Segment Routing

这几年，在云计算和SDN技术的推动下，很多网络新技术，新名词涌现出来，让人眼花缭乱，有些是包装概念，有些是技术创新。其中，Segment Routing可以堪称是在核心路由领域的黑科技。

在这篇文章里，我们不讲协议字段解释，不讲配置步骤，只谈谈Segment Routing 的工作原理，让我们一起看看Segment Routing为什么与众不同。

1 Segment Routing（SR）概念

1.1 什么是Segment和Segment 路径

在谈SR之前，我们先要搞清楚一个最基本的概念，什么是Segment。 如图1所示，这是一个由支持SR 的路由器组成的网络，为了和其他网络区分开，我们叫它SR 域。在SR 域里，连接任意两个SR 节点的一段网络就叫Segment。Segment 由一个Segment ID (SID) 标识。SR支持MPLS和IPv6两种数据转发平面。在MPLS中, SID是一个MPLS标签，在IPv6网络中，SID是一个IPv6地址。

图1：Segment基本概念示意图

我们分别看看图1所示Segment A, B, C, D, E 的特点。

Segment A: 连接R1到R4, 跨两跳网络R1 -> R2 -> R4 。

Segment B: 连接R4 到R6, 跨一跳网络R4 -> R6。

Segment C: 连接R6到R8, 跨一跳网络R6->R8。

Segment D: 连接R1 到R6, 三跳网络，两条转发路径： R1->R2->R4->R6, R1->R3->R5->R6,

Segment E: 连接R1到R8, 跨四跳网络，有三条转发路径。

连接SR域的入节点（R1）和出节点（R8）的段的列表，我们就叫它Segment 路径 。在图1中，从R1 到R8, 我们有多条Segment路径： Segment A + B +C ，Segment D + C， Segment E。思考一下，Segment路径 A+B+C和D+C有什么不同 ?

1.2 SR的路由架构

了解什么是Segment 和Segment 路径后，我们再介绍一下SR的路由架构。SR路由分为两个步骤：

第一步：计算Segment 路径。
数据报文进入SR域时，入节点需要为这个数据报文选择一个Segment路径，并把这个路径包含的Segment 列表写入报文头，其他网络节点根据报文头中的Segment 列表转发报文，直到出SR域。

那么谁来计算Segment 路径？

Segment路径可以是在入节点上静态配置，也可以是动态计算。Segment路径动态计算通常由单独的设备完成。这就是为什么人们说SR是一种SDN技术。需要注意是，Segment路径信息只需要下载到入节点，然后入节点把SR路径包含的段列表写入报文头中，其余网络设备上并不需要保存Segment路径信息，只是按照报文头中的Segment列表转发报文，这样有利于大规模的网络部署。

第二步：Segment 内部和Segment之间的路由和转发。

在前文的例子里， 假如R1计算的Segment路径是Segment D+C, 我们期望的是网络先把报文从R1转发到R6 (Segment D), 然后再由R6 转发到R8(Segment C)。那么下一个问题是，其他网络设备如何按照报文头中的Segment列表转发报文 ？我们将在下一章节里，详细介绍SR在MPLS网络里怎么转发。

读到这里，您可能已经意识到：SR路由第一步其实就是决定Overlay路由，第二步是Underlay路由。所以首先SR是一种Overlay 技术，如MPLS, VxLAN, GRE 一样。不同的是，其他的Overlay技术，只能指定Overlay的起点和终点，然后交由Underlay把报文从起点转发到终点。Overlay 和 Underlay完全是分开的。

然而，SR可以指定Overlay途中经过的多点，比如前文的例子，从R1到R8, 我们可以指定走 R1 -> R6 -> R8, 或者 R1 -> R4 -> R8等，可以用来规划网络流量。所以SR 更是一种流量工程技术。

