SRv6头压缩技术方案研究

2023-01-09龚霞陈华南朱永庆伍佑明阮科

电信科学 2022年12期

龚霞，陈华南，朱永庆，伍佑明，阮科

SRv6头压缩技术方案研究

龚霞1，陈华南2，朱永庆1，伍佑明1，阮科1

（1. 中国电信股份有限公司研究院，广东广州 510630；2. 中国电信天翼云科技有限公司，广东广州 510245）

数字化、智能化承载网络成为网络建设与运营的主要目标，承载协议作为实现网络互联与业务承载的关键技术，直接决定了网络规模部署能力与业务承载效率。面向一致性体验与差异化融合承载需求，IPv6段路由（IPv6-based segment routing，SRv6）作为IPv6演进的关键技术，成为未来网络承载协议的发展方向。基于SRv6技术原理，剖析了SRv6头压缩需求，并结合业界典型的SRv6头压缩方案分析了各方案的优劣，为SRv6技术规模部署提供指引。

SRv6；头压缩；承载协议

0 引言

网络技术的发展以IP/Ethernet技术体系为基础，通过网络架构优化及技术创新，满足各类应用/业务的承载需求。面向5G与云网融合时代，新型业务不断涌现，如云VR/AR、物联网、工业互联网等。业务多样化发展的同时，对网络实现各类用户/业务的融合承载与差异化服务等方面也提出了更高要求。双千兆接入[1]、云网一线互联实现了网络对固、移、云多业务的融合接入[2]，以及toB/toC/toH等差异化业务的一体化承载。SRv6作为新型承载协议具备underlay转发、overlay业务可编程能力[3]，可满足网络与业务灵活编排，具备较好的应用前景，受到了产业界的广泛关注。

SRv6基于源路由技术，辅以分段标识（segment ID，SID）编码，可实现业务及路径可编程。同时，结合以太虚拟局域网（Ethernet virtual private network，EVPN）技术可简化网络协议，这成为未来IP网络承载技术的发展趋势。然而，SRv6在提升网络灵活性的同时，也带来了网络承载效率降低的问题，为此，SRv6头压缩技术应运而生[4]。本文对SRv6头压缩技术需求进行分析，探讨业界典型SRv6头压缩实现方案，并基于不同场景对各方案的承载效率进行仿真分析，为后续SRv6技术的规模部署提供参考。

1 SRv6技术基础

纵观网络技术发展历史，网络承载技术经历了4个发展阶段，分别为纯IP承载阶段、多协议标签交换（multi-protocol label switching，MPLS）承载阶段、段路由（segment routing，SR）承载阶段和SRv6承载阶段。纯IP承载阶段以内部网关协议（interior gateway protocol，IGP）/外部网关协议（border gateway protocol，BGP）为基础，转发面采用IP流量尽力而为的转发方式。MPLS承载阶段则增加了标签分发协议（label distribution protocol，LDP）/基于流量工程扩展的资源预留协议（resource reservation protocol-traffic engineering，RSVP-TE）等，实现了差异化业务承载及流量工程，进一步丰富了网络应用。随着SR技术的发展，网络技术进入SR承载阶段，SR转发面依然采用MPLS标签的转发方式，但简化了控制面协议，且基于源路由的承载方式可以更好地适应软件定义网络（software defined network，SDN）体系。而SRv6则是IPv6演进技术创新发展的产物，控制面基于IGP/BGP扩展，转发面则基于IPv6扩展报头实现，进一步简化了网络承载。

1.1 SRv6定义

SRv6技术以IPv6报文头为基础，重新定义了路由扩展报文头分段路由头（segment routing header，SRH）[5]封装SRv6 SID相关信息。SRH中通过封装SID列表（Segment List）实现路径定制。SRv6 SID采用IPv6地址格式，可用于标识节点、接口及虚拟专用网（virtual private network，VPN）等信息。每个128 bit的SID可划分为Locator、Function和Argument 3个部分，其中，Locator为节点标识，用于路由寻址；Function为功能标识，是实现SRv6可编程的关键字段；Argument为参数字段，通过携带参数信息可实现功能增强，为可选字段。

