劉博聞，王嘉楠，吳軍平

（1.武漢郵電科學(xué)研究院，湖北武漢 430074；2.烽火通信科技股份有限公司，湖北武漢 430073）

OAM 是操作、維護(hù)、管理的融合統(tǒng)一。操作主要是完成對(duì)日常網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)進(jìn)行的分析、預(yù)測(cè)、規(guī)劃和配置工作；維護(hù)、管理主要是對(duì)網(wǎng)絡(luò)及其業(yè)務(wù)的測(cè)試、對(duì)故障進(jìn)行管理[1]。IOAM 作為一種新的帶內(nèi)遙測(cè)技術(shù)，用于業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中的質(zhì)量檢測(cè)等功能。網(wǎng)絡(luò)遙感是一種網(wǎng)絡(luò)信息采集技術(shù)，目的是為了采集網(wǎng)絡(luò)中的信息，網(wǎng)絡(luò)遙感一般分為兩種，分別是主動(dòng)探測(cè)和被動(dòng)探測(cè)。被動(dòng)探測(cè)以思科的Netflow 技術(shù)為代表，而主動(dòng)探測(cè)則大多數(shù)類似于微軟Everflow中的guided probe 組件。它會(huì)在發(fā)送端的虛擬機(jī)中注入一種“探測(cè)數(shù)據(jù)包”，并在網(wǎng)元上設(shè)置一些探測(cè)識(shí)別點(diǎn)，探測(cè)數(shù)據(jù)包每經(jīng)過(guò)一個(gè)網(wǎng)元都會(huì)上傳狀態(tài)信息，但是主動(dòng)探測(cè)“注入探測(cè)數(shù)據(jù)包”會(huì)對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中的流量作出一些影響。被動(dòng)探測(cè)以思科的Netflow 和INT（Inband Network Telemetry）為代表，具體應(yīng)用為IOAM。Netflow 是一種帶外采集技術(shù)，而INT 是一種新型的“帶內(nèi)網(wǎng)絡(luò)遙感技術(shù)”，具體實(shí)現(xiàn)方式是將監(jiān)測(cè)檢查點(diǎn)插入數(shù)據(jù)包的內(nèi)部，也就是途中的OAM 層，INT 通常的做法是在數(shù)據(jù)包的頭（Header）和數(shù)據(jù)包內(nèi)部數(shù)據(jù)（Payload）之間插入一塊OAM 層，然后數(shù)據(jù)包經(jīng)過(guò)每一個(gè)網(wǎng)元，都會(huì)將探測(cè)信息插入OAM 層中，包括網(wǎng)元對(duì)數(shù)據(jù)包的行為，是轉(zhuǎn)發(fā)還是丟棄，最后數(shù)據(jù)包到達(dá)終點(diǎn)，數(shù)據(jù)包中的OAM 層被剝離出來(lái)，通過(guò)信息導(dǎo)出協(xié)議上傳到遠(yuǎn)程的分析服務(wù)器[2-5]。IOAM 的檢測(cè)方式目前已經(jīng)應(yīng)用在公司設(shè)備R8000E 上，為運(yùn)營(yíng)商提供服務(wù)。

1 原理概述

1.1 IOAM原理

報(bào)文從入接口進(jìn)入，在封裝節(jié)點(diǎn)將OAM 數(shù)據(jù)報(bào)文嵌入在數(shù)據(jù)報(bào)文中，在轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)根據(jù)算法將相關(guān)的OAM 信息填入OAM 數(shù)據(jù)中，在解封裝節(jié)點(diǎn)，判斷IOAM轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)填入的OAM信息校驗(yàn)路徑是否與配置的路徑一致，并將OAM 數(shù)據(jù)報(bào)文移除，如圖1所示。

圖1 IOAM網(wǎng)絡(luò)部署圖

IOAM 層由兩部分組成，一部分為instruction，即指令，另一部分為data，即數(shù)據(jù)，指令中攜帶需要收集的信息，Translation Node 只需要根據(jù)指令把相應(yīng)的信息塞入data 部分中即可完成數(shù)據(jù)的收集。

IOAM 協(xié)議的承載形式有很多種，包括GRE、IPV6、SRv6、VXLAN-GPE、NSH、GENEVE 等。文中主要討論IOAM 承載SRv6 隧道。