1.3 Segment 转发平面

在这篇文章里，我们不讨论SDN控制器部分，我们主要讨论上文提到的路由的第二步，如何在Segment内部和Segment之间路由和转发。

SR主要支持两种数据平面，MPLS 和IPv6。

1.3.1 MPLS 转发平面

在MPLS转发平面，一个Segment SID对应于一个MPLS标签，一个Segment 路径对应于MPLS 标签栈。

SR中定义了很多种Segment, 我们只要先了解节点Segment, 节点Segment代表一个路由器节点。这个Segment 往往就是配置在路由器的loopback 0 接口上，配置如下：

这段配置的意思是，101标签用来标识这个路由器节点，网络中任何其他设备，在处理MPLS标签的时候，如果发现报文是发往101的，就需要转发给这个路由器。

这个标签是静态配置的，全局唯一。SR扩展了IGP，如图2所示，每个路由器通过IGP通告各自的节点SID 标签。各个路由器可以通过IGP独立计算去其他各个节点SID标签的最短路径。

图2: 通过IGP通告节点SID

接下来，我们看看转发平面，如图3所示，如果R1到R8 的SR路径是R1->R4->R8，

图3： SR-MPLS 报文转发

• R4的SID 是104，R8的SID是108。R1 把相应的标签栈104/108写入报文头，然后查询去104的最短路径，下一跳是R2, R1把报文发给R2。
• R2收到报文后，查看栈顶标签104，查询去104的最短路径，发现104是直连下一跳，R2触发PHP，弹出标签104，把报文发送到R4。
• R4 查询栈顶标签108，查询去108的最短的路径，发送给R6。
• R6 查询标签108，触发PHP，弹出108，发送给R8。
• R8收到报文。

可见，SR-MPLS可以非常方便的在入节点上规划网络路径，网路中其他节点上只需要维护跟拓扑相关的信息，不需要知道每个流的路径，也不需要LDP来交换标签，这个方案非常简单有效。

1.3.2 SRGB

我们提到每个节点SID需要静态配置，而且要全局唯一。传统MPLS网络标签由路由器动态分配，事实上，我们很难知道全网范围内，还有哪些标签可以用来配置SR-MPLS。

解决的方法是引入SRGB （Segment Routing Global Block）

我们需要在每台设备上配置SRGB， 默认是16000 ~ 23999，这些标签预留给Segment Routing。如果哪台设备上，已有业务已经使用到了16000~23999中的某些标签，我们可以在这台设备上配置不一样的SRGB范围。

另外，设备的SID只配置相当于SRGB 起始标签的索引，下面的配置表明，loopback0的SID 的索引是1，那么在这台设备上对应的标签是16001。每个SID的索引要在全网范围里唯一。

配置好SRGB后，各个路由器需要通告各自的SRGB，以及各自节点的SID。如图4所示，每个节点都通告各自的SRGB Base和节点SID Index。节点SID Index 全网唯一，每个节点的SRGB范围可以各自配置，在这个例子里，大部分路由器SRGB 都从100开发，R2, R4, R6 两个节点例外，R6从200开始，R4从300开始，R2从400开始。

图4： IGP通告SRGB 和 Node SID Index

引入SRGB后，我们再看看SR MPLS 转发平面如何工作，如图5所示，假设R1到R8的SR 路径是R1->R4->R8， 那么：

图5： 引入SRGB后，SR-MPLS 的数据转发

• R4的Index是4，R8的Index是8。所以逻辑上标签栈应该是index 4/index 8。Index 8最先要经由R4转发，R4的SRGB Base 是300，所以index 8对应的标签是308。发往标签index 4 的最短路径是通过R2, R2的SRGB Base 是400，所以index 4对应的标签应该是404。R1 把两层标签404/308 写入报文头，然后把报文发往R2。
• R2 收到报文，检查栈顶标签404，因为R2 的SRGB Base是400，所以R2知道404是发往index 4 的SID，R2 查询index 4 SID的转发路径， 发现index 4是直连邻居，然后触发PHP, 弹出标签404，然后把报文发送到R4。
• R4 检查栈顶标签308，因为其自身SRGB是300， R4知道报文是发往index 为8的Segment。 R4查询转发表，发现需要转发给R6， 并且R6 的SRGB 是200，所以R4 把栈顶标签从308交换成208，发往R6。
• R6 检查栈顶标签208，因为其SRGB是200，知道是发往index 为8的Segment。 R4查询转发表，触发PHP，弹出标签208， 把报文发往R8。
• R8 收到报文。

