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

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。