1.2 SRv6隧道

SRv6 技術(shù)基于已經(jīng)普及的IPv6 技術(shù)擴(kuò)展報(bào)文頭部，對(duì)數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)處理[2]。當(dāng)分段路由應(yīng)用于IPv6 數(shù)據(jù)平面時(shí)，會(huì)引入一種路由擴(kuò)展報(bào)頭—分段路由報(bào)文頭部[IPv6-SRH]。分段路由報(bào)文頭部(Segment Routing Header，SRH)將一些元數(shù)據(jù)添加到IPv6 數(shù)據(jù)包中，其中包含數(shù)據(jù)包必須經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)路徑元素的列表，并由IPv6 地址表示[3-10],如圖2 所示。

圖2 IOAM轉(zhuǎn)發(fā)模型

在Ingress 入口節(jié)點(diǎn)添加SID[N]和帶內(nèi)流量信息遙測(cè)(In-situ Flow Information Telemetry,IFIT)的報(bào)文頭部，進(jìn)行SRv6 動(dòng)作類型的實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)遙感的監(jiān)測(cè)（IFIT 頭部）。其中SID 是使能SRv6 節(jié)點(diǎn)維護(hù)的一個(gè)本地SID（Local SID）表，該表包含所有在該節(jié)點(diǎn)生成的SRv6 SID 信息[11-12]，通過(guò)該表可以生成一個(gè)SRv6轉(zhuǎn)發(fā)表。Local SID 表有以下用途：定義本地生成的SID，例如End.X SID；指定綁定到這些SID 的指令；存儲(chǔ)和這些指令相關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)信息，包括出接口和下一跳等[13-17]。SRv6 SID 有很多類型，不同類型的SRv6 SID 代表不同的功能[9-10]，例如：

1）End SID 表示Endpoint SID，用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)目的地址前綴（prefix）；

2）End.DT4 SID 表示PE 類型的Endpoint SID，用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)IPv4 VPN 實(shí)例；

3）End.DX6 SID 表示PE 類型的三層交叉連接的Endpoint SID，用于標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)IPv6 CE。

還有多種類型用于實(shí)現(xiàn)不同功能。IFIT 報(bào)文頭部格式如圖3 所示。

圖3 IFIT報(bào)文頭部格式

Type：類型指示，表示擴(kuò)展數(shù)據(jù)類型，顯示是否攜帶擴(kuò)展頭；

Length：IFIT 長(zhǎng)度，默認(rèn)為8 字節(jié)；

L：Loss Flag，丟包測(cè)量染色標(biāo)記；

D：Delay Flag，時(shí)延測(cè)量染色標(biāo)記；

R：R Flag，保留位，預(yù)留未來(lái)擴(kuò)展使用；

Flow ID：用于唯一標(biāo)識(shí)一條業(yè)務(wù)流。

當(dāng)芯片判定SRH 的標(biāo)志位為1 時(shí)，表明SRH 攜帶了IOAM，然后通過(guò)IFIT 的Length 字段判斷IOAM的長(zhǎng)度，同時(shí)根據(jù)HTI 字段判斷IOAM 的檢測(cè)方式，包括從入節(jié)點(diǎn)到出節(jié)點(diǎn)的端到端檢測(cè)和在轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中的逐點(diǎn)檢測(cè)[6]。

IOAM 的報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)檢測(cè)需要經(jīng)過(guò)源節(jié)點(diǎn)、中間節(jié)點(diǎn)和宿節(jié)點(diǎn)。IOAM 報(bào)文的封裝在源節(jié)點(diǎn)完成，其中包含IOAM 引導(dǎo)標(biāo)簽和流標(biāo)簽以及正確的L-bit、D-bit。運(yùn)用IOAM 對(duì)報(bào)文進(jìn)行篩選，通過(guò)ACL 匹配UNI 側(cè)流信息，對(duì)匹配上的報(bào)文進(jìn)行封裝[7]。ACL 周期性的指向A Block 或B Block，CPU 實(shí)現(xiàn)L 的交替標(biāo)記，在標(biāo)記周期上添加Counter 功能，可以進(jìn)行L 的標(biāo)記統(tǒng)計(jì)，而D 報(bào)文則是每個(gè)周期標(biāo)記一個(gè)。

中間節(jié)點(diǎn)則是對(duì)IOAM 進(jìn)行L 統(tǒng)計(jì)和D 報(bào)文識(shí)別，宿節(jié)點(diǎn)是對(duì)RX/TX 方向的L 和D 數(shù)據(jù)進(jìn)行性能統(tǒng)計(jì)，并將IOAM 標(biāo)簽剝掉，完成IOAM 的轉(zhuǎn)發(fā)[8]。

