面向云網(wǎng)一體的新型城域網(wǎng)演進探討

陳運清　雷波　解云鵬

摘要：新型城域網(wǎng)的設計應面向未來業(yè)務需求，以簡潔、通用、高效、智能為目標演進。新型城域網(wǎng)可以高效、動態(tài)地連接大量的接入節(jié)點，逐步形成城域內(nèi)的統(tǒng)一承載新平面。在演進策略方面，新型城域網(wǎng)的構(gòu)建不是顛覆性地推倒重來，而是從現(xiàn)網(wǎng)、現(xiàn)狀出發(fā)，基于各項技術(shù)研發(fā)進展，結(jié)合網(wǎng)絡建設節(jié)奏，循序漸進實現(xiàn)平滑演進。

關鍵詞：城域網(wǎng)演進;葉脊架構(gòu);統(tǒng)一承載;網(wǎng)絡切片

Abstract： The design of the new metropolitan area network should be oriented to the future service requirement， with concise， universal， high efficiency and intelligence as the evolution goal. A large number of access nodes in the metropolitan area are connected in an efficient and dynamic way， and a unified bearing new plane is gradually formed. The construction of the new metropolitan area network needs to proceed from the existing network and present situation. Based on the research and development of various technologies， and the specific situation of network construction， the smooth evolution is finally achieved.

Key words： metropolitan area network evolution; Spine-Leaf architecture; unified bearer; network slice

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，云與網(wǎng)絡的融合趨勢日漸明顯，未來所有業(yè)務和應用都將在云上承載，“云網(wǎng)一體化”已成為一股不可阻擋的趨勢。云網(wǎng)融合也打破傳統(tǒng)基礎網(wǎng)絡運營牌照及資源壟斷，降低了行業(yè)門檻?；ヂ?lián)網(wǎng)業(yè)務（OTT）云服務商開始強勢介入，運營商在企業(yè)對企業(yè)（B2B）市場正在遭遇前所未有的挑戰(zhàn)?？梢灶A見不久的未來，云網(wǎng)市場競爭將更加激烈，留給運營商的時間已經(jīng)很短，運營商需要布局云網(wǎng)一體化總體戰(zhàn)略，實現(xiàn)云網(wǎng)產(chǎn)品的差異化能力，打造技術(shù)領先和優(yōu)質(zhì)體驗的優(yōu)勢，構(gòu)建運營商B2B的“競爭力”[1]。

云網(wǎng)一體化需要將應用、云計算、網(wǎng)絡及客戶聯(lián)通起來，提供一個端到端、完整、靈活、可擴展的方案，網(wǎng)絡將按照云的要求提供網(wǎng)絡資源（網(wǎng)絡即服務），而云則根據(jù)應用的需要調(diào)用網(wǎng)絡資源[2]。城域網(wǎng)作為用戶/業(yè)務承載的重要入口，對運營商云網(wǎng)一體化的戰(zhàn)略布局起著舉足輕重的作用。

1 城域網(wǎng)現(xiàn)狀及問題

如圖1所示，目前運營商在城域范疇內(nèi)普遍存在3種網(wǎng)絡形態(tài)：第1種是承載公眾用戶寬帶業(yè)務為主的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址（IP）城域網(wǎng)，主要采用高端路由器和交換機設備組網(wǎng)，網(wǎng)絡架構(gòu)多為樹型或口字型的扁平化架構(gòu);第2種是綜合承載3G/4G移動回傳業(yè)務和政企專線的IP無線接入網(wǎng)（RAN）/分組傳送網(wǎng)（PTN），主要采用IP RAN/PTN系列設備組網(wǎng)，網(wǎng)絡架構(gòu)多為環(huán)型或口字型架構(gòu);第3種是云/數(shù)據(jù)中心內(nèi)網(wǎng)絡，設備類型以交換機為主，網(wǎng)絡架構(gòu)通常為樹型架構(gòu)（傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心）或葉脊（Spine-Leaf）架構(gòu)（云數(shù)據(jù)中心）。這3類網(wǎng)絡在城域范疇內(nèi)形成多個網(wǎng)絡域。

