基于Segment Routing技术构建新一代骨干网：智能、可靠、可调度（一）

摘要：为了解决骨干网当前的问题，基础网络团队在年下半年开始，对新一代骨干网架构进行重新设计硬件选型，在新一代骨干网架构设计中采用了当前比较流行的源路由即技术以下简称，在介绍新一代骨干网架构之前先给大家简单介绍一下技术的基本概念。

前言

随着网络技术的发展和云计算业务的快速普及，当前各行各业的客户都有迫切上云的需求，越来越多的关键业务，如：web前端、视频会议、办公应用、数据存储等开始部署在云端；新的网络架构设计特别是骨干网，必然要适应云计算和互联网应用的发展，而传统的MPLS骨干网不能适应这种变化，面临如下诸多挑战：

1、如何实现用户云下与云上、云上VPC之间、云下不同物理位置之间业务的灵活开通；

2、如何利用本地专线和最后一公里互联网线路构建混合组网能力；

3、如何确保关键业务的优先级和服务质量；

4、如何简化开通流程、快速部署和统一策略管理；

5、如何提升专线带宽利用率和流量可视化；

6、如何实现新一代骨干网智能、可靠、可调度。

本文将结合UCloud基础网络团队新一代骨干网的架构演进过程，介绍Segment Routing技术在UCloud骨干网的落地细节，并详细阐述当前骨干网如何通过SR-TE技术实现智能、可靠、可调度的新一代骨干网架构。

DCN网络快速迭代

UCloud数据中心基础架构网络（以下简称DCN）在最近这几年经历了野蛮式的快速发展阶段，从北上广三地的数个可用区发展到全球25个地域31个可用区；业务云化和分布式数据中心的建设，推动了城域网（以下简称MAN）和骨干网规划建设，如下图所示：

DCN网络迭代过程如下：

1、同城单可用区升级至同城多可用区；

2、单Region多可用区升级至多Region多可用区。

DCN网络快速迭代带来的网络挑战：

1、MAN网络高带宽与可靠性要求：同城分布式DCN网络建设带来的问题是：客户业务扁平化部署，导致同城跨可用区有大量的东西向业务互访流量，对MAN网络的带宽和可靠性有严格的要求。

2、骨干网架构升级与流量工程要求：随着UCloud全球节点DCN网络的建设部署，跨地域客户开始有业务互访和跨域流量优化需求，对骨干网规划和流量工程提出了新的要求。

全球专线资源布局

当前UCloud全球CDN节点有500+，25个地域，31个可用区；通过运营商专线打通全球25个地域，如下图所示：

1、全球机房专线接入骨干网

骨干网依托UCloud全球DCN网络以及专线资源，可为用户提供全球范围的就近接入，实现端到端网络稳定，解决跨域业务互访丢包和高延迟问题。

2、全球节点灵活组网

为用户提供基于本地专线和最后一公里互联网接入，实现用户的混合组网能力。

3、提供稳定、可靠的基础架构

点到点专线资源提供物理层的带环保护，一方面通过SR-TE技术实现流级别调度和快速容灾备份能力；另一方面基础网络提供一张1:1基于Internet级的备份骨干网，保证整个骨干网达到99.99%可用率。

UCloud骨干网架构演进历史

01、2018年之前骨干网架构

UCloud基础网络团队在2016年下半年开始规划第一代骨干网（以下简称骨干网1.0），2017年底完成了骨干网1.0设计规划，骨干网1.0架构规划专线资源接入到各Region的MAN网络核心设备（以下简称M-Core）各Region的M-Core之间通过供应商二层专线进行全球组网；M-Core之间运行ISIS协议，打通全球骨干网ISIS域，每个地域双M-Core或者四M-Core和控制面RR建立IBGP邻居关系，M-Core通过IBGP协议将本地域DCN网络路由信息通告至RR，RR反射给全球所有M-Core节点；数据转发面通过IBGP路由进行迭代，最终通过ISIS转发至目标DCN网络。为优化骨干网流量转发，在关键设备上开启如下功能：