可见SRGB解决了全局静态分配标签可能存在冲突的问题，用户只需要为每个Segment配置一个全局唯一的index。设备发送报文的时候，会根据邻居SRGB Base 把index映射成一个真正的标签，在收报文的时候，再根据自身的SRGB Base，把标签再映射回index。

在实际应用中，最佳实践是在每个设备上配置同样的SRGB，这样可以根据标签识别整条路径，利于故障诊断。

1.3.3 IPv6 （SRv6）转发平面

下面我们看看SRv6的工作机制，首先，每个路由器通过IGP发布一个IPv6地址作为Node SID。

图6：SRv6路由转发

在数据转发平面，假设SR路径是R1->R4->R8:

• R1 把 SR 扩展头写入报文，这里包含两个Segment。 Segment 0是R8的SID IP8, Segment 1 是R4的SID IP4。SL (Segment Left) 表示当前在哪个段，这里是1。外层IPv6 源地址是IP1, 目的地址是当前段的地址IP4。然后R1依据IGP 最短路径把报文发送给R2。
• R2收到报文，目的地址是IP4, R2只需要做正常的IP路由，把报文发给R4，R2并不参与SR 路由。
• R4 收到报文，发现目的地址是其自己，检查SRH，发现SL不等于0，把SL减一，把外层目的地址改成新的段地址，这里SL是0，就把外层地址改成Seg0的地址IP8，然后发往下一跳。这种操作在SRv6上叫End 操作。
• R6收到报文，做IP路由。
• R8 收到报文，发现目的地址是其自己，检查SRH, 发现SL 等于0，去掉IPv6 和SR外层封装，把payload 转发出SR域。这种操作在SRv6上叫End.DX4。

SRv6 可以在现有IPv6 网路中无缝部署，Linux 已经从4.10版本支持SRv6，SRv6有很多应用场景。

2 SR应用场景

2.1 简化的MPLS

SR是MPLS网络的优化和升级，可以无缝的提供MPLS网络的功能，因此在运营商网络里有大量的部署。如图7所示，客户路由器CE连接到运营商路由器PE，运营商在PE之间建立MP-BGP用来交换从CE路由器学到的VPNv4或者EVPN路由，为企业客户提供二层或者三层VPN功能。

如果运营商把网络从MPLS升级到SR，企业网络是感知不到变化的，运营商依然在PE之间运行MP-BGP交换从CE学到的IP或者MAC路由，然后把用户的流量封装在MPLS 报文里在PE 之间转发。

不同的是，MPLS报文怎么从一个PE转发到另一个PE。如图8所示，MPLS网络需要有三种协议，最底层是IGP协议实现所有路由器之间的IGP可达，在此基础上，MPLS 需要在所有PE路由和P路由器之间运行标签分发协议(LDP)，用来建立PE之间的标签交换路径（LSP）。最后MPLS需要在PE之间运行MP-BGP交换用户侧的路由条目，实现用户网段在各个PE之间路由。

SR的改进在于，SR去掉了LDP协议。SR首先需要IGP 组建Underlay网络，也通过IGP 分发每个IP Prefix(FEC) 对应的标签， 同时PE也通过IGP 学到去任何其他PE Segment 的最短路径。

那么你可能要问个问题，去掉LDP有什么好处 ？

MPLS 的设计思想是每台路由器为同一个Prefix/FEC 动态的，逐跳独立的分配标签。好处在于标签都是自动分配的，用户不需要配置标签。但也会造成全网标签数量庞大等问题。

SR的设计思想是静态分配标签，SR需要用户手工为全SR域直连的每个网段静态配置一个标签（SRGB + Index）。所以，SR网络需要的标签数量是有限的。这种静态的标签分配方法相对来说更简单，更稳定。

