SRv6报头压缩技术探析

伍佑明 朱永庆 龚霞

(中国电信股份有限公司研究院，广州 510630)

0 引言

全球信息化发展对地址资源的需求日益迫切，以IPv6为基础的下一代互联网已成为网络发展的必然趋势。IPv6分段路由(Segment Routing over IPv6，SRv6)是Segment Routing与IPv6技术结合的产物，正成为业界关注的热点。基于SRv6强大的可编程特性[1]，可进一步提升网络可编程能力，提升网络的资源灵活调度、业务快速部署和智慧运营能力。但在SRv6部署过程中遇到报文承载效率与网络设备处理能力的两大挑战。随着SRv6报头携带的SID层数增加，一方面导致SRv6报文承载效率降低，另一方面对网络设备处理能力带来了巨大挑战。未来，随着SRv6技术的规模部署，特别是端到端SRv6 Policy的应用，这种SRv6部署带来的承载效率和处理性能的降低将显著增加网络建设成本。

针对SRv6部署的承载效率与设备硬件挑战，业界正在积极探索多种SRv6报头压缩方案，以减小SRv6报头封装长度，降低设备硬件处理要求，提升信息承载效率。研究各种SRv6报头压缩技术，突破SRv6部署瓶颈，对于加速SRv6规模应用部署、促进下一代互联网健康发展具有重要的现实意义。

本文在分析SRv6部署带来影响的基础上，探讨了G-SRv6[2](Generalized SRv6)、uSID[3](Micro Segment)、SRm6[4](Segment Routing Mapped to IPv6)等主流报头压缩技术的发展情况，并对这些主流方案进行了对比，最后提出了SRv6报头压缩技术部署的策略。

1 SRv6技术部署带来的影响

SRv6技术在IPv6报头封装了分段路由报头[5](Segment Routing Header，SRH)，其部署对报文的承载效率和设备的处理性能带来直接影响。

(1)SRv6技术部署对报文承载效率的影响

SRv6报头由于封装了段标识符(Segment Identifier，SID)，报文的承载效率随SID封装层数的增加而逐步下降。当封装多层SID时，会导致报文开销明显增加。在SRv6 Encaps模式下，报文开销是外层IPv6基本报头、SRH基本信息字段长度与SRv6 SID列表长度之和，即总共8+40+16×n字节。

在实际部署中，综合拓扑无关的无环路备份(Topology Independent Loop Free Alternate，TI-LFA)、跨域流量工程等场景，笔者认为即使采用BSID和Flex-Algo方案，SID层数仍可能超过5 层，但通常不会超过12 层。以5 层和12 层报文封装为例，当报文封装5层SID时，Encaps模式下SRv6报文开销为128 字节；当报文封装12 层SID时，Encaps模式下SRv6报文开销为240 字节。报文开销最终影响报文承载效率，而报文承载效率与报文长度密切相关。根据现网流量统计，包括Ethernet帧报头在内的平均报文长度为320～520 字节。取平均报文长度中位数448 字节，根据报文开销可计算出SRv6报文承载效率。当报文封装5层SID时，Encaps模式下报文承载效率为77.8%；当报文封装12 层SID时，Encaps模式下报文承载效率为65.1%。由此可见，封装多层SRv6 SID将对网络承载效率产生比较大的影响。

(2)SRv6技术部署对设备处理性能的影响

现阶段，网络设备以路由器、交换机为主，SRv6技术的部署对这些设备的处理能力带来了巨大挑战。SRv6控制平面基于现有IS-IS[6]、OSPFv3[7]、BGP[8]、PCEP[9]等路由协议/信令协议扩展实现，不存在功能和性能瓶颈。但SRv6数据平面以路由器/交换机的硬件实现为主，对设备形成巨大的处理压力。

SRv6报文在端到端转发过程中主要增加了SRv6报文封装、本地SID表查表、SRH报头操作以及报文解封装等操作。这些操作都由网络设备的NP完成，因而SRv6报文对硬件的需求主要集中在NP(Networking Processor)芯片。根据内部实现方式，NP芯片可大致分为PipeLine(流水线)式和RTC(Run to Completion)式两类。PipeLine式NP芯片将芯片所实现功能交由每个功能模块，报文在NP内部像“流水线”一样经过相应功能模块。典型的PipeLine式NP芯片如EZchip公司的NP系列芯片。RTC式NP芯片内含多个核(Core)，每个核作为独立单元可完成NP芯片的功能。RTC式NP芯片通过多核并行处理方式提升性能，典型代表有华为公司的Solar系列芯片。NP厂家设计理念不同，实现各异，即使同一类NP芯片也存在较大差异。

