Segment Routing（直譯為分段路由，縮寫為SR）技術，脫胎于MPLS，但是又做了革命性的顛覆和創(chuàng)新，它代表的是一種新的網(wǎng)絡理念——應用驅(qū)動網(wǎng)絡。自從誕生那一刻起，SR技術便被譽為網(wǎng)絡領域最大的黑科技，因其與SDN天然結合的特性，也逐漸成為SDN的主流網(wǎng)絡架構標準。本文為大家梳理了SR技術的起源，引出SR技術的基本概念和優(yōu)勢，并展望SR下階段的演進方向。

追蹤朔源—MPLS

MPLS介紹

MPLS（Multi-Protocol Label Switching，多協(xié)議標簽交換）是一種在開放的通信網(wǎng)上利用標簽引導數(shù)據(jù)高速、高效傳輸?shù)募夹g。（定義來自：維基百科）

圖1:MPLS報文結構

簡單說MPLS采用標簽分發(fā)技術，將IP地址映射為簡單的具有固定長度的標簽（如圖1， MPLS頭部包含20bits的標簽位），MPLS網(wǎng)絡是利用標簽進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的。

Segment Routing的“繼往&開來”

MPLS在廣域網(wǎng)等場景已經(jīng)得到了大量部署。ISP/OTT/大企業(yè)通過部署LDP、RSVP-TE等協(xié)議，為廣域網(wǎng)業(yè)務提供VPN隔離以及差異化的流量調(diào)度方案。隨著MPLS技術的廣泛應用，其優(yōu)勢和劣勢也都更加凸顯。被稱為“下一代MPLS”的Segment Routing技術很好地繼承了MPLS的優(yōu)勢，同時也對MPLS的劣勢進行了顛覆和創(chuàng)新。

SR繼往：傳統(tǒng)MPLS的數(shù)據(jù)平面既保持了標簽轉(zhuǎn)發(fā)的簡單高效，還能支持顯式路徑從而提供強大的流量調(diào)度能力。這使得MPLS的數(shù)據(jù)平面成為經(jīng)典，Segment Routing聰明地繼承了MPLS的數(shù)據(jù)平面。

SR開來：與MPLS數(shù)據(jù)平面大受好評不同，MPLS的控制平面卻因為協(xié)議復雜、擴展性差、部署&運維困難等問題深受詬病。MPLS的控制面依賴的主要技術是LDP（Label Distribution Protocol，標簽分發(fā)協(xié)議），以及RSVP-TE（Resource Reservation Protocol - Traffic Engineering，基于流量工程擴展的資源預留協(xié)議）。接下來我們重點分析一下LDP和RSVP-TE存在哪些問題，SR又是如何解決的？

LDP標簽分發(fā)協(xié)議

通過LDP協(xié)議，MPLS設備可以把路由信息映射到標簽信息上，并通過協(xié)議通告建立起標簽交換路徑。關于LDP的詳細介紹，限于篇幅原因，不在這里展開。我們只需要知道：LDP是依賴IGP路由信息為IP網(wǎng)絡中的目的地址分配標簽（本身不維護狀態(tài)信息），并通過鄰居間的LDP信令周知不同目的IP的標簽信息。

LDP的優(yōu)勢

• 部署簡單：只需要接口使能LDP功能即可。
• 易擴展：目前OSPF/IS-IS等IGP協(xié)議都支持LDP，擴展性較好。
• 天然的ECMP能力：LDP本質(zhì)上依賴IGP的路由轉(zhuǎn)發(fā)，因此可以直接復用IGP的負載均衡能力。

LDP的劣勢

• 沒有流量工程機制：和IP網(wǎng)絡一樣，LDP也無法指定轉(zhuǎn)發(fā)路徑，也就無法做到基于業(yè)務要求（時延、帶寬、丟包等）的流量調(diào)度。
• 交互復雜：LDP重度依賴IGP，導致交互復雜，詳見LDP-IGP synchronization issue，RFC 5443&RFC 6138。當LDP和IGP狀態(tài)不一致時，還可能產(chǎn)生流量黑洞的問題。

RSVP-TE技術

為了解決LDP不支持流量工程的問題，MPLS中引入了RSVP-TE控制面。

傳統(tǒng)路由是依據(jù)目的IP進行查找轉(zhuǎn)發(fā)，且只關心下一跳怎么走，而并不關心流量的完整路徑。而RSVP-TE引入了源路由的概念：當流量進入RSVP網(wǎng)絡后，在源節(jié)點就會計算出完整的每一跳路徑（顯式路徑）。

