SRv6在5G确定性网络中的应用

韩 沛，张丽萍

（中通服咨询设计研究院有限公司，江苏 南京 210019）

1 SRv6概述

SRv6是段路由（Segment Routing，SR）和IPv6技术的结合。为了实现SRv6转发，在IPv6的路由扩展报文头定义了一种新的报文头SRH，该报文头中携带段列表（Segment List）和Optional TLV等信息，可以实现设备级的路径控制和网络编程。

自从2019年华为在第三届未来网络发展大会上首次提出“确定性网络”的概念以来，智能电网、车联网、远程医疗以及无人驾驶矿车等垂直行业应用场景对5G确定性网络提供的高可靠性和可预期时延的需求越来越迫切。基于SRv6的5G承载网能将传统的“应用适配网络”转变为“可确定网络”，满足不同行业应用对网络能力的差异化要求，是超可靠低延迟通信（ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC）业务创新发展的主要驱动力。

2 确定性网络

确定性网络（Deterministic Networking，DetNet）是一种可提供承诺服务等级协议（Service-Level Agreement，SLA）的网络技术，通过动态智能网络编排和队列算法为行业应用提供“差异化+确定性”的网络服务能力，保证高价值流量在端到端传输过程中具备低抖动、零丢包以及可预期时延上限等参数属性。

DetNet依靠资源预留和队列算法规避高优先级流量出端口的冲突，中间节点提前为不同的流量资源预留带宽资源，通过队列算法调度可能发生冲突的报文，避免拥塞，为高优先级报文提供可保证的端到端时延上限。为了保证网络质量稳定可靠，DetNet采用显示路径对满足业务要求的报文路径进行约束，防止路由变更对报文传输造成影响。冗余保护是在复制节点复制一份完整报文，通过两条或者多条不同路由同时传输，在汇聚节点保留先到的报文然后转发，丢弃冗余报文[1-3]。通过冗余保护可做到链路无损切换，保证业务不会中断。

3 DetNet相关技术原理

3.1 冗余保护原理

DetNet的可靠性是基于多发选收的原理，DetNet数据报文建立两条或者两条以上的路径，将复制的报文通过不同的显示路径同时发送。冗余报文到达汇聚节点后，根据报文携带的报文编号转发优先收到的报文，丢弃冗余报文。当网络中出现一条链路故障时，不同链路之间可以无损切换，不会导致业务中断。冗余保护原理如图1所示。

图1 冗余保护原理

3.2 确定性时延原理

数据报文在IP网络中传输时的网络运行状态不可预估，报文单跳的转发时延一般不确定，当网络出现拥塞时，会导致转发的单跳时延大大增加。DetNet通过路由和队列管理算法合理调度带宽资源，实现网络确定性时延。在队列中将DetNet流量设置为最高优先级，并为不同的DetNet流量规划不同的资源，避免DetNet流量和非DetNet流量以及DetNet流量之间互相影响。最后通过时间整形（Time Aware Shaper，TAS）消除设备对报文处理带来的时间抖动，确保报文在一个可以预期的时间内被转发[4]。

IEEE 802.1 Qbv定义了新的TAS整形机制，通过基础硬件和传输选择算法提供基于时间的整形机制，如图2所示。

图2 TAS基本原理

DetNet报文经过传输选择模块后，TAS机制在每个队列前增加一个时间门控，时间门控表限定了每个时间段内每个门控的开关状态。当DetNet报文进入出端口队列后，依据传输选择算法和报文的优先级选择相应的队列进入缓存。队列被选中调度后，如果当前的时间门控状态为Closed，整形器处在关闭状态，报文继续被缓存；如果时间门控状态为0，整形器开启，报文可以出队列转发。经过资源调度算法和TAS功能，去掉报文的时延尾巴效应和抖动效应后，报文时延特性如图3所示。

图3 确定性时延基本特性

4 基于SRv6的DetNet构成

4.1 基于SRv6的冗余保护网络

在DetNet中，SRv6扩展了Optional TLV报文头，用于携带汇聚节点在处理冗余报文时需要的流标识和序列号。同时定义了新的冗余安全标识符（Security IDentifiers，SID）和汇聚SID，用于指示报文的复制和删除。此外，还定义了新的冗余策略，可同时实例化多个片长，指示复制报文沿着不同路径转发[5-7]。

基于SRv6的DetNet流量转发流程如图4所示。首先，入节点封装包含SRH1的外层IPv6报文头，SRH1指示入节点到复制节点的路由。其次，复制节点对DetNet报文进行复制，并为复制报文分别封装包含SRH2和SRH3的外层报文头，分别指示路径1和路径2两条不同的路径信息。其中，SRH2和SRH3携带流标识和序列号。最后，汇聚节点根据SRH2和SRH3中的流标识和序列号判断报文是否为冗余报文，先到达的报文会被转发，后到达的冗余报文被删除。被转发报文封装包含SRH4的报文头，指示出节点的路径。

图4 基于SRv6的DetNet转发流程

4.2 基于SRv6的确定时延网络

基于SRv6的确定时延网络基于软件定义网络（Software Defined Network，SDN）架构，采用循环指定队列和转发（Cyclic Specified Queue and Forwarding，CSQF）和TAS解决方案。CSQF在资源预留的基础上配合出端口队列算法通过控制器为DetNet流量在沿途每个节点上指定出端口的时间，精确规划流量，避免拥塞[8]。

CSQF引入Cycle的概念，以时间为单位来进行带宽资源的预留。Cycle的长度就是时间区间的大小，在DetNet中对Cycle进行编号，每个Cycle编号对应网络中某台设备的一个具体时间区间。当有DetNet流量时，控制器根据全网的流量状态计算报文预计占用端口时间，规划出一条满足时延需求的路径，并规定报文在沿途的设备上的出端口时间（即Cycle编号）用SID表示，这样的SID组合形成一条确定性的时延网络，经控制器下发给入节点设备。确定性时延网络上的设备按照SID转发报文，利用TAS吸纳设备处理报文带来的抖动，确保了报文端到端的时延和抖动上限能够满足网络需求[9]。

基于CSQF的DetNet报文转发流程如图5所示。首先，SDN控制器实时更新和维护整个网络拓扑信息和Cycle信息；其次，控制器根据整个网络流量现状和业务时延的需求规划路径，并在沿途节点发送Cycle信息；再次，控制器根据规划的路径，为各节点下发SRv6封装，报文按照规划路径转发；最后，在各节点设备中利用TAS保证报文在限定的时间内发送，消除抖动[10]。

图5 基于CSQF的DetNet报文转发流程

4.3 DetNet和非DetNet性能对比

国内某厂商针对DetNet和非DetNet的时延抖动进行了模拟测试，通过在不同的网络中注入相同的流量，测试数据包到达的最大时延和最小时延，单业务模型的结果如表1所示，混合业务模型的结果如表2所示。

表1 单业务模型测试结果

表2 混合业务模型测试结果

根据测试结果，无论是单业务模型还是混合业务模型，采用SRv6的确定性网络的抖动明显优于非确定性网络。

5 结 论

随着5G在垂直行业中的广泛应用，如何实现低延时和高可靠是5G承载网未来面临的新挑战。DetNet是通过牺牲可接受的时间延迟来换取时延抖动特性明显降低的网络，在强控制场景已有具体应用。随着技术不断成熟和需求延伸，其在垂直行业应用前景广阔。