新型IP城域網架構研究

索文斌

（安徽電信規(guī)劃設計有限責任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

現(xiàn)階段電信運營商以公眾業(yè)務提供為主，主導業(yè)務和網絡的發(fā)展，業(yè)務需求明確，網絡規(guī)劃建設可控。而隨著社會的發(fā)展，電信運營商未來將面向萬物互聯(lián)與云業(yè)務，以云商/軟件定義廣域網為代表的云服務提供商成為業(yè)務的主要需求方。云業(yè)務發(fā)展迅速、機制調整靈活、創(chuàng)新應用快，但同時對網絡性能的要求十分苛刻。5G時代，PAN+車聯(lián)網、智慧家庭+AR/VR應用、Site-cloud+工業(yè)互聯(lián)網等業(yè)務需求不斷涌現(xiàn)，電信運營商需要建設一種大帶寬、低時延、云網無縫對接的智能IP城域網來滿足業(yè)務發(fā)展需求[1]。

1 城域網現(xiàn)狀分析

1.1 城域網架構現(xiàn)狀

某省電信IP城域網為路由型網絡，網絡架構采用“核心層出口路由器/核心路由器（Core Router，CR）＋業(yè)務控制層/多業(yè)務邊緣路由器（Multi-Service Edge，MSE）、寬帶遠程接入服務器（Broadband Remote Access Server，BRAS）、全業(yè)務路由器（Service Router，SR）+接入層/光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）”的3層組網，網絡拓撲如圖1所示。

圖1 某省電信IP城域網網絡拓撲

該省IP城域網采用綜合業(yè)務承載方式，在BRAS/MSE上綜合承載公眾客戶、政企客戶、IPTV等業(yè)務。城域網內部承載語音、數據以及視頻等業(yè)務，在BRAS/MSE上部署了終端綜合管理系統(tǒng)（Integrated Terminal Management System，ITMS） 的 DHCP Sever，為終端分配私網IP地址，同時通過網絡地址轉換（Network Address Translation，NAT）功能實現(xiàn)數據類業(yè)務終端訪問公網，公眾客戶、政企客戶均通過PPPoE認證方式訪問。

1.2 現(xiàn)有城域網問題分析

基于現(xiàn)有的IP城域網絡架構，主要問題表現(xiàn)在以下4個方面。

（1）網絡剛性。業(yè)務獨立運營，業(yè)務控制層中許多設備和系統(tǒng)為垂直封閉建設（如專用網元設備、與硬件緊耦合的網絡功能和對應的控制單元等），使得網絡架構復雜，不夠靈活。

（2）網元封閉。網元采用封閉式架構，垂直整合軟件和硬件，設備功能不易擴展、價格昂貴且容易被設備制造商鎖定。

（3）業(yè)務煙囪。提供新的服務和功能需要開發(fā)新的設備和協(xié)議，導致設備類型和網絡數量眾多，形成大量的煙囪群，業(yè)務難以融合。與此同時，新業(yè)務開發(fā)困難，不能滿足新業(yè)務快速部署的需求。

（4）運營復雜。設備制造商和各類專用設備眾多，增加了網絡規(guī)劃和建設的難度，同時運營成本較高。

2 新型IP城域網架構研究

2.1 業(yè)務需求分析

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是未來視頻業(yè)務發(fā)展的必然趨勢，要求承載網具備高帶寬、低時延的特性。流量的急劇增長再加上VR對帶寬、時延、丟包率的高要求，使傳統(tǒng)的高匯聚網絡面臨承載難題。此外，5G核心網云化部署、業(yè)務下沉，業(yè)務由確定性南北流向轉變?yōu)椴淮_定性南北+東西流向。5G行業(yè)應用（如遠程駕駛等）則要求承載網低時延且時延穩(wěn)定，同時政企專線對服務質量也提出明確的服務等級協(xié)議（Service Level Agreement，SLA）要求。新型IP城域網架構需具備固移融合、網業(yè)分離、網絡切片、靈活選路以及智能管控等性能，以此有效應對未來業(yè)務流量、業(yè)務流向、連接質量以及服務質量等方面新的挑戰(zhàn)[2]。

2.2 新型IP城域網架構分析

構建融合、敏捷、簡潔、智能、云化且安全的新型城域網，以云為核心組網，采用積木式模塊化架構，實現(xiàn)架構彈性擴展、云網標準化對接、用戶集中式處理，滿足固移融合、云網融合發(fā)展需求。新型IP城域網架構如圖2所示。

圖2 新型IP城域網架構

新型城域網模塊化組件包括城域接入匯聚點（Point Of Delivery，POD）、云網網絡接入點（Point Of Presence，POP）和POD出口功能區(qū)。

（1）城域POD。區(qū)域內全業(yè)務融合承載，采用葉脊（Spine-Leaf）網絡架構組網，實現(xiàn)流量快速疏導與橫向彈性擴展。其中，A-Leaf提供固定/移動用戶、邊緣云等全業(yè)務的就近接入，Spine實現(xiàn)Leaf匯聚與流量轉發(fā)，Leaf-Leaf之間通過SRv6+EVPN實現(xiàn)入云、云間等流量快速轉發(fā)。