如同導航軟件在計算行駛路線前需要收集道路信息并知曉當前路況，計算源路由的先決條件則是需要收集全網(wǎng)拓撲信息及鏈路狀態(tài)信息。RSVP-TE通過擴展IGP協(xié)議收集了這些信息（IS-IS擴展了TLV字段，OSPF則是用特定的LSA）。

知曉路況信息是第一步，具體選擇走哪條線路，還要取決于選路算法。一如導航軟件根據(jù)我們的要求（時間優(yōu)先，距離優(yōu)先，不走高速等）選擇最優(yōu)路線，RSVP-TE流量調(diào)度也可以依據(jù)業(yè)務的要求：如延時低于50ms、帶寬大于10G等規(guī)劃出最優(yōu)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。

RSVP-TE優(yōu)勢

相比于傳統(tǒng)的路由協(xié)議基于目的IP的簡單轉(zhuǎn)發(fā)，RSVP-TE最大的優(yōu)勢在于收集了整網(wǎng)拓撲和鏈路狀態(tài)信息，因此可以根據(jù)業(yè)務的需要靈活地選擇流量的轉(zhuǎn)發(fā)路徑（為流量指定一條顯式路徑）。

RSVP-TE劣勢

RSVP-TE聽上去是一個完美的流量調(diào)度解決方案，應該大受歡迎。然而現(xiàn)實很骨感：部署RSVP-TE的案例并不多，并且在為數(shù)不多的RSVP-TE案例中，大部分也只用到了RSVP-TE的快速重路由功能，而非流量調(diào)度功能。究其原因，無外乎以下三點：

• 過于復雜：RSVP信令非常復雜，每個節(jié)點都需要維護一個龐大的鏈路信息數(shù)據(jù)庫；
• 擴展性受限：為了準確預留帶寬，RSVP-TE要求所有IP流量都需要通過隧道轉(zhuǎn)發(fā)，節(jié)點之間建立Full-mesh隧道導致擴展性差，大規(guī)模部署幾無可能；
• 不支持ECMP（Equal-Cost Multipath Routing，等價多路徑）：現(xiàn)代IP網(wǎng)絡中，ECMP是一個最基礎的需求。而從源路由的機制我們可以看到，RSVP-TE只會選擇一條最優(yōu)路徑進行轉(zhuǎn)發(fā)。如果想要實現(xiàn)流量分擔，還需要在相同的源和目的之間預先建立多條隧道。

注：關于ECMP的技術文章可以參考技術盛宴第十二期：數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡等價多路徑（ECMP）技術應用研究。https://mp.weixin.qq.com/s/DM-jlOdSlDOHKqObeIdt0w

二、大道至簡-Segment Routing

綜上所述，MPLS雖然解決了很多問題，但其本身也有待優(yōu)化，尤其是在流量工程方面復雜性亟待改善。在這樣的背景下，一種保留了MPLS能力，且更為簡單易用的技術架構——Segment Routing，恰如其時地出現(xiàn)了。

Segment Routing，這項號稱“下一代MPLS”的技術，從其被設計之初就堅持了對網(wǎng)絡協(xié)議做減法的原則。那么對比MPLS，Segment Routing到底“減”在哪里？

減法一：去掉RSVP復雜的信令機制

RSVP-TE是一種分布式的架構，每臺設備只能看到自身的狀態(tài)。想要獲取其他設備的狀態(tài)信息，就必須依賴RSVP的信令來進行頻繁的、大量的交互，這也就造成了RSVP協(xié)議的復雜性。我們不妨設想下，如果有一種集中控制平臺負責交互這些信息，那這一切是否就迎刃而解了？

提到集中式，大家一定會首先想到轉(zhuǎn)控分離的SDN。沒錯，SDN集中式控制思想和源路由可謂是天作之合。

2015年開源的SDN控制器Open Daylight支持Segment Routing是一個標志性的事件，這使得Segment Routing演進成集中式/分布式混合架構成為可能。事實上，目前落地的SR項目中也幾無例外地都使用了SDN來收集拓撲信息以及下發(fā)隧道路徑。

減法二：去掉 LDP，直接由IGP分發(fā)標簽

LDP實際上不維護任何的狀態(tài)信息，僅僅是對IGP中的目的IP和MPLS標簽做了一層映射，那么這樣的標簽分發(fā)和同步是否可以通過拓展IGP協(xié)議的方式來實現(xiàn)，從而減少部署LDP協(xié)議呢？

