5G承载网分段路由技术研究

付易鹏

（中国信息通信研究院，北京 100191）

0 引言

众所周知，5G通信的三大业务分别是增强型移动宽带eMBB、海量机器类通信mMTC以及延时情况较少，而且通信稳定性较强的URLLC。在多方面因素作用下，5G承载网不仅应用灵活，而且要进行有效成本控制，整个智能服务品质也要得到相应改善。其需要在提高网络容量条件下，通过灵活组合的方式，确保相关发展需求的相应满足。

不仅如此，5G移动利用扁平化IP结构进行回传操作，而且在具体结构部署条件下，使整个业务流向变得更为复杂。其中不仅包括南北方向的流量，东西方向的流量需求也会持续增长。从网络连接角度来看，5G时代在4G时代基础上，进步程度十分明显。从实际发展状况来看，已经无法采用创痛方式进行管理体系创建，而是引入新型技术，使对应连接需求得到相应满足。分段路由即是一种特殊的源路由技术，其简化了MPLS技术的应用流程，在强大转发机制影响下，到达最佳的网络兼容效果。推进MPLS网络持续向SDN平滑方向发展，利用较高等级的连接方式，确保5G承载阶段的多样性需求能够拥有科学解决方案。

1 Segment Routing基本概念及转发原理介绍

Segment Routing自身属于源路由协议管理范畴，也称为段路由协议，由源节点来为应用报文指定路径，并将路径转换成一个稳定的Segment列表，并完成报文头的拼装，对应阶段内，所有路径的中间节点都按照需求进行转发操作。涉及的概念如下：

（1）SR 域（Segment Routing Domain）：SR 节点的集合。

（2）SID（Segment ID）：即段标识符，用来标识唯一的段。在转发层面，可以映射为MPLS标签。

（3）SRGB（Segment Routing Global Block）：用户指定的为SR预留的本地标签集合。建议在一个SR域内的所有节点使用相同的SRGB，便于管理和定位故障。

SR隧道自身带有明显的灵活性特征，主要依靠目的节点进行段标识符的绘制，沿途所有的段标识符都会涵盖其中。对于整个SR领域而言，SID体现的即是一种特殊的指令，预期相关的指令信息都会体现在SID列表内。我们可以这样理解，SR网络拓扑主要包含两种类型的Segment，分别为Node SID以及Adj SID。

（1）Prefix Segment/Node Segment（前缀段 /节点段）：Prefix Segment用于标识网络中的某个目的地址前缀（Prefix），利用IGP协议将大量网元涵盖其中，进而达到最佳的全局包含效果。Prefix Segment主要依靠SID标识发挥自身作用。Prefix SID对应的SRGB与最初发布状态进行比较，位置已经发生改变。接收端也会参照SRGB的计算值，完成最终MPLS表格的制定。Node Segment自身属于Prefix Segment管理范畴，主要对各个节点进行描述。在相应接口的位置进行IP地质的设定，此种状态下，我们可以将对应的节点看作是Node SID。

在支持SR的IGP域内，每个SR节点都可以分配一个Node SID，A节点可以通过打上B节点的Node SID，依赖IGP计算的最短路径使报文转发到B节点上。如果IGP计算结果是多条ECMP，则在多条ECMP路径上实现负载分担。

（2）Adjacency Segment（邻接段）：Adjacency Segment用于标识网络中的某个邻接，通过IGP协议达到网元扩散效果，这样不仅可以达到全局课件的目标，同时自身发展有效性也会发生明显改变。Adjacency Segment利用SDI标识进行判断，最终发现Adj SID并不属于SRGB范围内的SID。

完成网络Adjacency Segment的分配认为，每一个头结点概念都包含多个组成单位，此种状态下，可以满足指定任何显示路径的要求。

也可以通过Node SID及Adj SID的组合使用来灵活控制业务路径。如图1所示，节点C的Node SID为72，节点Z的Node SID为65，节点C到节点D的邻接标签为9003。假设一个报文要从A到Z，控制器计算完路径后是A-B-C-O-P-Z（组合路径），先用C的Node SID 72到达C，然后指定走C-O这条链路到达O，而后利用Z的Node SID完成Z的转发任务。开展对应路径转化操作，SR对应的标签栈即是是{72，9003，65}，包括完成对应节点设备的下发任务，整个阶段内，以标签转发条件为核心，确保转发任务目标能够最终实现。

