分段路由基于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的設(shè)計探究

唐寅 張進(jìn) 江逸茗

【摘要】? ? 云網(wǎng)融合和業(yè)務(wù)的創(chuàng)新發(fā)展，對網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)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(shù)指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)。分段路由作為重要的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，提供了多條路徑的計算方法以及多路徑選擇技術(shù)。在分段路由策略的基礎(chǔ)上，擴(kuò)展策略模板增加了服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，用于表示可提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求;通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)檢測技術(shù)，對多個候選路徑同時質(zhì)量檢測，根據(jù)檢測的結(jié)果來決定選擇哪條路徑作為最優(yōu)路徑，提升了轉(zhuǎn)發(fā)器對業(yè)務(wù)需求定制化的能力，更好的滿足業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。

【關(guān)鍵詞】? ? 分段路由? ? 分段路由策略? ? 確定性網(wǎng)絡(luò)? ? 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量

一、背景

云網(wǎng)融合網(wǎng)絡(luò)的特征在于提供更加智能、靈活的連接，其技術(shù)內(nèi)涵是面向云和網(wǎng)的基礎(chǔ)資源層，通過實施虛擬化/云化乃至一體化的技術(shù)架構(gòu)，最終實現(xiàn)簡潔、敏捷、開放的新型信息基礎(chǔ)設(shè)施的資源供給。數(shù)字化轉(zhuǎn)型的加速，使得云對網(wǎng)絡(luò)的需求更加強(qiáng)調(diào)靈活定制和快速交付能力，網(wǎng)絡(luò)面向云業(yè)務(wù)持續(xù)提供可靠連接服務(wù)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(wǎng)絡(luò)資源可以根據(jù)云業(yè)務(wù)的需求量、用戶訪問量等因素實現(xiàn)動態(tài)的實時優(yōu)化。

分段路由（Segment Routing，SR）正是在此背景下產(chǎn)生的。通過SR可以簡易的定義一條顯式路徑，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點只需要維護(hù)SR的段信息，可應(yīng)對業(yè)務(wù)的實時快速發(fā)展。SR通過對現(xiàn)有路由協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，能使現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)更好的平滑演進(jìn);同時支持控制器的集中控制模式和轉(zhuǎn)發(fā)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(jié)點和尾節(jié)點承擔(dān)了維護(hù)SR MPLS隧道狀態(tài)和策略的任務(wù)，在基于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的場景中，頭節(jié)點也承擔(dān)了和控制器對接的角色;因此基于SR的頭端節(jié)點隧道相關(guān)的管理是非常重要的。

使用SR技術(shù)，帶來的受益主要包括：1.簡化MPLS網(wǎng)絡(luò)的控制平面。使用控制器或者路由協(xié)議集中計算路徑并分發(fā)標(biāo)簽，不再需要額外的隧道協(xié)議。2.具有更好的網(wǎng)絡(luò)容量擴(kuò)展能力。使用的標(biāo)簽數(shù)量只和網(wǎng)絡(luò)規(guī)模相關(guān)，與隧道數(shù)量和業(yè)務(wù)規(guī)模無關(guān)，設(shè)備控制層面壓力小。3.更好的向SDN網(wǎng)絡(luò)平滑演進(jìn)?；谠绰酚衫砟睿ㄟ^源節(jié)點即可控制數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，可靈活簡便的實現(xiàn)路徑控制與調(diào)整。

二、分段路由策略

SR的發(fā)展初期，使用隧道接口體系進(jìn)行引流。主要原因為能兼容原有的技術(shù)實現(xiàn)路線，早期能滿足大多數(shù)用戶的需要。隨著網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)種類增多，以及不同類型業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的要求，隧道接口體系存在著明顯不足，主要包括： 需要預(yù)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(wǎng)狀的隧道，造成可擴(kuò)展性問題，由于隧道與路徑一對一的關(guān)系，因此要配置多個隧道接口用于實現(xiàn)多條路徑，配置繁瑣且影響擴(kuò)展性。

分段路由策略（Segment Routing Policy，SR Policy）是在SR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展出來的隧道引流技術(shù)。通過SR Policy路徑表示為指定路徑的段列表，指示網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備遵循指定的路徑。如果數(shù)據(jù)包被導(dǎo)入SR Policy中，段列表由頭端添加到數(shù)據(jù)包上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