Segment Routing實現(xiàn)了這一點，它擴展了IGP協(xié)議的SR屬性（IS-IS通過TLV實現(xiàn)，OSPF通過不透明LSA攜帶，具體可以參考http://www.segment-routing.net/），并用于直接分發(fā)和同步標簽信息。當然，引入SDN控制器后，這部分工作也可以交給控制器完成。

什么是Segment Routing

讀到這里，相信大家對SR技術已經(jīng)有了基本的認識，下面我們通過一個舉例再來理解一下。

《Segment Routing詳解第一卷》中，用了一個很形象的比喻來解釋SR：機場行李標簽。設想某人要把行李從西雅圖發(fā)送到柏林（TXL），途徑墨西哥城（MEX）和馬德里（MAD）。航空運輸系統(tǒng)并不會為這件行李產(chǎn)生一個單獨的ID并維護它，而是采用了一種更具擴展性的方法：在始發(fā)機場給行李貼上一個標簽“先到墨西哥城，再到馬德里，最后到柏林”。這樣一來，航空傳輸系統(tǒng)不需要識別行程中的單個行李，而只需要識別機場代碼，就會知道怎么按照行李標簽把行李從一個機場發(fā)送到另一個機場。比如剛才的例子，只需要在始發(fā)機場西雅圖為行李箱貼上{MEX;MAD;TXL}的標簽，機場依據(jù)行李標簽發(fā)送即可。

SR的做法其實完全相同，在SR的世界里，始發(fā)機場西雅圖就是源節(jié)點，機場代碼就是中間節(jié)點標簽。SR會在源節(jié)點壓入轉(zhuǎn)發(fā)標簽路徑，中間節(jié)點只需要根據(jù)標簽轉(zhuǎn)發(fā)。

在這個例子中我們不難理解SR的幾個特點：

• 源路由：在始發(fā)機場西雅圖貼上標簽路徑。
• 無狀態(tài)：中間機場不需要知道行李從哪來，最終去往哪里，而只需要根據(jù)標簽轉(zhuǎn)發(fā)。
• 集中控制：機場代碼由航空運輸系統(tǒng)集中分配和維護（當然在SR世界里，表達的路徑標簽也是集中計算和下發(fā)的）。

SR標簽分類

理解完SR是什么后，我們再具體學習下SR技術中最重要的概念：SR標簽。SR標簽具體分類如下：

表1:SR 標簽分類

另外兩個需要知曉的、密切相關的概念：

Segment Routing Domain：一組SR節(jié)點的集合

SRGB：為全局SR預留的本地標簽集合，生成的Segment需在SRGB范圍內(nèi)。

前綴/節(jié)點標簽（Prefix/Node Segment）

圖2: Prefix/Node Segment

Prefix-SID：是為目的地址前綴分配的標簽，標簽在SR域內(nèi)全局唯一，標識的方式為SRGB+Index。如圖2，如果SRGB從16000起始，10.2.2.0/24網(wǎng)段被分配的Index為1，那么10.2.2.0/24的Prefix-SID為16001。

Node-SID：可以簡單理解為一種特殊的Prefix-SID, 如：將設備 Loopback接口下配置的IP地址作為前綴，其對應的 Prefix SID實際就是Node SID 。

鄰接標簽（Adjacency Segment）

鄰接標簽（Adjacency Segment）表示設備上某條鏈路的單跳路徑，僅在設備本地有效。每個設備向與自己相鄰一跳的設備通過IGP擴展通告鄰接標簽。當然，也可以通過SDN控制器直接為SR域內(nèi)的每條鏈路進行標簽分配。

圖3: Adjacency Segment

如圖3所示，9001、9002、9003表示的是為每條鏈路分配的鄰接標簽。

了解完SR標簽的分類和作用后，我們不難理解：利用Prefix/Node Segment的組合，網(wǎng)絡中很容易形成多條轉(zhuǎn)發(fā)路徑（條件寬松）。當需要對流量進行精細化調(diào)度時，加入Adj-Segment可以指定一條顯式路徑（條件嚴格）。

