基于SDN的城域綜合IP承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

楊振東，陳旭東，馮銘能（.中國(guó)聯(lián)通廣東分公司，廣東廣州 5067；.中訊郵電咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司，廣東廣州 5067）

1 概述

目前移動(dòng)通信和固網(wǎng)寬帶是電信運(yùn)營(yíng)商最重要的兩大基礎(chǔ)業(yè)務(wù)，在電信網(wǎng)絡(luò)IP 化、寬帶化和技術(shù)融合的大背景下，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和固定寬帶網(wǎng)絡(luò)迅猛發(fā)展，除了對(duì)帶寬提速這一共同的剛性需求之外，兩者對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣度和深度的要求也越來(lái)越高，而且覆蓋的范圍將會(huì)越來(lái)越趨同，即同一區(qū)域既要有移動(dòng)業(yè)務(wù)覆蓋也要有固網(wǎng)業(yè)務(wù)覆蓋，而建立2 種接入網(wǎng)勢(shì)必會(huì)有高昂的成本、資源的浪費(fèi)、大量的人力運(yùn)維等一系列問(wèn)題。

在全業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)環(huán)境下，如果能找到一種新的方案實(shí)現(xiàn)固移網(wǎng)絡(luò)綜合承載，將有利于運(yùn)營(yíng)商整合現(xiàn)有固網(wǎng)資源和移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)資源，發(fā)揮協(xié)同效應(yīng)，擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，提高網(wǎng)絡(luò)利用率，同時(shí)可節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本，實(shí)現(xiàn)固網(wǎng)和移動(dòng)業(yè)務(wù)有效益的規(guī)模化發(fā)展。

1.1 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分析

現(xiàn)網(wǎng)移網(wǎng)和固網(wǎng)業(yè)務(wù)采用獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行控制和承載，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，效率低下（見(jiàn)圖1）。移動(dòng)業(yè)務(wù)回傳采用專用網(wǎng)絡(luò)承載，移網(wǎng)數(shù)據(jù)流量通過(guò)本地回傳網(wǎng)（UTN）、本地承載網(wǎng)（LCR、LAR）、骨干承載網(wǎng)收斂匯聚至核心網(wǎng)S/PGW，再通過(guò)SGi接口，由Gi路由器接入互聯(lián)網(wǎng)。

1.2 現(xiàn)狀及存在的問(wèn)題

圖1 現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（以廣東聯(lián)通為例）

隨著提速降費(fèi)戰(zhàn)略的深入推進(jìn)，數(shù)據(jù)寬帶網(wǎng)絡(luò)尤其是移動(dòng)數(shù)據(jù)寬帶網(wǎng)絡(luò)快速增長(zhǎng)的趨勢(shì)已不可逆轉(zhuǎn)。由于歷史原因，現(xiàn)有的數(shù)據(jù)寬帶網(wǎng)都是從承載移動(dòng)語(yǔ)音、固話、企業(yè)小總機(jī)等各種語(yǔ)音為主的網(wǎng)絡(luò)逐步演進(jìn)而來(lái)的，存在制式不同、結(jié)構(gòu)迥異、移固獨(dú)立、層級(jí)冗長(zhǎng)、管理維護(hù)復(fù)雜等諸多問(wèn)題。面對(duì)新形勢(shì)下數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的爆發(fā)式增長(zhǎng)，時(shí)延敏感業(yè)務(wù)日益增多，同時(shí)面對(duì)5G 業(yè)務(wù)對(duì)移動(dòng)邊緣計(jì)算MEC 的演進(jìn)需求，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的各種弊端日益凸顯。

