基于SRv6的可編排計算優(yōu)先網(wǎng)絡實現(xiàn)方法

曹云飛，霍龍社，何 濤（中國聯(lián)通研究院，北京 100048）

0 引言

隨著5G與人工智能的發(fā)展，車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療、智能工廠等新興產(chǎn)業(yè)不斷涌現(xiàn)，越來越多的數(shù)據(jù)需要就近處理和分析。為了滿足這些需求，越來越多的計算下沉到接近數(shù)據(jù)源的網(wǎng)絡邊緣。隨著邊緣計算的誕生，多級計算節(jié)點遍布網(wǎng)絡。通過網(wǎng)絡將算力連接起來并進行統(tǒng)一管理和調(diào)度成為算力網(wǎng)絡的目標。

算力網(wǎng)絡是一種根據(jù)業(yè)務需求，在云、網(wǎng)、邊之間按需分配和靈活調(diào)度計算資源、存儲資源以及網(wǎng)絡資源的新型信息基礎設施［1］。隨著算力網(wǎng)絡的關注度持續(xù)升高，該技術領域產(chǎn)生了不同的技術類型［2］。IRTF成立了在網(wǎng)計算研究組（COINRG）［3-6］，在網(wǎng)計算指網(wǎng)絡設備的功能是“轉發(fā)+計算”。算力網(wǎng)絡領域的計算優(yōu)先網(wǎng)絡（Compute First Networking，CFN）以及基于SRv6 和IPv6+的算力網(wǎng)絡均屬于在網(wǎng)計算。CFN 將當前的計算能力狀況和網(wǎng)絡狀況作為路由信息發(fā)布到網(wǎng)絡，根據(jù)算力狀況以及網(wǎng)絡狀況計算和執(zhí)行路由。SRv6 通過源路由實現(xiàn)報文轉發(fā)路徑的可編程。CFN為基于算力的路由提供了解決方案，但是目前還沒有算力編排的能力。為了在網(wǎng)絡層面實現(xiàn)算力編排，為CFN 提供算力編排能力，本文提出了一種新的基于SRv6的可編排計算優(yōu)先網(wǎng)絡實現(xiàn)方法。

1 研究背景

1.1 CFN

CFN 將服務節(jié)點的計算能力狀況和網(wǎng)絡狀況作為路由信息發(fā)布到網(wǎng)絡，網(wǎng)絡基于虛擬的服務ID 將計算任務報文路由到最合適的計算節(jié)點，實現(xiàn)最優(yōu)的用戶體驗、計算資源利用率以及網(wǎng)絡效率［7］。CFN 能夠為應用提供的核心價值是基于算力和算法動態(tài)調(diào)度計算資源，保證業(yè)務的用戶體驗。

1.1.1 CFN概述

如圖1 所示，CFN 網(wǎng)絡按角色分為服務器端、CFN域和客戶端［3］。圖1 在參考文獻［3］基礎上進行了改動：邊緣站點改為站點，服務節(jié)點增加了資源接口和服務接口，CFN 層改為CFN 域。由于算力網(wǎng)絡不僅包括邊緣站點，未來也會包括數(shù)據(jù)中心和端。算力服務提供者不僅限于邊緣站點，所以本文將邊緣站點改為站點。由于服務節(jié)點通過資源接口向CFN 路由器提供資源信息，通過服務接口提供對外計算服務，所以服務節(jié)點增加了資源接口和服務接口。由于多個CFN 路由器組成網(wǎng)狀拓撲結構，而不是兩兩相連的一層，所以本文將CFN層改為CFN域。

圖1 CFN網(wǎng)絡拓撲

1.1.2 CFN控制面原理

如圖2 所示，CFN 控制面完成算力信息的全網(wǎng)同步。站點的服務節(jié)點將本地服務狀態(tài)注冊到CFN 路由器的本地注冊表。本地服務狀態(tài)包括Service ID——服務的唯一標識、服務IP 地址和計算資源情況等。CFN 路由器將本地服務狀態(tài)基于CFN 路由協(xié)議加載到報文中，將服務狀態(tài)擴散到其他CFN 路由器。CFN 路由器基于CFN 路由協(xié)議將本地以及其他CFN路由器擴散的服務狀態(tài)信息匯總生成服務信息路由表。