SR轉(zhuǎn)發(fā)流程

接下來我們看一個典型的SR轉(zhuǎn)發(fā)流程：

圖4: SR轉(zhuǎn)發(fā)流程

1. 控制器收集全網(wǎng)的拓撲信息，鏈路狀態(tài)信息，并分配SR標簽（也可以設備上生成通告給控制器）。
2. 如圖4所示,10.1.1.0/24與10.6.6.0/24主機互訪，默認情況下網(wǎng)絡中會有非常多的路徑，比如ABCF，ADEF，ABCEF等等。如果不需要對流量做調(diào)度，按照默認的多路徑轉(zhuǎn)發(fā)即可。
3. 應用驅(qū)動網(wǎng)絡：如果應用對網(wǎng)絡提出了要求，比如需要一條帶寬大于8G，延時少于30ms的轉(zhuǎn)發(fā)路徑。那么源節(jié)點A設備會向控制器發(fā)起路徑計算請求。
4. 控制器已經(jīng)掌握了全網(wǎng)的拓撲信息、狀態(tài)信息、標簽信息，因此可以計算出符合條件的顯式路徑。
5. 如圖4所示，假設紅色鏈路出現(xiàn)了擁塞，不滿足業(yè)務的帶寬要求。最終計算的結果黃色的箭頭路徑是滿足需求的，控制器會給源節(jié)點A下發(fā)符合路徑的標簽棧{16021，16031，323，16032，16041}來引導流量按指定路徑轉(zhuǎn)發(fā)。
6. 源節(jié)點A收到標簽棧后，會壓入到轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
7. 接下來，就是常規(guī)的標簽轉(zhuǎn)發(fā)。可以參考圖4的標簽列表：節(jié)點A收到標簽棧后，發(fā)現(xiàn)第一個標簽16021對應B節(jié)點，于是查找路由將報文轉(zhuǎn)發(fā)給B；B節(jié)點收到后，發(fā)現(xiàn)頂層標簽16021是自己，于是將標簽彈出，并將標簽發(fā)往16031對應的鏈路…最終數(shù)據(jù)表會依據(jù)指定的路徑轉(zhuǎn)發(fā)到目的地F。

SR優(yōu)勢總結

最后簡單總結下SR技術的優(yōu)勢：

• 簡化的控制平面（去除LDP/RSVP-TE）；
• 可擴展性好：SR的源路由和無狀態(tài)特性決定了其良好的擴展性；
• 戰(zhàn)術型流量工程：對于普通流量不指定路徑，自動負載；對于需要調(diào)度的流量計算出顯式路徑，并下發(fā)Segment執(zhí)行；
• 與SDN結合，繼承集中控制帶來的好處；
• 與拓撲無關且針對IP優(yōu)化的FRR（快速重路由）；
• 標準化，多廠商支持。

三、展望

場景演進

Segment Routing目前在一些運營商和OTT公司已經(jīng)得到試點部署，但大多數(shù)應用場景還集中在骨干網(wǎng)的流量調(diào)度。SR在其他場景譬如數(shù)據(jù)中心是否也有用武之地呢？Segment Routing優(yōu)異的流量調(diào)度機制以及轉(zhuǎn)控分離的架構，或許可以解決數(shù)據(jù)中心的一些難題：比如大量ECMP路徑帶來的轉(zhuǎn)發(fā)路徑不確定性、傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備黑盒不可見等。另外，2017年發(fā)布的Linux內(nèi)核4.10已經(jīng)正式支持SR，這意味著從主機甚至是容器開始就可以調(diào)度其對應的業(yè)務流在全網(wǎng)的端到端路徑，端到端的SR部署成為可能。

技術演進

IPv4向IPv6演進是時下熱點話題，SR同樣也需要向IPv6演進。SR支持IPv6有兩種方式，一種是仍然采用MPLS數(shù)據(jù)面，控制面為IPv6地址分發(fā)MPLS標簽。但更好的方式是直接采用SRv6技術， SRv6是一項更具顛覆性的技術，它直接利用IPv6地址作為標簽尋址（Locator），并融入編程思想，加入了指令（Function）字段。我們甚至可以把網(wǎng)絡類比為計算平臺，而SRv6 Segment是CPU指令，通過SDN有機調(diào)度將應用需求自動映射到網(wǎng)絡基礎設施上執(zhí)行，進而實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡配置及調(diào)度。相信SRv6的極簡和編程的理念，將引發(fā)全新的設計和運營網(wǎng)絡的思考。

銳捷網(wǎng)絡成立了SRv6專項研發(fā)團隊，持續(xù)跟進SRv6技術的進展。基于商用芯片，預計在2019年完成SRv6功能的開發(fā)，并已有計劃推動SRv6的商用部署落地。