5G承載網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)
——SR技術(shù)研究與分析

段 宏，劉曉村，焦明濤（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通湖北分公司，湖北武漢 430048）

0 引言

隨著中國工業(yè)和信息化部正式宣布向中國電信、中國移動、中國聯(lián)通、中國廣電發(fā)放5G商用牌照，中國正式進入5G時代。中國也成為繼韓國、美國、瑞士、英國后，第5個正式商用5G的國家。

1G、2G、3G 和4G 主要滿足于“人與人”之間的通信需求，5G 除滿足于“人與人”之間的通信需求外，還極大程度滿足于“人與物”“物與物”之間的通信需求。5G 的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在eMBB、uRLLC、mMTC 三大應(yīng)用場景。這些應(yīng)用場景對5G 承載網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時延、高可靠性、海量連接、網(wǎng)絡(luò)切片等方面提出了更高的承載要求。因此，SR（Segment Routing）、FlexE（Flexible Ethernet）和EVPN（Ethernet Virtual Private Network）等5G 承載網(wǎng)絡(luò)新技術(shù)應(yīng)運而生并逐漸為業(yè)界所廣泛接受。本文主要對SR技術(shù)進行詳細(xì)的研究與分析。

1 SR技術(shù)簡介

1.1 SR技術(shù)產(chǎn)生的背景

在傳統(tǒng)MPLS 承載網(wǎng)絡(luò)中，通常采用OSPF/ISIS 作為IGP 協(xié)議，采用MP-BGP 傳遞VPN 信息，并使用LDP/RSVP-TE 分配標(biāo)簽，實現(xiàn)流量工程及帶寬控制管理。經(jīng)過長期應(yīng)用和實踐發(fā)現(xiàn)，若要進一步提升網(wǎng)絡(luò)性能，需要解決以下問題。

a）協(xié)議過多。除IGP、BGP 外，還需運行LDP/RSVP-TE 協(xié)議，這很大程度上提升了協(xié)議之間交互的復(fù)雜度，給網(wǎng)絡(luò)部署和運維帶來很大問題。

b）網(wǎng)絡(luò)效率低。沿標(biāo)簽交換路徑，需逐跳解析、交換和傳遞標(biāo)簽。

c）RSVP-TE是一種“永遠(yuǎn)在用”的方案，其帶寬需要在每一跳進行預(yù)留，且每一跳的狀態(tài)均需要保持更新，占用大量網(wǎng)絡(luò)資源。同時，它對等價多路徑（ECMP——Equal Cost Multi Path）的支持較差。

d）無環(huán)路備份/遠(yuǎn)端無環(huán)路備份（LFA/RLFA）不能100%形成FRR 保護，備份/修復(fù)路徑不一定是收斂后的路徑。

為了解決上述問題，并結(jié)合5G等新技術(shù)對承載網(wǎng)絡(luò)的需求，逐步開始啟用SR技術(shù)。

1.2 SR技術(shù)的理念

SR 英文全稱為Segment Routing，直譯為“段”“路由”。SR 的概念和技術(shù)體系由美國Cisco 公司于2013年首次提出，其發(fā)明者和重要推動者是Cisco 院士Clarence Filsfils。

SR 技術(shù)被稱為“下一代MPLS”技術(shù)，它采用一種全新的網(wǎng)絡(luò)理念，即應(yīng)用驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。在這個架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)是計算平臺，Segment是指令，兩者有機配合將應(yīng)用需求自動、無縫地映射到網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施之上，進而實現(xiàn)端到端的配置及調(diào)度。SR 的源路由和無狀態(tài)特性使其成為SDN/NFV 在IP 網(wǎng)絡(luò)下一步發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)，已逐漸成為SDN 的主流網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)，它在控制顆粒度、運營復(fù)雜度中找到了一個新的平衡，結(jié)合了“集中控制的大局觀與分布智能的精細(xì)化”兩方面的優(yōu)勢，在現(xiàn)代大規(guī)模數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)、廣域骨干網(wǎng)絡(luò)和本地承載網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計、控制和操作的演進過程中必將發(fā)揮重要作用。SR被譽為是繼MPLS之后最重要的創(chuàng)新之一。

2 SR技術(shù)原理

SR 是基于源路由機制的一種技術(shù)架構(gòu)，通過在源節(jié)點的數(shù)據(jù)包報頭中插入帶順序的Segment 列表，來指示接收到這些數(shù)據(jù)包的節(jié)點如何處理和轉(zhuǎn)發(fā)這些數(shù)據(jù)包，進而實現(xiàn)對路徑的控制。

