5G PTN/SPN承載網(wǎng)絡(luò)的商用演進(jìn)方案和保護(hù)策略

1 引言

5G時(shí)代涌現(xiàn)出一些新的服務(wù)需求，如虛擬現(xiàn)實(shí)、智能農(nóng)業(yè)和自動(dòng)駕駛等大速率、廣連接和低時(shí)延的業(yè)務(wù)，新的業(yè)務(wù)需求需要5G承載網(wǎng)進(jìn)行支撐。5G承載網(wǎng)絡(luò)位于無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)之間，不僅需要提供組網(wǎng)保護(hù)、管理控制和靈活調(diào)度等功能，還要提供可靠性、帶寬、時(shí)延和同步等方面的性能保障。因此，在5G承載網(wǎng)絡(luò)必須采取新的技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，同時(shí)目前還有大量的4G業(yè)務(wù)，4G承載網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常成熟，5G承載網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)必須考慮4G現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)情況，同時(shí)兼顧網(wǎng)絡(luò)投資回報(bào)，將承載網(wǎng)的整體利用率保持在一個(gè)合理的水平，避免業(yè)務(wù)需求和傳輸容量的失配，因此實(shí)際商用時(shí)可以將5G PTN/SPN承載網(wǎng)絡(luò)大致分為初期、中期和后期三個(gè)階段，合理地使用擴(kuò)容和升級(jí)等漸進(jìn)式投資方式，而不要盲目地進(jìn)行全面、大規(guī)模地承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)[1]。

2 5G PTN/SPN承載網(wǎng)絡(luò)的商用演進(jìn)方案

2.1 商用初期5G承載網(wǎng)絡(luò)

在5G商用初期，5G基站規(guī)模較小、不但用戶較少而且業(yè)務(wù)量也少、主要的業(yè)務(wù)場景也以eMBB為主。5G初期承載網(wǎng)絡(luò)在5G接入需求較高的區(qū)域，由于現(xiàn)網(wǎng)接入層PTN容量不足，一般采用PTN擴(kuò)容加局部新建方案。如圖1所示，據(jù)估算在單個(gè)接入環(huán)下掛12個(gè)5G基站的時(shí)候，接入環(huán)帶寬需要8 Gb/s左右，因此接入層在熱點(diǎn)區(qū)域可新建10/50GE接入環(huán)，匯聚核心環(huán)可以按需擴(kuò)容至100/200GE。

圖1 商用初期5G承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案示意圖

2.2 大規(guī)模部署期5G承載網(wǎng)絡(luò)

在大規(guī)模部署期，5G基站顯著增多，用戶數(shù)量和業(yè)務(wù)量增長得非?？臁２坏玡MBB業(yè)務(wù)高速發(fā)展，智能物流等傳感和數(shù)據(jù)采集等mMTC業(yè)務(wù)量不斷增長，部分區(qū)域出現(xiàn)了工業(yè)應(yīng)用和控制和遠(yuǎn)程手術(shù)等uRLLC業(yè)務(wù)應(yīng)用。5G規(guī)模部署期承載網(wǎng)絡(luò)可以采用PTN升級(jí)/擴(kuò)容或新建SPN方案，PTN升級(jí)或新建SPN后的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示：在接入層采用50GE/100GE組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟原h(huán)形拓?fù)錇橹鳌㈡溞屯負(fù)錇檩o；在匯聚層采用100GE/N＊100GE組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟钥谧中屯負(fù)錇橹鳌?+1鏈型鏈型拓?fù)錇檩o；在采用NSA組網(wǎng)時(shí)，5G承載網(wǎng)絡(luò)要與4G的承載網(wǎng)絡(luò)互通，互通點(diǎn)一般選在PTN二轉(zhuǎn)三的骨干匯聚節(jié)點(diǎn)/核心節(jié)點(diǎn)上。

2.3 商用成熟期5G承載網(wǎng)絡(luò)

