SR软件路由器的设计与实现

高晓敏，刘雪晶，李佳伟，罗洪斌，董平

（1.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；2.中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041）

SR软件路由器的设计与实现

高晓敏1，刘雪晶2，李佳伟1，罗洪斌1，董平1

（1.北京交通大学电子信息工程学院，北京 100044；2.中国电子科技集团公司电子科学研究院，北京 100041）

分段路由（segment routing，SR）是近几年IETF提出的一种路由机制，其目的是使IP/MPLS网络面向服务并且更高效。SR减少现有MPLS网络控制平面复杂的协议（LDP/RSVP-TE），并实现流量工程等机制。与基于RSVP的显式路径中隧道中间节点维护报文流的状态不同，基于SR的显式路径只在入口边界路由器中维护报文流的状态，从而提高了网络的可扩展性，因此SR对于下一代互联网具有重要的研究意义。对SR的实现机制进行了研究，利用软件路由平台Click，对基于PCE架构的SR控制平面子系统和基于MPLS的SR数据平面子系统的各个模块进行实现，并在实际中进行部署，以验证SR软件路由器的可行性。

分段路由；软件路由器；路径计算单元；多协议标签交换；下一代互联网

1 引言

互联网的迅猛增长对当前基于IP（internet protocol）的网络提出了挑战。新的应用层出不穷，而传统的IP网络没有数据属性的判别能力，也就谈不上按数据属性来区分服务；网络规模迅速增长，但现有的IP路由技术及组网方式不适应网络的扩展。MPLS（multiprotocol label switching，多协议标签交换）[1]技术是一种在开放的通信网上利用标签引导数据高速、高效传输的技术。其主要优点是兼容现有各种主流网络技术，在提供IP业务时能确保QoS（quality of service）和安全性，具有流量工程（traffic engineering，TE）能力。然而 MPLS控制平面复杂的网络协议 LDP（label distribution protocol）或RSVP-TE（reservation protocol with TE extension）都大大增加了MPLS网络实际部署的难度。为此，IETF（Internet Engineering Task Force，国际互联网工程任务组）提出了分段路由（segment routing，SR）机制[2]，将MPLS的数据平面应用于SR，在保留了MPLS优越性的同时，不使用包含复杂通信信令的控制协议，大大简化了网络部署难度。

软件定义网络（software defined networking，SDN）是一种新兴的网络技术，它将网络的控制平面与数据平面分离，使得原本紧密结合的独立网络设备，变成了可访问、可编程的计算设备。SR属于一种SDN的实现方式，其将控制平面和数据平面分离，提高了网络的灵活性和可扩展性，受到了国内外学者的广泛关注。参考文献[3]论述了在线和离线两种情况下决定SR路径计算的最优参数，主要解决了SR中流分割值的最优参数的选取，这些值的选取依据等效多路径（equal cost multi path，ECMP），从而将离线情况下最坏情况的链路利用率最小化。本文除考虑链路利用率外，还考虑了时延/跳数，能够更好地满足用户服务层需求。参考文献[4]提出了在部署大规模分布式设备时的能量消耗问题，利用基于SR能量效率的流量工程来减少骨干网络中的能源消耗，利用SDN的方法，可以选择性地关闭一些链路，以节省能源。主要目标是决定网络设备的状态，看是需要关闭还是打开。参考文献[5]介绍了将SDN模型和基于SR的流量工程结合在一起的架构，主要解决如何将计算的路径映射到SR路径上，提出了一种SR路径分配算法，以此来计算SR路径。参考文献[6]提出了一种SR路径标识编码算法，尽量减少SR路径标识的长度。本文除了考虑SR路径标识的长度问题外，更注重考虑如何使网络尽可能达到负载均衡，并减少请求拒绝率，以减少SR路径标识的平均长度，而不只是单纯地缩短SR路径标识的长度。参考文献[7]描述了SR在多层网络中的应用，并使用SDN控制器作为控制平面，但并没有讨论SDN控制器使用何种算法计算路径。参考文献[8]将SR的理念应用于现有的CE（carrier Ethernet，电信级以太网），提出了一种分层策略，使其满足服务提供商的需求。