2 城域綜合IP承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

基于SDN 的城域綜合IP 承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)參考體系如圖2所示，包括以下幾部分。

a）Web UI/服開(kāi)系統(tǒng)/資源系統(tǒng)/綜合網(wǎng)管：API 北向接口，向第三方應(yīng)用開(kāi)放API編程接口，用于業(yè)務(wù)受理和第三方應(yīng)用。

b）城域網(wǎng)業(yè)務(wù)編排器：通過(guò)北向API 實(shí)現(xiàn)與服務(wù)層次系統(tǒng)（Web UI、服開(kāi)系統(tǒng)等）的通信。通過(guò)南向API 實(shí)現(xiàn)與城域綜合IP 承載網(wǎng)控制面的通信，充當(dāng)城域綜合IP 承載網(wǎng)控制面的上層，支持對(duì)城域網(wǎng)內(nèi)資源的動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)搜集及資源的自動(dòng)分配。

圖2 基于SDN的城域綜合IP承載網(wǎng)絡(luò)參考體系

c）城域綜合IP承載網(wǎng)控制面：包括多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)控制面MSG-C、移網(wǎng)控制面設(shè)備S/PGW-C 及SDN控制器等，作為城域綜合IP 承載網(wǎng)絡(luò)的控制面系統(tǒng)，負(fù)責(zé)對(duì)承載網(wǎng)絡(luò)的集中控制。

d）城域綜合IP 承載網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面：在基于SDN 架構(gòu)的轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離體系中，轉(zhuǎn)發(fā)面主要完成用戶數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)和處理，應(yīng)具有基本的路由功能，支持轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)與控制器/網(wǎng)管之間控制管理通道的自動(dòng)建立。

e）城域綜合IP承載網(wǎng)接入網(wǎng)：包括固網(wǎng)有線接入及移網(wǎng)無(wú)線接入。

f）CDN：主要負(fù)責(zé)視頻、游戲和邊緣計(jì)算等內(nèi)容的存儲(chǔ)和分發(fā)。

3 基于SDN的城域綜合IP承載網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特征

綜合IP 承載網(wǎng)采用移動(dòng)、固網(wǎng)分別接入，匯聚層采用移動(dòng)固網(wǎng)業(yè)務(wù)共同承載，核心控制面分別控制的精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)投資成本，并可提高網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)效率。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 IP綜合承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

3.1 承載網(wǎng)絡(luò)扁平化

現(xiàn)有承載網(wǎng)的多層次網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已無(wú)法高效支撐業(yè)務(wù)需求，需對(duì)現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行扁平化改造。本標(biāo)準(zhǔn)建議采用核心網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面下沉技術(shù)。將S/PGW 的轉(zhuǎn)發(fā)面下沉，移動(dòng)業(yè)務(wù)通過(guò)本地IP RAN 接入環(huán)、IP RAN 匯聚環(huán)2 個(gè)層級(jí)收斂匯聚至核心網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載的高度扁平化。業(yè)務(wù)流程如圖4所示。

3.2 CDN內(nèi)容源下沉

現(xiàn)有CDN 節(jié)點(diǎn)一般設(shè)置在省級(jí)核心機(jī)房，存在傳輸距離長(zhǎng)、轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)多、熱點(diǎn)時(shí)段丟包擁塞等問(wèn)題，導(dǎo)致訪問(wèn)時(shí)延大、用戶體驗(yàn)差。通過(guò)CDN 內(nèi)容源下沉，可解決上述問(wèn)題。如圖5所示，CDN由核心DC下沉至匯聚DC，本地匯聚層可直接提供熱點(diǎn)內(nèi)容，使用戶業(yè)務(wù)就近得到服務(wù)，降低了業(yè)務(wù)訪問(wèn)時(shí)延，減少了匯聚層以上層次網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容。

3.3 控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面解耦合

圖4 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流示意圖

圖5 CDN內(nèi)容源下沉示意圖

傳統(tǒng)設(shè)備研發(fā)和部署體系封閉，網(wǎng)元功能單一，功能擴(kuò)展和性能提升受限，導(dǎo)致新業(yè)務(wù)創(chuàng)新乏力，響應(yīng)滯后，無(wú)法滿足互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用創(chuàng)新對(duì)服務(wù)的動(dòng)態(tài)請(qǐng)求。SDN、NFV 與邊緣控制設(shè)備的融合，是下一代智能邊緣發(fā)展方向，可解決當(dāng)前遇到的難題，滿足業(yè)務(wù)需求（見(jiàn)圖6）。

