴隨著SDN 的興起，SR 技術(shù)可以與SDN 實現(xiàn)完美結(jié)合，從而更加方便且高效地解決網(wǎng)絡(luò)問題[1]。SR 技術(shù)采用SDN 控制器集中計算路徑的段列表，可以簡化現(xiàn)有MPLS 網(wǎng)絡(luò)的控制協(xié)議，并實現(xiàn)流量工程等機制[2]。隨著IPv6 在基于SDN 和SR 的網(wǎng)絡(luò)邊緣部署，迫切需要研究對應(yīng)的IPv6 過渡技術(shù)。

1 研究現(xiàn)狀

1.1 6PE 隧道技術(shù)

6PE 隧道作為一種跨越IPv4/MPLS 網(wǎng)絡(luò)的重要IPv6 過渡技術(shù)，通過MPLS 標(biāo)簽對IPv6 數(shù)據(jù)進行封裝，在IPv4 網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)MPLS 標(biāo)簽進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。6PE 隧道的控制層和轉(zhuǎn)發(fā)層相互分離，分別由BGP和MPLS 實現(xiàn)。

控制層的用戶邊緣設(shè)備（Custom Edge，CE）與PE 設(shè)備之間通過IGP 路由協(xié)議交互IPv6 路由。PE 之間基于MP-BGP 交互IPv6 路由和IPv6 前綴映射標(biāo)簽。骨干網(wǎng)的核心路由器不需要進行特殊處理。

轉(zhuǎn)發(fā)層通過兩層標(biāo)簽封裝IPv6 報文，外層標(biāo)簽為PE之間的隧道標(biāo)簽用于骨干網(wǎng)內(nèi)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，內(nèi)層標(biāo)簽為IPv6 映射標(biāo)簽用于PE 節(jié)點識別IPv6 前綴。源PE 節(jié)點收到CE 發(fā)來的IPv6 報文后，完成兩層標(biāo)簽封裝，核心節(jié)點完成標(biāo)簽交換和轉(zhuǎn)發(fā)，目的PE 節(jié)點彈出內(nèi)層標(biāo)簽進行IPv6 路由轉(zhuǎn)發(fā)。

1.2 軟件定義網(wǎng)絡(luò)

SDN 是一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通過將網(wǎng)絡(luò)控制與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)解耦合構(gòu)建開放可編程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。SDN 對網(wǎng)絡(luò)進行抽象以屏蔽底層復(fù)雜度，為上層提供簡單、高效的配置與管理。SDN 旨在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)和網(wǎng)絡(luò)行為的定義和開放式的接口，從而支持未來各種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。

SDN 采用控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的思路，控制器具有全局視角，統(tǒng)一實現(xiàn)策略的制定、流表的下發(fā)等操作，而轉(zhuǎn)發(fā)器接收來自控制器的請求，執(zhí)行相關(guān)流表的操作[3]。

1.3 分段路由

SR是一種源路由機制，作為一種新型MPLS技術(shù)，用于優(yōu)化IP、MPLS 的網(wǎng)絡(luò)能力，可以使網(wǎng)絡(luò)獲得更佳的可擴展性。SR 和MPLS 網(wǎng)絡(luò)類似，以標(biāo)簽交換為基礎(chǔ)。但是，SR 不需要復(fù)雜的控制協(xié)議，只是對現(xiàn)有的IGP 協(xié)議進行簡單的擴展來攜帶分段路由相關(guān)信息，就可以實現(xiàn)TE、FRR、MPLS VPN 等功能[4]。

SR 的segment 可以采用MPLS 標(biāo)簽，通過IGP路由協(xié)議對SR 的擴展實現(xiàn)標(biāo)簽分發(fā)和同步，也可以由控制器統(tǒng)一負(fù)責(zé)SR 標(biāo)簽的分配、下發(fā)和同步到設(shè)備。轉(zhuǎn)發(fā)平面復(fù)用已有的MPLS 轉(zhuǎn)發(fā)平面，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以不做改動。源節(jié)點在數(shù)據(jù)報頭中插入帶順序的段列表（Segment List，SL），以指示收到這些數(shù)據(jù)包的節(jié)點怎么轉(zhuǎn)發(fā)和處理這些數(shù)據(jù)包。

