SPN網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案探討

1 SPN網(wǎng)絡(luò)技術(shù)特性

SPN（Slicing Packet Network，切片分組網(wǎng)）網(wǎng)絡(luò)滿足5G業(yè)務(wù)前傳、中傳、回傳需求，同時(shí)滿足政企專線、專網(wǎng)以及家庭寬帶等多種高質(zhì)量要求的業(yè)務(wù)承載。相比傳統(tǒng)的PTN網(wǎng)絡(luò)，SPN網(wǎng)絡(luò)具備以下幾種特性

（1）基于SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）管控融合架構(gòu)，具備業(yè)務(wù)部署和運(yùn)維的自動(dòng)化能力，以及感知網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)并進(jìn)行實(shí)時(shí)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)自優(yōu)化能力。與此同時(shí)，可進(jìn)一步精簡(jiǎn)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)管理能力，同時(shí)具備跨網(wǎng)絡(luò)域/技術(shù)域業(yè)務(wù)協(xié)同等能力。

（2）具備網(wǎng)絡(luò)切片能力，能夠在一張物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源切片隔離，形成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)，為多種業(yè)務(wù)提供帶寬、時(shí)延、抖動(dòng)等差異化的承載要求。

（3）能夠在分組層滿足面向連接和面向無(wú)連接業(yè)務(wù)統(tǒng)一承載，面向連接業(yè)務(wù)承載能力通過(guò)SR-TP（Segment Routing Transport Profile -Traffic Engineering，基于流量工程的段路由傳送子集）隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為對(duì)點(diǎn)到點(diǎn)或點(diǎn)到多點(diǎn)連接業(yè)務(wù)提供高質(zhì)量、易運(yùn)維傳輸服務(wù)；面向無(wú)連接業(yè)務(wù)承載能力通過(guò)SR-BE（Segment Routing - Best Effort，基于盡力轉(zhuǎn)發(fā)的段路由）隧道技術(shù)實(shí)現(xiàn)，為多點(diǎn)到多點(diǎn)業(yè)務(wù)提供易部署、高可靠傳輸服務(wù)。

（4）具備網(wǎng)絡(luò)級(jí)的分層保護(hù)能力，可提供高可靠網(wǎng)絡(luò)保護(hù)。支持基于設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面預(yù)置保護(hù)倒換機(jī)制，在轉(zhuǎn)發(fā)面檢測(cè)到故障時(shí)進(jìn)行電信級(jí)快速保護(hù)倒換；支持基于SDN控制器通過(guò)協(xié)議實(shí)時(shí)感知網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)，在感知到網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)變化后重新計(jì)算業(yè)務(wù)最優(yōu)路徑。

（5）支持網(wǎng)絡(luò)級(jí)三層就近轉(zhuǎn)發(fā)和設(shè)備級(jí)物理層低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)能力，匹配時(shí)延敏感業(yè)務(wù)的傳送要求。

2 SPN網(wǎng)絡(luò)承載方案

2.1 SPN網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

按照核心、匯聚、接入三層網(wǎng)絡(luò)搭建SPN網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)如圖1所示。核心層采用“口字形”組網(wǎng)，與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保持一致。建網(wǎng)初期匯聚層采用“N+2”環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求和光纜資源情況向“口字型”、“V字型”結(jié)構(gòu)演進(jìn)。接入層以5G新建驅(qū)動(dòng)，4G逐步搬遷的原則推進(jìn)C-RAN（Cloud-Radio Access Network）部署，以環(huán)網(wǎng)結(jié)構(gòu)為主，在地理?xiàng)l件和光纜建設(shè)確有困難的情況下可少量采用鏈型結(jié)構(gòu)。

圖1 SPN網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)

2.2 SPN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載

SPN網(wǎng)絡(luò)支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)業(yè)務(wù)承載需求，支持L2VPN（Layer 2 Virtual Private Network，二層虛擬專用網(wǎng)）和靜態(tài)L3VPN（Layer 3 Virtual Private Network，三層虛擬專用網(wǎng)）業(yè)務(wù)模型，以及L2 VPN和L3 VPN分段部署。滿足5G邊緣設(shè)備X2/eX2業(yè)務(wù)就近、低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)需求，SPN網(wǎng)絡(luò)支持L3域擴(kuò)大至邊緣接入的大網(wǎng)L3VPN管理能力。針對(duì)不同業(yè)務(wù)，采用不同的承載方案，如圖2所示。

圖2 業(yè)務(wù)承載模型

（1）集團(tuán)客戶、家庭寬帶業(yè)務(wù)，優(yōu)先采用L2方案，建立端到端MPLS-TP（MPLS Transport Profile，MPLS傳送子集）隧道，滿足業(yè)務(wù)承載需求；對(duì)于有三層業(yè)務(wù)需求的集團(tuán)客戶，使能SR（Segment Routing，段路由）隧道。

（2）2G/4G業(yè)務(wù)，沿用PTN承載方案，采用L2隧道+靜態(tài)L3VPN方式承載。

（3）5G eMBB（Enhance Mobile Broadband， 增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）業(yè)務(wù)，優(yōu)先采用L2 MPLS-TP+SR隧道承載方案；當(dāng)有三層業(yè)務(wù)需求使，建立端到端SR隧道，滿足業(yè)務(wù)承載需求。