SRv6报文封装过程通常发生在SRv6的Headend节点。在该节点，NP芯片可根据指令对IP报文进行SRv6 Encaps模式的封装。NP在对IP报头进行解析、封装等操作时，会为每个报头分配一个固定大小的报文处理单元，即NP为每个IP报头所分配的RAM空间。该报文处理单元大小每个厂家实现略有差异，通常为144 字节。假定NP芯片为每个IP报头所分配的报文处理单元为144 字节，每个IPv6基本报头为40 字节，则每个报文处理单元为封装SRv6报头所剩余空间为104 字节。由此可知，如果采用Encaps模式，所封装SRv6 SID将不超过3层。

由于SRv6报文端到端传送过程中除PSP(Penultimate Segment Pop of the SRH，倒数第二个Segment弹出SRH)行为外不弹出相关SID，所以不仅仅是Headend节点，沿途SRv6节点均存在处理能力的这种限制。如果SRv6报头超过了报文处理单元尺寸，则IP报头需在NP芯片内多次流转，才能完成相关操作。这对设备的转发性能与带宽都将产生巨大影响。为了实现更多层数的SRv6 SID封装，需要对NP芯片、处理流程进行重新优化设计。

2 SRv6报头压缩技术发展情况

SRv6报头压缩技术通过有效降低SID长度，可大幅降低SRv6报头长度，从而有效提升承载效率。目前，业界提出了多种SRv6报头压缩解决方案，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。

(1)共享方案：通常同一域内的SRv6 SID存在公共前缀，通过将此前缀提取出来以公共Block字段承载，后续SID仅携带差异部分，从而大幅减少SRH中Segment List长度。共享压缩方案的控制平面只需在已有SRv6协议扩展基础上进行增强，具有较好的扩展性；数据平面兼容SRH格式，易于实现。

(2)映射方案：映射方案新定义较短ID(如16 bit/s/32 bit/s)并与SRv6的SID建立映射关系，在沿途所有设备上存储映射表项，SRH则只需携带较短ID值即可，从而降低SRv6报头开销。映射报头压缩方案压缩效率高，但不兼容SRv6，控制平面需通过协议扩展通告压缩SID与SRv6 SID/IPv6地址的映射关系，需额外维护映射表项，实现复杂；另外，数据平面也不兼容SRH格式，需定义新的路由扩展报头以实现压缩SID的封装。

针对上述两种类型的SRv6报头压缩技术，业界均提出了相应实现方案。目前，共享方案包括G-SRv6压缩、SRv6 uSID方案等，映射方案包括SRm6方案等。G-SRv6方案在国内得到业界重点关注，相关的国际标准和行业标准正在制订；SRv6 uSID方案在国外得到以思科为代表的厂商的推崇，相关国际标准正在推进；SRm6方案在业界的关注度较低。

2.1 G-SRv6压缩技术

G-SRv6压缩技术基于SRv6，采用与SRH相同的数据平面，但控制平面需在SRv6控制平面基础上进行相关协议扩展。G-SRv6定义了G-SRv6 SID格式，具体参见图1。G-SRv6 SID与标准SRv6 SID格式完全兼容，包括Common Prefix和Node ID，Common Prefix是网络运营商、内容提供商等为子网分配的地址空间前缀，与标准SRv6 SID中的Locator Block对应；Node ID是该子网内用于区分节点的标识，对应标准SRv6 SID中的Locator Node；Node ID字段与Function字段合称为G-SID字段。

图1 G-SRv6 SID格式

为了压缩SRv6报头，G-SRv6压缩方案将SID 列表中冗余的Common Prefix移除，仅携带变化的G-SID部分，从而可大幅减少SRv6的报头开销。G-SRv6作为一种通用SRv6技术方案，不仅支持SRv6报头压缩，而且可与传统SRv6 SID混合编程。