將SR 與SDN 結(jié)合，利用SDN 網(wǎng)絡(luò)的集中控制特性，實時監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的流量傳輸狀況，為業(yè)務(wù)流計算不同的段列表，從而主動引導(dǎo)業(yè)務(wù)沿著不同的路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的流量工程。基于SR 的顯式路徑只在入口邊界路由器中維護報文流的狀態(tài)，從而提高了網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。因此，SR 對于下一代網(wǎng)絡(luò)具有重要的研究意義。

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 總體設(shè)計

SDN 控制器負(fù)責(zé)控制平面的IPv6 路由同步和SR 隧道建立等功能，邊緣路由節(jié)點（Border Router，BR）完成SR 封裝、解封裝，SR 域內(nèi)路由節(jié)點完成標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

IPv6 子網(wǎng)與直連的BR 節(jié)點通過IGP 路由協(xié)議（OSPFv3、RIPng、BGP4+ 等）交 互IPv6 路 由。BR 節(jié)點為學(xué)習(xí)的IPv6 路由前綴分配標(biāo)簽，并將IPv6 路由和IPv6 前綴映射標(biāo)簽通過SDN 控制器下發(fā)給策略指定的對端BR 節(jié)點。SDN 控制器依據(jù)SR域的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唾Y源狀態(tài)，為BR 節(jié)點計算SR 路徑并下發(fā)，支持最短路徑、指定路徑等約束路徑。SR 域內(nèi)采用MPLS 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1.1 IPv6 路由同步流程

SDN 控制器與BR 節(jié)點建立連接，作為控制通道使用。SDN 控制器根據(jù)配置信息將BR 節(jié)點相關(guān)的本端IPv6 前綴和關(guān)聯(lián)的對端IPv6 前綴下發(fā)給BR節(jié)點。BR 節(jié)點為IPv6 前綴分配映射標(biāo)簽發(fā)送給SDN 控制器。BR 節(jié)點與直接連接的IPv6 網(wǎng)絡(luò)之間采用IGP 路由協(xié)議或靜態(tài)路由交互IPv6 路由表。BR 節(jié)點將學(xué)習(xí)的IPv6 路由與下發(fā)的IPv6 前綴進行比較。如果學(xué)習(xí)的IPv6 路由在下發(fā)路由范圍內(nèi)，則不用向SDN 控制器更新；如果超出范圍，則向SDN 控制器更新IPv6 路由表和前綴映射標(biāo)簽。SDN控制器保存IPv6 前綴與BR 節(jié)點的映射關(guān)系，查詢本地配置信息，通過控制通道將IPv6 路由和IPv6前綴映射標(biāo)簽下發(fā)到指定的對端BR 節(jié)點。對端BR節(jié)點更新本地IPv6 路由表和IPv6 前綴映射標(biāo)簽表，并且通過IGP 路由協(xié)議在直連的IPv6 子網(wǎng)內(nèi)同步。

2.1.2 SR 路徑計算和下發(fā)流程

SR 域內(nèi)的路由節(jié)點之間運行鏈路狀態(tài)路由協(xié)議，向SDN 控制器開放網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜玩溌窢顟B(tài)等資源。SDN 控制器根據(jù)網(wǎng)絡(luò)資源和本地策略計算帶約束的SR 路徑，包括最短路徑、帶寬約束路徑以及指定節(jié)點路徑等。

SDN 控制器接收到BR 節(jié)點更新的IPv6 路由后，根據(jù)IPv6 前綴匹配本地策略庫，查找該路由前綴需要互通的IPv6 子網(wǎng)對應(yīng)的BR 節(jié)點和路徑約束信息。計算滿足源BR 節(jié)點和目的BR 節(jié)點滿足約束條件的SR 路徑，形成SL 列表下發(fā)給源、目的BR 節(jié)點。