圖2 CFN控制面原理

1.1.3 CFN數(shù)據(jù)面原理

CFN 數(shù)據(jù)面完成客戶端對服務節(jié)點Service ID 請求的路由轉發(fā)。CFN Ingress 節(jié)點收到請求后，根據(jù)網(wǎng)絡情況、計算資源情況綜合評估，選擇一個服務節(jié)點以及相關聯(lián)的CFN Egress 節(jié)點，將原請求數(shù)據(jù)包封裝并發(fā)送。CFN Egress 節(jié)點收到數(shù)據(jù)包，根據(jù)Service ID查找對應服務節(jié)點IP，將數(shù)據(jù)封裝并發(fā)送。外層數(shù)據(jù)包源地址為客戶端IP，目的地址為服務節(jié)點IP。內(nèi)層數(shù)據(jù)包源地址為客戶端IP，目的地址為Service ID。服務節(jié)點收到數(shù)據(jù)包后在本地查詢與Service ID 綁定的服務地址，調(diào)用對應的服務，將結果返回給客戶端。

1.2 SRv6

SR（Segment Routing）是源路由技術的一種，節(jié)點選擇路徑，并且引導數(shù)據(jù)包沿著該路徑通過網(wǎng)絡，其做法是在數(shù)據(jù)包頭部插入帶順序的segment 列表，以指示接收到這些數(shù)據(jù)包的節(jié)點怎么去處理和轉發(fā)這些數(shù)據(jù)包。為了實現(xiàn)SRv6 轉發(fā)，需要向IPv6 報文中插入一個段路由頭（Segment Routing Header，SRH）的擴展頭，存儲IPv6 的Segment List 信息。報文轉發(fā)時，依靠Segments Left 和Segment List 字段共同決定IPv6目的地址（IPv6 DA）信息，從而指導報文的轉發(fā)路徑和行為。

128 位SRv6 Service ID 主要由標識節(jié)點位置的LOC字段（IPv6前綴格式，可路由）、標識服務和功能的FUNC字段（本地識別）以及存儲相關參數(shù)的ARG字段3 部分組成。一個標準的SRv6 Service ID 可以定義特定節(jié)點的路徑信息、服務和功能信息。

SRv6 網(wǎng)絡編程標準中，SRv6 節(jié)點（Endpoint）通過本地定義的行為（Behavior）處理SRv6 報文。SRv6 定義了多種Endpoint Behavior，每個節(jié)點需要實例化它們并分配Service ID，同時通過路由協(xié)議公布，以便外部了解節(jié)點所能提供的Behavior。常用的Endpoint Behavior 有END、END.X、END.DT4、END.DT6 等，實現(xiàn)Underlay選路、Overlay業(yè)務承載等功能。

2 基于SRv6實現(xiàn)可編排計算優(yōu)先網(wǎng)絡

CFN 借助路由協(xié)議將獲取的計算資源信息發(fā)布給相鄰的CFN 路由器，實現(xiàn)計算資源信息的全網(wǎng)擴散。SRv6 通過在IPv6 報文中新增SRH 報頭來控制報文的轉發(fā)路徑和行為，從而提供網(wǎng)絡可編程能力。通過SID（segment ID）中的Function 字段、Arguments 字段以及Segment 序列之后的Optional TLV（Type-Length-Value）提供可擴展能力。

SRv6 的這些優(yōu)點為算力編排以及參數(shù)傳遞提供了技術基礎。CFN 為基于算力的路由提供了解決方案，但是沒有提供算力編排的能力。為了在網(wǎng)絡層面實現(xiàn)算力編排，為CFN 提供算力編排能力，本文提出了一種新的基于SRv6 的可編排計算優(yōu)先網(wǎng)絡實現(xiàn)方法?；赟Rv6技術來實現(xiàn)CFN數(shù)據(jù)傳輸，實現(xiàn)報文轉發(fā)路徑的可編程，從而在網(wǎng)絡層面實現(xiàn)算力編排。

為了基于SRv6 技術實現(xiàn)CFN 數(shù)據(jù)傳輸，所有的CFN 路由器需要支持SRv6。CFN 路由器需要支持SRv6 報文的識別、SRv6 報文的處理以及SRv6 報文的轉發(fā)。

IS-IS 屬于鏈路狀態(tài)IGP 路由協(xié)議，采用TLV 攜帶鏈路狀態(tài)信息，可以在不動協(xié)議主體的情況下，通過增加部分TLV 類型就可以支持IPv6、SRv6 等新協(xié)議特性。在CFN 域中通過IS-IS 協(xié)議來擴散CFN 路由器的SID 信息。支持SRv6 的服務節(jié)點也需要通過IS-IS 協(xié)議擴散自己的SID信息。