现有的国内外针对SR相关机制的研究主要是在仿真平台进行实现，不能在实际中部署；另一方面，由于现有的硬件路由器集成度高，都是针对现网而设计的，无法对其内部结构进行修改，不适于下一代互联网的研究与实现。因此，本文的研究基于软件路由器进行实现，既避免了现有硬件的限制，又能够进行实际的部署。本文选用了Click[9]软件路由平台提供的转发框架进行 SR软件路由器的实现，包括SR控制平面子系统和SR数据平面子系统的设计与实现。

2 SR协议简介

SR利用源路由模型，节点通过一系列的segment（段）来转发分组。segment可以表示拓扑里面的任何实体或者服务。一个segment可以具有本地意义也可以具有全局意义。用户可以将任何路径编码为一系列的segment，即SL（segment list），将其封装在数据分组头，使数据分组沿着特定的路径进行转发，即SR允许强制一个流通过任意拓扑路径和数据服务链，同时只在SR域内的入口节点处维护每条数据报流的状态。

segment通过SID（segment ID）来标识。当SR数据平面应用MPLS时，一个SID编码成为一个MPLS标签[10]。一系列SID被编码成一个标签堆栈。一旦SID完成其相应的动作，就会有相应的标签出栈。

SR利用节点SID（node SID）来表示数据分组沿着到达该节点的最短路径转发，即同一个SR域的每个节点都在本地转发表保存了到达其他节点的信息，作为默认路由，节点 SID是全局的。另外，SR还使用邻接 SID（adjacency SID）来控制流的转发，邻接SID表示数据分组沿着某条链路转发，即规定了在某个节点沿着特定的网口转发，邻接 SID是局部的。不同于节点 SID的是，邻接SID的每个节点在转发表中保存本地的邻接 SID规则即可。SR将一系列节点SID和邻接 SID按照特定的方式组合成 SL，用来标识一条流量工程的路径（即源路由）。SR入口路由器将SL封装在数据分组的头部；SR中间节点路由器只需根据SL进行分组转发即可。因此，SR的中间节点不需要保留数据报流的任何状态，从而增强了可扩展性。

每个 SR路由器在本地维护了一个 LFIB（label forwarding information base，标签转发信息库），如图1所示。LFIB定义了分组转发的下一跳和对SR标签堆栈执行的操作，操作包括3种：push（标签入栈）、continue（标签不变）、next（标签出栈）。LFIB条目可以由本地策略产生，或者从IGP通告协议得知。当分组到达时，根据栈顶标签（入标签）以及入口，查找下一跳出口以及出标签和相应的SR操作。

图1 标签转发信息库示意

SR的控制平面利用PCE（path computation element）架构中[11]的PCE作为控制器。与OpenFlow协议中的控制器最大的不同是，由于SR是一种源路由，PCE只需要为入口路由器配置路由转发条目，而不需要像OpenFlow中的控制器需要为数据平面的每个交换机配置转发条目以及其他的转发规则，大大降低了协议的复杂度。SR系统示意如图2所示。

本文实现的SR系统由1个SR域和2个IP域构成。SR域的主要功能是连通两个IP域。SR系统主要分为控制平面子系统和数据平面子系统两部分。控制平面由PCE作为控制器，数据平面由域边界路由器（R1、R6）和域内路由器（R2～R5）组成。控制平面 PCE控制器和数据平 面边界路由器通过 PCEP （path computation element communication protocol）[12]进行通信。本文主要介绍控制平面子系统和数据平面子系统的具体实现，着重介绍控制平面子系统中启发式的具有带宽保证的流量工程算法。

3 SR控制平面子系统实现

SR的控制平面基于PCE架构实现。PCE架构由PCE和PCC（path computation client）两部分组成。当PCE应用于SR的控制平面时，PCC即作为入口路由器，主要负责为进入SR域内的数据分组封装SR分组头（SL）；PCE即作为SR的控制器，主要功能是为到达PCC的数据分组计算一条满足服务层需求的TE路径，并用SL来标识此TE路径。PCE和PCC之间通过PCEP进行通信，PCEP主要通过两个消息完成核心功能：PCReq（path computation request，路径计算请求）消息和PCRep（path computation reply，路径计算应答）消息。