SRv6 SID基于上述特点，可在业务报文中显示指定转发路径及VPN等业务功能，简化了设备实现，提升了网络灵活性。

1.2 SRv6承载难题

SRv6基于SRH实现网络编程的方式，在一定程度上增加了报文的开销；且随着跳数增加，网络承载效率将大幅降低。

（1）SRv6报文开销大

SRv6网络中，为实现端到端路径定制，需要封装SRH及Segment List，SRv6报文的封装长度为：40 byte（IPv6头）+8 byte（SRH固定头）+16×byte（Segment List）。由此可见，Segment List长度越大（即越大），报文开销越大。例如，假定载荷为256 byte，当Segment List长度为1时，开销占比为20%（开销占比=开销/（开销+有效载荷））；当Segment List长度为10时，开销占比为44.8%。

SRv6隧道的封装方式根据SRv6源节点位置不同分为两种：封装（Encaps）模式和插入（Insert）模式。SRv6隧道封装方式如图1所示。若在业务源节点封装SRv6报文，可采用Insert模式封装；若在网络中间节点封装SRv6隧道进行引流，则通常采用Encaps模式。

图1 SRv6隧道封装方式

以4层标签为例，当采用SRv6-TE（Encaps模式）、SRv6-TE（Insert模式）及SR-MPLS-TE（SR-MPLS-TE采用MPLS封装，每标签长度为4 byte）3种隧道封装方式的情况下，不同TE隧道封装开销占比（4层标签）见表1。

由表1可知，SRv6隧道封装效率远小于SR-MPLS隧道封装效率，尤其对于小字节报文，SRv6隧道承载效率非常低。另外，与SR-MPLS SID在报文转发过程中沿路径逐跳弹出标签方式不同的是，SRv6报文转发时没有弹出操作，对沿途所有节点压力基本一致，加剧了对网络承载的压力。

（2）SRv6报文硬件处理效率低

SRv6报文转发过程需要硬件负责SRH的封装和解封装，并根据SID类型执行对应的动作。通常，网络处理芯片，如网络处理器（network processor，NP）或专用集成电路（application specific integrated circuit，ASIC），处理报文时按照流水线（pipeline）或运行至终结（run to completion，RTC）方式进行，然而芯片报文处理单元加载长度一般为固定字长，即预留封装空间（通常小于144 byte）。SRH封装即通过此预留封装空间进行加载，按照144 byte长度计算，一次操作最多封装6个SID。同理，SRH报文头的操作与解封装也占用了原始报文空间，需要通过预留固定字长进行处理。因此，当报文头中压入较多SID时，芯片不能在一个处理周期内完成报文头处理，导致报文处理效率大幅下降。

表1 不同TE隧道封装开销占比（4层标签）

（3）SRv6报文栈深需求

按照国内运营商网络的构建方式，跨地域长距离信息传输时，端到端指定路径通常需要10跳。以新型城域网架构[6]为例，若采用严格路径指定方式，需要封装10层标签（城域网3层+骨干网5层+城域网2层），另外，通常还会封装1层业务标签（如VPN SID）实现业务编程。若采用Reduced模式，则SRH中不封装源节点的下一跳，此时只需要封装9层标签。

由此可知，指定端到端严格路径时，SRH中封装的Segment List长度将超过芯片一次处理空间长度，导致报文处理效率降低。解决设备硬件处理效率低的方法主要有如下3种方式。

（1）提升硬件能力

最容易想到的方式即增加芯片内预留封装空间的大小，以满足一个周期能完成SRv6报文头的处理。按照11层SID的封装长度，所需的预留封装空间长度至少为224 byte。然而，芯片研发周期长、成本高，短期内难以满足应用与部署需求。

（2）BSID方案[7]

捆绑SID（binding SID，BSID）表示一个SRv6策略（SRv6 policy）路径，通过BSID嵌套即可减少SRv6报文封装的SID层数，变相减少了SRv6报文栈深，以提升硬件处理效率，实现大规模组网。假定报文的转发路径为R1-R2-R3-R4-R5，基于BSID的报文封装方法如图2所示。

然而，BSID需要在外层再次封装IPv6报头及SRH报头，虽然提升了报头处理效率，但仍存在报文传输效率问题。

（3）SRv6头压缩方案

SRv6头压缩方案是压缩SRH中Segment List长度以减少SRH长度，从而达到提升报文处理和传输效率的目的。SRv6头压缩方案具有良好的应用前景，受到了产业界的广泛关注。

