Segment Routing Overview

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Segment Routing (SR) 是近年来网络领域的一项新技术，“segment” 在这里指代网络隔离技术，例如 MPLS。如果快速回顾网络设计在过去几十年的发展，我们会发现 SR 也许是正在形成的第三代网络设计思想。

第一代是以互联网为代表的无中心式设计，所有网络节点通过分布式路由协议同步路由信息，这些路由协议包括 IGP（RIP、OSPF、IS-IS）和 EGP（BGP）。

第二代是近些年以 SDN 为代表的集中式设计，全局的控制器 了解整张网络的拓扑和状态，可以精确控制网络中每个节点的每条转发规则。代表是 Google 基于 OpenFlow 实现 B4 Network [1]。

以上两代网络的设计思想截然相反，因此必然各有优缺点。SR 此时横空出世，某种程度上可以看作两者的折中（或优点结合）：给定一个源节点和目的节点，集中式控制器（如果有）只负责选取若干中间节点，形成一条转发路径；而这些中间节点之间还有很多其他结点，它们之间如何转发及同步路由，都交给分布式算法。这种设计同时兼顾了集中式控制（若干节点形成的转发路径）和分布式智能（路由同步、链路负载均衡等），网络的控制粒度从最粗（第一代）到最细（第二代），再到 SR 的粗细适中（第三代）。

SR 实现以上目标的最重要技术之一是源路由（source routing），每个包在离开源节点时就已经确定了（核心）转发路径，并将路径信息编码到了每个包里。

Segment Routing 一书的作者举了一个形象的例子（这也是他设计 SR 的直接灵感来源）：从 Rome 开始到 Brussel [2]，翻译成中文就是从上海开车去杭州：没有人会提前规划出路上的每一个转弯，那太细了。你真正做的是，选出途经的几个重要地方，例如虹桥-松江-嘉兴-余杭- 西湖，只要确保沿着这几个地方向开，就一定能到达。至于两个地方之间，比如虹桥到松江，到底是走大路还是小路，要视当时的路况。假如一条路堵了，你可能会当即切换到另一条路，但松江这个目标不变。（“规划出每一个转弯”的比喻，听上去是在揶揄 OpenFlow SDN 的那帮人。）

和术语 SDN 一样，“SR” 本身只是一个概念，并不是实现。目前 SR 的实现有两种：分别基于 MPLS 和 IPv6，其中 MPLS SR 与现有的 MPLS 网络兼容，但大大简化了控制平面；而基于 IPv6 的版本（称为 SRv6）看起来前景更广阔。另外， Linux 4.10 已经初步支持了 SRv6，但性能还比较差 [3]。

SR 是如何工作的？
SR 举例
SR 的好处
- Ready for SDN
- 网络无需维护任何应用状态
- 简化/简单
- 支持快速重路由（FRR）
- 适用于大规模数据中心
- 可扩展
- 双平面网络（Dual-plane networks）
- 集中式流量工程
- Egress Peering 流量工程（EPE）

Segment routing (SR) 是一种基于源路由（source routing）的网络设计。

包从源节点（source node）发出之前转发路径就已经确定了；
转发指令（forwarding instructions）以 segment list 的形式编码到每个数据包中；
Segment list 中的每一个 segment 在路由信息库（Router Information Base，RIB）中都有记录；
每到达一跳（hop）后，list 最外层的 segment 用于确定下一跳。
Segments 以栈的形式（stacked）存储在包头中。
- 如果栈顶 segment 指向的是另一个节点，当前节点就通过 ECMP 将包发送到下一跳:
- 如果栈顶 segment 指向的是本节点，就 pop out segment，执行下一个 segment 规定的任务。