PCE控制器的组成模块如图3所示。PCE控制器主要包括以下模块：SR-TE路径计算模块、SL优化模块、感知消息处理模块、PCEP会话管理模块。当接收到来自数据平面的数据分组时，首先对数据分组进行分类；若为PCEP消息，则发送至PCEP会话管理模块；若为感知消息，则发送给感知消息处理模块。PCEP会话管理模块将PCReq消息发送至SR-TE路径计算模块进行路径计算，将计算好的SR-TE路径发送至 SL优化模块对 SL进行优化，之后将优化的SL发送至PCEP会话管理模块，封装成PCRep消息发送至数据平面。感知消息处理模块负责接收来自数据平面的实时链路状态信息，并对流量工程数据库进行更新。

图2 SR系统示意

图3 SR-PCE控制器模块

3.1 SR-TE路径计算模块

SR-TE路径计算模块主要负责为进入域内的数据分组计算一条符合服务层需求的流量工程路径，使用的算法是一种启发式的具有带宽保证的路由算法，此算法不仅实现了使用流量工程来达到负载均衡的目的，同时也减少了网络的分组头开销。本算法的限制条件为跳数/时延、链路带宽利用率。目标是尽可能使网络达到负载均衡，并尽可能减少路径请求拒绝率，从而提升网络的性能。

启发式的具有带宽保证的路由算法的具体实现流程如图4所示。工作流程介绍如下。

图4 SR-TE算法流程

步骤1 初始化，根据网络拓扑，建立链路状态数据库，包括每条链路的两端点、记录链路的metric值、链路的最大容量以及已用带宽和剩余带宽。

步骤2 当接收到来自PCC的PCReq消息时，从消息中提取源地址、目的地址、metric限制值req_metric、需求带宽值req_bw。

步骤3 若req_metric〉0,则表明路径请求中包含了metric限制，利用改进的 K最短路径，计算出满足req_metric的路径，并存入TE路径库；若req_metric=0，则表明路径请求不包含metric限制，则利用K最短路径计算出前K条路径，存入TE路径库。

步骤4 判断TE路径库中是否包含计算出的路径：若没有，则向PCEP会话模块发送PCRep no-path消息，即拒绝请求；若有路径，则转到步骤5。

步骤5 若req_bw〉0，剔除TE路径库中不满足带宽限制的路径，若此时TE路径库中没有路径，则表明不能满足条件，向PCEP会话模块发送PCRep no-path；若TE路径库中有路径，再从剩余的路径中选择出链路带宽利用率最小的路径，以达到负载均衡的目的；若req_bw=0，则表明路径请求中不包含bw限制，直接依据链路状态数据库，在LSP路径库中选择出链路带宽利用率最小的路径；若最后计算出TE路径，则表明该限制条件下TE路径存在，则将此SR-TE路径转发给SL优化模块。

如上所述，该算法是一种具有带宽保证的路由算法，能够满足数据流的所需带宽、metric等服务层需求，并且能够使网络尽可能达到负载均衡。

3.2 SL优化模块

当SR-TE模块计算出满足条件的TE路径时，使用路径上节点的SID组成SL来标识此TE路径。SID可以表示多跳，为了增加有效带宽利用率，要使SL尽可能的短，最理想的情况是SL只有1个标签，即目的节点SID，但这只能标识最短的路径，且无法区分等效多路径（ECMP）。为了标识SR-TE模块计算出的满足服务层需求的TE路径，首先使用每个节点SID组成初始SL，之后根据具有ECMP感知的最短路径压缩算法，对初始SL进行优化，计算出尽可能短的 SL。SL优化算法流程如图5所示。

由于SR中的节点SID可以表示多跳，即可以表示最短路径，因此在减少SL中的SID时，可以利用这一点作为依据。即当路径中的某一个节点SID不能表示该路径时，就需要将前一个节点SID加入SL中。不能表示路径有两种情况：不是最短路径和具有等价多路径。本算法使用Floyd算法计算SR域内任意两个节点之间的最短路径，同时也可以计算任意两点间是否有等价多路径。

图5 SL优化算法流程

3.3 其他辅助模块

（1）感知消息模块

感知消息模块的主要功能是收集数据平面每条链路的实时带宽，是SR-TE路径计算模块的基础，以保证链路剩余带宽的实时性、增加TE路径计算的灵敏度和可靠性，是提高QoS的关键。