G-SRH(Generalized SRH)由G-SID Container构成，具体参见图2。G-SRH与标准的SRH格式保持一致，可实现压缩SID与非压缩SID在同一SID列表中的混合编码。

图2 G-SRH格式

为实现混合编码，G-SRv6定义了压缩子路径(Compression Sub-path)的概念。压缩子路径中的每个G-SID都具有相同的Common Prefix。每个压缩子路径的起始128 bit/s(即起始G-SID Container)需携带完整的Common Prefix、起始G-SID及Arguments/Padding等字段，后续的G-SID Container中则只携带G-SID部分，最后一个G-SID即为该压缩子路径的最后一跳。

G-SRv6部署需对控制平面协议进行扩展，包括IGP、BGP-LS及BGP SRv6 Policy等协议。其中，IGP协议扩展主要用于节点间发布SRv6报头压缩支持能力与相应G-SID信息；BGP-LS协议扩展用于网络节点向控制器发送SRv6报头压缩支持能力与相应G-SID信息；BGP SRv6 Policy协议扩展主要用于控制器下发SRv6路径信息。

2.2 SRv6 uSID压缩技术

SRv6 uSID方案，也称为SRv6 Micro Segment方案，其基本思想与G-SRv6压缩方案类似，都是将128 bit/s SID中的公共前缀uSID Block字段提取出来，通过消除SRH中冗余信息达到压缩目的。但uSID封装方式与G-SRv6不同，其基于uSID Container(uSID承载器)携带公共前缀与uSID信息。

uSID Container格式如图3所示。其中，uSID Block与G-SRv6方案中的Common Prefix字段含义相同，都是指公共前缀；uSID则是从相应SRv6 SID中提取的一个定长的ID，用于携带SID差异部分，其典型长度为16 bit/s或32 bit/s。若uSID Block长度为32 bit/s，当uSID字段长度为32 bit/s时，则一个uSID Container最多可携带3个uSID；当uSID字段长度为16 bit/s时，则一个uSID Container最多可携带6个uSID。

图3 uSID Container示意图

SRv6 uSID方案主要采用“共享前缀”+“移位(Shift)出栈”方式实现。uSID Container携带uSID Block与多个uSID字段，将这样的128 bit/s数据复制到IPv6报头的DA字段后，当进行uSID转发处理时，需进行比特移位，即将当前Active uSID之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方案数据平面兼容SRv6/IPv6，具备在IPv6网络中的路由能力，支持与SRv6 SID混编，其控制平面则需通过uN等行为实现移位与查表转发功能。相对G-SRv6压缩方案，每个uSID Container需携带1个uSID Block，对压缩效率有一定影响，但也具有更好的扩展性。

SRv6 uSID方案需对控制平面协议进行扩展。uSID通告方式与其Endpoint Behavior类型有关。目前定义的SRv6 uSID类型中，uN、uA SRv6 SID及其绑定的行为由IGP协议通告，uDT、uDX SRv6 SID及其绑定的行为由BGP协议通告。

2.3 SRm6压缩技术

SRm6技术采用映射方案实现SRv6报头压缩，是一种新的路由机制。SRm6方案的基本思想是采用16 bit/s或32 bit/s的SID代替SRv6中128 bit/s的SID，并在两者之间建立一一映射关系，将IPv6地址格式的SID转变为更短字节的压缩SID，从而减小SRv6报头的长度，实现压缩效果。

SRm6方案新定义了3种压缩SID，包括邻接(Adjacency)mSID、节点(Node)mSID和绑定(Binding)mSID，每一种mSID都与指定的行为相关联。mSID由分配它的节点定义，并映射到一个唯一的接口地址，不同节点分配的mSID可以相同。与SRv6 SID不同的是，SRm6方案中定义的各种mSID均为本地有效。为了实现SRv6灵活的可编程能力，SRm6方案还定义了两种服务mSID类型，包括基于段的服务指令(Per-Segment Service Instructions，PSSI)和基于路径的服务指令(Per-Path Service Instructions，PPSI)。

SRm6方案基于IPv6扩展报头重新定义了承载mSID的压缩报头(Compressed Routing Header，CRH)。SRm6方案支持16 bit/s和32 bit/s压缩长度，其压缩效率主要取决于mSID长度。针对16 bit/s长度的mSID和32 bit/s长度的mSID，分别定义了CRH-16和CRH-32，CRH-16格式如图4所示。

