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(duì)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(shí)延、抖動(dòng)、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(jì)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(guò)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)檢測(cè)技術(shù)，對(duì)多個(gè)候選路徑同時(shí)質(zhì)量檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果來(lái)決定選擇哪條路徑作為最優(yōu)路徑，提升了轉(zhuǎn)發(fā)器對(duì)業(yè)務(wù)需求定制化的能力，更好的滿足業(yè)務(wù)對(duì)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(guò)實(shí)施虛擬化/云化乃至一體化的技術(shù)架構(gòu)，最終實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)潔、敏捷、開(kāi)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(duì)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(wèn)量等因素實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)優(yōu)化。

分段路由（Segment Routing，SR）正是在此背景下產(chǎn)生的。通過(guò)SR可以簡(jiǎn)易的定義一條顯式路徑，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)只需要維護(hù)SR的段信息，可應(yīng)對(duì)業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)快速發(fā)展。SR通過(guò)對(duì)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(shí)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(diǎn)和尾節(jié)點(diǎn)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(chǎng)景中，頭節(jié)點(diǎn)也承擔(dān)了和控制器對(duì)接的角色;因此基于SR的頭端節(jié)點(diǎn)隧道相關(guān)的管理是非常重要的。

使用SR技術(shù)，帶來(lái)的受益主要包括：1.簡(jiǎn)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(jì)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(wú)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^(guò)源節(jié)點(diǎn)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(jiǎn)便的實(shí)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?yàn)槟芗嫒菰械募夹g(shù)實(shí)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(lèi)增多，以及不同類(lèi)型業(yè)務(wù)對(duì)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(wú)法明確隧道終點(diǎn)的情況下，只能是部署全網(wǎng)狀的隧道，造成可擴(kuò)展性問(wèn)題，由于隧道與路徑一對(duì)一的關(guān)系，因此要配置多個(gè)隧道接口用于實(shí)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(lái)的隧道引流技術(shù)。通過(guò)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(wèn)題，并為SR Policy后續(xù)創(chuàng)新打造更加堅(jiān)實(shí)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(diǎn)）三元組標(biāo)識(shí)。在給定的頭端節(jié)點(diǎn)上，SR Policy由（顏色，端點(diǎn)）二元組標(biāo)識(shí)。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(diǎn)對(duì)之間的多條SR Policy;顏色通常代表意圖，表示到達(dá)端點(diǎn)的特定方式，例如低延遲、高帶寬等要求。端點(diǎn)：SR Policy的終結(jié)點(diǎn)，是一個(gè)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(diǎn)的特定方式。每條候選路徑有一個(gè)優(yōu)先級(jí)，路徑的優(yōu)先級(jí)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(gè)或者多個(gè)段列表，對(duì)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(bào)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(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間存在多條路徑時(shí)，合理利用SR Policy選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑，不僅可以方便管理員對(duì)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(shí)延、抖動(dòng)、丟包率指標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)，幫助實(shí)現(xiàn)從“盡力而為”的網(wǎng)絡(luò)到“準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確、快速”網(wǎng)絡(luò)的過(guò)渡，控制并降低端到端時(shí)延，抖動(dòng)，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(shí)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(lái)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(lái)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(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一次重構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)資源實(shí)時(shí)管控、業(yè)務(wù)自動(dòng)下發(fā)、路由分析、流量調(diào)度等功能，通過(guò)SDN實(shí)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(jì)算單元（Path Computation Element，PCE）是SDN的一種形態(tài)，PCE通過(guò)BGP-LS或其他協(xié)議獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，以隧道路徑的?jì)算、控制和下發(fā)能力為基礎(chǔ)，路徑計(jì)算時(shí)可以基于多重約束條件計(jì)算路徑，可以支持帶寬、時(shí)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(shí)，BGP-LS更新上報(bào)鏈路時(shí)延、帶寬等信息，PCE重新計(jì)算出新的更優(yōu)路徑并下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)器實(shí)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(shí)延和抖動(dòng)等參數(shù)，而SR Policy中路徑的端到端時(shí)延不僅包括鏈路時(shí)延，還包括了轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的交換時(shí)延，因此物理鏈路時(shí)延的累加不能完全表達(dá)端到端路徑的時(shí)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(gè)因素，如鏈路帶寬利用率，轉(zhuǎn)發(fā)網(wǎng)元的交換時(shí)延，物理鏈路的質(zhì)量等。