感知消息是通过数据平面路由器进行主动更新的，PCE控制器被动更新。当PCE收到来自数据平面路由器的感知更新提醒消息时，立即返回感知更新请求消息，以请求更新；当收到感知更新消息时，根据收到的实时流量更新链路状态库中对应链路的已用带宽，为SR-TE路径计算模块中的路径计算提供实时的带宽数据，以提高路径计算的准确性和实时性。

（2）PCEP会话管理模块

PCEP会话管理模块负责对数据平面发来的PCEP相关消息进行处理，当PCE收到数据平面的入口边界路由器发来的PCReq消息时，将消息传送给SR-TE路径计算模块；收到PCRep消息时，将消息传送给数据平面的入口边界路由器。

4 SR数据平面子系统实现

SR的数据平面是基于MPLS的数据平面进行实现的。数据平面由域内路由器 （center router，CR）、边界路由器（border router，BR）组成。

边界路由器的主要功能是将到达SR域的数据分组转化成能够被SR域内路由器识别的SR数据分组，即为其封装相应的SL标签堆栈，并在其离开SR域时为其剥除SR标签堆栈。同时，边界路由器作为SR域内的一部分，需要具备SR域内路由器的全部功能。因此，下面只详细介绍边界路由器。

SR边界路由器组成模块如图6所示。主要包括IP数据分组处理模块、SR数据分组处理模块、PCEP会话处理模块、检查更新模块、感知消息处理模块以及相关信息表（主要包括本地流量工程路径库（traffic engineer data base, TE-DB）、转发等价类表（forwarding equal class,FEC）、标签转发信息表（LFIB））。IP数据分组处理模块为进入SR域的IP数据分组封装SL，若在本地TE-DB中没有查找到相应的SL，则将数据分组缓存在本地，并向PCEP会话处理模块发送路径请求，若查找到SL，则将SL封装在IP分组的分组头转换成SR数据分组，再转发给SR数据分组处理模块。PCEP会话处理模块在接收到IP数据分组处理模块的路径请求时，通过PCEP向控制平面请求路径，并将控制平面返回的路径存入TE-DB，同时检查更新模块定期对TE-DB中的路径条目更新。感知消息处理模块定期将各网口的流量信息汇报给控制平面，以便于控制平面计算流量工程路径。SR数据分组处理模块从域内SR路由器或者IP数据分组处理模块接收SR数据分组，根据分组头的SL对数据分组进行转发。

4.1 IP数据分组处理模块

IP数据分组处理模块负责处理IP数据分组。IP数据分组若是从域外转发至域内，称为OI分组，若是从域内转发至域外，称为IO分组。

（1）OI分组处理流程

步骤1 当收到数据分组，解析数据分组头，根据版本字段判断是否为 IP分组，若是，则转到步骤2，否则，丢弃。

步骤2 解析IP数据分组，提取目的IP地址、需求带宽、需求metric，依据目的IP地址、需求带宽、需求metric查找转发等价类表（FEC），找到目的SID，查找本地路径库（TE-DB）；若查找到相对应的SL，则为IP分组封装SR分组头，转发给SR数据分组处理模块；若查找不到相对应的SL，则将数据分组进行缓存，并将路径请求转发给PCEP会话处理模块进行路径请求。

图6 SR边界路由器模块

（2）IO分组处理流程

步骤1 当收到数据分组，解析数据分组头，根据版本字段判断是否为IP分组，若是，则转到步骤2，否则，丢弃。

步骤2 解析IP数据分组，提取目的IP地址，若目的IP地址是自己，则接收此数据分组；否则，为IP分组封装MAC层，转发至相应的网口。

4.2 SR数据分组处理模块

SR数据分组处理模块负责处理SR数据分组。工作过程如下。

步骤1 当收到数据分组，判断目的MAC地址是否是自己。若是，则转到步骤2；否则，丢弃。

步骤2 判断数据分组是否是SR数据分组，判断依据是MAC层type字段是否为0x8847（这里使用MPLS的MAC层type字段的值）。若是，则剥掉MAC层，转到步骤3；否则，丢弃。

步骤3 解析SR数据分组头，提取SR分组头SL中的第一个SID，查找本地标签转发信息表（LFIB），依据SL中第一个SID即入口SID查找出口SID、标签操作和转发网口。

