面向5G承載的Segment Routing技術淺析

蔣弢 李敏

【摘要】? ? “5G商用，承載先行”， 5G時代的承載網在向著化繁為簡，低時延，SDN/NFV化發展。基于成本、靈活性、網絡可編程等因素，網絡設備簡化已成為業界共識;協議簡單化、標準化、自動化是方向，為目標智能網絡奠定基礎。作為當前承載網絡SDN化演進的重要技術之一，Segment Routing從誕生之日起，一直受到業界的廣泛關注，并已逐漸在商用網絡中應用。

【關鍵詞】? ? 5G承載? ? 智能? ? SDN? ? SR

前言

5G時代，“萬物互聯”。商用的5G承載網絡應該具備簡化、靈活、開放、集中等特性，從而滿足物聯網、車聯網、智慧城市、人工智能等對網絡的要求，實現5G時代的網絡即服務（NaaS）能力。

5G承載網架構的革新，SDN、NFV、云化會是其中關鍵的技術。SDN主要面向網絡架構的創新，解決智能控制和能力開放的問題;NFV主要面向設備形態的創新，解決網絡終端設備成本的問題;云化主要面向基礎設施，解決虛擬化和開源技術問題。

本文將結合國內某運營商的新型智能城域網建設方案，淺析Segment Routing技術。

一、 Segment Routing技術介紹

1.1 Segment Routing技術產生背景

目前，在互聯網的路由/轉發技術中，使用的最廣泛的是MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協議標簽交換技術）技術。MPLS引入了基于標簽的機制，將第二層的簡單交換和第三層的IP路由控制有機的結合起來，在不改變用戶現有網絡的情況下能提供高速、安全、多業務統一的網絡平臺。

一個典型的MPLS業務承載網絡包括CE、PE、P以及RR路由器，通常采用OSPF/ISIS作為IGP協議，MP-BGP傳遞VPN信息，LDP（標簽分發協議）分發標簽以及采用RSVP-TE（資源預留協議）特定應用或目的地的流量工程和帶寬預留。

在4G/5G時代，互聯網飛速發展，人們越來越明顯的感到MPLS控制平面（LDP和RSVP-TE）太過于復雜，而且缺乏可擴展性。畢竟LDP本身有11種協議報文，在應用時大大增加了鏈路帶寬的消耗和設備CPU利用率;而RSVP依據CSPF算路結果逐跳形成端到端的LSP，途徑節點都會維護該Tunnel的狀態信息，同樣占據了大量的網絡帶寬和CPU利用率。

那么，在無法提供足夠的容量和無限的人力的情況下，運營商們就對目前所應用的MPLS網絡協議產生了一種新的訴求：既然LDP不維護狀態信息，只對IGP中的目的IP和MPLS標簽做了一層映射，干脆不再部署LDP協議，由IGP來分發標簽;既然每個節點都要通過RSVP進行大量的交互以維護全網的狀態信息，干脆把RSVP功能集中起來，不用每個節點都計算交互。

這樣，Segment Routing（段路由，簡稱SR）技術就誕生了。

1.2 Segment Routing的概念

Segment Routing是基于源路由理念而設計的，在網絡上轉發數據包的一種協議。它由節點（路由器、主機等）選擇路徑，并且引導數據包沿著該路徑通過網絡。實質上是在數據包報頭中插入帶順序的Segment列表，以指示接收到這些數據包的節點怎么去處理和轉發這些數據包。

打個比方，我們需要把行李從夏威夷發往上海，途徑香港。航空運輸系統采用的方法是：在始發機場給行李貼上一個標簽：“先到香港，再到上海”。這樣，航空傳輸系統就不需要識別行程中的這件行李，而只需要識別幾千個機場代碼，就能知道怎么按照行李標簽，把行李從一個機場送往另一個機場。

SR的做法其實完全相同：一個Segment代表著一個機場代碼，數據包報文頭中的Segment列表代表著行李上的標簽。我們要實現從夏威夷經由香港去往上海的路由需求，控制器需要做的不是對沿路的每一臺路由器下發指令，僅僅只需要給路徑源節點下發指令即可。而給路徑源節點下發的指令僅僅包括一條源路徑信息，其表達為一個具有順序的Segment列表。

Segment Routing 通過隧道首節點對報文增加段標簽棧，控制整個報文在網絡中的傳輸路徑。優化IP、MPLS網絡能力，并以更加簡單的方式提供TE、FRR等功能。通過Segment Routing可以簡易的定義一條顯式路徑，網絡中的節點只需要維護Segment Routing信息，即可應對業務的實時快速發展。其實，每個Segment就像是一塊樂高積木一樣，控制器可以像我們組合樂高積木一樣，按照需要把Segment組合起來，用于表達所需要的流量工程策略（SR-TE）。