3.4 基于SDN的城域綜合IP承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

基于SDN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)固移多業(yè)務(wù)匯聚接入的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)對(duì)移動(dòng)回傳網(wǎng)、固網(wǎng)城域網(wǎng)進(jìn)行了整合重構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了移網(wǎng)、固網(wǎng)各類業(yè)務(wù)從匯聚層開(kāi)始由多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)MSG 統(tǒng)一承載；實(shí)現(xiàn)了多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)MSG、移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)網(wǎng)關(guān)S/PGW 轉(zhuǎn)控分離，MSG-C、S/PGW-C 核心層集中控制，MSG-U、S/PGW-U 匯聚層分布式轉(zhuǎn)發(fā)；將內(nèi)容源通過(guò)CDN 技術(shù)下沉到匯聚層。移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)回傳的層級(jí)從7～10 跳壓縮到4 跳，消費(fèi)者訪問(wèn)CDN 熱點(diǎn)內(nèi)容源的轉(zhuǎn)接層級(jí)由10～12 級(jí)減少到4級(jí)。從而構(gòu)建出一個(gè)具備高性能、低時(shí)延、高帶寬的基于SDN 的新一代移固融合的城域網(wǎng)架構(gòu)，讓消費(fèi)者享有更優(yōu)質(zhì)、更豐富的數(shù)據(jù)寬帶網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離示意云計(jì)算/存儲(chǔ)資源的協(xié)同

圖7 基于SDN的城域綜合IP承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

4 基于SDN的城域綜合IP承載網(wǎng)的技術(shù)要求

4.1 編排器技術(shù)要求

4.1.1 編排器技術(shù)概述

業(yè)務(wù)編排器架構(gòu)如圖8 所示，業(yè)務(wù)編排器用于城域網(wǎng)范圍內(nèi)的業(yè)務(wù)編排和網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，具體描述如下。

業(yè)務(wù)編排：實(shí)現(xiàn)城域業(yè)務(wù)靈活編排，對(duì)城域網(wǎng)各種網(wǎng)絡(luò)資源以及網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行抽象處理和封裝，并通過(guò)靈活的業(yè)務(wù)組合，為業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)提供標(biāo)準(zhǔn)API接口，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)能力，支持定制化開(kāi)發(fā)。

網(wǎng)絡(luò)協(xié)同：基于業(yè)務(wù)、網(wǎng)絡(luò)的變化自動(dòng)調(diào)優(yōu)網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)預(yù)定的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)策略，保障各網(wǎng)元協(xié)同工作，屏蔽底層設(shè)備差異，提供自動(dòng)化、智能化運(yùn)維手段。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展進(jìn)程及業(yè)務(wù)需求的不同，對(duì)編排器的部署可以逐步推進(jìn)完成。

4.1.2 編排器近期部署

業(yè)務(wù)統(tǒng)一配置下發(fā)：傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理采用CLI 命令行的方式進(jìn)行業(yè)務(wù)配置下發(fā)，存在設(shè)備類型多、命令數(shù)量多、配置復(fù)雜等一系列問(wèn)題。通過(guò)編排器調(diào)用控制器完成業(yè)務(wù)統(tǒng)一配置下發(fā)，實(shí)現(xiàn)各廠家設(shè)備的業(yè)務(wù)管理和數(shù)據(jù)配置，屏蔽異構(gòu)廠商細(xì)節(jié)。

圖8 業(yè)務(wù)編排器架構(gòu)圖

固移QoS業(yè)務(wù)統(tǒng)一部署：移動(dòng)寬帶網(wǎng)VoLTE、游戲加速等高QoS 級(jí)別業(yè)務(wù)對(duì)關(guān)鍵業(yè)務(wù)流可靠性要求較高，需要在綜合IP 承載網(wǎng)關(guān)MSG 及路由器上進(jìn)行QoS配置，對(duì)固網(wǎng)及移網(wǎng)進(jìn)行不同優(yōu)先級(jí)標(biāo)記，保障移網(wǎng)業(yè)務(wù)高優(yōu)先級(jí)，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)業(yè)務(wù)進(jìn)行端到端質(zhì)量保障。