這種多域的樹/環(huán)形網(wǎng)絡架構(gòu)在云網(wǎng)一體化趨勢下將難以為繼。一方面未來網(wǎng)絡流量將大幅增長。根據(jù)2018年Ovum咨詢報告中對全球流量的統(tǒng)計及預測，從2017年到2023年，來自移動和寬帶網(wǎng)絡的總數(shù)據(jù)流量將以31%的復合年增長率（CAGR）增長。其中移動網(wǎng)絡的總流量增長更為迅猛，預計將增長近8倍，達到41%的CAGR，如圖2所示[3]。

另一方面，網(wǎng)絡功能虛擬化（NFV）和5G的引入也將對城域網(wǎng)業(yè)務的流量、流向產(chǎn)生較大影響：（1）運營商在加速城域網(wǎng)虛擬化的節(jié)奏。虛擬寬帶遠程接入服務器（vBRAS）等虛擬化網(wǎng)元在城域網(wǎng)開始規(guī)模落地，通過采用基于x86服務器的虛擬化網(wǎng)元方式將部分大會話、小流量業(yè)務從傳統(tǒng)硬件BRAS設備上分流到核心數(shù)據(jù)中心（DC）集中部署，城域網(wǎng)網(wǎng)元功能逐步遷入到通信技術(shù)（CT）云中，城域網(wǎng)業(yè)務從現(xiàn)有的網(wǎng)元間通信演變?yōu)镃T云資源池服務間的通信。（2）5G網(wǎng)絡的建設已經(jīng)鋪開?！?G 建設，承載先行”，承載網(wǎng)絡對5G發(fā)展的重要性不言而喻[4]。5G提出的網(wǎng)絡云化部署思路就是指5G用戶面功能（UPF）將下沉到各級云/DC。UPF除了被部署在區(qū)域及省層面以滿足互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務、IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）/長期演進語音承載（VoLTE）業(yè)務需求外，還將分布在本地核心DC、邊緣DC以及接入機房，以提供高帶寬互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務本地化分流的能量，同時解決移動邊緣計算（MEC）業(yè)務、高可靠低時延（uRLLC）業(yè)務對于低時延、低成本部署的需求（如圖3所示）。這勢必將導致用戶面流量的Mesh化和本地化，不僅帶來傳統(tǒng)的標準匯聚型的南北向流量，同時還會帶來大量的分布式的東西向流量。

可以預見，未來的云網(wǎng)一體化中，城域內(nèi)流量大幅增長，下沉節(jié)點的數(shù)量也將成百上千倍地上升，用戶流量實現(xiàn)就近入云，大量流量將不再出城域。城域內(nèi)的多域網(wǎng)絡必然帶來過多的流量繞轉(zhuǎn)和大量的背靠背端口浪費等問題，同時硬件形態(tài)多樣化和網(wǎng)絡協(xié)議多樣化也將給未來業(yè)務與網(wǎng)絡部署以及運營管理帶來巨大挑戰(zhàn)。

為了應對上述問題，運營商已經(jīng)著手研究并探索城域網(wǎng)未來發(fā)展方向，面向云網(wǎng)一體的新型城域網(wǎng)成為研究的熱點。

2 新型城域網(wǎng)的設計思路及

關鍵問題

2.1 總體設計思路

中國電信于2016年發(fā)布《CTNet2025網(wǎng)絡架構(gòu)白皮書》，提出新一代網(wǎng)絡架構(gòu)將能夠?qū)崿F(xiàn)以下目標：（1）大幅提升網(wǎng)絡能力和性能，創(chuàng)建強大的新一代信息基礎設施;（2）以業(yè)務和技術(shù)創(chuàng)新推進降本增效，支撐提速降費，利國惠民;（3）打造開放新生態(tài)，支撐“雙創(chuàng)”新引擎，向用戶提供豐富的網(wǎng)絡業(yè)務;（4）技術(shù)創(chuàng)新引領，支撐服務中國企業(yè)“走出去”[5]。

