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什么是BIERv6?

BIERv6(Bit Index Explicit Replication IPv6 encapsulation,IPv6封装的比特位索引显式复制)是一种新型组播技术。BIERv6通过将组播报文目的节点的集合以比特串(BitString)的方式封装在报文头部发送给中间节点,从而使网络中间节点无需为每一条组播流建立组播分发树和保存流状态,仅需根据报文头部的比特串完成复制转发。BIERv6将BIER(Bit Index Explicit Replication,比特索引显式复制)与Native IPv6报文转发相结合,可以高效承载IPTV、视频会议、远程教育、远程医疗、在线直播等组播业务。

为什么需要BIERv6?

传统组播技术的局限性

视频流量占据了互联网流量的绝大部分,包括视频通话、视频分享、视频会议等;而高清视觉和全新交互视频或成为未来社交主要手段,媒体向VR/AR逐步演进。组播一方面能够在网络中提供点到多点的转发,有效减少网络冗余流量,降低网络负载;另一方面能够在应用平台中减轻服务器和CPU负荷,减少用户增长对组播源的影响。这些特点使得组播在视频直播、在线教育、视频会议、高清视频等场景中具有独特的应用价值。

传统的组播技术方案有公网组播方案、IP组播VPN方案以及MPLS组播VPN方案,但是这些组播方案存在的局限性限制了组播在上述场景中的大规模应用:

  • 协议复杂,可扩展性弱

    中间节点维护每条流的组播状态,依赖组播路由协议(如PIM、mLDP、RSVP-TE P2MP等)来创建组播树,在网络中引入复杂的控制信令。同时,创建组播树也会占用大量的资源,如内存、CPU等,不利于在大规模网络中部署。

  • 可靠性弱,用户体验不佳

    组播流量越多,网络中需要建立的组播树越多,网络开销越大。在这种情况下,受组播状态数量影响,网络故障后业务重新收敛的时间会延长。这样对于需要低时延、快收敛的业务来说,会严重影响用户体验。

  • 部署和运维困难

    由于需要网络支持PIM、mLDP、RSVP-TE P2MP等众多协议,部署复杂度高,同时也给网络和业务运维带来困难。

BIER的产生

如何突破传统组播技术的局限性呢?为解决这个问题,业界提出了一种新的组播技术——BIER技术。BIER技术的核心原理就是将组播报文目的节点的集合以比特串的方式封装在报文头部发送给中间节点,中间节点不感知组播组状态,仅根据报文头部的比特串复制转发组播报文。

BIER技术的实现过程
BIER技术的实现过程

支持BIER转发的网络域被称为BIER域。域内支持BIER转发能力的路由器被称作BFR(Bit Forwarding Router)。当BFR作为BIER域的入口路由器时,这个BFR就是BFIR(Bit Forwarding Ingress Router)。当BFR作为BIER域的出口路由器时,这个BFR就是BFER(Bit Forwarding Engress Router)。BFIR和BFER还有一个共同的名字——边缘BFR,也是BIER域中的源节点或目的节点。边缘BFR拥有一个专属BFR-ID(BIER Forwarding Router Identifier,BIER转发路由器标识符),用一个1到65535范围内的整数表示。目的节点的BFR-ID组成的BitString就形成了目的节点集合,BitString中的每个Bit所在的位置或索引表示一个目的节点。例如,一个网络中拥有256个边缘节点,每个边缘节点需要配置一个1~256的唯一值,目的节点集合则使用一个256bit(或32字节)的BitString来表示。BIER域内的设备根据报文中的BitString将组播报文复制给指定的接收者。

BIER解决了传统组播需要组播转发树建立协议的问题,使得没有组播业务的网络中间设备不再需要为每个组播流建立组播转发树,取消了建立组播转发树的协议(如PIM),避免了网络中间设备因建立组播转发树而产生的开销,部署运维简单,网络可靠性高。

