“IOAM+SRv6”方案设计及实现

刘博闻，王嘉楠，吴军平

（1.武汉邮电科学研究院，湖北武汉 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武汉 430073）

OAM 是操作、维护、管理的融合统一。操作主要是完成对日常网络和业务进行的分析、预测、规划和配置工作；维护、管理主要是对网络及其业务的测试、对故障进行管理[1]。IOAM 作为一种新的带内遥测技术，用于业务在网络中的质量检测等功能。网络遥感是一种网络信息采集技术，目的是为了采集网络中的信息，网络遥感一般分为两种，分别是主动探测和被动探测。被动探测以思科的Netflow 技术为代表，而主动探测则大多数类似于微软Everflow中的guided probe 组件。它会在发送端的虚拟机中注入一种“探测数据包”，并在网元上设置一些探测识别点，探测数据包每经过一个网元都会上传状态信息，但是主动探测“注入探测数据包”会对当前网络中的流量作出一些影响。被动探测以思科的Netflow 和INT（Inband Network Telemetry）为代表，具体应用为IOAM。Netflow 是一种带外采集技术，而INT 是一种新型的“带内网络遥感技术”，具体实现方式是将监测检查点插入数据包的内部，也就是途中的OAM 层，INT 通常的做法是在数据包的头（Header）和数据包内部数据（Payload）之间插入一块OAM 层，然后数据包经过每一个网元，都会将探测信息插入OAM 层中，包括网元对数据包的行为，是转发还是丢弃，最后数据包到达终点，数据包中的OAM 层被剥离出来，通过信息导出协议上传到远程的分析服务器[2-5]。IOAM 的检测方式目前已经应用在公司设备R8000E 上，为运营商提供服务。

1 原理概述

1.1 IOAM原理

报文从入接口进入，在封装节点将OAM 数据报文嵌入在数据报文中，在转发节点根据算法将相关的OAM 信息填入OAM 数据中，在解封装节点，判断IOAM转发节点填入的OAM信息校验路径是否与配置的路径一致，并将OAM 数据报文移除，如图1所示。

图1 IOAM网络部署图

IOAM 层由两部分组成，一部分为instruction，即指令，另一部分为data，即数据，指令中携带需要收集的信息，Translation Node 只需要根据指令把相应的信息塞入data 部分中即可完成数据的收集。

IOAM 协议的承载形式有很多种，包括GRE、IPV6、SRv6、VXLAN-GPE、NSH、GENEVE 等。文中主要讨论IOAM 承载SRv6 隧道。

1.2 SRv6隧道

SRv6 技术基于已经普及的IPv6 技术扩展报文头部，对数据报文进行转发处理[2]。当分段路由应用于IPv6 数据平面时，会引入一种路由扩展报头—分段路由报文头部[IPv6-SRH]。分段路由报文头部(Segment Routing Header，SRH)将一些元数据添加到IPv6 数据包中，其中包含数据包必须经过转发路径元素的列表，并由IPv6 地址表示[3-10],如图2 所示。

图2 IOAM转发模型

在Ingress 入口节点添加SID[N]和带内流量信息遥测(In-situ Flow Information Telemetry,IFIT)的报文头部，进行SRv6 动作类型的实现和网络遥感的监测（IFIT 头部）。其中SID 是使能SRv6 节点维护的一个本地SID（Local SID）表，该表包含所有在该节点生成的SRv6 SID 信息[11-12]，通过该表可以生成一个SRv6转发表。Local SID 表有以下用途：定义本地生成的SID，例如End.X SID；指定绑定到这些SID 的指令；存储和这些指令相关的转发信息，包括出接口和下一跳等[13-17]。SRv6 SID 有很多类型，不同类型的SRv6 SID 代表不同的功能[9-10]，例如：

1）End SID 表示Endpoint SID，用于标识网络中的某个目的地址前缀（prefix）；

2）End.DT4 SID 表示PE 类型的Endpoint SID，用于标识网络中的某个IPv4 VPN 实例；

3）End.DX6 SID 表示PE 类型的三层交叉连接的Endpoint SID，用于标识网络中的某个IPv6 CE。

还有多种类型用于实现不同功能。IFIT 报文头部格式如图3 所示。

图3 IFIT报文头部格式

Type：类型指示，表示扩展数据类型，显示是否携带扩展头；

Length：IFIT 长度，默认为8 字节；

L：Loss Flag，丢包测量染色标记；

D：Delay Flag，时延测量染色标记；

R：R Flag，保留位，预留未来扩展使用；

Flow ID：用于唯一标识一条业务流。

当芯片判定SRH 的标志位为1 时，表明SRH 携带了IOAM，然后通过IFIT 的Length 字段判断IOAM的长度，同时根据HTI 字段判断IOAM 的检测方式，包括从入节点到出节点的端到端检测和在转发过程中的逐点检测[6]。

IOAM 的报文转发检测需要经过源节点、中间节点和宿节点。IOAM 报文的封装在源节点完成，其中包含IOAM 引导标签和流标签以及正确的L-bit、D-bit。运用IOAM 对报文进行筛选，通过ACL 匹配UNI 侧流信息，对匹配上的报文进行封装[7]。ACL 周期性的指向A Block 或B Block，CPU 实现L 的交替标记，在标记周期上添加Counter 功能，可以进行L 的标记统计，而D 报文则是每个周期标记一个。