為了解決傳統(tǒng)隧道接口體系存在的問題，并為SR Policy后續(xù)創(chuàng)新打造更加堅實的基礎(chǔ)，文獻(xiàn)[1]提出全新的SR Policy體系架構(gòu)。SR Policy由（頭端，顏色，端點）三元組標(biāo)識。在給定的頭端節(jié)點上，SR Policy由（顏色，端點）二元組標(biāo)識。頭端：SR Policy 生成/配置的地方，通常在分段網(wǎng)絡(luò)的入口設(shè)備。 顏色：用于區(qū)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(dá)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(jié)點，是一個IPv4/IPv6地址，通常在分段網(wǎng)絡(luò)的出口設(shè)備。

SR Policy的候選路徑代表將流量從相應(yīng)SR Policy頭端傳送到端點的特定方式。每條候選路徑有一個優(yōu)先級，路徑的優(yōu)先級值越高則越優(yōu)選。SR Policy具有至少一條候選路徑，其中具有最高優(yōu)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(dǎo)至SR Policy的數(shù)據(jù)包，此段列表將被壓入到數(shù)據(jù)包報頭中進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。

SR Policy提供了靈活的轉(zhuǎn)發(fā)路徑選擇方法，滿足用戶和業(yè)務(wù)不同的轉(zhuǎn)發(fā)需求。當(dāng)SR網(wǎng)絡(luò)的源節(jié)點和目的節(jié)點之間存在多條路徑時，合理利用SR Policy選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑，不僅可以方便管理員對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理和規(guī)劃，還可以有效地減輕網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)壓力。

三、確定性網(wǎng)絡(luò)的要求

文獻(xiàn)[2]闡述了確定性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)要求，確定性網(wǎng)絡(luò)是指能保證業(yè)務(wù)的確定性帶寬、時延、抖動、丟包率指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)，幫助實現(xiàn)從“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)到“準(zhǔn)時、準(zhǔn)確、快速”網(wǎng)絡(luò)的過渡，控制并降低端到端時延，抖動，丟包率。確定性網(wǎng)絡(luò)的最初提出主要是為了解決低丟包、低時延等工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的需求，確定性網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的部署還可以與固移融合網(wǎng)絡(luò)及邊緣云統(tǒng)籌考慮，未來還將繼續(xù)推進(jìn)在廣域網(wǎng)、5G、邊緣云的落地。SR技術(shù)越來越多的應(yīng)用，也需要結(jié)合確定性網(wǎng)絡(luò)的理念，提升網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)定制化。

SDN是對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一次重構(gòu)，可以實現(xiàn)資源實時管控、業(yè)務(wù)自動下發(fā)、路由分析、流量調(diào)度等功能，通過SDN實現(xiàn)差異化服務(wù)和業(yè)務(wù)流量路徑靈活調(diào)優(yōu)等能力。路徑計算單元（Path Computation Element，PCE）是SDN的一種形態(tài)，PCE通過BGP-LS或其他協(xié)議獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以隧道路徑的計算、控制和下發(fā)能力為基礎(chǔ)，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(shù)限制、顯示路徑等約束條件進(jìn)行選路。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量發(fā)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(yōu)路徑并下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)器實現(xiàn)路徑的調(diào)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(shù)，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(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的交換時延，因此物理鏈路時延的累加不能完全表達(dá)端到端路徑的時延。

四、基于網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的分段路由策略方案

影響分段路由網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的因素，除了導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)中斷的幾種情況，還包括了影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的幾個因素，如鏈路帶寬利用率，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的交換時延，物理鏈路的質(zhì)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(wǎng)絡(luò)質(zhì)量端到端檢測，并能實現(xiàn)自主的最優(yōu)候選路徑的選擇和切換。對SR Policy的模板進(jìn)行擴(kuò)展，在SR Policy模型中增加網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)時延、抖動、丟包率參數(shù)，表示使用該SR Policy的業(yè)務(wù)所能承受的路徑的最大網(wǎng)絡(luò)時延、抖動和丟包率。使得SR Policy可以更直接的表示業(yè)務(wù)的需求，省略了從業(yè)務(wù)需求到網(wǎng)絡(luò)語言再到網(wǎng)絡(luò)對象的翻譯過程。

通過結(jié)合網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析（Network Quality Analysis，NQA），對SR Policy的多個候選路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測;最優(yōu)候選路徑的選擇，不僅需要考慮優(yōu)先級值，還需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測的結(jié)果來決定選擇哪條候選路徑作為最優(yōu)路徑，路徑選擇的結(jié)果更好的滿足業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。

將多條候選路徑的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測結(jié)果，包括網(wǎng)絡(luò)時延，抖動和丟包率，分別與SR Policy中定義的服務(wù)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行比較，值不超過SR Policy定義的網(wǎng)絡(luò)時延，抖動和丟包率時，認(rèn)為該候選路徑的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量符合SR Policy的服務(wù)質(zhì)量要求。從符合SR Policy的服務(wù)質(zhì)量要求的候選路徑中，選取優(yōu)先級值最大的候選路徑作為優(yōu)選。當(dāng)優(yōu)選的路徑發(fā)生改變時，觸發(fā)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流量切換到新的路徑上。