2.1.3 IPv6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)處理流程

IPv6 子網(wǎng)通過IPv6 轉(zhuǎn)發(fā)表將IPv6 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到BR 節(jié)點。BR 節(jié)點根據(jù)報文的目的IPv6 地址匹配轉(zhuǎn)發(fā)等價類表和下一跳標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)入口表，獲取SL和IPv6 前綴映射標(biāo)簽。BR 節(jié)點為IPv6 報文封裝標(biāo)簽頭，最里層標(biāo)簽為IPv6 前綴映射標(biāo)簽，用于目的BR 節(jié)點識別IPv6 報文，然后按照SL 依次封裝標(biāo)簽，用于SR 域內(nèi)的MPLS 轉(zhuǎn)發(fā)。封裝格式如圖2 所示。

圖2 報文封裝格式

封裝后的報文在SR域內(nèi)通過SL進行標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)。標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)時，SR 頭部標(biāo)簽為下一跳節(jié)點時，彈出標(biāo)簽后轉(zhuǎn)發(fā)，否則直接通過出接口轉(zhuǎn)發(fā)。目的BR節(jié)點接收到SR 報文后，通過報文頭部的IPv6 映射標(biāo)簽查找入口標(biāo)簽映射表識別IPv6 報文，彈出標(biāo)簽，進行IPv6 路由轉(zhuǎn)發(fā)。

2.2 SDN 控制器設(shè)計

SDN 控制器由南向接口、北向接口和核心控制層3 部分組成，功能模塊如圖3 所示。

圖3 SDN 控制器功能模塊

北向接口用于開放網(wǎng)絡(luò)資源和輸入策略，策略包括網(wǎng)絡(luò)控制策略和IPv6 相關(guān)策略。

南向接口用于SR 域的策略控制、資源感知和狀態(tài)上報。SDN 控制器與各路由節(jié)點建立邏輯連接，采用南向接口協(xié)議進行通信。

核心控制層完成SDN 控制器的核心控制功能，包括拓?fù)涔芾?、路徑計算、策略管理、資源管理以及標(biāo)簽管理等模塊。針對IPv6 路由增加IPv6 路由管理，維護IPv6 路由、BR 節(jié)點、IPv6 前綴映射標(biāo)簽的關(guān)系。針對SR 增加標(biāo)簽管理，為網(wǎng)絡(luò)分配標(biāo)簽，為SR 路徑進行標(biāo)簽映射。

2.3 邊緣路由器設(shè)計

SR 域內(nèi)的節(jié)點按照部署位置分為域內(nèi)路由器和邊緣路由器。邊緣路由器作為SR 域的一部分，具備域內(nèi)路由器的全部能力，還需要具備IPv6 路由協(xié)議、IPv6 交換和SR 報文處理能力。功能模塊組成如圖4 所示。

圖4 邊緣路由器功能模塊

邊緣路由器由IP 交換、SR 報文處理、南向接口、IPv4 路由協(xié)議、IPv6 路由協(xié)議、路由管理、路徑管理、策略管理和信息表（IP 轉(zhuǎn)發(fā)表、轉(zhuǎn)發(fā)等價類表FEC、標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)信息表LFIB、下一跳標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)入口表NHLFE）組成。

IP 交換模塊對進入邊緣路由器的IP 數(shù)據(jù)（包括IPv6 數(shù)據(jù)）進行IP 交換，根據(jù)IP 轉(zhuǎn)發(fā)表進行二層交換、三層交換和送給SR 報文處理模塊。