二、面向5G承載的Segment Routing技術

在國家“新基建”的戰略部署下，國內某運營商為5G的發展新建了一張新型智能承載網絡，其中的關鍵方案是：

通過簡化網絡結構，實現簡單、標準化的架構，減少建設成本同時便于維護和擴展。

采用SR/EVPN協議，簡化設備技術要求，降低設備成本，同時更好實現SDN。

引入通用芯片的SR轉發設備，大幅降低建設成本，提供網絡流量疏通能力，同時減少對局房資源的需求。

構建智能化、自動化、開放化的網絡管控系統，實現端到端的業務自動開通，支撐智能化運維和互聯網化運營，提升用戶體驗。

我們可以明顯的看出，SR就是這張5G承載網絡的核心技術之一。其實，SR一直以來致力于簡化現有的MPLS協議，特別是控制平面，同時增加新的流量工程和保護的能力。其表現在：

簡化了MPLS網絡的控制平面

SR使用控制器或者IGP集中算路和分發標簽，不再需要RSVP-TE，LDP等隧道協議。SR可以直接應用于MPLS架構，轉發平面沒有任何變化。

提供高效TI-LFA（Topology-Independent Loop-free Alternate，拓撲無關無環備份） FRR保護，實現路徑故障的快速恢復

在之前，我們在一個主用路徑使用LDP協議的網絡中，部署RSVP來實現FRR，會給網絡設計和操作帶來額外的復雜度，因為這三種協議（IGP、LDP、RSVP-TE）之間存在著交互。

所以，我們在SR技術的基礎上結合RLFA（Remote Loop-free Alternate，遠程無環備份） FRR算法，形成高效的TI-LFA FRR算法。它支持任意拓撲的節點和鏈路保護，能夠彌補傳統隧道保護技術的不足。

具有網絡容量擴展能力。

我們知道，傳統的MPLS TE是一種面向連接的技術，為了維護連接狀態，節點間需要發送和處理大量Keepalive報文，設備控制層面壓力大。SR僅在頭節點對報文進行標簽操作，即可任意控制業務路徑，中間節點不需要維護路徑信息，設備控制層面壓力小。此外，SR技術的標簽數量是：全網節點數+本地鄰接數，這樣就只和網絡的規模相關，而與隧道數量和業務規模無關。

更好的向SDN（軟件定義網絡）網絡平滑演進。

SR技術基于源路由理念而設計，通過源節點即可控制數據包在網絡中的轉發路徑。配合集中算路模塊，即可靈活簡便的實現路徑控制與調整。SR同時支持傳統網絡和SDN網絡，兼容現有設備，保障現有網絡平滑演進到SDN網絡，而不是顛覆現有的網絡。

三、Segment Routing在網絡中的部署

既然成本是5G承載網的訴求，那么我們首先就要考慮SR在現有IP/MPLS網絡中的部署。其實，大多數的路由器都可以通過軟件升級支持SR的基本功能，即使有不支持SR的傳統設備，借助SR和LDP互操作功能，仍然可以在網絡中部署SR。

3.1 SR和其他MPLS協議共存

3.1.1 控制平面協議共存

MPLS架構允許LDP、RSVP-TE、BGP等多種控制平面協議獨立運行，這同樣適用于SR的ISIS、OSPF、BGP等控制平面協議。

Label Manager確保協議分配的動態標簽不會發生沖突，SRGB確保被保留的標簽空間只用于SR全局Segment。

3.1.2 數據平面共存

Label Manager可以間接的將特定范圍的本地標簽（SRGB）委托給SR管理，由SR來確保從SRGB中分配唯一的Prefix-SID。

對于IP到MPLS的轉發列表，默認的LDP優先，可以配置成SR優先。

3.1.3 SR和LDP互操作（interworking）

SR和LDP互操作不需要特別配置，無需定義特定的網關，可以在任意邊界節點上自動完成。

SR和LDP互操作的數據平面功能是通過把一個協議的未知出向標簽替換為另一個協議的有效的出向標簽來實現。

映射服務器只支持LDP節點通告前綴到SID的映射，這樣SR路由器可以只往支持LDP的節點發送SR流量。

四、結束語

SR是一項核心的創新，它既是對現有IP/MPLS網絡的高效簡化，同時又充分利用了MPLS的轉發機制，能很好的兼容目前的IP/MPLS網絡，并幫助現有IP/MPLS網絡向SDN的平滑演進。它會像當年的IP/MPLS一樣，改變我們構建網絡的方式。

參? 考? 文? 獻

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