SR 不需要LDP 和RSVP-TE 協(xié)議，僅需對IGP、BGP 協(xié)議簡單擴展，就可以實現(xiàn)TE、FRR、MPLS VPN等功能，大大簡化了網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和部署，并且可以和現(xiàn)有MPLS 技術(shù)無縫互操作，支持由MPLS 網(wǎng)絡(luò)向SR 的平滑演進和升級。

2.1 Segment介紹

Segment 中文直譯為“段”，在SR 技術(shù)中其本質(zhì)含義為“指令”，即節(jié)點針對所接收到的數(shù)據(jù)包要執(zhí)行的指令，指令的例子包括依據(jù)最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包到目的地、通過指定接口轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包、將數(shù)據(jù)包發(fā)送到指定應(yīng)用/服務(wù)實例等。

Segment 可以劃分為全局Segment 和本地Segment。

2.1.1 全局Segment

全局Segment 是指SR 域中所有節(jié)點均支持與全局Segment 相關(guān)聯(lián)的指令，并且每個節(jié)點在其轉(zhuǎn)發(fā)表中均安裝全局Segment 的指令。常見的全局Segment分類如圖1所示，其Segment指令含義如表1所示。

以IGP Prefix Segment 為例，其轉(zhuǎn)發(fā)示意圖如圖2所示。節(jié)點1～4、11、12 對應(yīng)的前綴分別為1.1.1.1/32～1.1.1.4/32、1.1.1.11/32、1.1.1.12/32，其中前綴1.1.1.12/32對應(yīng)的Segment為16012。

若在源節(jié)點11 給Payload（凈荷）壓入Segment{16012}，由于每條鏈路的Cost 值均相同，因此源節(jié)點11到目的節(jié)點12的最短等價路徑有2條，所以Payload將沿著圖中2條紅線所示路徑轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點12。

圖1 常見的全局Segment分類示意圖

表1 常見的全局Segment的指令含義

圖2 IGP Prefix Segment轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

2.1.2 本地Segment

本地Segment 是指只有生成本地Segment 的節(jié)點支持與該本地Segment 相關(guān)聯(lián)的指令，并且只有生成本地Segment 的節(jié)點在其轉(zhuǎn)發(fā)表中安裝相關(guān)聯(lián)的指令。常見的本地Segment 分類如圖3 所示，其Segment指令含義如表2所示。

以IGP Adjacency Segment 為例，其轉(zhuǎn)發(fā)示意圖如圖4 所示。節(jié)點1～4、11、12 及對應(yīng)的前綴配置同圖3。節(jié)點1 至節(jié)點3、節(jié)點11 的單方向Segment 分別為30103、30111；節(jié)點11 至節(jié)點3 的單方向Segment 分別為31103。

表2 常見的本地Segment的指令含義

由于每條鏈路的Cost 值均相同，由源節(jié)點1 到目的節(jié)點3的流量，一般情況下將沿節(jié)點1至節(jié)點3的最短直達(dá)路由轉(zhuǎn)發(fā)。若在源節(jié)點1 給Payload（凈荷）壓入Segment{30111，31103}，則表示將Payload 沿著與該Segment 相關(guān)聯(lián)的鄰接鏈路（即30111，31103）轉(zhuǎn)發(fā)，詳見圖4 中紅線所示路徑，以達(dá)到人工控制轉(zhuǎn)發(fā)路徑的目的。

2.2 SR功能實現(xiàn)

Segment 是SR 的構(gòu)建模塊，這些構(gòu)建模塊可以被組合起來形成Segment 列表，生成一條轉(zhuǎn)發(fā)路徑。SR將代表轉(zhuǎn)發(fā)路徑的Segment 列表編碼在數(shù)據(jù)包頭部，隨數(shù)據(jù)包傳輸。接收節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后，對Segment列表進行解析，如果Segment 列表頂部的Segment 與本節(jié)點不匹配，則使用ECMP 方式將數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)到下一節(jié)點；如果與本節(jié)點匹配，則彈出該標(biāo)識，然后進行下一步處理。如此往復(fù)，最終引導(dǎo)數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中實現(xiàn)端到端的傳輸。通過SR功能，實現(xiàn)本地網(wǎng)中路由器A和廣域網(wǎng)中路由器B進行通信的示意如圖5所示。