但是，LDP不是网络致命的问题，去掉LDP也不能算是巨大的改进，但因为SR支持静态分配标签的机制，使得SR 能够使用这些静态标签来指定网络传输的路径，这就是SR支持另一个更重要的场景：流量工程。

2.2 流量工程SR-TE

流量工程要在分组交换网络里实现类似于电路交换的功能，让数据报文按照固定的路径逐跳转发。那么问题来了，逐跳的路径信息存放在哪里？主要有两种思路：

1. 逐跳的路径信息存入网络设备中

如果要为某个IP流建立一个转发路径，就需要在沿路的每一跳设备上增加一个路由条目。如果要修改路径，就需要修改沿路的每台设备。实现和维护的难度是显而易见的。之前主流的流量工程技术 RSVP-TE就是采用了这种方法。

2. 逐跳的路径信息存入数据报文头中。

这是另一个极端，用户流量需要经过的每跳路由器信息都保存在报文头里，中间网络设备不保存用户流量的路由状态，只需要解析报文头，把报文转发到下一个节点。这种技术也没有得到广泛的应用。

SR-TE采用了混合模式，SR把关键节点的信息（Segment列表）写入报文头，让网络设备依据IGP把报文在Segment内部转发。跟RSVP-TE相比，SR-TE有很多优势。

限于篇幅，我们不展开讨论SR-TE的技术细节。我们在这里简要的讨论一下SR-TE的框架。如图9所示，SR-TE主要有这些功能模块：

1. 网络性能度量和数据收集，控制器通过BGP-LS协议收集网络拓扑和性能度量数据。
2. 路径计算，控制器通过PECP协议与设备交互，响应设备计算路径的请求，计算符合SLA要求的路径。路径计算算法也是SR研究的热点。
3. 定义Policy, 为用户不同业务（目的IP网段，或者更细粒度）定义不同的SLA要求，低延时，高带宽等等。这叫SR-Policy。相对于RSVP-TE ,这个配置模式有很大的改进。对于每条policy, 可以有多条SR 路径，可以是静态路径，或者动态由控制器计算。
4. 引流，当入口路由器收到报文时，怎么自动的匹配SR-Policy, 然后转发到SR-Policy 对应的路径。 SR-Policy的引流机制也很是自动的，不需要额外的配置策略路由等等，非常简便。

3 后记

SR的想法源自于对Openflow 等SDN技术的思考，Openflow 高举重新定义网络的大旗，希望使用软件全面控制报文转发，把转发智能从设备中完全剥离出来，Openflow从被发明之初，就得到的业界的充分响应，很多公司投入Openflow硬件和软件的研发，然而，人们也不得不思考，把大量的Openflow流转发表逐跳的写入每台设备中，这样的设计可行吗 ? 事实也证明，Openflow并没有得到广泛的应用。

另一方面，VxLAN Overlay技术近年来被广泛的应用，尤其在数据中心Fabric网络里，起初不同的厂商试图推广不同的Tunnel技术， 最终VxLAN慢慢胜出，一统江湖。然而Overlay技术对Underlay网络完全没有感知和控制，当我们需要在Underlay网络上选路时，VxLAN就束手无策了。

在这样的背景下，思科的专家提出了SR技术，很优雅的解决了大规模部署流量工程的问题，也为Overlay 和Underlay的整合提供了一个新的方向。SR已经得到业界普遍的认可，并有广泛的应用，是成功的创新技术。

这篇文章我们只简介了SR的技术原理，希望能帮您建立一个关于SR的知识框架。关于SR还有很多话题可以详谈，什么是SR-Policy，SR和另一个路由黑科技SDWAN之间的关系，如何相互集成等等。有机会我们再单独详细介绍。

下面是一些不错的参考资料和网站:

• Segment Routing 官网https://www.segment-routing.net
• 思科SR技术中文网站 https://www.cisco.com/c/zh_cn/solutions/service-provider/segment_routing.html
• SR RFC 8432 https://tools.ietf.org/html/rfc8402
• SR-Policy RFC Draft https://tools.ietf.org/html/draft-ietf-spring-segment-routing-policy-04)