4.1 SR Policy模板擴(kuò)展

擴(kuò)展SR Policy的模板，增加網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的參數(shù)，包括網(wǎng)絡(luò)時延，抖動和丟包率。該參數(shù)作為SR Policy的附帶屬性，是可選值。

時延：表示經(jīng)過SR Policy某條候選路徑的端到端的網(wǎng)絡(luò)時延;

抖動：表示候選路徑的端到端網(wǎng)絡(luò)時延的變化情況，用某段時間內(nèi)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(shù)據(jù)包數(shù)量占所發(fā)送數(shù)據(jù)包總數(shù)的比率。

定義的參數(shù)值表示服務(wù)質(zhì)量要求的最大邊界值，對某條候選路徑進(jìn)行檢測得到的值，如果超過定義的參數(shù)值，則認(rèn)為該候選路徑不符合服務(wù)質(zhì)量要求。可以使用這幾個參數(shù)的任意組合，來表示特定業(yè)務(wù)對SR Policy的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求。

4.2 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析的要求

NQA實時采集各種網(wǎng)絡(luò)運行指標(biāo)，為用戶提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的相關(guān)結(jié)果，實現(xiàn)用戶對網(wǎng)絡(luò)運行狀況的準(zhǔn)確控制。為了使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量可見，使用戶能夠自行檢查網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量是否達(dá)到要求，以一種統(tǒng)計的方法來提供時延、抖動、丟包率等相關(guān)統(tǒng)計參數(shù)。

NQA開啟后，對SR Policy下所有的候選路徑同時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測，檢測時發(fā)送的檢測報文，使用該候選路徑中段的有序列表進(jìn)行封裝和轉(zhuǎn)發(fā)，檢測報文將會按照候選路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)檢測。由于網(wǎng)絡(luò)的抖動和丟包率是基于統(tǒng)計的方法計算得到的，因此多個候選路徑的檢測結(jié)果計算，必須使用相同的統(tǒng)計周期。

為每條路徑生成檢測結(jié)果，包括網(wǎng)絡(luò)時延，抖動和丟包率參數(shù)，如圖2所示。

4.3 最優(yōu)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(yè)務(wù)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量需求，為SR Policy設(shè)定網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)，可以設(shè)定網(wǎng)絡(luò)時延，抖動和丟包的參數(shù)的任意組合;開啟NQA，對SR Policy的所有候選路徑同時進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測，得到每個有效候選路徑的檢測結(jié)果;將檢測結(jié)果與SR Policy設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)進(jìn)行比較，如果檢測結(jié)果值在SR Policy設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量參數(shù)范圍內(nèi)，則認(rèn)為該候選路徑符合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求;如果存在符合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求的候選路徑，從中選擇最高優(yōu)先級的候選路徑作為最優(yōu)路徑;如不存在符合網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量要求的候選路徑，則從所有有效候選路徑中選擇最高優(yōu)先級的候選路徑作為最優(yōu)路徑。實現(xiàn)流程如圖3。網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量存在不穩(wěn)定性，因此在不同的時間段內(nèi)，最優(yōu)路徑可能會變化。當(dāng)最優(yōu)路徑發(fā)生變化時，觸發(fā)業(yè)務(wù)流量切換到新的最優(yōu)路徑上。多條候選路徑的存在，也可以防止網(wǎng)絡(luò)中鏈路故障或節(jié)點故障導(dǎo)致的業(yè)務(wù)中斷，提升了網(wǎng)絡(luò)的可靠性。

五、結(jié)束語

本文方案基于確定性網(wǎng)絡(luò)的要求，分析了分段路由策略的技術(shù)，通過對分段路由的SR Policy的模板進(jìn)行擴(kuò)展，并基于模板設(shè)計了對多條候選路徑的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測方案，根據(jù)檢測結(jié)果來選擇最優(yōu)的候選路徑，從而更好符合云網(wǎng)融合情況下不同業(yè)務(wù)的多樣化網(wǎng)絡(luò)需求。

SR Policy面向的是特定業(yè)務(wù)的體驗，提供了靈活的轉(zhuǎn)發(fā)路徑選擇方法，更好的滿足用戶不同的轉(zhuǎn)發(fā)需求。隨著5G、物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)和應(yīng)用場景的擴(kuò)展，SR Policy技術(shù)體系也將持續(xù)擴(kuò)展升級以滿足下一代網(wǎng)絡(luò)平臺所需要的能力。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[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