1、为实现骨干网等价路由（以下简称ECMP），必须在M-Core和RR上开启BGP ADD-PATH属性；

2、为保证IGP最短路径转发，跨域之间ISIS 开销值设置为两地域直连专线实际延迟*100，如：北京-上海专线延迟为30ms，那么北京-上海地域的ISIS开销设置为3000。

骨干网1.0设计目标：

1、实现Region级别DCN网络互通，提供云业务跨地域容灾能力；

2、支持云上用户通过UCloud高速通道产品UDPN打通跨域VPC资源。

骨干网1.0新挑战：

1、MAN网络与骨干网高度耦合，专线开通配置复杂，增加运维难度；

2、不支持客户不同物理位置之间资源互通；云下资源到云上VPC之间资源开通复杂、周期冗长；

3、不支持跨地域级别的流量智能调度。

02、2020年之前骨干网架构

针对骨干网1.0所面临的一些问题，2018年UCloud基础网络团队设计规划了第二代骨干网（下简称骨干网2.0）。在骨干网2.0中，我们新增了租户隔离的特性，而要在骨干网上实现大规模的租户隔离，MPLS-VPN技术最合适不过，但由于考虑到整体的部署成本以及部署难度，我们最终放弃了这个方案，借鉴了DCN网络的租户隔离思路，采用VXLAN二层网关方案来实现；

骨干网2.0整体架构分为两层，Underlay和Overlay；Underlay使用VXLAN+BGP EVPN实现网络大二层，在Overlay上实现骨干网1.0的架构需求；具体实现如下：

• Underlay层规划

1、Underlay层主要由两种设备组成：TBR和TER。TBR用于运营商二层专线资源接入，主要用于数据转发，TER用于封装VXLAN报文，即VTEP设备。全球节点的TBR和TER设备通过VXLAN+ BGP EVPN技术组建一张全球二层网络，这张二层网络提供全球任意跨域节点之间二层业务开通。

2、TBR设备通过ISIS协议打通整个IGP域，TER和控制面TRR建立BGP EVPN邻居关系，各个站点互相学习MAC/IP路由；转发面数据通过VXLAN封装转发，控制面信息通过EVPN学习同步。

3、用户线下IDC业务互访，以及线下IDC到云上业务之间通过VXLAN开通二层业务。

• Overlay层规划

跨域M-Core直连通过VXLAN开通，M-Core之间运行ISIS协议，打通全球骨干网ISIS域，每个地域双M-Core或者四M-Core和控制面RR建立IBGP邻居关系，M-Core通过IBGP协议将本地域DCN网络路由通告至RR，RR反射给全球所有M-Core节点，数据转发面通过IBGP路由进行迭代，最终通过ISIS转发至目标DCN网络。

骨干网2.0设计目标：

1、实现MAN网络和骨干网严格分层，提升运维效率；

2、通过VXLAN+BGP EVPN构建业务接入网，实现业务灵活就近上骨干；

3、实现客户云下不同物理位置、云下到云上之间资源快速开通。

骨干网2.0新挑战：

1、不支持骨干网流量智能调度；

2、本地接入只支持专线接入，组网方式不够灵活，增加网络运营成本；

3、VXLAN包头开销过大，网络传输效率低下，专线结算成本上升；

4、不支持L3VPN客户接入场景。

为了解决骨干网2.0当前的问题，UCloud基础网络团队在2019年下半年开始，对新一代骨干网架构进行重新设计、硬件选型，在新一代骨干网架构设计中采用了当前比较流行的源路由即Segment Routing技术（以下简称SR），在介绍新一代骨干网架构之前先给大家简单介绍一下SR技术的基本概念。

Segment Routing基本概念

01 Segment Routing

SR架构基于源路由，节点（路由器、主机或设备）选择路径，并引导数据包沿着该路径通过网络，具体实现方式是在数据报头中插入带顺序的段列表（Segment-list），通过Segment-list指示收到这些数据包的节点怎么去处理和转发这些数据包。

