HCIE-广域承载解决方案专题01-SR基本概念

1 SR(Segment Routing)概述

1.1 MPLS LDP与RSVP-TE存在的问题

MPLS LDP

LDP本身并无算路能力，需依赖IGP进行路径计算
控制面需要IGP及LDP，设备之间需要发送大量的消息来维持邻居关系及路径状态，浪费了链路带宽及设备资源
若LDP与IGP切换过程中未同步，则可能出现数据转发问题

RSVP-TE

相当于更细化的traffic filter

RSVP-TE的配置复杂，不支持负载分担
为了实现TE，设备之间需要发送大量RSVP报文来维持邻居关系及路径状态，浪费了链路带宽及设备资源
RSVP-TE本质上是分布式架构，每台设备只知道自己的状态，设备之间需要交互信令报文

为了解决以上问题, 业界提出了一个新概念: 业务驱动网络(有业务来定义网络架构)

解决思路就是业务驱动网络，由业务来定义网络的架构——由应用提出需求（时延、带宽、丢包率等），控制器收集网络拓扑、带宽利用率、时延等信息，根据业务需求计算显式路径

根据以上概念, 提出了一个解决思路: Segment Routing

1.2 Segment Routing解决思路

优点:

简化协议
- 扩展后的IGP/BGP具有标签分发能力(option/tlv), 因此网络中可以无需LDP, 实现协议简化, 减少设备资源占用率.
- 引入源路由机制: 在头端节点实例化转发策略为标签列表, 控制业务的转发路径
  
  以上图举例, 控制器收集业务需求和拓扑信息, 根据业务需求发送给R1, 业务流量从控制器发给R1时, R1收到控制器信息后会进行查表来完成路径定义, 根据定义的路径发送给R2(假如), R2收到后无需查表直接按照R1定义的路径进行转发, 后续设备同R2.
业务定义网络:
- 由应用提出需求(时延、带宽、丢包率等), 然后控制器集中计算显式路径, 最后下发SR路径来承载业务

1.3 SR概述

SR(Segment Routing, 段路由)是基于源路由理念而设计的在网络上转发数据包的一种架构.

SR将网络路径分成一个个段（Segment），并且为这些段和网络中的转发节点分配段标识ID。通过对段和网络节点进行有序排列（Segment List），就可以得到一条转发路径.

网络路径类似MPLS中的标签栈机制, 通过标签知道下一跳设备的地址.

SR将代表转发路径的段序列编码在数据包头部，随数据包传输。接收端收到数据包后，对段序列进行解析*

如果段序列的顶部段标识是本节点时，则弹出该标识，然后进行下一步处理；
如果不是本节点，则使用ECMP（Equal Cost Multiple Path，等价负载分担）方式将数据包转发到下一节点

SR的特点

通过对现有协议（例如IGP）进行扩展，能使现有网络更好的平滑演进。
同时支持控制器的集中控制模式和转发器的分布控制模式，提供集中控制和分布控制之间的平衡。
采用源路由技术，提供网络和上层应用快速交互的能力

注: 这里讲的SR其实是SR-MPLS

1.4 SR的优势

简化了MPLS的控制平面: 不再需要LDP等隧道协议, 使用控制器或IGP集中计算路径和分发标签
高效TI-LFA FRR保护实现路径故障快速恢复
具有网络容量扩展能力: SR的标签数量: 全网节点数+本地邻接数
更好地向SDN网络平滑演进: 兼容传统网络和SDN网络

2 SR技术原理

2.1 基本概念

2.1.1 Segment

SR会将段信息(Segment)放在数据包中一同发送, 所以设备会根据Segment信息执行动作, 可以理解为Segment就是指代一个动作, 如

指令1: 沿着最短路径(支持ECMP--负载分担)到达R4
指令2: 从R4的G0/0/2接口转发数据包
指令3: 沿着最短路径到达R8

2.1.2 Segment ID & Segment List

Segment ID(SID)用于标识Segment, 作用是将Segment指令转换成一种设备能够识别的语言(如MPLS标签(SR-MPLS)、IPv6地址(SRv6)等)

比如将上面的3个指令进行如下转换:

指令1: 沿着最短路径(支持ECMP--负载分担)到达R4---->400
指令2: 从R4的G0/0/2接口转发数据包---->1046
指令3: 沿着最短路径到达R8---->800

第一台设备将SID有序写为一个列表: Segment List

Segment List是一个或多个SID构成的有序列表

2.1.3 源路由

源路由（Source Routing）：源节点(R1)选择一条路径并在报文中压入一个有序的Segment List, 网络中的其他节点按照报文封装的Segment List进行转发

源节点也叫源路由设备, 即收到流量的第一台设备

2.1.4 Segment 分类

Segment分类	作用
Prefix Segment(前缀段)	表示网络中某一条路由信息
Adjacency Segment(邻接段)	标识两台设备之间的邻接关系
Node Segment	表示设备上的环回口路由信息, 是一种特殊的Prefix Segment

2.1.5 Prefix Segment

Prefix Segment表示网络中某一条路由信息, 配置方式为手工配置, 通过扩展后的IGP协议通告给其他设备(泛洪), 使用Prefix SID进行标识.