SR 基于已有的一些内部网关协议（IGP，例如 IS-IS、OSFP 和 MPLS）来实现高效和灵活的转发。

SR 是如何工作的？

在 SR 网络中，路由器有能力选择任意的转发路径，不管是显式（explicit）指定的路径，还是 IGP 自动计算出的最短路径。

一个 segment 代表一段子路径（subpath），路由器将可以多段子路径结合起来，形成一条到达目的节点的最终路径。每个segment 都有一个唯一的标识符（segment identifier ，SID），通过 IGP 的扩展协议在网络中分发。IGP 扩展协议对 IPv4 和 IPv6 都适用。和传统的 MPLS 网络不同，SR 网络中的路由器不需要 LDP 和 RSVP-TE 协议来分配和同步 SID，以及对转发信息进行编程。

每个路由器（节点，node）和每个链路（邻接，adjacency）都有相应的 SID。

Node segment ID 是全局唯一的，表示 IGP 确定的到一个路由器的最短路径。网络管理员从保留的一段范围内为每台路由器分配一个 node ID。

Adjacency segment ID 只在局部有效（locally significant），表示到一个邻居路由器的具体邻接，例如一个出向接口（egress interface）。Adjacency segment ID 是由路由器自动生成的，范围不会和 node SID 重合。

在 MPLS 网络中，一个 SID 会编码成 MPLS label stack 中的一条纪录项（entry）。SID 指示应该沿着一条特定的路径转发包。SID 分为两类：

Prefix SID：带 IP 地址前缀的 SID，其中的 IP 地址前缀是由 IGP 计算出来的。 Prefix SID 全局（globally）唯一。Node SID 是 Prefix SID的一种特殊情况，其 prefix IP 是 node 自身的 loopbakck 地址。It is advertised as an index into the node specific SR Global Block or SRGB.
Adjacency SID：一个 Adjacency SID 就是两个路由器之间的一条链路。Adjacency SID 是和它所属的路由器相关的，因此它只是局部唯一的

SR 举例

图 1 是一张由 5 个路由器组成的 MPLS SR 网络，控制平面基于 IS-IS。Node ID 的范围是 100-199，Adjacency ID 的范围是 200 及以上。IS-IS 会将 segment ID（这里是 MPLS label）连同 IP Prefix 可达性信息在网络内做通告。

图 1 五个路由器组成的一张 MPLS SR 网络

在这个网络中，任何路由器想向路由器 E 发送流量，必须先将 103（路由器 E 的 node SID）push 到 segment list，以便利用 IS-IS 最短路径转发流量。中间结点的MPLS 标签交换（label-swapping）过程会保留 103 标签，直到包到达节点 E，如图 2 所示。

图 2 MPLS 标签交换操作

以上是通过 Node SID 实现的转发路径。Adjacency segments 的行为与此不同。例如，如果一个包到达路由器 D，栈顶 MPLS label 是 203（D 到 E 的 adjacency SID），D 会先 pop label，然后将包转发给 E。

SIDs 可以组合成有序列表（ordered list）来实现流量工程（traffic engineering， TE）。根据需求的不同，一个 segment list 可以包含：

多个 adjacency segments
多个 node segments
多个 adjacency segments 和 node segments 的组合

上面例子还可以用 node segments 和 adjacency segment 的组合来实现，如图 3 所示：

首先，路由器 A push label stack（104，203）到每个包
然后，路由器 A 利用到最短路径和 ECMP 特性将包转发到路由器 D
最后在路由器 D 经过一个显式的接口（203）到达目的地 E

整个过程中，路由器 A 无需向网络节点声明任何路径信息（保存在每个包中）。网络的（配置）状态不受这条路径的影响，还是保持原来的配置。也就是说，在保持网络状态（配置）不变的情况下，A 设置的新路径生效（enforce）了。（作为对比，如果要在 SDN 中网络添加一条新的转发路径，那必然要对整个链路上的所有节点添加配置。）