SR 報文處理模塊首先根據(jù)目的IPv6 地址查找FEC 表和NHLFE 表，獲取IPv6 前綴映射標(biāo)簽和SL，按照圖2 的格式封裝SR 報文，將生成的SR報文進行標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)。接收的SR 報文根據(jù)分組頭部的第一個SID 標(biāo)簽查找LFIB 表，獲取下一跳SID標(biāo)簽和出接口，進行標(biāo)簽操作后，封裝以太網(wǎng)幀頭發(fā)送到出接口。標(biāo)簽操作時，當(dāng)SR 報文頭部第一個標(biāo)簽為下一跳標(biāo)簽時，執(zhí)行標(biāo)簽彈出操作；當(dāng)不是下一跳時，SR 報文頭部標(biāo)簽不變；當(dāng)標(biāo)簽為棧底時，識別IPv6 報文，送給IP 交換模塊進行IP 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。

南向接口模塊負(fù)責(zé)與SDN 控制器通信，交互網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、資源信息、接口狀態(tài)、流量統(tǒng)計和策略控制等。南向接口還用于邊緣路由器與SDN 控制器交互IPv6 路由同步、SL 路徑控制等消息。

IPv6 路由協(xié)議運行支持IPv6 的IGP 路由協(xié)議，如OSPFv3、BGP4+，與IPv6 子網(wǎng)交互IPv6 路由，形成IPv6 轉(zhuǎn)發(fā)表下發(fā)給路由管理模塊。

IPv4 路由協(xié)議運行支持IPv4 的IGP 路由協(xié)議，在SR 域內(nèi)學(xué)習(xí)IPv4 路由，下發(fā)給路由管理模塊。擴展IGP 協(xié)議后用于SR 域內(nèi)的SID 標(biāo)簽同步，形成基于最短路徑的LFIB 表。

設(shè)備管理模塊完成設(shè)備的參數(shù)配置、靜態(tài)路由配置、端口狀態(tài)檢測和端口流量統(tǒng)計等。

策略管理模塊負(fù)責(zé)處理和維護SDN 控制器下發(fā)的轉(zhuǎn)發(fā)策略，形成FEC 表和NHLFE 表。

路徑管理模塊負(fù)責(zé)處理和維護SDN 控制器下發(fā)的SR 路徑。

FEC/NHLFE 用于源BR 節(jié)點將IP 報文引導(dǎo)進入SR 域，維護IP、標(biāo)簽和SL 之間的映射關(guān)系。

LFIB 是根據(jù)IPv4 轉(zhuǎn)發(fā)表形成的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表，用于SR 報文進行下一跳標(biāo)簽的查詢和標(biāo)簽操作。

3 測試驗證

3.1 測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

在服務(wù)器上通過軟件路由器構(gòu)建模擬測試網(wǎng)絡(luò)，采用R1、R2、R3 構(gòu)建SR 域的域內(nèi)路由器。BR1、BR2、BR3 作為邊緣路由器與域內(nèi)路由器互聯(lián)。邊緣路由器支持IPv6 路由能力。SDN 控制器與邊緣路由器建立邏輯連接，邊緣路由器連接用戶終端，構(gòu)建如圖5 所示的測試拓?fù)洹?/p>

圖5 測試網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

標(biāo)簽分別設(shè)置為2001 ～2006，網(wǎng)關(guān)接口地址為網(wǎng)段的第一個，計算機地址設(shè)置為網(wǎng)段的第二個，節(jié)點的IP 地址為2.0.0.1 ～2.0.0.6。

3.2 路由前綴及映射標(biāo)簽測試

SDN 控制器與BR 節(jié)點之間建立連接，下發(fā)IPv6 路由信息，測試BR 節(jié)點為對端節(jié)點分配的IPv6 前綴映射標(biāo)簽通過SDN 控制器的同步。測試要 求3001::1/64 與3002::1/64 和3003::1/64 互 通，3002::1/64 與3003::1/64 不通。