（4）5G uRLLC（Ultra Reliable Low Latency Communications，超可靠低時(shí)延通信）業(yè)務(wù)，采用端到端L3方案，其中SR-TP隧道承載南北向業(yè)務(wù)，SR-BE隧道承載東西向業(yè)務(wù)。

3 SPN網(wǎng)絡(luò)保護(hù)方案

3.1 SPN網(wǎng)絡(luò)保護(hù)配置圖

（1）南北向業(yè)務(wù)保護(hù)機(jī)制

SPN網(wǎng)絡(luò)通過(guò)SR-TP APS（SR-TP Automatic Protection Switch，SR-TP自動(dòng)保護(hù)倒換）、VPN FRR（ Fast Reroute，快速重路由）、混合FRR保護(hù)方案，對(duì)南北向業(yè)務(wù)提供50 ms電信級(jí)保護(hù)，如圖3所示。各故障點(diǎn)觸發(fā)的保護(hù)策略如表1所示。

圖3 SPN網(wǎng)絡(luò)南北向業(yè)務(wù)保護(hù)方案

表1 南北向業(yè)務(wù)保護(hù)策略

SR-TP隧道部署SR-TP APS 1：1保護(hù)，用于保護(hù)隧道中間鏈路、中間節(jié)點(diǎn)故障，可提供50 ms保護(hù)倒換能力。節(jié)點(diǎn)保護(hù)VPN FRR由設(shè)備自動(dòng)生成。提供業(yè)務(wù)分層點(diǎn)、核心側(cè)業(yè)務(wù)落地點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)保護(hù)。城域核心設(shè)備與核心網(wǎng)/省干/IP專網(wǎng)設(shè)備之間，可疊加部署LAG（靜態(tài)負(fù)載分擔(dān)）提升帶寬和可靠性。

（2）東西向業(yè)務(wù)保護(hù)機(jī)制

SPN網(wǎng)絡(luò)通過(guò)Ti-LFA(Topology-Independent Loopfree Alternate，拓?fù)錈o(wú)關(guān)的無(wú)環(huán)冗余替代保護(hù))、重路由、VPN FRR保護(hù)方案，對(duì)東西向業(yè)務(wù)提供電信級(jí)保護(hù)，如圖4所示。各故障點(diǎn)觸發(fā)的保護(hù)策略如表2所示。

圖4 SPN網(wǎng)絡(luò)東西向業(yè)務(wù)保護(hù)方案

表2 東西向業(yè)務(wù)保護(hù)策略

接入?yún)R聚層X(jué)n流量通過(guò)SR-TP隧道承載，部署SR-TP APS 1：1保護(hù)，用于保護(hù)隧道中間鏈路、中間節(jié)點(diǎn)故障；核心層X(jué)n流量通過(guò)SR-BE隧道承載，SR-BE隧道自動(dòng)生成Ti-LFA保護(hù)、并在拓?fù)渥兓瓿珊笾芈酚伞?/p>

節(jié)點(diǎn)保護(hù)VPN FRR由設(shè)備自動(dòng)生成。提供業(yè)務(wù)分層點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)保護(hù)。

3.2 VPN FRR保護(hù)

VPN FRR是指在CE（Customer Edge，客戶邊緣設(shè)備）雙歸屬的L3VPN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，當(dāng)業(yè)務(wù)正常傳輸路徑發(fā)生故障時(shí)，使流量快速切換的技術(shù)。

VPN FRR的基本原理：用戶在PE1（Provider Edge，運(yùn)營(yíng)商邊緣設(shè)備）設(shè)備上配置了經(jīng)PE1、PE2到CE2的主備兩條路由。當(dāng)主用路由故障（如PE2節(jié)點(diǎn)掉電），PE1設(shè)備根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)將流量切換到經(jīng)PE3的備用路由上，業(yè)務(wù)得到保護(hù)，如圖5所示。

VPN FRR保護(hù)分為靜態(tài)FRR和Auto FRR兩種，其中靜態(tài)FRR，面向原有4G L3VPN業(yè)務(wù)，需要手工靜態(tài)配置；Auto FRR，針對(duì)5G L3VPN業(yè)務(wù)，無(wú)需手工配置，設(shè)備自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的FRR保護(hù)組。

圖5 VPN FRR保護(hù)倒換原理圖

3.3 IP與VPN混合FRR保護(hù)

IP與VPN混合FRR是指在CE雙歸屬的L3 VPN網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，當(dāng)業(yè)務(wù)正常傳輸路徑發(fā)生故障時(shí)，使流量快速切換的技術(shù)。

IP與VPN混合FRR的基本原理：用戶在PE2設(shè)備上配置了直接到CE2以及經(jīng)PE3到CE2的主備兩條路由。當(dāng)主用路由故障（如PE2與CE2之間鏈路故障），PE2設(shè)備根據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)將流量切換到經(jīng)PE3的備用路由上，業(yè)務(wù)得到保護(hù)，如圖6所示。