圖3 常見的本地Segment分類示意圖

圖4 IGP Adjacency Segment轉(zhuǎn)發(fā)示意圖

圖5 典型的SR功能實現(xiàn)示意圖

2.2.1 期望的轉(zhuǎn)發(fā)路徑

a）源節(jié)點13 至本地網(wǎng)與廣域網(wǎng)之間的邊界節(jié)點5。

b）節(jié)點5至節(jié)點7。

c）節(jié)點7 沿著低時延、高Cost 值鏈路至目的節(jié)點8。

2.2.2 SR實現(xiàn)方法

a）在源節(jié)點13 給Payload（凈荷）壓入Segment 列表{16005，16007，30708}。

b）16005 與16007 的Segment 類型為IGP Prefix Segment（全局Segment）；30708 的Segment 類型為IGP Adjacency Segment（本地Segment）。

2.2.3 實際轉(zhuǎn)發(fā)路徑及說明

a）16005 引導(dǎo)流量沿著“節(jié)點13→節(jié)點14→節(jié)點5”、“節(jié)點13→節(jié)點15→節(jié)點5”路徑（圖5 中紅色路徑），由節(jié)點13 轉(zhuǎn)發(fā)至節(jié)點5。這2 條路徑負(fù)載均衡且互為保護。

b）16007（圖5 中黃色路徑）轉(zhuǎn)發(fā)原理與16005 相同，不再贅述。

c）30708 引導(dǎo)流量沿著低時延、高Cost 值的路徑（圖5中紫色路徑）至節(jié)點8。

通常，Segment 列表只需由3 個或4 個Segment 組成，即可實現(xiàn)數(shù)據(jù)端到端的轉(zhuǎn)發(fā)。

3 SR技術(shù)在5G承載網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用

5G 時代，承載網(wǎng)絡(luò)目前的主流技術(shù)仍然為MPLS。針對MPLS 控制平面，對現(xiàn)有IGP 協(xié)議、BGP 協(xié)議簡單擴展，增加SR信息，即可實現(xiàn)SR控制功能；針對MPLS數(shù)據(jù)平面，無需做任何改變就可以實現(xiàn)SR 轉(zhuǎn)發(fā)功能。因此，可以在MPLS 網(wǎng)絡(luò)中無縫部署SR。同時，SR 的源路由特性，使得SR 技術(shù)可以與SDN 技術(shù)緊密結(jié)合，從而更好地進行集中式控制，實現(xiàn)端到端的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。典型的5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖6所示。

圖6 典型的5G承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)示意圖

3.1 SR控制平面

對MPLS 控制平面的IGP、BGP 協(xié)議進行擴展，可實現(xiàn)SR的控制功能。

3.1.1 SR IGP控制平面

SR IGP控制平面，分為ISIS SR和OSPF SR 2類。

ISIS 是一個高度可擴展的協(xié)議，不使用固定格式通告，而是使用類型/長度/值（TLV）三元組來編碼其通告中的信息。通過定義新TLV 或擴展現(xiàn)有TLV，將IGP Prefix Segment 和IGP Adjacency Segment 等附加到各種前綴和鄰接通告TLV上，可以實現(xiàn)ISIS SR控制平面功能。

OSPF 通過引入不透明鏈路狀態(tài)通告（Opaque LSA）的方式對現(xiàn)有固定長度的鏈路狀態(tài)通告（LSA）協(xié)議進行擴展，并結(jié)合擴展前綴TLV和擴展鏈路TLV，來支持IGP Prefix Segment 和IGP Adjacency Segment 等功能，進而實現(xiàn)OSPF SR控制平面功能。

IGP Prefix Segment、IGP Adjacency Segment 等使用鏈路狀態(tài)IGP通告進行分發(fā)。

3.1.2 SR BGP控制平面

SR 通過對BGP 進行擴展來通告BGP Prefix Segment 等。BGP Prefix Segment 等屬性字段包含一個或多個TLV，目前已定義的TLV 有：標(biāo)簽索引（Label-Index）TLV、始發(fā)者（Originator）SRGB TLV、IPv6 SID TLV。支持SR 功能的節(jié)點，將前綴對應(yīng)的BGP Prefix Segment 等附加到BGP 的前綴通告中，進而實現(xiàn)基于BGP協(xié)議的SR BGP控制平面功能。

3.2 SR數(shù)據(jù)平面

SR 數(shù)據(jù)包在其頭部攜帶Segment 列表，其基本操作主要有3 種：壓入（PUSH）、繼續(xù)（CONTINUE）、下一個（NEXT）。

SR 應(yīng)用于MPLS 架構(gòu)后，根據(jù)MPLS 架構(gòu)規(guī)范（RFC 3031）定義的MPLS 轉(zhuǎn)發(fā)操作，通過對數(shù)據(jù)包頭部的標(biāo)簽棧執(zhí)行3 個基本操作：壓入（PUSH）、交換（SWAP）、彈出（POP）來實現(xiàn)SR 數(shù)據(jù)平面的相關(guān)操作。具體的操作映射方式詳見表3。