在CTNet2025戰(zhàn)略指引下，新型城域網(wǎng)將面向未來業(yè)務需求，朝著簡潔、通用、高效、智能的目標演進，以高效、動態(tài)的方式連接城域內(nèi)大量的接入節(jié)點，逐步形成城域內(nèi)的統(tǒng)一承載新平面。基于上述原則，新型城域網(wǎng)的主要設計思路有3個方面：（1）城域內(nèi)網(wǎng)絡架構(gòu)及協(xié)議要進一步簡化，以提升網(wǎng)絡轉(zhuǎn)發(fā)能力，形成超寬極簡的承載平面，實現(xiàn)對多業(yè)務的高效承載;（2）網(wǎng)絡設備以通用硬件為主，采用“商業(yè)芯片+定制化軟件”或“白牌硬件+廠商軟件”等模式實現(xiàn)設備層面的通用化;（3）提升網(wǎng)絡智能感知和控制能力，為網(wǎng)絡注智，實現(xiàn)網(wǎng)絡智慧化運營。

2.2 關鍵問題

構(gòu)建新型城域網(wǎng)是一項復雜的工程，從技術(shù)層面來看，涵蓋網(wǎng)絡架構(gòu)設計、組網(wǎng)協(xié)議選擇以及網(wǎng)絡切片、網(wǎng)絡監(jiān)測等多種關鍵技術(shù)集成應用。其中，組網(wǎng)架構(gòu)和協(xié)議用于簡化網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡的通用化及可靠連接;網(wǎng)絡切片技術(shù)面向用戶提供業(yè)務切片，實現(xiàn)資源及連接的高效保障;網(wǎng)絡監(jiān)測技術(shù)則為網(wǎng)絡注智，提升網(wǎng)絡管理效率。

（1）基于通用設備的Spine-Leaf組網(wǎng)架構(gòu)。

傳統(tǒng)城域網(wǎng)絡多采用樹型或口字型的扁平化架構(gòu)，隨著5G、云網(wǎng)融合業(yè)務規(guī)模部署，城域內(nèi)網(wǎng)絡流量本地化趨勢更加明顯，東西向流量占比進一步提升，Spine-Leaf架構(gòu)開始受到關注。Spine-Leaf架構(gòu)其實存在已久，該架構(gòu)脫胎于無阻塞交換網(wǎng)絡架構(gòu)，初衷是通過模塊化設計，采用廉價、通用的交換機設備來搭建三層網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡架構(gòu)規(guī)模、靈活、彈性擴展，滿足數(shù)據(jù)中心內(nèi)大規(guī)模東西向流量互通需求。

如圖4所示，Leaf負責所有的接入，Spine只負責在Leaf間進行高速傳輸，網(wǎng)絡中任意2個服務器都是Leaf-Spine-Leaf三跳可達的。Leaf和Spine間是Full Mesh的，即2個Leaf間可以通過任意1個Spine進行中繼，Leaf通過等價多路徑技術(shù)將不同的流量分散到不同的Spine上進行負載均衡[6]。Leaf和Spine均可以使用通用的交換機，基于不同角色突破單一節(jié)點設備能力限制，降低網(wǎng)絡的構(gòu)建成本，提高網(wǎng)絡的可擴展性。該架構(gòu)目前已在Facebook、阿里等大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的數(shù)據(jù)中心成熟商用。

Spine-Leaf架構(gòu)具備靈活伸縮能力，可根據(jù)不同場景差異化部署，后續(xù)需要視業(yè)務規(guī)模發(fā)展情況靈活擴展，實現(xiàn)城域內(nèi)流量本地化及云化組網(wǎng)。未來基于Spine-Leaf架構(gòu)組建新型城域網(wǎng)或?qū)⒊蔀橐环N可行的技術(shù)方案。

（2）標準化、簡單化的下一代組網(wǎng)協(xié)議。

目前IP網(wǎng)絡協(xié)議眾多，配置復雜，自動化能力差，對網(wǎng)絡運維人員能力要求極高。未來網(wǎng)絡協(xié)議應滿足簡化設備配置，降低設備要求，提升運維效率等需求。協(xié)議簡單化、標準化、自動化已經(jīng)成為下一代網(wǎng)絡協(xié)議發(fā)展的方向（如圖5所示）。

下一代網(wǎng)絡協(xié)議中，分段路由（SR）和以太網(wǎng)虛擬專用網(wǎng)絡（EVPN）是2個重要的協(xié)議，其中SR是基于源路由理念設計的在網(wǎng)絡上轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包的一種協(xié)議，基于集中式控制面可實現(xiàn)按需路徑規(guī)劃與調(diào)度，提升底層網(wǎng)絡資源隨選能力，同時可兼容現(xiàn)有設備，保障現(xiàn)有網(wǎng)絡平滑演進到軟件定義網(wǎng)絡（SDN）。SR具備可編程、易部署、維護/協(xié)議簡化的特點，使得網(wǎng)絡端到端的無縫互通變?yōu)榭赡堋?/p>