圖6 IP與VPN混合FRR保護(hù)原理圖

混合FRR保護(hù)分為靜態(tài)混合FRR和Auto混合FRR，其中靜態(tài)混合FRR，面向原有4G L3VPN業(yè)務(wù)，需要手工靜態(tài)配置；Auto混合FRR，面向5G L3VPN業(yè)務(wù)，無(wú)需手工配置，設(shè)備自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的FRR保護(hù)組。

3.4 SR-TP重路由

SR-TP重路由是在SR-TP隧道上的OAM檢測(cè)協(xié)議檢測(cè)到故障之后，通告控制器觸發(fā)重新算路的過(guò)程。SR-TP隧道使能重路由后，隧道的可靠性得到提升。SR-TP隧道的重路由能力支持硬鎖定（隧道不自動(dòng)重路由）、軟鎖定（隧道OAM檢測(cè)到故障后觸發(fā)重路由，故障消失后隧道自動(dòng)恢復(fù)原路徑）、不鎖定（隧道OAM檢測(cè)到故障后觸發(fā)重路由）。

SR-TP重路由應(yīng)用場(chǎng)景：SR-TP隧道部署SR-TP APS保護(hù)組，工作隧道設(shè)置為硬鎖定，保護(hù)隧道設(shè)置為軟鎖定。在工作SR-TP隧道故障之后，業(yè)務(wù)流量倒換到保護(hù)SR-TP隧道上；保護(hù)SR-TP隧道故障、通過(guò)OAM檢測(cè)到故障觸發(fā)保護(hù)SR-TP重路由，從而業(yè)務(wù)得到保護(hù)，如圖7所示。

圖7 SR-TP 重路由原理圖

3.5 SR-BE Ti-LFA保護(hù)

Ti-LFA FRR能為SR-BE隧道提供鏈路及節(jié)點(diǎn)的保護(hù)。當(dāng)某處鏈路或節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，流量會(huì)快速切換到備份路徑，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)。從而最大程度上避免流量的丟失。

傳統(tǒng)的LFA技術(shù)需要滿足至少有一個(gè)鄰居下一跳到目的節(jié)點(diǎn)是無(wú)環(huán)下一跳，而TI-LFA技術(shù)可以用顯式路徑表達(dá)備份路徑，對(duì)拓?fù)錈o(wú)約束，提供了更高可靠性的FRR技術(shù)。

保護(hù)倒換技術(shù)原理：當(dāng)PTN3和PTN6之間發(fā)生故障后，PTN3直接啟用TI-LFA FRR備份表項(xiàng)，給數(shù)據(jù)包增加新的路徑信息（到P節(jié)點(diǎn)PTN4的Node標(biāo)簽，P節(jié)點(diǎn)PTN4和Q節(jié)點(diǎn)PTN5之間的鄰接標(biāo)簽），保證數(shù)據(jù)包可以沿著備份路徑轉(zhuǎn)發(fā)，如圖8所示。

圖8 SR-BE Ti-LFA保護(hù)原理圖

3.6 Flex-E通道APS

Flex-E（Flex Ethernet，靈活以太網(wǎng)）通道APS即基于Flex-E隧道部署的APS保護(hù)類型。Flex-E通道APS是一種網(wǎng)絡(luò)保護(hù)機(jī)制，通過(guò)保護(hù)Flex-E通道來(lái)保護(hù)工作Flex-E交叉業(yè)務(wù)，當(dāng)工作Flex-E通道故障的時(shí)候，業(yè)務(wù)倒換到保護(hù)Flex-E通道，從而保護(hù)Flex-E交叉業(yè)務(wù)。

Flex-E通道APS，通過(guò)Flex-E通道OAM檢測(cè)機(jī)制檢測(cè)工作通道、保護(hù)通道的狀態(tài)。Flex-E通道OAM在Ingress端周期性發(fā)送檢測(cè)報(bào)文，在Egress端接收檢測(cè)報(bào)文。當(dāng)Egress端在一定周期未收到檢測(cè)報(bào)文時(shí)，認(rèn)為通道SF，觸發(fā)APS倒換，并通告對(duì)端APS模塊，觸發(fā)對(duì)端倒換實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)保護(hù)，如圖9所示。

圖9 Flex-E通道APS原理圖

Flex-E通道APS支持1：1橋接模式和1＋1橋接模式，保護(hù)恢復(fù)模式分為恢復(fù)式和非恢復(fù)式，支持設(shè)置保護(hù)倒換拖延時(shí)間。

4 結(jié)論

文章從SPN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載方案出發(fā)，分析了南北向、東西向業(yè)務(wù)保護(hù)方案，探討了VPN FRR、混合FRR、SR-TP重路由、SR-BE Ti-LFA、Flex-E通道APS五種保護(hù)方案的觸發(fā)機(jī)制和配置原則，對(duì)提升SPN網(wǎng)絡(luò)的綜合承載能力、保障網(wǎng)絡(luò)安全具有較強(qiáng)的指導(dǎo)性。