SRv6—5G技术落地的大杀器

作者:研究小组

5G业务的发展对于网络连接提出了更高的要求,例如更强的SLA、确定性时延等。在5G的应用场景中,各种垂直行业的业务特征各具差异。对于广连接场景,如智能家居、环境监测、智能农业、智能抄表等业务,需要网络支持海量设备连接和大量的小报文频发业务;对于视频监控和在线医疗等业务,需要网络支持大带宽低延迟业务;对于车联网、智能电网和工业控制等业务,要求网络支持毫秒级时延和不低于6个9的可靠性。应用于各种行业的5G技术要具备更强的灵活性、可扩展性。

5G业务需求可划分为3大类:
eMBB(Enhanced Mobile Broadband,增强型移动宽带)聚焦对宽带有高要求的业务,如高清视频、虚拟现实/增强现实;
uRLLC(Ultra-Reliable Low-Latency Communication,超高可靠低时延通信)聚焦对时延和可靠性极其敏感的业务,如自动驾驶、工业控制、远程医疗、无人机控制;
mMTC(Massive Machine Type Communication,大规模机器通信)聚焦覆盖具有高连接密度的场景,如智慧城市、智慧农业。

图1:5G业务需求

这三类业务场景,对5G网络提出了不同的网络特性和性能要求。以承载网为例,5G承载网组网功能要求实现6个方面的需求,包括:多层级承载网络、灵活化连接调度、层次化网络切片、智能化协同管控、4G/5G混合承载以及低成本高速网。为了在一张物理网络中,满足不同业务差异化需求,必须借助网络切片技术来实现。网络切片通过在一张物理网络上切分出多张包含特定网络功能、网络拓扑和网络资源的虚拟网络,来满足不同业务需求。

SRv6是5G技术体系的重要组成部分。总体上来说,SRv6在5G场景中的网络切片、业务管理、云资源管理等三大方面有创新应用。

SRv6在网络切片中的应用

5G网络切片涉及终端、无线、承载和核心网,需要实现端到端协同管控。通过转发平面的资源切片和管理控制平面的切片管控,为三大类业务提供差异化的SLA保障。

切片需要具备如下特征:
1、满足不同业务需求:按需提供差异化的服务。
2、安全性:有效隔离租户之间的数据/信息.
3、可靠性:任意租户的网络异常不会影响同一物理网络中的其他租户。

网络切片是网络功能虚拟化应用于5G阶段的具体表现。一个网络切片构成一个端到端的逻辑网络,按切片需求方的需求灵活地提供一种或多种网络服务。网络切片架构主要包括切片管理和切片选择两项功能。切片管理功能将运营、平台、网管有机结合,为不同切片需求方提供安全隔离、高度可控地专用逻辑网络。切片选择功能实现用户终端与网络切片间的接入映射。切片选择功能综合业务签约和功能特性等多种因素,为用户终端提供合适的切片接入选择。

以承载网技术SPN为例,SPN网络切片分层架构包括切片分组层(SPL)、切片通道层(SCL)和切片传送层(STL)三个层面。

图2:SPN协议栈

SPN通过切片分组层来承载CBR业务、L2VPN和L3VPN等业务。切片分组层基于SDN集中管控,提供面向连接和面向无连接的通信承载能力。SRv6是切片分组层的重要实现技术。

SRv6 Policy利用SR机制,在头节点封装有序的指令列表指导报文穿越网络。SRv6 通过Color标识SRv6 Policy ID,该参数与业务属性相关联,比如低延时、高带宽等业务属性,可以把该参数理解为业务需求的模板ID。Color标识目前没有统一的编码规则,该值由管理者分配。比如端到端时延小于5ms的策略可分配Color标识值为50。通过该参数,SRv6 Policy可以直接响应业务需求,从而省略了从业务需求到网络语言再到网络对象的过程。

SRv6通过HBH(Hop-by-Hop Options Header,逐跳选项扩展报文头)扩展头中的Slice ID信息关联到指定的网络切片。当切片数据到达SRv6路由源点时,根据VPN实例路由表关联SRv6 TE Policy,然后在报文中插入SRH信息,封装SRv6 TE Policy的SID List 然后封装HBH扩展头,最后封装基本IPv6报文头。切片数据被封装成标准IPv6报文后被转发。转发时通过Slice ID信息关联到指定的网络切片接口。

图3:SRv6切片封装

一个SRv6 Policy可能关联多个Candidate Path,支持主备冗余路径、逃生路径。SRv6 Policy支持多种算路方式,包括PCE集中算路、头节点算路、手工规划路径,以及FlexAlgo算路等。多Candidate Path的设计对业务屏蔽算路细节。不同的算路方式形成的路径,以Candidate Path形式封装在SRv6 Plolicy内部。

目前SRv6 SID列表采用16byte长度的 IP地址标识,转发效率较低。SRv6对转发芯片要求较高,目前只有少量芯片可以做到10+层标签封装。另外,电信级承载网络中,仍然存在不支持SRv6的设备,MPLS和SRv6将在一定时间内共存,需要通过MPLS和SRv6拼接方案、双平面方案以及overlay方案等实现不同技术之间的共存。