BIER技术就是完美无缺了吗?答案是否定的,BIER的局限性主要体现在:首先,BIER技术依赖于MPLS,适合于MPLS网络。如果有的组播业务是基于非MPLS网络或技术部署的,部署BIER-MPLS需要升级全网设备。其次,对于支持MPLS组播VPN的网络,BIER-MPLS难以跨域发布BIER信息并建立BIER转发表。

从BIER到BIERv6

单播转发领域,基于IPv6数据平面的SRv6技术发展迅猛。组播领域要如何实现不依赖MPLS并且顺应IPv6网络发展趋势的新技术呢?针对这个问题,业界提出了BIERv6技术。

BIERv6继承了BIER的核心设计理念,它使用BitString将组播报文复制给指定的接收者,中间节点无需建立组播转发树,实现无状态转发。BIERv6与BIER的最大不同之处在于:BIERv6摆脱了MPLS标签,是基于Native IPv6的组播方案。

BIER和BIERv6封装格式对比
BIER和BIERv6封装格式对比

如下图所示,BIERv6和BIER的具体差异点体现在基本转发、基本转发的访问控制、多跳转发、多跳转发的访问控制、是否携带VPN标签等几个方面。

BIERv6和BIER的对比
BIERv6和BIER的对比

BIERv6的技术价值

BIERv6技术本身简化了协议,降低了网络部署难度,能够更好地应对未来网络发展的挑战。BIERv6的技术价值可以总结为以下三点:

  • 网络协议简化

    BIERv6利用IPv6地址承载组播MVPN业务和公网组播业务,进一步简化了协议,避免分配、管理、维护MPLS标签这种额外标识。BIERv6将目的节点信息以比特字符串的形式封装在报文头中,由头节点向外发送,接收到报文的中间节点根据报文头中的地址信息将数据向下一个节点转发,不需要创建、管理复杂的协议和隧道表项。当业务的目的节点发生变化时,BIERv6可以通过更新比特串进行灵活控制。

  • 部署运维简单

    BIERv6技术利用IPv6扩展报文头携带BIER转发指令,彻底摆脱了MPLS标签转发机制。由于业务只部署在头节点和尾节点,组播业务变化时,中间节点不感知。因此,网络拓扑变化时,无需对大量组播树执行撤销和重建操作,大大地简化了运维工作。

  • 网络可靠性高

    BIERv6通过扩展后的IGP协议泛洪BIER信息,各个节点根据BIER信息建立组播转发表转发数据。BIERv6利用单播路由转发流量,无需创建组播分发树,因此不涉及共享组播源、切换SPT等复杂的协议处理事务。当网络中出现故障时,设备只需要在底层路由收敛后刷新BIFT(Bit Index Forwarding Table,比特索引转发表)表项,因此BIERv6故障收敛快,同时可靠性也得到提升,用户体验更好。

如何实现BIERv6功能

IPv6报文扩展

BIERv6利用了IPv6的扩展报文头来实现自身的功能。IPv6报文中的目的地址标识BIER转发节点的IPv6地址,即End.BIER地址,表示需要在本节点进行BIERv6转发处理。IPv6报文中的源地址标识BIERv6报文的来源,同时也能指示组播报文所属的组播VPN实例。BIERv6使用IPv6目的选项扩展报文头(Destination Options Header,下文简称DOH)携带标准BIER头,与IPv6头共同形成BIERv6报文头。BFR读取BIERv6扩展头部中的BitString,根据BIFT进行复制、转发并更新BitString。

BIERv6的报文头格式
BIERv6的报文头格式

BIERv6 DOH中的关键字段如下:

  • Option Length:表示比特索引表BIFT的ID。
  • TTL:表示报文经过BIERv6转发处理的跳数。每经过一个BIERv6转发节点后,TTL值减1。当TTL为0时,报文被丢弃。
  • Ver:表示BIERv6报文格式版本。
  • BSL:表示BitString Length。值为0001表示BSL长度为64bit,0010表示BSL长度为128bit,0011表示BSL长度为256bit。在一个BIERv6子域内,允许配置一个或多个BSL。
  • Proto:下一层协议标识,用于标识BIERv6报文头后面的Payload类型。Payload类型由IANA(Internet Assigned Numbers Authority)定义。
  • BFIR-ID:封装报文时固定填0,接收报文时忽略,可视为保留字段。
  • BitString:用于标识组播报文目的节点的集合。