本文方案增加對(duì)SR Policy多條候選路徑的檢測(cè)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(cè)，并能實(shí)現(xiàn)自主的最優(yōu)候選路徑的選擇和切換。對(duì)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(shí)延、抖動(dòng)、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(shí)延、抖動(dòng)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(yǔ)言再到網(wǎng)絡(luò)對(duì)象的翻譯過(guò)程。

通過(guò)結(jié)合網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量分析（Network Quality Analysis，NQA），對(duì)SR Policy的多個(gè)候選路徑進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測(cè);最優(yōu)候選路徑的選擇，不僅需要考慮優(yōu)先級(jí)值，還需要根據(jù)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測(cè)的結(jié)果來(lái)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(duì)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(cè)結(jié)果，包括網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，抖動(dòng)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(guò)SR Policy定義的網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，抖動(dòng)和丟包率時(shí)，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(jí)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(shí)，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(shí)延，抖動(dòng)和丟包率。該參數(shù)作為SR Policy的附帶屬性，是可選值。

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

抖動(dòng)：表示候選路徑的端到端網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的變化情況，用某段時(shí)間內(nèi)最大時(shí)延與最小時(shí)延之間的絕對(duì)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(duì)某條候選路徑進(jìn)行檢測(cè)得到的值，如果超過(guò)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?？梢允褂眠@幾個(gè)參數(shù)的任意組合，來(lái)表示特定業(yè)務(wù)對(duì)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(shí)時(shí)采集各種網(wǎng)絡(luò)運(yùn)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(shí)現(xiàn)用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行狀況的準(zhǔn)確控制。為了使網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量可見(jiàn)，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(jì)的方法來(lái)提供時(shí)延、抖動(dòng)、丟包率等相關(guān)統(tǒng)計(jì)參數(shù)。

NQA開(kāi)啟后，對(duì)SR Policy下所有的候選路徑同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)發(fā)送的檢測(cè)報(bào)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(cè)報(bào)文將會(huì)按照候選路徑進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)。由于網(wǎng)絡(luò)的抖動(dòng)和丟包率是基于統(tǒng)計(jì)的方法計(jì)算得到的，因此多個(gè)候選路徑的檢測(cè)結(jié)果計(jì)算，必須使用相同的統(tǒng)計(jì)周期。

為每條路徑生成檢測(cè)結(jié)果，包括網(wǎng)絡(luò)時(shí)延，抖動(dòng)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(shí)延，抖動(dòng)和丟包的參數(shù)的任意組合;開(kāi)啟NQA，對(duì)SR Policy的所有候選路徑同時(shí)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測(cè)，得到每個(gè)有效候選路徑的檢測(cè)結(jié)果;將檢測(cè)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(cè)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(jí)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(jí)的候選路徑作為最優(yōu)路徑。實(shí)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(shí)間段內(nèi)，最優(yōu)路徑可能會(huì)變化。當(dāng)最優(yōu)路徑發(fā)生變化時(shí)，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(diǎn)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(yǔ)

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(guò)對(duì)分段路由的SR Policy的模板進(jìn)行擴(kuò)展，并基于模板設(shè)計(jì)了對(duì)多條候選路徑的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量檢測(cè)方案，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果來(lái)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(yàn)，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(chǎng)景的擴(kuò)展，SR Policy技術(shù)體系也將持續(xù)擴(kuò)展升級(jí)以滿足下一代網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)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