表3 Segment列表操作映射到MPLS標(biāo)簽棧操作對照表

3.3 SR分類及特性

SR 技術(shù)主要包括SR-BE（Segment Routing-Best Effort）和SR-TE（Segment Routing-Traffic Engineering）2 種。SR-BE 是指IGP 使用最短路徑優(yōu)先算法（SPF）計算得到最優(yōu)SR LSP。SR-TE 是指基于TE 的約束屬性，利用SR協(xié)議創(chuàng)建的隧道。

3.3.1 SR-BE

SR-BE 通常基于IGP Prefix Segment，由IGP 使用最短路徑優(yōu)先算法計算得到最優(yōu)SR LSP，其創(chuàng)建和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程可與LDP LSP 進行類比。典型的SR-BE原理示意圖（基于MPLS架構(gòu)）如圖7所示。

SR-BE建立的主要步驟如下：

圖7 典型的SR-BE原理示意圖（基于MPLS架構(gòu)）

a）網(wǎng)絡(luò)配置：對網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點配置SR 全局塊（SRGB——Segment Routing Global Block）和標(biāo)簽塊索引（Prefix SID），通過IGP報文泛洪擴散。通常情況下，各節(jié)點SRGB范圍均保持一致，以便統(tǒng)一規(guī)劃和管理。

b）標(biāo)簽分配：各節(jié)點解析接收到的IGP 報文，根據(jù)自己的SRGB 計算自己的標(biāo)簽值，計算公式為本節(jié)點的標(biāo)簽值=本節(jié)點的SRGB起始值+Prefix SID；同時，該節(jié)點根據(jù)下一跳節(jié)點發(fā)布的SRGB 計算本節(jié)點的出向標(biāo)簽值，公式為本節(jié)點的出向標(biāo)簽值=下一跳節(jié)點的SRGB起始值+Prefix SID。

c）路徑計算：各節(jié)點根據(jù)IGP 收集到的拓?fù)?，使用相同的最短路徑?yōu)先算法，計算標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑，生成轉(zhuǎn)發(fā)表項，建立SR-BE LSP。

d）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)：沿著SR-BE LSP 的路徑，通過MPLS架構(gòu)的標(biāo)簽棧操作方式PUSH、SWAP、POP 實現(xiàn)SR 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)功能。

需要說明的一點是：基于最短路徑優(yōu)先算法，如果存在2 條或多條等價標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑，則這些路徑以負(fù)載分擔(dān)的方式轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，并且互為保護。

3.3.2 SR-TE

SR-TE 通常基于IGP Adjacency Segment，一般由控制器負(fù)責(zé)計算SR LSP，并將與路徑對應(yīng)的標(biāo)簽棧下發(fā)給數(shù)據(jù)平面進行轉(zhuǎn)發(fā)操作，其創(chuàng)建和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程可與RSVP-TE LSP 進行類比。在SR-TE 隧道的入節(jié)點上，源節(jié)點設(shè)備根據(jù)標(biāo)簽?？刂茢?shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。典型的SR-TE 原理示意圖（基于MPLS 架構(gòu)）如圖8所示。

SR-TE建立的主要步驟如下：

圖8 典型的SR-TE原理示意圖（基于MPLS架構(gòu)）

a）基礎(chǔ)配置：網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點配置IGP SR，生成鏈路拓?fù)浜蜆?biāo)簽信息（配置過程與SR-BE 類似，此處不再贅述）。

b）信息上報：由BGP 鏈路狀態(tài)（BGP-LS——Border Gateway Protocol-Link State）將拓?fù)浜蜆?biāo)簽信息上報給控制器。

c）鏈路生成：由路徑計算單元通信協(xié)議（PCEP——Path Computation Element Communication Protocol）完成標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑計算。

d）信息下發(fā)：控制器通過NETCONF和PCEP分別將隧道配置和標(biāo)簽棧信息下發(fā)給節(jié)點。

e）隧道建立：節(jié)點根據(jù)隧道配置和標(biāo)簽棧信息建立SR-TE隧道，并將隧道的LSP狀態(tài)上報控制器。

需要說明的一點是：SR-TE 可分為嚴(yán)格約束和松散約束。若SR-TE 嚴(yán)格控制端到端的每一跳路徑（如圖8 所示），則稱之為嚴(yán)格約束；若SR-TE 只對部分路徑進行約束，則稱之為松散約束，此時未被約束的路徑默認(rèn)按照支持ECMP 的最短路徑優(yōu)先算法轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)。