步骤4 进行标签操作 （continue、next）：当出口SID标识下一跳时，执行next操作，即将此SID从SR分组头中剥掉；当出口SID不是标识下一跳时，执行continue操作，即SR分组头不变。

步骤5 为SR数据分组封装MAC层分组头，根据查找到的转发网口将SR数据分组转发至相应的网口。

4.3 其他辅助模块

（1）相关数据信息表

TE-DB：用于存放向PCE控制器请求的TE路径，并由检查更新模块定时更新。

FEC：用于区分不同的服务，对到达的数据流进行分类，并将同种类型的服务请求按照同一种转发方式进行转发。

LFIB：本地标签转发信息表。

（2）检查更新处理模块

负责维护本地TE-DB，维护一个定时器，定期检查本地TE路径条目，根据条目中维护的时间戳，判断该条目是否失效（即是否超时）。若失效，则将此条目从TE-DB中删除；否则，继续检查其他TE路径条目。

（3）PCEP会话处理模块

负责处理PCEP的相关消息。作为边界路由器，当收到从域外发送至域内的数据分组时，首先查找本地TE-DB，若本地没有相应的路径，边界路由器则需要作为PCE架构中的PCC，使用PCEP向PCE控制器请求路径。当收到IP数据分组处理模块发送的路径请求消息时，将请求信息封装成PCReq消息发送给控制器；当收到控制器回送的PCRep消息时，将应答消息中的SL发送给IP数据分组处理模块。

（4）感知消息处理模块

负责监测并记录各网口的实时流量，并维护定时器，定期向控制器汇报各网口的实时流量，以便于控制器更合理地进行流量工程路径计算。

5 测试结果及分析

为验证SR软件路由器的功能并测试其性能，在实验室实体机柜上部署了测试拓扑。SR域中标识R1～R6的节点 SID分别为 16001、16002、16003、16004、16005、16006；链路带宽除 R3-R5和 R4-R6两条链路带宽为 50 Mbit/s外，其余链路带宽均为100 Mbit/s。实验中只使用了节点SID，没有涉及邻接SID。

为了测试SR软件路由器的功能，IP1域中的A用户向IP2域中的B用户发送数据，数据的请求带宽req_bw为80 Mbit/s，请求metric限制值为10。

数据分组在SR域内的转发过程如下：

步骤1 当IP数据分组到达入口边界路由器R1时，在本地路径库中查找不到对应的 SL，则向 PCE发送PCReq消息，如图7所示，该消息包含end-point object（记录了源IP地址、目的IP地址）、bandwidth object（记录了请求带宽）、metric object（记录了请求metric限制值）。

图7 PCEReq消息

步骤2 PCE收到路径请求消息，为其计算的SR-TE路径为R1→R2→R4→R5→R6，对应的SL为{16004，16005, 16006}，PCE将此标签堆栈封装在PCRep消息中的ERO（explicit route object）显式路径字段中，如图8所示，并将此消息返回给入口边界路由器R1。

图8 PCERep消息

步骤3 入口边界路由器R1将SR标签堆栈封装在请求分组的头部进行转发，如图9所示（由于使用wireshark抓取分组，其将SR分组识别为MPLS数据分组）。

图9 R1数据分组SR标签堆栈

步骤4 数据分组到达R2，由于下一跳为R4，故将R4的SID剥去，SL变为{16005,16006}，如图10所示。

步骤5 数据分组到达R4，由于下一跳为R5，故将R5的SID剥去，SL变为{16006}，如图11所示。

图10 R2数据分组SR标签堆栈

图11 R4数据分组SR标签堆栈

步骤6 数据分组到达R5，由于下一跳为R6，故将R6的SID剥去，数据分组变为IP数据分组，如图12所示。

图12 R5数据分组 IP报文

步骤7 数据分组到达R6，域内网口接收到IP数据分组，则转发至域外网口，最终数据分组经过R7送达用户B。

上述结果表明，SR软件路由器能够按照原始设计正常工作。

为进一步验证SR-PCE控制器的性能，用户A无间隔地随机产生不同的请求数据分组，测得请求输入速率和PCE的CPU占用率，如图13所示。

根据实验数据可知，当CPU占用率接近100%时，请求速率达到160 000分组/s。由于SR软件路由器是通过Click平台实现的，并且代码运行在用户层，且Click只能运行在单核上，不能够有效利用多核CPU，因此未来需在DPDK等多核高速转发的平台上部署SR-PCE控制器，以突破由Click平台产生的瓶颈。