而EVPN作為統(tǒng)一業(yè)務承載技術(shù)，基礎標準已經(jīng)完備，基于EVPN+SR，可提供云網(wǎng)一體化環(huán)境下的L2/L3業(yè)務統(tǒng)一承載方案。

（3）采用網(wǎng)絡切片滿足業(yè)務差異化承載需求。

網(wǎng)絡切片是指網(wǎng)絡根據(jù)承載業(yè)務的自有特征和需求，對端到端的網(wǎng)絡資源（網(wǎng)絡功能、物理硬件及接口管道資源等）進行邏輯劃分和封裝，以滿足不同業(yè)務對網(wǎng)絡帶寬、時延、可靠性等網(wǎng)絡性能的服務質(zhì)量（QoS）需求[7]。未來5G業(yè)務、家寬業(yè)務、2B業(yè)務等對網(wǎng)絡能力要求有明顯差異，需要網(wǎng)絡能夠通過網(wǎng)絡功能和協(xié)議定制，提供網(wǎng)絡切片的能力，為不同業(yè)務/應用場景提供所匹配的網(wǎng)絡功能，同時根據(jù)業(yè)務和用戶的動態(tài)需求，進行資源的按需調(diào)整，提升網(wǎng)絡的靈活性，實現(xiàn)業(yè)務動態(tài)隔離承載。網(wǎng)絡切片模型如圖6所示。

按照設備功能不同，網(wǎng)絡切片具體可分為控制面切片和轉(zhuǎn)發(fā)面切片2種：控制面切片是對節(jié)點及連接抽象，基于策略進行分組管理，形成獨立的邏輯切片。轉(zhuǎn)發(fā)面的切片技術(shù)可分為軟切片技術(shù)和硬切片技術(shù)：軟切片是在二層（Layer 2）或以上，基于統(tǒng)計復用的切片技術(shù)，如基于IP/多協(xié)議標記交換協(xié)議（IP/MPLS）的隧道/偽線技術(shù)，基于虛擬專用網(wǎng)絡（VPN）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）等的虛擬化技術(shù);硬切片是在一層（Layer 1）或光層，基于物理剛性管道的切片技術(shù)，如FlexE技術(shù)、光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)、波分復用（WDM）技術(shù)等[8]。

未來城域網(wǎng)切片將結(jié)合控制面切片和轉(zhuǎn)發(fā)面切片能力，重點關注切片生命周期管理、自動化切片管理、端到端統(tǒng)一編排等技術(shù)實現(xiàn)，以滿足城域內(nèi)各種業(yè)務的多樣化承載需求。

（4）基于Telemetry的網(wǎng)絡監(jiān)測提升網(wǎng)絡智慧化能力。

基于高效可行的網(wǎng)絡監(jiān)測采集技術(shù)，可以實現(xiàn)網(wǎng)絡的可視化控制管理，充分掌握網(wǎng)絡內(nèi)的大數(shù)據(jù)，是實現(xiàn)未來網(wǎng)絡智慧化運營的基石。 Telemetry是一項遠程的從物理設備或虛擬設備上高速采集數(shù)據(jù)的技術(shù)，設備通過推模式主動向采集器上輸送設備數(shù)據(jù)信息，提供更實時、更高速的數(shù)據(jù)采集功能。Telemetry模型架構(gòu)如圖7所示。

·采樣傳感器：對指定采樣路徑的信息進行采集并上送;根據(jù)配置的采樣路徑和過濾條件對指定的數(shù)據(jù)進行采集和上送。

·采集器：位于網(wǎng)管側(cè)，接收傳感器上送數(shù)據(jù)，配置完畢后，設備會與采集器建立一種由Google開發(fā)的通用返程過程調(diào)用框架（GRPC）連接，并且推送數(shù)據(jù)至采集器。