2 IOAM+SRv6的方案設(shè)計(jì)

2.1 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

IOAM中的數(shù)據(jù)流向是從平臺(tái)FDPO下發(fā)，傳遞給驅(qū)動(dòng)層DDPO 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，DDPO 數(shù)據(jù)從驅(qū)動(dòng)層下發(fā)到數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面層，再?gòu)臄?shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面層傳遞給微碼層面進(jìn)行相應(yīng)處理[4]。如圖4所示，代碼中接口是在驅(qū)動(dòng)層從FHDRV接口開(kāi)始調(diào)用，在FHDRV中調(diào)用數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面層接口，再通過(guò)Y接口進(jìn)行寫(xiě)入數(shù)據(jù)等操作。

圖4 驅(qū)動(dòng)接口調(diào)用層次圖

FDPO 和DDPO 是兩種不同層面的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，通過(guò)IDE 工具構(gòu)建而成。數(shù)據(jù)由FDPO 發(fā)送，傳遞到DDPO 數(shù)據(jù)模型中。IOAM 功能中，F(xiàn)DPO 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體需要定義不同字段并實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)功能。

DDPO 是根據(jù)FDPO 定義的字段進(jìn)行改動(dòng)，定義驅(qū)動(dòng)層需要的字段，構(gòu)建DDPO 時(shí)，需要設(shè)計(jì)DDPO中的普通字段、驅(qū)動(dòng)返回值、字段映射關(guān)系和DDPO依賴鏈關(guān)系。

DDPO 中定義了數(shù)據(jù)報(bào)文在IOAM 功能中傳輸所需的字段，如表1 所示。

表1 IOAM傳輸字段

這些字段根據(jù)不同的映射關(guān)系，通過(guò)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)依賴鏈從對(duì)應(yīng)的FDPO 結(jié)構(gòu)體中獲取數(shù)據(jù)。

在FDPO 中，數(shù)據(jù)的下發(fā)也是通過(guò)外鍵關(guān)聯(lián)，根據(jù)依賴鏈逐步下發(fā)的，相對(duì)應(yīng)的DDPO 需要設(shè)計(jì)出數(shù)據(jù)下發(fā)的依賴鏈關(guān)系，如圖5 所示為IOAM 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的依賴鏈關(guān)系。

圖5 DDPO依賴鏈關(guān)系

依賴鏈以IOAM_CFG 結(jié)構(gòu)體為起始類，通過(guò)ifindex、first_nni_ifindex 和second_nni_ifindex 外鍵關(guān)聯(lián)到IFMGR_IF_NET 結(jié)構(gòu)體，對(duì)于部分字段，還需通過(guò)index、if_foreign_key 和flexe_client_foreign_key 外鍵迭代到UES_IF、IFMGR_IF_LAG、FLEXE_CLIENT數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)體，獲取對(duì)應(yīng)的字段數(shù)據(jù)。

2.2 SRv6轉(zhuǎn)發(fā)方案

SRv6 的轉(zhuǎn)發(fā)方案結(jié)合L3VPN 的流程進(jìn)行了設(shè)計(jì)[13-14]，如圖6 所示。

圖6 SRv6 L3VPN流程

數(shù)據(jù)報(bào)文從intf 入接口進(jìn)入，根據(jù)最長(zhǎng)匹配算法查找路由表，得到l3_path_id，根據(jù)該索引值查詢l3path 表項(xiàng)，在l3path 表項(xiàng)中配置保護(hù)類型，包括無(wú)保護(hù)、frr 保護(hù)和ecmp 保護(hù)，同時(shí)得到查詢l3nhi 表項(xiàng)的索引值，在l3nhi 表項(xiàng)中，entry_type 類型置為SRv6,并繼續(xù)查詢srv6_path 表，同時(shí)查詢srv6_sid 表項(xiàng)，獲取sid 的動(dòng)作類型，srv6_path 表可以提供故障保護(hù)，并為查詢srv6_attr 屬性表提供索引id，srv6_attr 屬性表中則包含了出口信息、arp_id 等，通過(guò)查詢arp 表項(xiàng)得到出口，將數(shù)據(jù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)出去。

3 測(cè)試過(guò)程和結(jié)果

對(duì)于IOAM 功能，首先配置一條采樣周期為30 s，檢測(cè)方式為端到端的L3VPN SRv6 數(shù)據(jù)流，分別在出口進(jìn)行L 標(biāo)記統(tǒng)計(jì)和D 標(biāo)記時(shí)延統(tǒng)計(jì)測(cè)試。