2.1 客戶端、服務節(jié)點均為IPv6設備

隨著IPv6 技術的推廣，越來越多的設備支持IPv6。如果客戶端和服務節(jié)點均支持IPv6，而且服務節(jié)點支持SRv6，則CFN Ingress 節(jié)點作為SRv6 源節(jié)點分類器（Service Classifier，SC），服務節(jié)點作為Endpoint節(jié)點（SRv6 Segment Endpoint Node），服務節(jié)點將SRv6的SID 作為Service ID。服務節(jié)點定義本地行為處理SRv6 報文，根據(jù)Service ID 調(diào)用服務。在客戶端和服務節(jié)點均支持IPv6的情況下，本技術方案基于SRv6技術實現(xiàn)CFN 數(shù)據(jù)傳輸，完成客戶端對服務節(jié)點Service ID 請求的路由轉發(fā)?？蛻舳撕头展?jié)點均支持IPv6，而且服務節(jié)點支持SRv6 的情況不需要CFN Egress 節(jié)點參與算力路由，具體網(wǎng)絡拓撲如圖3所示。

圖3 客戶端、服務節(jié)點均為IPv6設備的網(wǎng)絡拓撲

客戶端請求Service ID 服務，源地址為客戶端地址，目的地址為Service ID。CFN Ingress 節(jié)點收到請求后，查找服務信息路由表，根據(jù)Service ID 查找服務節(jié)點的Service IP。CFN Ingress 節(jié)點作為SRv6 源節(jié)點SC封裝SRv6 數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)源地址為客戶端IP，目的地址為Service IP。在數(shù)據(jù)包頭中插入SRH（Segments Left=1），SRH 中的Segment List 為。從CFN Ingress 節(jié)點開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡? 跳為服務節(jié)點Service IP，即服務節(jié)點的IPv6地址。第2跳為服務節(jié)點的Service ID。

服務節(jié)點收到數(shù)據(jù)包，Segments Left 減1，Seg?ments Left=0，取出Segment List［0］對應的值Service ID。服務節(jié)點在本地查詢與Service ID 綁定的計算服務，調(diào)用服務并返回結果。返回數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)源地址為Service ID，目的地址為客戶端IP。

Service ID 可以是服務節(jié)點的某個端口或者某個Loopback IP。服務節(jié)點調(diào)用Service ID 對應的端口或者Loopback IP。如果服務節(jié)點位于gateway的位置，則Service ID 對應于內(nèi)網(wǎng)某個服務器的內(nèi)網(wǎng)IP。服務節(jié)點調(diào)用該內(nèi)網(wǎng)IP 對應的服務。服務節(jié)點位于gateway位置的網(wǎng)絡拓撲如圖4所示。

圖4 服務節(jié)點為gateway的網(wǎng)絡拓撲

客戶端請求服務的數(shù)據(jù)傳輸過程如圖5所示。

圖5 客戶端、服務節(jié)點均為IPv6設備時的數(shù)據(jù)流

2.2 客戶端、服務節(jié)點均為IPv4設備

如果客戶端和服務節(jié)點均為IPv4設備，則CFN In?gress 節(jié)點作為SRv6 源節(jié)點SC，CFN Egress 節(jié)點作為Endpoint 節(jié)點。CFN Egress 節(jié)點定義本地行為處理SRv6報文，解封裝SRv6數(shù)據(jù)。CFN Egress節(jié)點作為服務節(jié)點的代理節(jié)點，將IPv6 報文轉換為IPv4 報文并調(diào)用服務節(jié)點的服務。CFN Ingress 節(jié)點和CFN Egress節(jié)點作為IPv6 和IPv4 協(xié)議轉換節(jié)點需要支持IPv6 和IPv4雙棧。雙協(xié)議棧技術就是指在1臺設備上同時啟用IPv4 協(xié)議棧和IPv6 協(xié)議棧。CFN Ingress 節(jié)點和CFN Egress 節(jié)點的不同接口上，分別配置了IPv4 地址和IPv6 地址，并分別連接了IPv4 網(wǎng)絡和IPv6 網(wǎng)絡。CFN 域內(nèi)為IPv6 網(wǎng)絡，CFN 域外為IPv4 網(wǎng)絡，具體網(wǎng)絡拓撲如圖6所示。