全局可见+全局有效

注: Prefix Segment的信息通常是根据设备通告的SRGB信息自动计算出来的, 但SRGB范围和索引值信息为手工配置的, 其他设备收到手工配置的SRGB范围和索引值后会自动计算Prefix Segment, 所以Prefix Segment的配置方式称为手工配置, SRGB范围和索引值后面会讲到.

环回口设置为Prefix之后, 该Prefix Segment就称为Node Segment, 通常用于ECMP负载分担转发(查路由转发)

索引值

索引值(index)是对接口设置的, 索引值结合SRGB才能计算出SID信息

SRGB

SRGB（Segment Routing Global Block）：用户指定的为Segment Routing MPLS预留的全局标签集合

每台设备通过扩展的路由协议通告自己的SRGB(单独配置, 本地意义)

节点通过扩展的路由协议通告前缀SID索引（index）后，各台设备分别根据SRGB计算入站及出站SID(SRGB+index)

简单来说, 由于SR-MPLS和MPLS都使用一个标签值池, 但有些时候设备不知道当前标签到底是SR-MPLS标签还是MPLS标签, SRGB通过划分一个专属于SR-MPLS的范围来进行区分.

比如我们知道1-16为MPLS LDP一般标签, 16-15999为MPLS LDP预留特殊标签, 16000-1048575为MPLS LDP通常标签, 现在SRGB规定一个范围为20000-25000, 所以MPLS LDP通常标签范围就会变成16000-19999和25001-1048575两段, 中间那段会分给SR-MPLS专用, 避免标签冲突.

在实际部署中，建议设备采用统一的SRGB, 通常设置范围为20000-25000

2.1.6 Adjacency Segment

Adjacency Segment会标识两台设备之间的邻接关系(邻居+方向), 也会通过类似标签的形式标识, 称为Adj SID, 根据IGP协议自动生成.

全局可见+本地有效

Adj SID的取值范围为除了SRGB指定范围和其他标签分发协议之外的标签.

该信息可以传播到整个SR网络, 但Adj SID只有本地意义, 如A--B--C;

A会生成一个Adj SID信息5000, 表示A有一个邻居B, 方向是A->B;

B会生成一个Adj SID信息5000, 表示B有一个邻居A, 方向是B->A;

B会生成一个Adj SID信息5001, 表示B有一个邻居C, 方向是B->C;

C会生成一个Adj SID信息5000, 表示C有一个邻居B, 方向是C->B;

每台设备的标签不会重复, 但不同设备可以使用相同标签, 在网络中表示为A的5000、B的5000、B的5001、C的5000.

A想要去往C, 可以定义以下Adj Segment List: 5000 5001

三种SID都可以通过扩展后的IGP协议进行传递, IGP们为了支持SR, OSPF使用了不透明LSA-十类LSA传递SR信息, IS-IS使用扩展的TLV信息进行承载, 但这部分内容对于IE考试不重要, 有兴趣可以自己去理解, 这里不做展开.

2.1.8 SR Policy

RFC 8402中定义SR Policy是一段有序的段列表（an ordered list of segments）。更完整的说法是SR Policy最终呈现为一段有序的段列表，还包含了计算、生成和维护这个段列表及引入流量等SR技术的一种框架。SR Policy是当前最主流的实现SR的方式

SR是需要通过控制器对源路由设备指定段列表(Segment List)

控制器上通过业务需求设计出网络的路径, 该策略下发给源路由设备, 源路由设备根据策略, 直接写入整个转发路径

可以有CLI、NETCONF、PECP、BGP SR Policy等多种方式生成
包含Segment List, 完整的指导流量引入和转发

注: ENSP缺少控制器, 无法完成SR Policy实验, 后面试试EVE-NG能不能搞

2.2 SR-MPLS与SRv6

SR-MPLS

SRv6

	SR-MPLS	SRv6
数据转发平面	基于MPLS	基于IPv6
SID值	MPLS标签值	IPv6地址
其他	段序列被编码为标签栈, 处理段位于栈顶, 处理完成后弹出栈	段序列被编码为标签栈, 使用IPv6扩展头SRH(Segment Routing Header)承载
地位	MPLS-LDP平替	未来大方向、银行和互联网头部已经陆续开始改造