在商用成熟期，4G業(yè)務(wù)基本被5G業(yè)務(wù)替代、eMBB業(yè)務(wù)、mMTC業(yè)務(wù)和uRLLC業(yè)務(wù)都高速發(fā)展。商用成熟期的5G承載網(wǎng)絡(luò)將形成一個(gè)SPN綜合承載平面，如圖3所示，5G基站業(yè)務(wù)、家寬業(yè)務(wù)和專線業(yè)務(wù)等所有業(yè)務(wù)全部由這個(gè)SPN綜合承載平面承載，最終形成一張承載網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浼軜?gòu)[2]。

圖2 規(guī)模部署期5G承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案示意圖

圖3 商用成熟期5G承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案示意圖

3 5G承載網(wǎng)隧道部署方式及保護(hù)策略

目前5G PTN/SPN承載網(wǎng)絡(luò)主要有兩種業(yè)務(wù)部署方式：“L2+動(dòng)態(tài)L3VPN”業(yè)務(wù)部署方式和“L3到邊緣接入”業(yè)務(wù)部署方式，其中L3到邊緣接入的業(yè)務(wù)部署方式更適應(yīng)5G業(yè)務(wù)的發(fā)展，后期將逐步取代“L2+動(dòng)態(tài)L3VPN”成為主流業(yè)務(wù)部署方式[3]。

3.1 L3到邊緣接入方案及業(yè)務(wù)保護(hù)策略

“L3到邊緣接入”多用在新建PTN或SPN方案中，如圖4所示，在承載網(wǎng)中端到端均部署IGP（內(nèi)部網(wǎng)關(guān)協(xié)議）協(xié)議形成IGP域，IGP域中部署IS-IS協(xié)議用來實(shí)時(shí)搜集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錉顟B(tài)并打通控制面通道，在接入層、匯聚層和核心層均采用集中控制動(dòng)態(tài)的L3VPN和SR隧道技術(shù)。

圖4 L3到邊緣接入方案

IGP域中通過調(diào)整IS-IS協(xié)議的cost數(shù)值進(jìn)行SR隧道路徑配置，IS-IS協(xié)議是一種使用最短路徑優(yōu)先SPF（Shortest Path First）路由計(jì)算方法的鏈路狀態(tài)協(xié)議，即以本地節(jié)點(diǎn)為根，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)生成一棵SPT(最短路徑樹)，從而計(jì)算出本地節(jié)點(diǎn)到網(wǎng)絡(luò)中所有目的節(jié)點(diǎn)的最短路徑。同一類型SR隧道的鏈路cost數(shù)值相同，業(yè)務(wù)流量優(yōu)先在下層網(wǎng)絡(luò)繞行，業(yè)務(wù)流量不繞行不相干的接入環(huán)和匯聚環(huán)，骨干匯聚間的SR隧道通過cost數(shù)值選定某對(duì)城域核心節(jié)點(diǎn)[4]。

L3到邊緣接入的鏈路保護(hù)方案為端到端部署SR-TP和SR-BE隧道協(xié)議，SR-TP是一種面向連接的隧道技術(shù)，能夠靈活的選擇轉(zhuǎn)發(fā)路徑，可以有效地減輕南北向網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的轉(zhuǎn)發(fā)壓力，通過部署SR-TP隧道APS 1:1保護(hù)策略能有效保護(hù)南北向業(yè)務(wù)。當(dāng)主用SR-TP OAM探測到部分路由發(fā)生故障時(shí)，就會(huì)觸發(fā)SR-TP APS 保護(hù)倒換，控制器不需要對(duì)工作隧道進(jìn)行重新算路，業(yè)務(wù)倒換到備用SR-TP隧道上，主用SR-TP隧道被鎖定；如果備用SR-TP隧道部分路由隨后也發(fā)生故障時(shí)控制器對(duì)保護(hù)隧道重新算路，拓?fù)浒l(fā)生變化，業(yè)務(wù)倒換到新生成的保護(hù)隧道路徑上，倒換時(shí)間在50 ms以內(nèi)；故障恢復(fù)后，重新恢復(fù)主用SR-TP隧道和備用SR-TP隧道路由信息。如圖5所示，SR-TP隧道在實(shí)際部署時(shí)需遵循以下幾條原則：對(duì)于骨干匯聚節(jié)點(diǎn)到城域核心節(jié)點(diǎn)的SR-TP隧道，其工作隧道不經(jīng)過城域核心間的互連鏈路，保護(hù)隧道經(jīng)過城域核心互連鏈路，不能繞行其他城域核心和骨干匯聚；對(duì)于普通匯聚節(jié)點(diǎn)到骨干匯聚節(jié)點(diǎn)的SR-TP隧道，其工作隧道優(yōu)先經(jīng)過匯聚環(huán)，保護(hù)隧道經(jīng)過骨干匯聚互連，不能繞行接入環(huán)；對(duì)于接入點(diǎn)到骨干匯聚節(jié)點(diǎn)的SR-TP隧道，其工作隧道不經(jīng)過骨干匯聚互連鏈路，保護(hù)隧道經(jīng)過骨干匯聚互連鏈路，不繞行其他接入環(huán)和匯聚環(huán)。