圖6 客戶端、服務節(jié)點均為IPv4設備時的網(wǎng)絡拓撲

在客戶端和服務節(jié)點均支持IPv4 的情況下，本技術方案基于SRv6技術實現(xiàn)CFN數(shù)據(jù)傳輸，完成客戶端對服務節(jié)點Service ID 請求的路由轉發(fā)?？蛻舳税l(fā)送的數(shù)據(jù)由CFN Ingress 節(jié)點封裝為SRv6 報文，數(shù)據(jù)源地址為CFN Ingress IPv6 地址，目的地址為CFN Egress IPv6 地址。CFN Ingress 節(jié)點生成SRH：（Segments Left=0）：。內(nèi)層數(shù)據(jù)為IPv4 數(shù)據(jù)，源地址為客戶端IP，目的地址為Service ID。數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡? 跳為CFN Egress 節(jié)點的IPv6 地址。CFN Egress 節(jié)點收到數(shù)據(jù)報文后，解封裝SRv6 數(shù)據(jù)，取出內(nèi)層數(shù)據(jù)，查找本地服務注冊表，根據(jù)Service ID 查找對應Service IP。CFN Egress 節(jié)點將內(nèi)層數(shù)據(jù)進行封裝并發(fā)送。封裝數(shù)據(jù)報文的外層源地址為CFN Egress IPv4 地址，目的地址為Service IP。內(nèi)層數(shù)據(jù)報文源地址為客戶端IP，目的地址為Service ID。服務節(jié)點收到數(shù)據(jù)報文后，解封裝數(shù)據(jù)報文，取出內(nèi)層數(shù)據(jù)，在本地查詢與Service ID 綁定的服務，調(diào)用服務并返回結果。返回數(shù)據(jù)報文的數(shù)據(jù)源地址為Service ID，目的地址為客戶端IP。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖7所示。

圖7 客戶端、服務節(jié)點均為IPv4設備時的數(shù)據(jù)流

對于客戶端和服務節(jié)點支持IPv6 的情況以及客戶端和服務節(jié)點支持IPv4 的情況，本文詳細說明了基于SRv6的可編排計算優(yōu)先網(wǎng)絡實現(xiàn)方法。

3 應用實施例

為了驗證本文所提方法的實際效果，特設計并實現(xiàn)了下述應用實施例，對于視頻服務提供附加的鑒別服務。

本應用實施例包含2 個服務節(jié)點，A 提供視頻服務，B 提供鑒別服務?？蛻舳讼駻 服務節(jié)點請求視頻服務，B 服務節(jié)點對客戶端所請求的視頻內(nèi)容進行鑒別。如果視頻內(nèi)容符合規(guī)定，則視頻正常返回給客戶端。如果視頻內(nèi)容不符合規(guī)定，則返回錯誤信息給客戶端。客戶端只知道視頻服務即A 節(jié)點的Service1 ID，不需要知道鑒別服務即B 節(jié)點的Service2 ID。CFN Ingress 節(jié)點、CFN Egress1 節(jié) 點、CFN Egress2 節(jié)點、視頻服務節(jié)點A 和鑒別服務節(jié)點B 組成了功能業(yè)務鏈SFC。CFN Ingress 作為分類器SC 位于SFC 域的邊界入口，報文進入SFC 域后會首先進行流量分類。視頻服務節(jié)點A 和鑒別服務節(jié)點B作為服務功能節(jié)點SF（Service Function）提供增值服務功能。由于SF 本身不支持處理SRv6 報文，所以由CFN Egress1 節(jié)點和CFN Egress2 節(jié)點作為業(yè)務鏈轉發(fā)節(jié)點SFF（Service Function Forwarder）代表SF 處理SRv6 報文，刪除SRv6封裝信息，通過本地邏輯組件將報文發(fā)給SF，接收從SF 發(fā)回的報文，重新為之添加SRv6 封裝信息。本應用實施例網(wǎng)絡拓撲如圖8所示。

圖8 應用實施例網(wǎng)絡拓撲

客戶端請求視頻服務的流程如下：客戶端請求視頻服務即Service1 ID服務，CFN Ingress節(jié)點收到請求，查找服務信息路由表，根據(jù)Service1 ID 查找服務端對應的Egress 節(jié)點Egress1。根據(jù)事先編排的業(yè)務邏輯，CFN Ingress 查找Service2 ID 對應的Egress 節(jié)點Egress2。CFN Ingress 節(jié)點封裝SRv6 數(shù)據(jù)報文，數(shù)據(jù)源地址為Ingress IP，目的地址為Egress1 IPv6 地址，生成SRH：（Segments Left=1）：。內(nèi)層數(shù)據(jù)為IPv4 數(shù)據(jù)，源地址為客戶端IP，目的地址為Service1 ID。從CFN Ingress 節(jié)點開始數(shù)據(jù)傳輸?shù)牡? 跳為Egress1 IPv6 地址，第2 跳為Egress2 IPv6 地址。CFN Egress1節(jié)點解封裝SRv6數(shù)據(jù)報文，根據(jù)SID在本地定義的動作，取出內(nèi)層數(shù)據(jù)，查找本地服務注冊表，根據(jù)Service1 ID查找對應Service1 IP，封裝數(shù)據(jù)并發(fā)送。外層數(shù)據(jù)源地址為Egress1 IPv4 地址，目的地址為Ser?vice1 IP，內(nèi)層數(shù)據(jù)源地址為客戶端IP，目的地址為Service1 ID。視頻服務節(jié)點收到數(shù)據(jù)解封裝數(shù)據(jù)報文，查詢與Service1 ID綁定服務，調(diào)用視頻服務并返回結果。數(shù)據(jù)源地址為Service1 ID，目的地址為Egress1 IPv4地址。