2 SRv6头压缩技术

为解决报文开销大、承载效率低、硬件处理效率低等问题，产业界提出了多种SRv6头压缩方案，以满足SRv6技术规模部署需求。SRv6头压缩是通过压缩SID长度，从而减小SRH中Segment List的长度，达到指定路径效果的同时，提升信息承载效率。SRv6头压缩作为SRv6规模部署关键技术，成为产业界主要的热点方向，国内外网络运营商、设备提供商均提出了相应的头压缩方案。

SRv6头压缩方案应面向网络/业务部署需求，充分利用现有网络/设备资源，以减少实现成本与难度为目标进行设计。综合来看，SRv6头压缩方案在提高报文承载效率的同时，应兼顾与SRv6/IPv6网络的兼容性，具备可扩展性，以满足规模部署需求。

图2 基于BSID的报文封装方法

目前，产业界提出了多种SRv6头压缩解决方案，根据实现方案的思路差异，主要分为共享方案和映射方案两类。共享方案是指将SRv6 SID中的公共前缀（common prefix，CP）提取出来以Block字段承载，压缩SID仅携带差异部分；映射方案则通过新定义较短长度的ID（如16 bit/32 bit），并将其与SRv6 SID建立映射关系，在报文转发路径的所有设备上存储映射表项，SRH中则只需要携带较短的ID值即可。两种方案都可减少SRH中Segment List长度。

共享方案兼容SRv6，具有较好的扩展性，且兼容SRH格式，数据平面易于实现，控制面只需要通过SRv6控制面扩展通告压缩SID信息即可；映射方案压缩效率高，但不兼容SRv6，数据平面也不兼容SRH格式，需要定义新的路由扩展头以实现压缩SID的封装，且控制平面实现复杂，需要额外维护映射表项。目前，采用共享方案基本已成为产业界的共识，典型的共享头压缩方案包括G-SRv6压缩（generalized SRv6 network programming for SRv6 compression，G-SRv6 for Cmpr）[8]和SRv6 uSID（SRv6 micro segment）[9]方案，产业界讨论较多的映射方案则主要为段路由映射到IPv6（segment routing mapped to IPv6，SRm6）[10]方案等。

2.1 G-SRv6方案

G-SRv6主要采用“共享前缀”+“差异覆盖”方式实现，其将128 bit的SRv6 SID划分为Block、G-SID及参数（Arguments）字段。共享前缀是指将Segment List中每个SID冗余的Common Prefix移除，仅携带变化的G-SID，大幅减少SRv6报头开销；差异覆盖则指更新IPv6报头的目的地址（destination address，DA）字段时，只需要将差异部分的G-SID复制到DA相应字段。G-SRv6报文封装格式如图3所示。

在G-SRv6方案中，定义了G-SRv6容器（G-SRv6 Container），标识128 bit的封装空间，因此可携带一个普通SRv6 SID或多个压缩SID，从而实现SRv6 SID与G-SID混编。在DA字段中，新定义SID索引（SID index，SI）为DA中Arguments字段的最低2 bit，标识G-SID在G-SID Container中的位置。将SL与SI字段结合，即可实现G-SID定位。

图3 G-SRv6报文封装格式

2.2 uSID方案

uSID方案主要采用“共享前缀”+“移位出栈”方式实现，同样将SID划分为uSID Block及uSID列表两部分。共享前缀同样将Segment List中公共前缀字段以uSID Block承载，剩余空间仅携带差异的uSID，从而减少SRv6报头开销；移位出栈则将DA中当前活动uSID后的所有比特向前移位一个uSID长度，并在末尾填充0，从而实现报文逐跳转发。uSID方案中SRv6报文的封装方式如图4所示。

由图4可知，在uSID方案中，通过定义uSID 载体（uSID Carrier），同样可将Segment List中每128 bit空间进行封装，携带一个普通SRv6 SID或多个压缩uSID，从而实现SRv6 SID与uSID混编。

图4 uSID方案中SRv6报文的封装方式

2.3 SRm6方案

SRm6方案则通过采用16 bit或32 bit的SID（也称为mSID）代替SRv6中128 bit的SID，并在两者之间建立一一映射关系，将IPv6地址序列的SID转变为更短字节的压缩SID，从而减小Segment List长度，实现SRv6报文头压缩效果。SRm6方案的SRv6报文封装方式如图5所示。