图1 IGP node segment和IGP adjacency segment联合转发示例

2 Segment Routing控制平面

从转发平面来看，SR标签的分配和分发只需要通过IGP协议（ISIS或OSPF）的SR扩展来同步，或者由控制器作为集中式的控制平面统一进行Segment的分配和下发。SDN控制器与IGP的协同工作可以完成网络拓扑收集、端到端路由计算、业务及连接动态控制、链路资源自动发现等功能。

转发面与控制器之间的南向接口共有三种：BGP-LS、PCEP和Netconf。转发面通过BGP-LS将拓扑上报给控制器，控制器通过拓扑生成RIB，保证上下数据一致；PCEP将控制器计算的SR端到端路径下发给设备，形成控制通道闭环；其他管理接口通过Netconf实现，其整体架构如图2所示。

图2 SR控制平面介绍

3 Segment Routing隧道及保护技术

5G承载需求中，无线接入网存在两种接口，一种为基站到核心网的S1连接，一种为相邻基站之间的eX2（Xn）连接。5G切片分组网SPN设备定义了SR-BE与SR-TP隧道，用以承载以上两种业务。现就这两种隧道及其保护策略分别予以介绍。

（1）SR-BE隧道：SR协同IGP自动生成的SR-LSP称为SR-BE隧道，携带一层标签，在IGP域内可形成Fullmesh的连接。SR-BE不带任何约束条件，完全按照IGP SFP路径转发，因此SR-BE隧道不能保证TE能力。SR-BE隧道用来承载eX2连接的L3VPN业务。

SR-BE 隧 道 使 用 TI-LFA（Topology Independent Loop Free Alternate）和动态IGP协议收敛的保护机制，可做到50ms电信级保护倒换要求，并支持Ping、Traceroute等OAM机制。TILFA保护倒换触发条件可以是邻接口ETH_LOS、Link_Down等端口级故障或邻接链路状态异常，如通过BFD检测链路状态等。

在支持SR的IGP域内，使用TI-LFA算法能在任意拓扑中100%保证形成路由的FRR保护。这里的FRR保护是局部的，可用于保护IGP域内的链路或者节点失效的情况。LFA算法的基本思想是计算PQ空间的交集，P空间定义为：从故障修复节点出发，不需要经过中断路径就可以达到的节点集合；Q空间定义为：不需要经过中断路径即可到达目的节点的节点的集合，即以目的节点为根计算的反向生成树。如果PQ空间没有交集，RLFA就不能保护这个拓扑。TI-LFA的保护机制是，在PQ空间分离的集合里面，首先利用Node SID选择P节点，然后压上Adj SID，将可跳过任何metric限制将流量穿越P空间达到Q空间，这样业务就可以继续向目的节点转发，而不会形成环路，从而保证100%的形成保护。如图3所示，通过TI-LFA算法确定TI-LFA tunnel终结点为节点4，直接压入4的Node SID将报文送到4，再通过4-3的Adj SID，报文最终到达3。

图3 TI-LFA保护机制介绍

（2）SR-TP隧道：SR-TP隧道是由控制器创建带约束条件的SR路径，控制器将计算好的转发路径在隧道源节点通过SR标签栈的形式下发，用以指示隧道转发路径，可承载S1连接的L3VPN业务。SR-TP隧道为单向隧道，在实际应用中增加了一层Path SID标签来实现双向隧道绑定。另外为解决SPN设备转发标签栈能力限制（10层标签）问题，制定了标签粘连机制以增加SR-TP隧道路径跳数。

SR-TP隧道继承了MPLS-TP技术方案中的OAM、APS及线性保护机制，支持端到端的隧道保护，也可达到50ms电信级保护倒换要求。另外在控制面SDN控制器支持SR-TP隧道动态重路由功能，可支持BGP-LS搜集拓扑状态触发SR-TP隧道重新算路及对源宿节点检测到OAM或APS状态异常触发隧道重新算路。

4 结束语

SR技术非常巧妙地运用MPLS和IGP协议，大幅省略对标签分发协议的需求，简化协议和网络设计，且能提供高效的保护实现，还可以与SDN集中控制无缝衔接，满足5G云化网络灵活连接要求。未来随着技术的发展及标准化的进一步成熟，SR技术会得到更广泛的应用。