中间节点则是对IOAM 进行L 统计和D 报文识别，宿节点是对RX/TX 方向的L 和D 数据进行性能统计，并将IOAM 标签剥掉，完成IOAM 的转发[8]。

2 IOAM+SRv6的方案设计

2.1 数据结构设计

IOAM中的数据流向是从平台FDPO下发，传递给驱动层DDPO 数据结构，DDPO 数据从驱动层下发到数据转发平面层，再从数据转发平面层传递给微码层面进行相应处理[4]。如图4所示，代码中接口是在驱动层从FHDRV接口开始调用，在FHDRV中调用数据转发平面层接口，再通过Y接口进行写入数据等操作。

图4 驱动接口调用层次图

FDPO 和DDPO 是两种不同层面的数据结构体，通过IDE 工具构建而成。数据由FDPO 发送，传递到DDPO 数据模型中。IOAM 功能中，FDPO 的数据结构体需要定义不同字段并实现对应功能。

DDPO 是根据FDPO 定义的字段进行改动，定义驱动层需要的字段，构建DDPO 时，需要设计DDPO中的普通字段、驱动返回值、字段映射关系和DDPO依赖链关系。

DDPO 中定义了数据报文在IOAM 功能中传输所需的字段，如表1 所示。

表1 IOAM传输字段

这些字段根据不同的映射关系，通过数据结构依赖链从对应的FDPO 结构体中获取数据。

在FDPO 中，数据的下发也是通过外键关联，根据依赖链逐步下发的，相对应的DDPO 需要设计出数据下发的依赖链关系，如图5 所示为IOAM 数据结构的依赖链关系。

图5 DDPO依赖链关系

依赖链以IOAM_CFG 结构体为起始类，通过ifindex、first_nni_ifindex 和second_nni_ifindex 外键关联到IFMGR_IF_NET 结构体，对于部分字段，还需通过index、if_foreign_key 和flexe_client_foreign_key 外键迭代到UES_IF、IFMGR_IF_LAG、FLEXE_CLIENT数据结构体，获取对应的字段数据。

2.2 SRv6转发方案

SRv6 的转发方案结合L3VPN 的流程进行了设计[13-14]，如图6 所示。

图6 SRv6 L3VPN流程

数据报文从intf 入接口进入，根据最长匹配算法查找路由表，得到l3_path_id，根据该索引值查询l3path 表项，在l3path 表项中配置保护类型，包括无保护、frr 保护和ecmp 保护，同时得到查询l3nhi 表项的索引值，在l3nhi 表项中，entry_type 类型置为SRv6,并继续查询srv6_path 表，同时查询srv6_sid 表项，获取sid 的动作类型，srv6_path 表可以提供故障保护，并为查询srv6_attr 属性表提供索引id，srv6_attr 属性表中则包含了出口信息、arp_id 等，通过查询arp 表项得到出口，将数据报文转发出去。

3 测试过程和结果

对于IOAM 功能，首先配置一条采样周期为30 s，检测方式为端到端的L3VPN SRv6 数据流，分别在出口进行L 标记统计和D 标记时延统计测试。

3.1 L标记统计

测试验证源宿包统计是否正常，两站均采用SSUA4 单盘，从UNI→NNI 建立一条SRv6 业务，保证业务流通畅。然后在源站和宿站下的IOAM 配置建立一条flow 为2 的IOAM 配置。登录设备进入驱动层，打开flow_id 为2 的打印，psn_tmtry_dbg_flow_switch(2)，图7、图8 分别为源站、宿站L 标记统计。

图7 源站L标记统计

图8 宿站L标记统计

比较图7 和图8 可以看出，源站L 标记收包为L:rx[253320363]，宿站L 标记收包为L:rx[253320363]，源宿统计的包数相等，所以L 包统计正常，测试结果成功。

3.2 D标记时延统计

D 标记作为时延测量标志位，需要测试源宿的时延获取是否正常。先建立SRv6 业务流，保证业务流畅通，再在源站和宿站配置IOAM 信息，建立一条flow id为2的IOAM配置。登录设备后进入驱动层，打开flow id 为2 的打印，psn_tmtry_dbg_flow_switch(2)。图9、图10 分别为源站、宿站D 标记时延统计。

图9 源站D标记时延统计

图10 宿站D标记时延统计

由图9 和图10 比较可以看出，源站D 标记收包时间为D:rx[18029232],宿站D 标记收包时间为D:rx[18061888],两者时延差为32 656 ms，即32.656 s，D标记时延统计正常，源宿时延差在30 s 左右，属于误差允许范围内，满足要求，测试结果成功。

4 结束语

IOAM 技术属于数据包粒度级别的丢包检测，检测对象更加精细，甚至可以获取网络中的丢包情况、原因和丢包位置；IOAM 作为一种带内技术，可以捕获到网络中的时延或丢包的时刻；同时，由于IOAM可以获取网络中的每一条链路的时延、带宽以及丢包情况，将这些信息整合，选择最优的网络传输路径，实现智能路由和选路。但IOAM 技术也存在一些明显的缺点，比如在运营商等网络中，发送、接收的数据包数量是巨大的，对每一个数据包插入OAM层并收集监测信息，会产生巨大的信息量，这些信息的压缩、重分析也是一个需要考虑的问题[18-19]。而且巨大的信息量，需要不断地申请新的空间进行数据拷贝和新OAM 层的插入，会产生更大的性能消耗。由于数据包会被分片，插入的OAM 长度也会有所限制，经过转发的设备数量必然不能太多[20]。目前的IOAM 技术基本都是基于硬件实现，并与软件相配合，随着技术的发展，如果能将IOAM 应用于软件转发，则将为数据监测提供更大的应用平台。