3 SRv6头压缩方案对比分析

G-SRv6、uSID及SRm6头压缩方案实现方式各异，在技术实现上也各具优势。上述3种主流SRv6头压缩方案对比见表2。

图5 SRm6方案的SRv6报文封装方式

在压缩效率方面，G-SRv6方案的压缩效率与Locator Block规划及G-SID长度有关，uSID方案的压缩效率与Locator Block规划及uSID长度有关，而SRm6方案则不受地址规划影响，只与mSID长度相关。上述3种头压缩方案基于不同的实现原理，难以简单比较各方案压缩效率的优劣，特别在处理跨域时，受实际部署场景影响较大。

表2 主流SRv6头压缩方案对比

本节针对普通SRH封装、G-SRv6、uSID以及SRm6头压缩方案封装的报文承载效率进行比较。假定原始报文长度为448 byte（互联网流量平均字节长度），Locator Block为32 bit，理想情况下（SRH中所有SID均可压缩），压缩SID长度分别为16 bit或32 bit时，对各方案的报文承载效率进行网络仿真计算，各方案报文承载效率比较如图6所示。

总体来看，SRm6映射方案的报文承载效率优于G-SRv6方案和uSID方案，这主要是因为SRm6方案无须携带公共前缀Block，且使用了更简化的CRH报头格式。针对G-SRv6压缩方案与uSID压缩方案：若压缩SID长度为16 bit，uSID方案报文承载效率稍高于G-SRv6压缩方案；若压缩SID长度为32 bit，SID不超过7层情况下，uSID方案的报文承载优于G-SRv6压缩方案，SID超过12层后，G-SRv6压缩方案更优。

图6 各方案报文承载效率比较

上述比较只针对单AS域（即公共前缀不变）的仿真结果，下面针对跨越多个AS域（假定同一AS域内只经过4跳Segment）的场景，对各方案的报文承载效率进行仿真，跨域场景下各方案报文承载效率比较如图7所示。

图7 跨域场景下各方案报文承载效率比较

由图7可知，在跨域场景下SRm6方案报文承载效率仍然最高，uSID方案次之，G-SRv6压缩方案报文承载效率最低。特别是当压缩SID长度为16 bit时，uSID方案相对G-SRv6方案更具优势。

4 结束语

总体而言，尽管SRm6方案报文承载效率最优，但其不兼容SRv6/SRH，且需要定义新的CRH扩展报头、引入全新的控制面协议扩展、硬件实现复杂，基本已被产业界抛弃。兼容SRv6/SRH的G-SRv6方案和uSID方案则更受产业界推崇，且两者实现原理也有相通之处。近期，标准上也提出了兼容G-SRv6和uSID的融合方案[11]，但由于其融合了两种实现机制，在控制面和转发面实现上增加了复杂性，有待产业界进一步讨论。目前，国内主流设备厂商对G-SRv6支持度更高，最终产业界会采用何种方案，还要看产业链的支持情况。

[1] 金姬. 中国电信构建5G智慧生态圈上海迈向“双千兆示范城市”[J]. 新民周刊, 2019(22): 84-85.

JIN J. China Telecom constructs 5G smart ecosystem and Shanghai marches towards “double gigabit demonstration city”[J]. Xinmin Weekly, 2019(22): 84-85.

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[7] IETF. RFC 8986, segment routing over IPv6 (SRv6) network programming[S]. 2021.

[8] IETF. Generalized SRv6 network programming for SRv6 compression[S]. 2022.

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[10] IETF. The IPv6 compact routing header (CRH)[S]. 2022.

[11] IETF. Compressed SRv6 segment list encoding in SRH[S]. 2022.

Research on SRv6 header compression schemes

GONG Xia1, CHEN Huanan2, ZHU Yongqing1, WU Youming1, RUAN Ke1

1. Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China 2. China Telecom Cloud Technology Co., Ltd., Guangzhou 510245, China

Digital and intelligent carrier network have become the priorities of network construction and operation. As a key technology to realize network interconnection and service carrying, carrier protocol critically decides the network scale and traffic efficiency. Facing the service consistent experience requirements, SRv6 as the most competitive technology of IPv6 evolution, has become the development direction in the future. Combined with the principle of SRv6 technology, the requirements of SRv6 compression were analyzed. Based on the main SRv6 compression schemes in the industry, the advantages and disadvantages of each scheme were analyzed, so as to provide guidance for the large scale deployment of SRv6 technology.

SRv6, header compression, carrier protocol

TN919

10.11959/j.issn.1000–0801.2022282

2022–07–05；

2022–11–02