圖5 SR-TP隧道配置方案

SR-BE是一種面向無連接的隧道技術(shù)，通過IGP協(xié)議收集的SR信息，結(jié)合IGP的拓?fù)湫畔?，使用最短路徑算法?jì)算出最優(yōu)的標(biāo)簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑，可以實(shí)現(xiàn)東西向流量就近轉(zhuǎn)發(fā)。SR-BE隧道能自動(dòng)生成Ti-LFA（與拓?fù)錈o關(guān)的無環(huán)交替）保護(hù)，Ti-LFA在每個(gè)IGP域中預(yù)先自動(dòng)計(jì)算每個(gè)節(jié)點(diǎn)的備份路徑，當(dāng)工作鏈路故障時(shí)，Ti-LFA能給數(shù)據(jù)包增加新的路徑信息，包括備用路徑節(jié)點(diǎn)的Node標(biāo)簽和節(jié)點(diǎn)之間的鄰接標(biāo)簽，保證數(shù)據(jù)包可以沿著備份路徑繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)，從而最大程度上避免數(shù)據(jù)的丟失。Ti-LFA技術(shù)使用顯式路徑表達(dá)備份路徑，不受網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞挠绊?；而且Ti-LFA的備份路徑和收斂后最短路徑基本一致，這就減少了路徑切換的次數(shù)；同時(shí)Ti-LFA備份路徑通過IGP SR實(shí)現(xiàn)，不需要維護(hù)額外的狀態(tài)和增加額外的協(xié)議，一般Ti-LFA倒換時(shí)間在50 ms以內(nèi)[5]。如圖6所示，SR-BE隧道在實(shí)際部署時(shí)需遵循以下幾條原則：骨干匯聚點(diǎn)之間的SR-BE隧道路徑不能繞行城域核心互連鏈路；跨匯聚環(huán)的SR-BE隧道優(yōu)先經(jīng)過匯聚鏈路的短路徑，重路由經(jīng)過匯聚鏈路的長路徑，盡量不經(jīng)過骨干匯聚對(duì)互連的鏈路，不繞行其他的接入環(huán)和匯聚環(huán)；在匯聚環(huán)內(nèi)跨接入環(huán)SR-BE隧道要優(yōu)先經(jīng)過匯聚鏈路，重路由經(jīng)過骨干匯聚對(duì)互連，不能繞行其他的接入環(huán)和匯聚環(huán)；接入環(huán)內(nèi)的SR-BE隧道要優(yōu)先經(jīng)過本接入環(huán)，重路由需繞行匯聚層，不能繞行其他的接入環(huán)。

圖6 SR-BE隧道隧道配置方案

L3到邊緣接入的節(jié)點(diǎn)保護(hù)方案為每個(gè)節(jié)點(diǎn)都部署VPN FRR（快速重路由）協(xié)議，VPN FRR是一種基于VPN的私網(wǎng)路由快速切換技術(shù)，源節(jié)點(diǎn)將最優(yōu)路由信息和次優(yōu)路由信息都填寫在轉(zhuǎn)發(fā)項(xiàng)中，最優(yōu)的路由是工作主路由，用于業(yè)務(wù)流量轉(zhuǎn)發(fā)，次優(yōu)路由是備份路由。當(dāng)主路由節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，通過檢查LSP隧道狀態(tài)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路由隧道狀態(tài)為不可用時(shí)，報(bào)文就會(huì)被打上次優(yōu)路由信息的內(nèi)層標(biāo)簽，沿著次優(yōu)路由的外層LSP隧道進(jìn)行交換，從而恢復(fù)源節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)之間的業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)故障情況下的端到端業(yè)務(wù)的快速收斂，因此VPN FRR具有簡單、可靠和部署方便等優(yōu)點(diǎn)。

