Unified SRv6 SID技术加快SRv6应用步伐

程伟强1 段晓东1 张庚2
(1.中国移动通信有限公司研究院,北京 100053)
(2.中国移动通信集团有限公司,北京 100032)

摘 要 本文分析了SRv6技术目前面临的主要技术挑战,主要包括包头开销过大、芯片实现复杂、平滑升级较难等。针对这些挑战,本文提出了一种新型的Unified SID优化方案支持短地址格式的SRv6头压缩。测试验证了该方案继承了SRv6的网络可编程、通用转发等优势,同时能适应各种地址规划,易于芯片实现,支持现网平滑升级。

关键词 分段路由 SR-MPLS SRv6 Unified-SID Micro-SID

1.分段路由的概念

分段路由(SR:Segment Routing)是一种源路由技术,基于SDN理念,构成面向路径连接的网络架构,支撑未来网络多层次的可编程需求,可以满足5G超大连接和切片的应用场景下的连接需求。SR-MPLS是基于当前主流MPLS转发面形成的SR解决方案;SRv6是基于IPv6扩展的SR解决方案。SR-MPLS沿用MPLS转发机制,自然演进,并已经在传输网络得到广泛应用。SRv6则进一步增强了网络可编程能力,支持网络和业务可编程。

2.SRv6技术面临的挑战

2.1.SRv6报文开销带来的挑战

运营商网络中对SR标签层数要求较高。以5G承载网为例,随着5G核心网集中化部署,基站的流量需要穿过城域网以及IP骨干网。典型场景下,在城域网中,接入环有8-10个节点,汇聚环有4-8个节点,核心环也有4-8个节点;在IP骨干网,流量还需穿过多个路由器节点。同时,由于网络切片、高可靠SLA、可管可控的要求,运营商网络需要能够指定显式路径,端到端SR隧道会有10跳甚至以上。因此,目前国内外多数部署MPLS-SR的运营商都要求支持8层以上SID标签。

当前,SRv6方案基于SRH(Segment Routing Header),其SID长度为128bit Segment ID。按照8层SID,为报文带来128Byte的开销,对于平均长度256Byte的应用净荷,SRv6带来的开销超过1/3,带宽利用率则下降为67%以下。而相同场景下,SR-MPLS的开销只有32Byte,带宽利用率仍有89%。SRv6和SR-MPLS在SID个数从1-10时承载效率的对比分析如下图所示(仅简单对比SRH和SR-MPLS SID的开销):

图1 净荷长度256B时不同SID个数SR承载效率对比分析图

开销的增大一方面造成了网络利用率的降低,另一方面为支持深层报文深层负载均衡、In-Band Telemetry、NSH带来更大挑战。

另外,SRv6部署必然会和SR-MPLS网络共存,由于网络利用率的不同可能会导致网络边界接口不平衡的问题,从而导致投资浪费。如下图所示,在SR-MPLS网络与SRv6网络域对接时,考虑100G链路,256byte报文,8层SID的情况,由于链路利用率差异较大,SR-MPLS域中的1个100GE链路在SRv6域中可能需要2条100GE链路才能匹配。

图2 净荷长度256B时SR-MPLS网络域与SRv6网络域对接

2.2.SRv6复杂性带来网络芯片的挑战

在运营商应用中,SRv6需要在网络芯片在报文中插入超过128Byte长度的字段,相当于32层MPLS-SR标签深度,超出了已部署网络芯片的能力,如果在芯片内部采用环回的解决方案,将大幅降低网络性能并引入更高的时延和抖动。在重新设计的网络芯片中,支持SRv6需要进一步扩大内部处理总线带宽,其是芯片成本和功耗的关键因素。

SRv6在中间节点要求网络芯片读取完整SRH,然后根据指针指示的位置提取需要处理的Segment并进行转发。对比MPLS-SR仅需读取最外层标签,引入的复杂性进一步增加网络芯片的处理时延。