由于源节点（头端节点）通过在数据包报文头中添加适当的指令（Segment-list）即可实现基于目标地址的引流（甚至可以基于单条流粒度的引流），且除了头端节点之外，其它节点都不需要存储和维护任何流状态信息，因此引流的决定权都在头端节点。通过这种方式SR可以在IP和MPLS网络中提供高级的流量引导能力。

02 常用标签类型

• Prefix-SID

Prefix-SID是由ISIS或者OSPF通告的全局Segment，此Segment与IGP的前缀相关；Prefix-SID代表一个路由指令，含义是：引导流量沿着支持ECMP的最短路径去往该Segment相关联的前缀。Prefix-SID具有如下特性：

-全局Segment，SR域中的所有节点都知道如何处理Prefix-SID。

-支持多跳，单个Segment跨越路径中的多跳，这样就减少了路径所需要的Segment数量，并允许跨多跳的等价路径。

-支持ECMP，可以原生利用IGP的等价路径。

-Prefix-SID一般是通过手工分配，也可使用控制器分配。

• Node-SID

Node-SID是一种特殊类型的IGP Prefix Segment，是Prefix Segment的子类型，通常是某个节点环回口的32位前缀地址，这个地址一般是IGP的“路由器ID”；Node-SID指令是：引导流量沿着支持ECMP的最短路径去往该Segment相关联的前缀。其和Prefix Segment的指令是一致的。

• Adjacency-SID

Adjacency-SID是与单向邻接或者单向邻接集合相关联的Segment，使用Adj-SID转发的流量将被引导至指定链路，而不管最短路径路由如何，一般情况下节点会通告它的本节点链路Segment（Adj-SID）；Adjacency-SID指令是：“引导流量从与该Segment相关联的邻接链路转发出去”。Adjacency-SID具有如下特性：

-本地Segment，SR域中的只有Adjacency-SID始发节点知道如何处理该Segment。

-支持显式路径，任何路径都可以使用Adjacency-SID来表示。

-不依赖于IGP的动态路由计算，可以绕过ECMP，走管理员指定的路径转发。

实际部署中应尽量少用Adj-SID，因为其不支持ECMP，且会增加Segment-list长度，因此建议多使用Prefix-SID，即支持ECMP，又可以减少Segment-list长度。

• Anycast-SID

SR域中多个节点上配置相同的单播前缀，那么该单播前缀就是一个Anycast-SID，Anycast-SID也是Prefix-SID的一个子类型。Anycast集合的属性是去往Anycast地址的流量被路由到Anycast集合中距离最近（IGP 最短距离）的那个成员，如果开销相同，则流量会进行ECMP，如果Anycast的成员发生故障，则由Anycast集合的其它成员来处理去往Anycast-SID的流量；Anycast-SID指令是：引导流量沿着支持ECMP的最短路径去往该Segment相关联的前缀。其和Prefix Segment的指令是一致的。

Anycast-SID具有如下特性：

-全局Segment

-天生支持ECMP

-支持高可用性

-支持流量工程

注意：所有节点必须配置相同的SRGB，才可以通告相同的Anycast Prefix-SID。

03 SR Policy特性

SR-Policy

为了解决传统隧道接口体系存在的问题 SR Policy 完全抛弃了隧道接口的概念，SR Policy 通过Segment 列表来实现流量工程；Segment 列表对数据包在网络中的任意转发路径进行编码。列表中的 Segment 可以是任何类型：IGP Segment 、 IGP Flex-Algo Segment（灵活算法） 、BGP Segment 等。