图 3 组合 Node segments 和 Adjacency segment 到达 E 的路径

SR 的好处

Ready for SDN

SR 被认为是 SDN 的首选架构之一，而且它还是应用工程化路由（Application Engineered Routing，AER）的基础。它在基于网络的分布式智能 （例如链路和节点自动保护）和基于控制器的集中式智能（例如流量优化）之间取得了很好的平衡。

SR 能够提供严格的网络性能保证、网络资源的高效利用、基于应用的交易（ application-based transactions）的高可扩展性。SR 使得网络使用最少的状态信息（minimal state information）来满足这些需求。

SR 可以很容易地集成到基于控制器的 SDN 架构，下图是一个示例，其中的控制器负责集中式优化，包括带宽控制。

图 4 SDN 控制器

在这个方案中，SDN 控制器了解整张网络的拓扑和flow。路由器申请到目的地的一条路径时，声明它期望的特性，例如延迟、带宽、链路多样性。控制器据此计算出一条最优路径，返回 segment list（例如一个 MPLS label stack）。然后路由器将这个 segment list 编码到包头中，而控制器不需要对网络做任何额外的配置（signaling）。

网络无需维护任何应用状态

无需向网络添加任何应用状态（application state），segment list 就可以实现完全的网络虚拟化。状态信息以 segment list 的形式编码在每个包中。因为网络只需维护 segment 状态 （node/adjacency segment ID，数量非常少而且变更不频繁），因此可以支持非常大 —— 而且非常高频 —— 的 transaction-based 的应用请求，而不会给网络造成任何负担。

简化/简单

当用于 MPLS 数据平面时，SR 可以通过隧道的方式将 MPLS 服务（VPN、VPLS、VPWS）从一个 ingress provider edge（供应商边缘路由器）送到一个 egress provider edge，只需要 IGP（IS-IS 或 OSPF），而不需要其他协议
不需要额外的协议（例如 LDP 或 RSVP）来分发标签
可以复用已有网络基础设施，支持 ECMP（使用 node segment ID）

支持快速重路由（FRR）

对任何拓扑都支持快速重路由（Fast ReRoute）。在链路或节点挂掉的情况下，MPLS 依靠 FRR 实现收敛。有了 SR 之后，收敛时间可以做到 50ms 以下。

适用于大规模数据中心

用 BGP 分发 node SID，类似于 IGP 分发 node SID
Any node within the topology allocates the same BGP segment for the same switch
支持 ECMP 和 FRR（BGP PIC：Prefix Independent Convergence）
流量工程的基石之一，SRTE

可扩展

避免了 LDP database 中的成千上万的标签
避免了网络中成千上万的 MPLS TE LSP
避免了成千上万的隧道配置

双平面网络（Dual-plane networks）

支持 Dual-plane（MPLS 和 SRv6？），支持跨 plane 的转发策略（disjointness enforcement）
任播（anycast）SID 支持宏策略（macro policy），类似于：“从 node A 注入的、到达 node Z 的 flow 1，必须经过 plane 1 到达”，“从 node A 注入的、目的是 node Z 的 flow 2，必须经过 plane 2 转发”

集中式流量工程

控制器和编排平台可以和 SR 流量工程联动，实现集中式优化，例如 WAN 优化
网络变动，例如拥塞，可以触发应用重新计算 SR TE tunnel 的 placement 方式
SR tunnel 可以由编排器通过南向接口（例如 PCE）动态编程
敏捷网络编程，不需要对中间结点和尾节点做任何配置，也不需要对每条 flow 做配置（ signaling）

Egress Peering 流量工程（EPE）

SR 支持集中式 EPE
控制器指导流量从 ingress provider edge（边界路由器）和内容源（包从边界路由器开始转发）依照指定的路径和接口到达 egress provider edge
用 BGP “peering” SID 表达源路由域内路径（source-routed inter-domain path）
控制器通过 BGP Link Status（BGP-LS） EPE 路由学习 BGP peering SID 和 egress 边界路由器外部的拓扑
控制器编程控制 ingress 点的期望路径