3.3.3 SR保護技術(shù)

常見的SR 保護技術(shù)有Hot-Standby 保護、TE FRR保護、TI-LFA FRR保護等。

a）Hot-Standby保護（又稱為LSP 1∶1）。Hot-Standby是指創(chuàng)建主用LSP后隨即創(chuàng)建備用LSP，備用LSP始終處于熱備份狀態(tài)。當(dāng)源節(jié)點感知到主用LSP故障時，直接將流量切換到備用LSP，備用LSP提供整條LSP級別的保護。

Hot-Standby 保護一般應(yīng)用于SR-TE，是一種端到端的保護技術(shù)。

b）TE FRR 保護。流量工程快速重路由（TE FRR——Traffic Engineering Fast ReRoute）會預(yù)先建立繞過故障鏈路或者節(jié)點的備份路徑，使得隧道鏈路或節(jié)點故障時不依賴IGP 協(xié)議的重收斂（IGP 重收斂涉及CSPF 重新計算路徑、LSP 重新建立等過程，速度較慢），快速切換到備份路徑，避免流量丟失。流量從備份路徑轉(zhuǎn)發(fā)的同時，頭節(jié)點會繼續(xù)發(fā)起主路徑的重建。

TE FRR保護一般應(yīng)用于SR-TE，是一種局部保護技術(shù)。

c）TI-LFA FRR 保護。拓?fù)錈o關(guān)無環(huán)路備份快速重路由（TI-LFA FRR——Topology Independent-Loop Free Alternate Fast ReRoute）基于RLFA 技術(shù)原理并與SR 顯示路徑相結(jié)合，可保證節(jié)點或鏈路理論上形成100%的FRR保護，從而彌補傳統(tǒng)LFA/RLFA 保護技術(shù)不一定形成100%保護的缺點。當(dāng)某處鏈路或節(jié)點故障時，將選擇收斂后的路徑作為備份路由轉(zhuǎn)發(fā)路徑，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)流量，從而最大程度上避免流量的丟失。

TI-LFA FRR 保護一般應(yīng)用于SR-BE，也可應(yīng)用于SR-TE，只要理論上存在保護的可能性，則可針對任意拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)提供保護。

3.3.4 SR特點及優(yōu)勢

由于SR 基于源路由技術(shù)，摒棄LDP/RSVP-TE 協(xié)議，僅對IGP/BGP 協(xié)議擴展即可實現(xiàn)SR 功能，且保護技術(shù)新增TI-LFA 方式，因此相比傳統(tǒng)MPLS LDP/RSVP-TE技術(shù)，具有顯著的特點及優(yōu)勢，傳統(tǒng)MPLS技術(shù)與SR技術(shù)對比如表4所示。

SR 技術(shù)可根據(jù)業(yè)務(wù)類型、網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、配置要求等因素，合理選擇SR-BE、SR-TE 或二者組合，更好地滿足業(yè)務(wù)需求。SR-BE、SR-TE的特點如表5所示。

4 總結(jié)和展望

SR 基于源路由技術(shù)，簡化控制平面協(xié)議，通過源節(jié)點控制和調(diào)整業(yè)務(wù)路徑，同時可以更好地與SDN 相結(jié)合，保持集中式控制和分布式之間的平衡，并且通過TI-LFA 和Hot-Standby等多種保護技術(shù)相結(jié)合的方式理論上可對任意場景提供100%的保護。SR代表的是一種應(yīng)用驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)的全新網(wǎng)絡(luò)理念，被譽為是繼MPLS之后最重要的創(chuàng)新之一。

以5G為引領(lǐng)的新一代移動通信技術(shù)，對承載網(wǎng)絡(luò)大帶寬、低時延、高可靠性、海量連接、網(wǎng)絡(luò)切片等方面提出了更高的要求。隨著以SR 為代表的新技術(shù)的不斷成熟以及在承載網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，通信網(wǎng)絡(luò)逐步向著更簡捷、更高效、更智能、更安全、更快速的方向演進，也必將極大地促進車聯(lián)網(wǎng)、智慧城市、智慧工業(yè)、智慧醫(yī)療等行業(yè)興盛，從而助推國民經(jīng)濟的長足發(fā)展。

表4 傳統(tǒng)MPLS技術(shù)與SR技術(shù)對比表

表5 SR-BE與SR-TE特點對比表