·訂閱關系：將采樣傳感器和采集器關聯(lián)起來。如果需要取消訂閱，則需要對設備進行重新配置。

·分析器：位于網(wǎng)管側(cè)，用于分析采集器接收和存儲的網(wǎng)絡設備上報的監(jiān)測控制數(shù)據(jù)。

與傳統(tǒng)的簡單網(wǎng)絡管理協(xié)議（SNMP）的Trap和SYSLOG采用的推模式相比，Telemetry推送的數(shù)據(jù)范圍更廣，不但包括告警及事件，還可以采集類似接口流量等的監(jiān)控數(shù)據(jù)，Telemetry對網(wǎng)絡監(jiān)測控制效率的提升有著至關重要的作用。通過結(jié)合人工智能（AI）算力來實現(xiàn)網(wǎng)絡的精細化檢測和可視化管理，未來有望實現(xiàn)城域網(wǎng)絡的智慧化運營。

3 城域網(wǎng)演進方案探討

3.1 新型城域網(wǎng)目標架構(gòu)

如圖8所示，新型城域網(wǎng)目標架構(gòu)將采用通用設備組網(wǎng)，基于Spine-Leaf架構(gòu)實現(xiàn)固定和移動網(wǎng)絡的融合統(tǒng)一承載，同時引入FlexE、SR、EVPN等技術(shù)，提供差異化服務能力，為不同客戶群提供不同等級的切片網(wǎng)絡。未來還可以基于AI、Telemetry等技術(shù)提升網(wǎng)絡智能感知和控制能力，實現(xiàn)新型城域網(wǎng)的智慧化運營。

基于通用硬件實現(xiàn)網(wǎng)元的統(tǒng)一承載，一方面可以規(guī)避設備及芯片等產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展不確定性的風險;另一方面也降低了同時運營多張網(wǎng)絡的難度，提高維護效率。

3.2 新型城域網(wǎng)演進策略

新型城域網(wǎng)的構(gòu)建不是顛覆性地推倒重來，而是需要從現(xiàn)網(wǎng)現(xiàn)狀出發(fā)，基于各項技術(shù)研發(fā)進展，結(jié)合網(wǎng)絡建設節(jié)奏，循序漸進實現(xiàn)平滑演進。新型城域網(wǎng)演進初期可借助5G部署及網(wǎng)絡云化契機，如通過引入虛擬化BRAS，分區(qū)域?qū)⒉糠中×髁看蟛l(fā)的業(yè)務從BRAS設備上分離出來，疏導至城域核心DC中集中處理;中期將業(yè)務轉(zhuǎn)發(fā)面按照業(yè)務承載需求分布到各級DC部署，業(yè)務控制面統(tǒng)一上收到核心DC進行集中部署，實現(xiàn)對業(yè)務轉(zhuǎn)發(fā)面的統(tǒng)一控制。還可根據(jù)遷移到DC的業(yè)務量有計劃地建設DC網(wǎng)絡，構(gòu)建城域內(nèi)的電信云，逐步實現(xiàn)以DC為核心組網(wǎng)的IP Fabric，同時將DC網(wǎng)絡外延至IP城域網(wǎng)與IP RAN，以減少城域范疇內(nèi)的流量繞轉(zhuǎn)，如圖9所示。

演進后期根據(jù)業(yè)務發(fā)展規(guī)模將城域網(wǎng)范疇內(nèi)云/數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡、IP城域網(wǎng)和IP RAN/PTN網(wǎng)絡融合在一起，逐步形成統(tǒng)一的Spine-Leaf架構(gòu)，向大通道、廣覆蓋的統(tǒng)一高速轉(zhuǎn)發(fā)平面方向演進。

4 結(jié)束語

運營商在以數(shù)據(jù)中心為核心重構(gòu)未來網(wǎng)絡的趨勢下，需要對云網(wǎng)端進行全面戰(zhàn)略布局，加速云網(wǎng)一體化的轉(zhuǎn)型，構(gòu)建面向大連接、大網(wǎng)絡、大融合的新型城域網(wǎng)絡。需要指出的是新型城域網(wǎng)的建設和運營是一個循序漸進的過程，在構(gòu)建及設計的過程中需要通過實踐不斷地對其進行總結(jié)經(jīng)驗和完善。當前城域網(wǎng)演進還處在初級階段，需要對各項關鍵技術(shù)及方案進行探索和試點驗證，推進技術(shù)成熟與方案落地應用。

參考文獻

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