4.1.3 編排器遠(yuǎn)期部署

流量調(diào)優(yōu)：傳統(tǒng)城域網(wǎng)存在網(wǎng)絡(luò)不夠透明，可視化不夠，存在管理困難、問(wèn)題定界難等問(wèn)題，需通過(guò)編排器與SDN 網(wǎng)絡(luò)協(xié)同，根據(jù)全網(wǎng)的拓?fù)?、帶寬、流量、鏈路質(zhì)量等信息，分析計(jì)算最優(yōu)業(yè)務(wù)路徑，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)流量智能管理，避免局部擁塞，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和網(wǎng)絡(luò)利用率。

業(yè)務(wù)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)：傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)模式已經(jīng)不能快速響應(yīng)用戶的定制化需求，需對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源、功能以及服務(wù)進(jìn)行重構(gòu)編排，將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)能力進(jìn)行抽象，基于網(wǎng)絡(luò)能力編排協(xié)同，進(jìn)行新產(chǎn)品開(kāi)發(fā)，面向業(yè)務(wù)部門、客戶輸出靈活、個(gè)性化的業(yè)務(wù)產(chǎn)品。

4.2 API接口技術(shù)要求

4.2.1 API接口概述

城域網(wǎng)編排器對(duì)外接口主要包含南向接口和北向接口，如圖9 所示，南向可通過(guò)靈活的REST API 接口協(xié)議和控制器互通；北向面向用戶提供定制化的API接口，滿足用戶差異化的業(yè)務(wù)需求。

4.2.2 編排器北向接口

與綜合網(wǎng)管系統(tǒng)的接口：獲取網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和鏈路狀態(tài)、業(yè)務(wù)流量信息，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源、業(yè)務(wù)資源信息的收集、呈現(xiàn)。

與服開(kāi)系統(tǒng)的接口：接收業(yè)務(wù)開(kāi)通、變更、刪除等指令。

圖9 編排器南向接口及北向接口圖

與Web UI 的接口：提供API 開(kāi)放、自服務(wù)界面，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源查看、業(yè)務(wù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、性能監(jiān)控、自服務(wù)等功能。

與資源管理系統(tǒng)的接口：申請(qǐng)、釋放業(yè)務(wù)開(kāi)通所需的網(wǎng)絡(luò)資源數(shù)據(jù)。

通過(guò)北向接口業(yè)務(wù)編排器能以軟件編程的形式，讓上層應(yīng)用調(diào)用各種網(wǎng)絡(luò)資源，把控整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的資源狀態(tài)，并對(duì)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度。

4.2.3 編排器南向接口

編排器REST API接口可靈活適配異廠家控制器，調(diào)用控制器配置的YANG 模型，實(shí)現(xiàn)和跨廠家、跨域、跨本地網(wǎng)控制器的對(duì)接。

4.3 控制面技術(shù)要求

4.3.1 拓?fù)涔芾?/p>

拓?fù)涔芾砟軐?shí)現(xiàn)拓?fù)涞淖詣?dòng)發(fā)現(xiàn)、視圖的靈活定制、設(shè)備面板的直觀展現(xiàn)及告警的有效關(guān)聯(lián)，同時(shí)能夠直觀反映故障位置，真實(shí)反映網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)行情況。

4.3.2 配置管理

配置管理主要包括統(tǒng)一管理、批量設(shè)置、業(yè)務(wù)查詢以及對(duì)外接口等能力；可以對(duì)交換機(jī)、路由器、防火墻等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的配置進(jìn)行統(tǒng)一管理；支持批量配置海量設(shè)備，自動(dòng)備份配置文件，實(shí)時(shí)跟蹤配置變更，快速恢復(fù)正確配置；支持包括IP 地址、VPN、VLAN、AS、碼號(hào)資源的資源查詢和管理功能，并實(shí)現(xiàn)資源管理系統(tǒng)的對(duì)接。