CFN Egress1 節(jié)點將Segments Left 減1，則Seg?ments Left=0，將Egress2 IPv6 地址拷貝到目的地址。Egress1 封裝數(shù)據(jù)，外層數(shù)據(jù)源地址為Egress1 IPv6 地址，目的地址為Egress2 IPv6地址。內(nèi)層數(shù)據(jù)源地址為客戶端地址，目的地址為Service1 ID。CFN Egress2 節(jié)點解封裝SRv6 數(shù)據(jù)報文，取出內(nèi)層數(shù)據(jù)得到Service1 ID，根據(jù)事先編排的業(yè)務邏輯由Service1 ID 查找到Service2 ID，查找本地服務注冊表，根據(jù)Service2 ID 查找對應Service2 IP。CFN Egress2 節(jié)點封裝數(shù)據(jù)并發(fā)送。封裝的數(shù)據(jù)報文外層數(shù)據(jù)源地址為Egress2 IPv4地址，目的地址為Service2 IP。內(nèi)層數(shù)據(jù)源地址為客戶端IP，目的地址為Service1 ID。鑒別服務收到數(shù)據(jù)后調(diào)用鑒別服務并返回結果。返回的數(shù)據(jù)報文外層數(shù)據(jù)源地址為Service2 ID，目的地址為Egress2 IPv4 地址。內(nèi)層數(shù)據(jù)源地址為客戶端IP，目的地址為Ser?vice1 ID。CFN Egress2 節(jié)點收到鑒別服務返回的數(shù)據(jù)后，取出內(nèi)層數(shù)據(jù)并返回給客戶端。數(shù)據(jù)源地址為Service1 ID，目的地址為客戶端地址。數(shù)據(jù)傳輸過程如圖9所示。

圖9 應用實施例數(shù)據(jù)流

本應用實施例為用戶提供了視頻服務和附加的鑒別服務，對客戶端暴露的只有視頻服務（節(jié)點A），鑒別服務（節(jié)點B）對于客戶端是隱藏的?；诒炯夹g方案的應用實施例在網(wǎng)絡層實現(xiàn)了業(yè)務編排，在視頻服務基礎上增加了鑒別服務，該方案不需要修改視頻服務的業(yè)務邏輯。如果不在網(wǎng)絡層做業(yè)務編排，在應用層做業(yè)務編排需要改變視頻服務現(xiàn)有業(yè)務邏輯。視頻服務在處理用戶請求后，不是將結果返回給客戶端，而是將結果發(fā)送給鑒別服務，最后將鑒別結果返回客戶端。本應用實施例在網(wǎng)絡層解耦了視頻服務和鑒別服務，從而消除了視頻服務和鑒別服務之間調(diào)用的工作量。本應用實施例不需要客戶端感知鑒別服務，從而減少了客戶端的業(yè)務復雜度。

4 結束語

CFN 可以實現(xiàn)用戶的就近接入和服務的負載均衡，適應服務的動態(tài)性，但目前缺乏算力編排能力。本文提出了一個新的基于SRv6 的可編排計算優(yōu)先網(wǎng)絡，使用SRv6 實現(xiàn)CFN 數(shù)據(jù)傳輸，通過實現(xiàn)報文轉發(fā)路徑可編程，在網(wǎng)絡層面實現(xiàn)算力編排，將多個服務編排成為SFC 來實現(xiàn)復合業(yè)務，從而提高了CFN 的業(yè)務創(chuàng)新能力?；谠摲椒ǎ疚脑O計并實現(xiàn)了一個可編排計算優(yōu)先網(wǎng)絡的應用實施例，可在網(wǎng)絡層解耦2個在業(yè)務邏輯上有依賴關系的服務。2 個服務不需要感知到對方，消除了2個服務之間調(diào)用的工作量，減少了客戶端的業(yè)務復雜度。