6 结束语

本文详细阐述了SR系统中控制平面子系统和数据平面子系统各个模块的具体软件实现，着重研究了基于PCE架构的控制平面子系统中一种具有带宽保证的流量工程路径算法，使网络尽可能地达到负载均衡，同时使用尽可能短的标签对SR-TE路径进行标识，提高有效带宽利用率，使转发更高效。

SR作为一种SDN的实现方式，将控制平面和数据平面相分离，通过控制器和入口边界路由器利用源路由的思想实现分组的转发，提高了转发效率，并且本身就能够支持流量工程机制，使网络更高效。相比于MPLS，SR的网络更加简单，在实际网络中更便于部署，在下一代互联网中具有很好的应用前景。本文只描述了SR软件路由器系统各个模块的具体实现，没有将SR进行大规模部署，有待进一步的实现。

图13 SR-PCE CPU占用率

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[作者简介]

高晓敏（1990-），女，北京交通大学电子信息工程学院下一代互联网互连设备国家工程实验室硕士生，主要研究方向为未来网络体系架构与现网的兼容性。

刘雪晶（1976-），女，中国电子科技集团公司电子科学研究院高级工程师，主要从事雷达信号处理、通信、系统总体设计等方面的研究工作。

李佳伟（1992-），男，北京交通大学电子信息工程学院下一代互联网互联设备国家工程实验室博士生，主要研究方向为软件定义网络、流量工程和信息中心网络。

罗洪斌（1977-），男，博士，北京交通大学教授、博士生导师，北京交通大学下一代互联网互联设备国家工程实验室副主任，中国通信学会第四届青年工作委员会委员，北京通信学会第八届理事会理事。入选教育部新世纪优秀人才支持计划，并获得国家自然科学基金委优秀青年基金资助项目资助。主要从事未来互联网体系架构、理论与关键技术的研究工作，正主持和参与多项国家“973”计划、“863”计划、国家自然科学基金项目。近年来在IEEE/ACM Transactions on Networking（TON）、IEEE Journal on Selected Areas in Communications（JSAC）、IEEE Network等本领域顶级期刊与国际会议发表论文50多篇。

董平（1979-），男，博士，北京交通大学副教授、博士生导师，主要研究方向为移动互联网、下一代互联网、网络安全。

Design and implementation of software router supporting segment routing

GAO Xiaomin1,LIU Xuejing2,LI Jiawei1,LUO Hongbin1,DONG Ping1
1.School of Electronic and Information Engineering,Beijing Jiaotong University,Beijing 100044,China 2.Electronic Science Research Institute of China Electronic Technology Group Corporation,Beijing 100041,China

Segment routing (SR)is a routing mechanism proposed by IETF in recent years,which aims to make the IP/MPLS network service-oriented and more efficient.SR eliminates the complex control plane protocol(LDP/ RSVP-TE)of the MPLS network,while SR implements the traffic engineering mechanism.Different from the explicit path in the RSVP tunnel which maintains the state of each flow in the middle of the tunnel,the explicit path based on SR only maintains the state of flow at the entrance border router of the SR domain.For this reason,SR improves the scalability of the network.Therefore the research of the SR mechanism is very important to the next generation internet.The realization mechanism of SR was studied,using the click router.The SR control plane subsystem based on PCE architecture and each module of MPLS-based SR data plane subsystem were implemented and deployed in practice to verify the feasibility of the software router in actual deployment.

segment routing,software router,PCE,MPLS,next generation network

TP393

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2017032

2016-12-11；

2017-01-23

国家重点基础研究发展计划(“973”计划)基金资助项目(No.2013CB329100)；国家自然科学基金资助项目(No.62171200, No.61422101,No.61232017)；教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(No.20130009110014)

Foundation Items：The National Basic Research Program of China(973 Program)(No.2013CB329100),The National Natural Science Foundation of China (No.62171200,No.61422101,No.61232017),The Research Fund for the Doctoral Program of Higher Education of China (No.20130009110014)