低功耗和低时延是运营商5G解决方案的关键因素,SRv6复杂性对网络芯片带来的功耗、成本、时延的增加为其落地应用带来挑战。

2.3.SRv6方案平滑升级面临的挑战

SRv6是自成一体的独立解决方案,与MPLS/MPLS-SR方案不存在延续性。

首先,SRv6需要规划和分配128bit SID,同时SRv6要引入的开销难以在现有设备进行支持,需要对现有业务和网络进行彻底的改造,构建一张全新的SRv6网络。在运营商的大网中难以部署。

其次,SRv6支持的业务和网络的编程特性需要全网支持SRv6功能,在SRv6和MPLS/SR-MPLS混合部署的场景下,无法发挥其核心优势。

根据以上分析,现有SRv6报文开销、网络芯片的复杂性、难以平滑升级带来的三大挑战让其难以快速部署到运营商网络中,需要在SRv6技术基础上进一步进行演进。

3.Unified SID技术

IPv6技术成是新一代网络的主体技术,基于IPv6的SRv6长远考虑是未来网络的必然的演进趋势,为了解决上文提出的三大挑战,包括基于SRv6技术降低开销,简化SRv6对转发面的要求,支持从SR-MPLS平滑演进到SRv6,中国移动联合中兴、博通、盛科、新华三等提出了基于SRv6的Unified SID技术(Unified-SID【1】)。Unified SID基于标准SRv6的SRH方案进行简洁扩展,支持SR-MPLS/IP地址与SRv6基于统一的SID长度提供SR功能,加速推进SR技术广泛落地应用。

Unified SID基于原生的SRH扩展,不改变任何原生SRH的处理机制,通过在标准SRH Header中仅仅扩展2bit Unified SID类型指示,一方面与原生的SRv6保持最大的兼容性,另一方面有效解决SRv6目前存在的问题。

3.1.Unified SID基于原生SRH扩展

SR-MPLS SID沿用MPLS Label格式,SID长度为20bit;SRv6则沿用了IPv6地址格式,SID长度为128bit;SR-IP当前没有标准定义,如果沿用IPv4地址格式,则SID长度为32bit。

为支持SRv6与SR-MPLS/SR-IP具备统一的SID格式,Unified SID通过在SRH扩展头的Flags中扩展出Unified SID类型指示字段(2bit),其定义如下:
0b00,标准SRv6 SID长度,即128bit SID,与SRH现有定义兼容;
0b01,IP地址SID长度,即32bit SID,可以与IPv4地址兼容或32bit短地址格式;
0b02,MPLS Label长度,也是32bit SID,可以和SR-MPLS SID定义兼容;
0b11,预留。

根据该扩展方案,标准SRv6应用SID长度指示为0,使用32bit短IP地址格式长度指示为1,使用32bit MPLS Label格式长度指示为2,实现与当前各种SR技术通过统一的SID长度进行混合组网应用。Unified SID通过32bit SID解决了报文开销带来的挑战,并结合简洁的Flags扩展,有效的降低了网络芯片的处理复杂性挑战,另外统一融合的理念解决了平滑升级带来的挑战。

3.2.Unified SID与Micro SID的区别

Unified SID对比Cisco的Micro SID【3】压缩技术,具备较好的通用性和适用性。SRv6部署前需要规划Segment,通常采用共同前缀+偏移量。共同的前缀长度与可获取的IPv6地址空间以及网络大小相关,长度难以确定,但Micro SID对SRv6地址有一定要求,需要规划具备较短(建议16bit或32bit)的共同前缀,和较短的偏移量(建议16bit或32bit)区分SID,这导致其难以满足不同的网络应用中需求,特别是复杂运营商网络应用。Unified SID方案融合SRv6与SR-MPLS理念,当地址有严格规划时,可以用短地址格式的SID,当地址没有严格规划时,采用MPLS标签映射的SID,因此,Unified SID方案对引入SRv6的SID和地址没有额外约束,具备更好的通用性和适用性。