End.BIER

End.BIER地址是BIERv6网络定义的一种新类型的SID,它作为IPv6目的地址指示设备的转发平面处理报文中的BIERv6扩展头。每个节点在接收并处理BIERv6报文时,将下一跳节点的End.BIER SID封装为BIERv6报文的外层IPv6目的地址(组播报文目的节点已通过BitString定义),以便下一跳节点按BIERv6流程转发报文。End.BIER SID还能够很好地利用IPv6单播路由的可达性,跨越不支持BIERv6的IPv6节点。

BIERv6中的End.BIER格式
BIERv6中的End.BIER格式

End.BIER SID可以分为两部分:Locator和其他比特位。Locator表示一个BIERv6转发节点。Locator具有定位功能,节点配置Locator之后,系统会生成一条Locator网段路由,并且通过IGP在SRv6域内扩散。网络里其他节点通过Locator网段路由就可以定位到本节点。End.BIER SID可以将报文引导到指定的BFR,BFR接收到一个组播报文,识别出报文目的地址为本地的End.BIER SID,判定为按BIERv6流程转发。

路由协议扩展

IGP协议扩展

BIERv6通过扩展后的IGP协议泛洪BIER信息,各个节点根据BIER信息建立组播转发表转发数据。BIERv6的扩展是在IGP for BIER协议的基础上,增加BIERv6封装信息的Sub-sub-TLV和泛洪End.BIER的Sub-sub-TLV。目前定义了IS-IS针对BIERv6的协议扩展。

IS-IS针对BIERv6的扩展
IS-IS针对BIERv6的扩展

BGP协议扩展

BIERv6可以承载MVPN业务,MVPN over BIERv6的控制消息由BGP Update的NLRI字段携带,该字段中的Route Type字段用来表示BGP MVPN路由类型。

MVPN NLRI格式
MVPN NLRI格式

BIERv6扩展了BGP MVPN路由类型中的I-PMSI(Inclusive-Provider Multicast Service Interface,全路径式运营商组播业务接口)或者S-PMSI(Selective-Provider Multicast Service Interface,选择路径式运营商组播业务接口) A-D路由,用于携带MVPN实例的IPv6源地址Src.DTX信息(BIER域入口节点上配置的用于BIERv6报文转发的IPv6地址)。该信息由I-PMSI或者S-PMSI A-D路由中的Prefix-SID携带。

Prefix-SID属性格式
Prefix-SID属性格式

BIERv6在IPTV场景下的应用

BIERv6作为新一代组播路由技术可以应用在多个技术场景中,例如IPTV场景。如下图所示,运营商部署MVPN over BIERv6承载IPTV流量。MVPN over BIERv6部署在IP骨干网上,IP城域网中部署PIM或BIERv6跨域静态穿越,IPTV视频源所在私网部署PIM。当Sender PE接收到组播源所在私网发送的组播报文后,根据报文C-IP Header中的信息匹配PMSI,然后根据隧道属性向报文中插入外层BIERv6报文头(包含Set ID和BitString等信息),并设置组播报文的外层IPv6源地址。完成上述操作后,Sender PE按照BIERv6转发流程,将组播报文向下一跳节点转发。

使用MVPN over BIERv6承载IPTV流量,利用BIERv6组播技术大幅降低网络负载的特点,可以使视频点播更加快捷、画面更加清晰、观看更加流畅,从而使用户获得更好的视频观看体验。同时,该方案部署、运维、扩容简便,适合大规模部署。

BIERv6在IPTV场景的应用
BIERv6在IPTV场景的应用
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  • 作者: 陈立
  • 最近更新: 2021-11-04
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