城域核心和5G UPF（用戶平面功能）節(jié)點(diǎn)部署了混合FRR，混合FRR使用BFD故障檢測方法，BFD是一種標(biāo)準(zhǔn)化的與上層協(xié)議和介質(zhì)無關(guān)的快速故障檢測機(jī)制，BFD能夠與相鄰節(jié)點(diǎn)建立對(duì)等關(guān)系，每個(gè)節(jié)點(diǎn)以協(xié)商的速率監(jiān)測來自其他節(jié)點(diǎn)的BFD速率，當(dāng)對(duì)等節(jié)點(diǎn)沒有接到預(yù)先設(shè)定數(shù)量的數(shù)據(jù)包時(shí)，則推斷出BFD保護(hù)的軟件或硬件基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)生故障?；旌螰RR的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于路由的收斂，其切換時(shí)間只取決于節(jié)點(diǎn)對(duì)故障的檢測時(shí)間，而且與VPN路由的數(shù)量無關(guān)，可以快速切換路由，避免長時(shí)間中斷業(yè)務(wù)，混合FRR保護(hù)倒換在50 ms以內(nèi)。

3.2 L2+動(dòng)態(tài)L3VPN保護(hù)策略

“L2+動(dòng)態(tài)L3VPN” 保護(hù)策略多用在5G商用初期PTN擴(kuò)容方案中，如圖7所示，骨干匯聚節(jié)點(diǎn)和城域核心節(jié)點(diǎn)之間部署動(dòng)態(tài)L3VPN，此部分和L3到邊緣接入的方案的隧道部署方案和保護(hù)策略相同。接入節(jié)點(diǎn)和骨干匯聚節(jié)點(diǎn)之間部署5G L2VPN，其業(yè)務(wù)部署方案和傳統(tǒng)的4G L2VPN相同，通過部署MPLS-TP雙向隧道，采用MC-LAG加上MC-PW APS的保護(hù)方案。MC-LAG（跨設(shè)備鏈路聚合組）是一種實(shí)現(xiàn)跨設(shè)備的鏈路聚合機(jī)制,能夠?qū)崿F(xiàn)多臺(tái)設(shè)備之間的鏈路聚合,把鏈路可靠性從單板級(jí)別提高到設(shè)備級(jí)別,組成了雙活系統(tǒng),一方面可以起到負(fù)荷分擔(dān)業(yè)務(wù)流量的功能,另一方面也起到了備份保護(hù)的作用。MC-PW APS通過PW OAM報(bào)文來檢測業(yè)務(wù)通道的是否正常，鏈路發(fā)生故障的時(shí)候相鄰兩個(gè)站點(diǎn)間通過APS報(bào)文交互完成倒換，倒換時(shí)業(yè)務(wù)中斷小于50 ms[6]。

圖7 L2+動(dòng)態(tài)L3VPN方案

4 小結(jié)

隨著業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，5G商業(yè)承載網(wǎng)絡(luò)也要隨之不斷的演進(jìn)。目前5G承載網(wǎng)有“L2+動(dòng)態(tài)L3VPN”和“L3到邊緣接入”兩種業(yè)務(wù)部署方式，其中L3到邊緣接入的業(yè)務(wù)部署方式更適應(yīng)5G業(yè)務(wù)的發(fā)展，是成熟5G承載網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)部署的發(fā)展趨勢。L3到邊緣接入采用SR-TP和SR-BE隧道協(xié)議分別保護(hù)南北向鏈路業(yè)務(wù)和東西向鏈路業(yè)務(wù)，同時(shí)還通過部署VPN FRR協(xié)議進(jìn)行節(jié)點(diǎn)保護(hù)，因此能夠?qū)?G業(yè)務(wù)提供充分的保護(hù)。