SDN 控制器與BR1 建立連接，SDN 控制器將本節(jié)點IPv6 網(wǎng)段、3002::1/64—2.0.0.5、3003::1/64—2.0.0.6 下 發(fā) 給BR1。BR1 為3001::1/64 分 配 標(biāo) 簽10000，返回給SDN 控制器。同理，SDN 控制器將3001::1/64—2.0.0.1 和本節(jié)點的IPv6 網(wǎng)段下發(fā)給BR2 和BR3。BR2 為3002::1/64 分配標(biāo)簽10000，BR3 為3003::1/64 分配標(biāo)簽10000。

同步后，BR1、BR2 和BR3 之間維護的IPv6前綴和標(biāo)簽如表1 ～表3 所示。

表1 BR1 維護的IPv6 路由及標(biāo)簽

表2 BR2 維護的IPv6 路由及標(biāo)簽

表3 BR3 維護的IPv6 路由及標(biāo)簽

3.3 SR 路徑建立測試

在SDN 控制器建立BR1 與BR2、BR1 與BR3的SR 路徑。假定控制策略為BR1 與BR2 采用最短路徑，BR1 與BR3 必須經(jīng)過節(jié)點R2。SR 域內(nèi)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表由IPv4 路由協(xié)議提供標(biāo)簽分發(fā)和同步，如R1 的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表如表4 所示。

表4 R1 的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)表

SDN 控制器為BR1 與BR2 計算SL，路徑采用最短路徑，SL 為2001、2005。SDN 控制器計算BR1到BR3 的SL，必 須 經(jīng) 過R2，SL 為2001、2003、2006。SDN 控制器將兩條SL 發(fā)送給BR1，同理也為BR2 和BR3 計算到BR1 的SL。SDN 控制器下發(fā)IPv6 前綴與SL 列表ID 的對應(yīng)關(guān)系。BR1、BR2、BR3 形成IPv6 前綴與SL 及SL ID 之間的對應(yīng)關(guān)系，如表5 ～表7 所示。

表5 BR1 維護的IPv6 路由及標(biāo)簽

表6 BR2 維護的IPv6 路由及標(biāo)簽

表7 BR3 維護的IPv6 路由及標(biāo)簽

3.4 數(shù)據(jù)通信測試

通過PC1、PC2、PC3 之間的ping 包測試，驗證BR1 連接的IPv6 子網(wǎng)能夠與BR2 和BR3 連接的IPv6 子網(wǎng)互通，BR2 和BR3 連接的IPv6 子網(wǎng)不能互通。PC1 與PC2 能夠互通，結(jié)果見圖6。PC2 與PC3 不通，路由不可達(dá)。

圖6 ping 包結(jié)果

在BR1 抓包查看BR1 分別發(fā)送到BR2、BR3的報文封裝，如圖7 和圖8 所示。

圖7 BR1 轉(zhuǎn)發(fā)到BR2 的報文封裝

圖8 BR1 轉(zhuǎn)發(fā)到BR3 的報文封裝

4 結(jié) 語

隨著骨干網(wǎng)絡(luò)由MPLS 技術(shù)向SDN 和SR 技術(shù)升級以及IPv6 的大規(guī)模部署，必然面臨要改進基于MPLS 的6PE 隧道過渡技術(shù)的問題。本文設(shè)計的基于SDN 和SR 技術(shù)的IPv6 過渡技術(shù)，適用于IPv6子網(wǎng)跨越基于SDN 與SR 技術(shù)構(gòu)建的骨干網(wǎng)絡(luò)。通過將SR 技術(shù)與SDN 技術(shù)完美結(jié)合，方便且高效地實現(xiàn)了IPv6 子網(wǎng)跨SR 域的IPv6 路由同步和IPv6報文基于SR 標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)，還能夠?qū)崿F(xiàn)IPv6 子網(wǎng)之間基于約束路徑的通信。同時，基于網(wǎng)絡(luò)的實際部署情況，后續(xù)還可以從約束路徑策略、IPv6 路由同步策略降低骨干網(wǎng)流量等方面繼續(xù)研究。