图4 CRH-16报头格式

SRm6方案不改变IPv6地址的原有语义，通过标签映射的方式实现显式路径指定，并通过扩展报头携带PSSI及PPSI等服务指令实现SRv6网络可编程。该方案不兼容SRv6/IPv6，mSID也不具备在IPv6网络中的路由能力，不能实现与普通SRv6 SID的混编。此外，SRm6方案采用类似MPLS的标签分配方式，需根据网络规模规划mSID空间大小，与IPv6地址规划无关联。

为支持SRm6方案，需对控制平面相关协议进行扩展，以实现mSID及其绑定的IPv6接口地址及服务指令等信息在网络中的通告。SRm6方案目前定义了基于IS-IS协议的扩展，主要包含通告CRH能力、通告Prefix SID、通告邻接mSID、通告LAN邻接mSID等方面。

3 SRv6报头压缩技术对比分析

目前，G-SRv6、uSID及SRm6报头压缩方案在对组播、业务链等应用的支持方面，以及OAM与TI-LFA等功能支持方面，都需要进一步完善，才能实现规模部署和应用。然而，业界对SRv6报头压缩方案的争论始终伴随着SRv6技术的发展。G-SRv6、uSID及SRm6报头压缩方案在技术实现上各具优势，3种SRv6报头压缩方案优劣势对比如表1所示。

表1 主要SRv6报头压缩方案对比

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种报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，特别是在处理跨域时，受实际部署场景影响较大。

总体而言，兼容SRv6/SRH的G-SRv6压缩方案与uSID方案，更受业界推崇。至于业界在二者中做出何种选择，最终要看产业链的支持情况。

4 部署原则的建议

目前，业界所提出的SRv6报头压缩方案各有侧重。但无论采用哪种方案，都需面向网络与业务部署需求，充分利用现有网络/设备资源，以降低研发/部署成本与难度。因此，SRv6报头压缩方案设计需综合考虑与SRv6/IPv6兼容性、压缩效率及可扩展性等因素，技术部署遵循以下原则。

(1)与SRv6/IPv6兼容性原则

理想的SRv6报头压缩方案需在SRv6基础上演进，兼容SRv6基本实现、SRH格式以及控制平面扩展等，以免报文处理逻辑复杂化。此外，SRv6报头压缩方案应同样支持VPN SID、BSID等各种网络功能的灵活实现。由于SRv6本身兼容IPv6，因此SRv6报头压缩方案需兼容原生IPv6，具备在IPv6网络中的路由能力。兼容性原则是部署SRv6报头压缩方案的关键原则，正是这个原因，业界更看好G-SRv6压缩方案与uSID方案的发展前景。

(2)压缩效率和代价平衡原则

压缩效率是评判SRv6报头压缩方案的核心指标，但同时也需考虑网络规模、硬件实现难度等因素，以达到压缩效率与实现代价的最优化。压缩SID长度是影响压缩效率的关键因素，业界普遍认为16 bit/s、32 bit/s均是当前较为理想的压缩SID长度，考虑与IPv4/MPLS长度一致性及硬件实现难易程度，32 bit/s受到更多推崇。

(3)可扩展性原则

SRv6报头压缩方案需兼容当前IPv6网络地址划分方式，支持灵活的地址规划，并支持跨域压缩互通。此外，SRv6报头压缩方案需具备SRv6灵活可编程的特点，以满足面向未来新业务部署的灵活扩展需求。目前，G-SRv6压缩方案与uSID方案都具有较好的扩展性。

5 结束语

SRv6技术的规模部署正逐渐成为网络发展趋势，采用SRv6报头压缩技术可以降低SRv6技术部署对网络和设备的影响，业界正在探讨多种SRv6报头压缩技术。SRv6报头压缩技术的应用将加速SRv6技术的规模部署，推动IPv6流量的增长，促进下一代互联网的全面发展。将来随着网络设备的更新换代，如何使设备适应SRv6报文的处理，如何提升设备的处理性能将是业界探讨的一个重要方向，但现阶段探讨SRv6报头压缩技术及部署策略仍然具有现实意义。