从本质上讲，SR Policy（SR-TE）是 Segment 列表，不是隧道接口。

SR Policy 由以下三元组标识：

头端（Headend）：SR Policy 生成/实现的地方。

颜色（Color）：任意的 32 位数值，用于区分同一头端和端点对之间的多条 SR Policy。

端点（Endpoint）：SR Policy 的终结点，是一个 IPv4/IPv6 地址。

颜色是 SR Policy 的重要属性，通常代表意图，表示到达端点的特定方式（例如低延迟、低成本并排除特定属性链路等），Color也是流量引流的重要参考属性。

SR Policy生成的路径一般有两种：显式路径和动态路径

1、显式路径

显式路径一般是通过CLI/Netconf方式人工规划或者通过控制器方式下发的路径信息，主要包括信息有 endpoint地址、Color、Segment-List等；显式路径的最大弊端是无法及时响应网络拓扑变化；为了能保证故障场景下SR Policy能够快速收敛，可以通过验证头端的SR-TE数据来进行收敛。

建议Segment-List使用描述符（IP）形式编写，头端默认会验证所有描述符；

• 一旦SR Policy候选路径不具有有效的Segment列表（描述符验证失败），则此候选路径变为无效；
• 当SR Policy 所有候选路径都是无效的，则此SR-Policy无效。

如果SR Policy变为无效，则应用会失效；默认情况下SR Policy的转发条目被删除，流量回退到默认转发（SR-BE）路径。

2、动态路径

动态路径是由头端（路由器）或者PCEP根据头端的请求自动计算SR Policy候选路径：

• 动态路径主要表示为优化目标和一组约束条件，这两个因素指定了SR-TE的意图。
• 头端可以通过本地的SR-TE数据库算出路径，提供一个Segment列表或者一组Segment列表。
• 当头端不具备足够的拓扑信息时（跨域环境），头端可以将计算委托给控制器，由控制器自动算路。
• 当网络发生改变时，动态路径会自动进行重算以适应网络变化。

04SR Policy 自动引流

SR Policy引流支持域内场景和跨域场景，整体的转发流程如下：

• 着色：出口PE在向入口PE通告BGP业务路由时，或者入口PE接收路由时对路由进行着色（标记路由Color），Color用于表示路由所需要的SLA。
• 计算+引流：域内场景下，头端节点收到BGP路由后，通过头端SR-TE数据库自动算路完成引流；跨域场景下，头端向控制器发送有状态的PCEP路径计算请求，控制器计算去往远端端点的SR-TE跨域路径。
• 转发：数据包在头端完成引流，使用头端计算或者控制器下发的路径进行标签转发。

将 BGP 路由安装到 SR Policy 的动作称为自动引流，其原理主要是通过对BGP业务路由进行着色，将流量自动引导至 SR Policy；SR Policy的自动引流不需要复杂和繁琐的引流配置，而且流量引导对转发性能没有影响，流量控制粒度更为精细。

SR/SR-TE or LDP/RSVP-TE ?

UCloud基础网络团队在新一代骨干网设计中转发面统一使用MPLS封装转发，而控制面的选择经过慎重考虑，我们详细对比了SR/SR-TE和LDP/RSVP-TE后，最终选择了SR/SR-TE，具体分析情况如下：

总结

本篇分享了数据中心野蛮式增长给MAN网络和骨干网带来的极大挑战，以及SR部分技术原理。在过去几年里，UCloud基础网络团队不断演进骨干网架构，从骨干网1.0升级到骨干网2.0架构，实现了用户云下资源之间、云下到云上资源的快速开通，但依然满足不了当前互联网客户的业务快速发展需求，例如：不支持智能流量调度、无法实现客户L3VPN接入需求，不支持最后一公里Internet线路接入等。

下一篇将重点介绍UCloud如何结合Segment Routing技术实现智能、可靠、可调度的新一代骨干网，助力用户分钟级构建多地域全球网络以及同城多可用区互访、多Region多可用区互联，实现UCloud与用户线上线下IDC无间隔互通，升化云网协同。

本文作者：唐玉柱，UCloud 高级网络架构师、UCloud新一代骨干网架构规划项目负责人。拥有丰富的数据中心、骨干网架构设计和运维经验；目前主要负责UCloud全球数据中心、骨干网架构设备选型、架构设计和规划。