2020年中兴通讯支撑中国电信实现了全球最大SRv6商用网络,并实现2B/2C切片部署,引入了MPLS与SRv6拼接与双平面技术,实现IP RAN1.0、STN融合商用部署。

SRv6对5G业务管理的支持

5G网络的多业务承载对网络管理提出了更高的要求。需要有更有效的故障定位手段,提升运维效率。传统的性能监测OAM粒度较粗,多采用构造监测报文方式间接探测网络质量。这种方式只能对端口/隧道/伪线进行监测,且信息采集周期为分钟级,无法捕获突发异常。此外,传统监测方法无法自动逐跳监测,不能快速定界故障。传统性能监测不能满足5G业务管理需要,5G场景下需要提供基于业务流级的性能监测方法。5G监测方法需要具备实时、高精度的性能检测机制。同时,对于时延敏感类业务,性能监测还需要提供全网端到端的时延情况,能够监控到时延异常,并能针对异常路径及时调整选路。

基于SRv6的随路网络测量instu-OAM已经成为IETF工作组草案。SRv6随流instu-OAM能够提供毫秒级网络节点业务感知的能力,能够适应网络智能路由发展,确保电信级业务可靠性。

基于IFIT(In-situ Flow Information Telemetry)框架实现的随路网络测量,不引入额外的测量报文,能够实时监测用户流时延和丢包,能够快速发现故障点,支持多种随路网络测量技术的数据平面封装,可大规模部署在IP网络中。随路网络测量不会主动发送探测报文,通过在用户报文中携带OAM指令实现对网络性能的测量。随路网络测量方式测量的是真实的用户流量,能够实现细化到报文的监控,可搜集到报文在网络中的转发路径以及每跳设备的命中规则。

IOAM支持Passport和Postcard两种模式。IOAM定义的Trace Option(跟踪模式)实现了Passport模式的随路。Trace Option(跟踪模式)包括64个bit位。

图4:IOAM Trace Option header

其中IOAM-Trace-Type 24bit用于描述需要收集的数据,每一比特代表一种需要搜集的数据类型。不同厂商可以在指定的命名空间下定义支持的数据种类。这些数据包括节点标识、接收报文接口标识、发送报文接口标识、报文在设备中的处理时间、无格式的不透明数据等。报文每经过一个IOAM域的节点时,节点会根据IOAM-Trace-Type收集相应类型的数据,并一次添加在IOAM指令后面。

EAM提供了Postcard模式的随路网络测量。EAM指令有32位。其中FlowMonID有20位,用于标识监控流,该字段由监量域的入节点写入。

图5:IOAM EAM Header

IOAM通过新增IOAMDEX(Directly EXport)选项实现PBT-I(Postcard-Based Telemetry with Instruction Header)。该模式下指令头长度128位,与IPv6地址长度相同,能够承载于IPv6的扩展报文头中。

借助于SRv6技术在数据平面的可编程能力。IFIT的指令可以封装在IPv6的HBH中,或者封装在IPv6 的SRH扩展头中。前者的IFIT指令会被所有IPv6转发节点处理。后者只会由指定的Endpoint节点处理。

图6:管理字段的两种封装方式

管控系统需要具备多层网络资源的规划和优化功能,实现多层网络资源的最优配置,实现多层路由策略协同。

SRv6在5G云资源方面的应用

云技术的发展,使得业务处理所在位置更加灵活。云业务打破了物理网络设备和虚拟网络设备的边界,业务与承载融合在一起。

5G边缘云通过将DCN与WAN网络融合,形成Spine-Leaf的Fabric架构。Leaf是Fabric网络功能接入节点,通常为WAN网络中的PE设备。Spine主要做高速流量转发,通常为WAN网络中的P设备。通过高速接口连接Leaf节点,通过分级互联覆盖更大的网络。

图7:5G 云网络架构

边缘云拉通了DCN及WAN,传输承载协议也需要拉通,SRv6是解决DCN与WAN网络拉通的有效方法。通过SRv6+EVPN技术实现IPv4/v6双栈业务能力,同时为5G、企业和MEC提供业务能力支撑。通过端到端的SRv6 BE/TE,进行整体路径调优,同时实现业务隔离。SRv6消除了背靠背的DC-GW和PE间的跨域VPN OptionA的业务配置点,提供端到端的OAM能力。同时,SRv6为简化网络层级提供了可能,DC之间不再需要独立设置PE、DC-GW、Leaf等多层节点,这些功能性设备可以归并在一起,由一层设备复用完成,减少了建网成本。

此外,在SRv6转发效率方面,中国移动提出了“G-SRv6头压缩优化方案”,通过去除SRv6 SID中的冗余前缀实现压缩,有效解决了原生SRv6报文头开销过大、转发效率低和报文头处理硬件要求高等问题,扫除了SRv6规模部署的最大障碍。

小结

随着5G更广泛地应用于更多的场景,SRv6也将发挥越来越重要的作用。基于SRv6实现的L3网络切片、随路业务监测、云网融合,也将成为5G网络建设的重要基石。


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SDNLAB君 发表于21-09-23
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