4.Unified SID方案优势

4.1.支持SRH头压缩,提升SRv6承载效率

通过Unified SID方案,一般通过32bit的SID即可表示标准128bit的SRv6 Segment,Unified SID长度压缩为标准长度的1/4,即使40跳SR-TP路径,需要的SRH也只有48B,与SR-MPLS承载效率相当。

4.2.对转发面要求低,现有转发面即可支持SRv6部署

Unified SID方案,对转发面的要求可以等同于SR-MPLS的要求,因此,当前支持SR-MPLS的硬件基本可以通过软件升级的方式支持SRv6的部署,博通和盛科基于现有芯片已经完成初步的DEMO系统。

4.3.支持从现有网络平滑升级到SRv6能力

现有MPLS/SR-MPLS/IPv4网络通过Unified SID实现最大的兼容性,在对现有网络和业务影响最小的情况下升级到支持SRv6的能力,且具备与普通IPv6节点混合组网。

4.4.兼容现有地址规划,对引入SRv6的开销降到最低

通过Unified SID方案,可以灵活适应各种地址规划的网络,基本无需专门的地址规划和改造,对引入SRv6的开销降到最低。

5.Unified SID应用

Unified SID技术是一种灵活适配的解决方案,支持短地址格式的SRv6头压缩且适应各种Segment和地址规划。可以替代SR-MPLS部署,支持低开销的SRv6部署,并可以将SR-MPLS平滑升级到SRv6【3】。

在MPLS/SR-MPLS的组网应用中,SR-MPLS为业务分配MPLS格式的SID,平滑升级支持SRv6过程中Unified SID方案仍然可以沿用已分配的MPLS格式的SID,仅需在升级后网络节点中维护MPLS格式的SID与IPv6地址的映射关系。

在IPv4网络升级IPv6的组网应用中,短地址长期存在,比如现有分配的IPv4或IPv6域内除共同前缀外的区分地址。Unified SID技术可以沿用已分配的短IP地址格式的SID,仅需要在升级后的SRv6节点简单建立短地址格式与128bit IPv6地址之间的映射关系。

在独立的SRv6组网应用中,通过通过短格式的MPLS格式的32bit SID代替128bit标准的SRv6 SID实现SRH头压缩,压缩率达到1/4,具备落地应用能力。

6.Unified SID加快SRv6应用步伐

中国移动联合中兴、博通、盛科、新华三等对SRv6技术的改进方案进行了深入研究,提出了unified SRv6 SID方案,并向IETF提交了技术草案,链接见参考文献。

同时,针对Unified SRv6 SID方案,研究团队已在盛科的芯片平台上进行了实现和验证,证明了Unified SID具备较强的灵活性和适应性,通过不同的SID长度指示可以在现有的SR-MPLS、IPv4/短IPv6地址网络中快速部署SRv6,同时可以具备标准SRv6的所有能力,从而加快SRv6在网络中的应用步伐。

参考文献

【1】 Unified-SID,Chengweiqiang、Greg等,draft-mirsky-6man-unified-id-sr-04;
【2】 Unified-SID Use case,Chengweiqiang、Greg等,draft-wmsaxw-6man-usid-id-use-00;
【3】 uSID,C. Filsfils等,draft-filsfils-spring-net-pgm-extension-srv6-usid-02;

作者简介:

程伟强,男,中国移动通信有限公司研究院网络与IT技术研究所承载网研究室经理,主要从事IP承载网、数据中心组网、5G回传等方面的研发及标准推进工作。
段晓东,男,中国移动通信有限公司研究院网络与IT技术研究所所长,主要从事IP承载网络、下一代互联网、移动互联网、5G关键技术等方面的研发及管理工作。
张庚,男,中国移动集团公司计划建设部传输处项目主管,主要从事IP承载网技术研究、规划建设及管理工作。


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SDNLAB君 发表于19-11-11
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