4.3.3 控制器南向接口

SDN 控制器南向接口位于控制器與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間，可實(shí)現(xiàn)包括鏈路發(fā)現(xiàn)、拓?fù)涔芾?、策略制定、表?xiàng)下發(fā)等功能?？刂破髂舷蚪涌诓捎肙penFlow 協(xié)議或者NETCONF協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)。

4.3.4 控制器北向接口

SDN 控制器北向接口位于控制器與編排器之間，用于向城域網(wǎng)編排器上報(bào)業(yè)務(wù)部署、業(yè)務(wù)監(jiān)控、性能搜集、故障定位等信息?？刂破鞅毕蚪涌诓捎肗ET?CONF及RESTFUL等協(xié)議實(shí)現(xiàn)。

5 演進(jìn)過(guò)渡方案

5.1 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)兼容

隨著SDN 的持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)將與SDN 長(zhǎng)期共存，而全網(wǎng)部署SDN 需要更換大量路由器設(shè)備，投資大，周期長(zhǎng)，故考慮SDN 與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行兼容，實(shí)現(xiàn)平滑過(guò)渡。

5.2 長(zhǎng)期演進(jìn)

在演進(jìn)過(guò)程中主要采用以下技術(shù)：

a）核心網(wǎng)轉(zhuǎn)控分離：核心網(wǎng)采用NFV 虛擬化架構(gòu)，用戶面和控制面分離，控制面網(wǎng)關(guān)集中統(tǒng)一配置接口，用戶面網(wǎng)關(guān)分布式靈活部署。

b）BRAS 轉(zhuǎn)控分離：通過(guò)將BRAS/綜合承載網(wǎng)關(guān)的轉(zhuǎn)發(fā)層和業(yè)務(wù)控制層分離，實(shí)現(xiàn)寬帶用戶業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，充分利用傳統(tǒng)NP設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)能力。

c）控制面通道EVPN/SR 承載：引入EVPN/SR 技術(shù)對(duì)現(xiàn)有MPLS技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，同時(shí)復(fù)用MPLS已有的轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，保證與MPLS 網(wǎng)絡(luò)的兼容性，幫助現(xiàn)有MPLS網(wǎng)絡(luò)向SDN的平滑演進(jìn)。

5.3 網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)路線

初期部署：由于該方案涉及面較廣，為保證網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性，建議初期在現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行試點(diǎn)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際情況，選取1～2個(gè)點(diǎn)進(jìn)行安裝調(diào)測(cè)，統(tǒng)籌推進(jìn)試驗(yàn)網(wǎng)建設(shè)。

規(guī)模部署：結(jié)合實(shí)際情況，有序擴(kuò)展試點(diǎn)規(guī)模，這樣既滿足當(dāng)前業(yè)務(wù)需求，也為移網(wǎng)、固網(wǎng)業(yè)務(wù)未來(lái)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

全網(wǎng)推廣：待系統(tǒng)各個(gè)方面均成熟穩(wěn)定后，著力全網(wǎng)推廣，加大演進(jìn)的廣度和深度，打造一張高效、可靠、大帶寬、低時(shí)延的固移融合的綜合城域網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)現(xiàn)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)承載現(xiàn)狀進(jìn)行分析，結(jié)合廣東聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀，研究基于SDN 的城域綜合承載網(wǎng)絡(luò)參考架構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面和管理面等技術(shù)要求，該研究成果應(yīng)用在城域網(wǎng)中，既很好地滿足了當(dāng)前業(yè)務(wù)需求，也為移網(wǎng)、固網(wǎng)業(yè)務(wù)未來(lái)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對(duì)豐富業(yè)務(wù)功能、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、提高網(wǎng)絡(luò)效率、增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)管控能力、提升安全防護(hù)能力都有十分重要的意義。