3.1 L標(biāo)記統(tǒng)計(jì)

測(cè)試驗(yàn)證源宿包統(tǒng)計(jì)是否正常，兩站均采用SSUA4 單盤(pán)，從UNI→NNI 建立一條SRv6 業(yè)務(wù)，保證業(yè)務(wù)流通暢。然后在源站和宿站下的IOAM 配置建立一條flow 為2 的IOAM 配置。登錄設(shè)備進(jìn)入驅(qū)動(dòng)層，打開(kāi)flow_id 為2 的打印，psn_tmtry_dbg_flow_switch(2)，圖7、圖8 分別為源站、宿站L 標(biāo)記統(tǒng)計(jì)。

圖7 源站L標(biāo)記統(tǒng)計(jì)

圖8 宿站L標(biāo)記統(tǒng)計(jì)

比較圖7 和圖8 可以看出，源站L 標(biāo)記收包為L(zhǎng):rx[253320363]，宿站L 標(biāo)記收包為L(zhǎng):rx[253320363]，源宿統(tǒng)計(jì)的包數(shù)相等，所以L 包統(tǒng)計(jì)正常，測(cè)試結(jié)果成功。

3.2 D標(biāo)記時(shí)延統(tǒng)計(jì)

D 標(biāo)記作為時(shí)延測(cè)量標(biāo)志位，需要測(cè)試源宿的時(shí)延獲取是否正常。先建立SRv6 業(yè)務(wù)流，保證業(yè)務(wù)流暢通，再在源站和宿站配置IOAM 信息，建立一條flow id為2的IOAM配置。登錄設(shè)備后進(jìn)入驅(qū)動(dòng)層，打開(kāi)flow id 為2 的打印，psn_tmtry_dbg_flow_switch(2)。圖9、圖10 分別為源站、宿站D 標(biāo)記時(shí)延統(tǒng)計(jì)。

圖9 源站D標(biāo)記時(shí)延統(tǒng)計(jì)

圖10 宿站D標(biāo)記時(shí)延統(tǒng)計(jì)

由圖9 和圖10 比較可以看出，源站D 標(biāo)記收包時(shí)間為D:rx[18029232],宿站D 標(biāo)記收包時(shí)間為D:rx[18061888],兩者時(shí)延差為32 656 ms，即32.656 s，D標(biāo)記時(shí)延統(tǒng)計(jì)正常，源宿時(shí)延差在30 s 左右，屬于誤差允許范圍內(nèi)，滿足要求，測(cè)試結(jié)果成功。

4 結(jié)束語(yǔ)

IOAM 技術(shù)屬于數(shù)據(jù)包粒度級(jí)別的丟包檢測(cè)，檢測(cè)對(duì)象更加精細(xì)，甚至可以獲取網(wǎng)絡(luò)中的丟包情況、原因和丟包位置；IOAM 作為一種帶內(nèi)技術(shù)，可以捕獲到網(wǎng)絡(luò)中的時(shí)延或丟包的時(shí)刻；同時(shí)，由于IOAM可以獲取網(wǎng)絡(luò)中的每一條鏈路的時(shí)延、帶寬以及丟包情況，將這些信息整合，選擇最優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)傳輸路徑，實(shí)現(xiàn)智能路由和選路。但I(xiàn)OAM 技術(shù)也存在一些明顯的缺點(diǎn)，比如在運(yùn)營(yíng)商等網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)送、接收的數(shù)據(jù)包數(shù)量是巨大的，對(duì)每一個(gè)數(shù)據(jù)包插入OAM層并收集監(jiān)測(cè)信息，會(huì)產(chǎn)生巨大的信息量，這些信息的壓縮、重分析也是一個(gè)需要考慮的問(wèn)題[18-19]。而且巨大的信息量，需要不斷地申請(qǐng)新的空間進(jìn)行數(shù)據(jù)拷貝和新OAM 層的插入，會(huì)產(chǎn)生更大的性能消耗。由于數(shù)據(jù)包會(huì)被分片，插入的OAM 長(zhǎng)度也會(huì)有所限制，經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備數(shù)量必然不能太多[20]。目前的IOAM 技術(shù)基本都是基于硬件實(shí)現(xiàn)，并與軟件相配合，隨著技術(shù)的發(fā)展，如果能將IOAM 應(yīng)用于軟件轉(zhuǎn)發(fā)，則將為數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)提供更大的應(yīng)用平臺(tái)。