（2）云網POP。部署DC-Leaf/S-Leaf實現(xiàn)網絡與云資源池標準化對接，接入Spine設備。

（3）POD出口功能區(qū)。由Spine和Super-Spine/B-leaf組成，與骨干網、業(yè)務平臺/核心網等外部網絡對接，實現(xiàn)業(yè)務差異化服務。國內互聯(lián)網業(yè)務通過Spine直連骨干，Super-Spine只轉發(fā)多POD間互聯(lián)流量。初期考慮演進復雜度，統(tǒng)一由Super-Spine直連骨干。

（4）轉控分離vBRAS池。由云化控制面（vBRAS-CP）、池化轉發(fā)面（vBRAS-UP）組成，實現(xiàn)光寬等固網業(yè)務。vBRAS-CP按城域網部署，vBRAS-UP按POD集中部署[3]。

2.3 發(fā)展思路

新型城域網是推動2B/2C/2H全業(yè)務轉型升級的基礎，采用新型組網架構并引入新技術和新設備提高算力和應用的綜合承載能力，支撐以邊緣云為中心的全業(yè)務生態(tài)建設。根據邊緣云布局設置城域Spine-Leaf節(jié)點，充分利用空間變換網絡（Spatial Transformer Network，STN）的設備，構建新型城域網絡Spine-Leaf架構，為用戶和邊緣云提供大帶寬、泛在接入且安全可靠的電信級服務，滿足邊緣云下沉，實現(xiàn)東西向流量高效疏導。引入轉控分離vBRAS池和SRv6/EVPN、FlexE等新設備和新技術，實現(xiàn)2B/2C/2H全業(yè)務融合承載和差異化服務。同步開展網絡運營系統(tǒng)的升級改造，實現(xiàn)網絡可管可控。除此之外，按需引入DCI-BOX，承載Spine至Leaf之間的鏈路，降低城域傳輸網絡建設投資。

3 關鍵技術應用

3.1 Spine-Leaf

Spine-Leaf起源于數據中心網絡。傳統(tǒng)的數據中心使用3層架構，由核心交換機、匯聚交換機以及接入交換機組成。在接入交換機和匯聚交換機之間運行生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP），以保證網絡的二層部分沒有環(huán)路。而現(xiàn)代數據中心的計算和存儲基礎設施已經不是單純的不同網段之間通信，內外網的通信和網絡段分布在多個接入交換機，要求主機通過網絡互連[4]。網絡結構中，儲存網絡和通信網絡在同一個物理網絡中。主機和陣列之間的數據通過儲存網絡來傳輸，在邏輯拓撲上就像直接連接一樣。虛擬化服務器是未來發(fā)展的主流趨勢，將物理客戶端向虛擬客戶端轉化，使網絡節(jié)點的移動變得非常簡單。

橫向網絡在縱向設計的網絡拓撲中傳輸數據會遇到瓶頸，因為數據要經過許多路由交換設備等不必要的節(jié)點。由于生成樹協(xié)議會防止冗余鏈路存在環(huán)路，雙上行鏈路接入交換機只能使用一個指定的網絡接口。針對此類問題，引入基于Clos網絡的Spine-Leaf架構（Clos Network-based Spine-Leaf Architecture）提供高帶寬、低延遲、非阻塞的服務器到服務器連接。在以上兩級架構中，每個Leaf均與Spine連接，形成一個鄰居全互聯(lián)（Full-mesh）拓撲。Leaf層為接入交換機，用于連接服務器等設備。Spine為網絡骨干層，連接所有Leaf。如果一個Spine出現(xiàn)問題，數據中心的吞吐性能只會輕微下降。如果某個鏈路流量占滿，通過增加Spine交換機的數量對每個Leaf的上行鏈路進行擴容，增加Leaf與Spine之間的帶寬，緩解流量過載的問題。通過增加新的Leaf設備來擴容接入層的端口數量，然后將其連接到每個Spine，做好對應的配置。Spine-Leaf架構易于擴展，網絡的擴容十分方便。任意兩個服務器的連接經過的設備數量相同，由此實現(xiàn)延遲可預測[5]。

在新型城域網中引入Spine-Leaf架構可實現(xiàn)低成本的彈性擴展，同時實現(xiàn)城域網用戶流量本地穿越，解決東西向流向問題，減輕城域骨干網絡上下行流量壓力，減少擴容成本。Spine-Leaf具備網內多鏈路負載分擔和節(jié)點冗余能力，使鏈路故障及節(jié)點故障影響范圍可控，有效提升網絡可靠性。

3.2 FlexE

靈活以太網技術（Flex Ethernet，F(xiàn)lexE）通過在以太網媒體訪問控制層（Media Access Control，MAC）和物理層（Physical Layer，PHY）之間增加時分多路復用（Time Division Multiplexing，TDM）調度機制的FlexE Shim層，使MAC速率和物理層解耦，不再強制綁定，實現(xiàn)速率的靈活匹配，以滿足不同的網絡傳輸需求。FlexE技術不受其他專線長包的影響，嚴格按時隙發(fā)包，采用硬隔離方式保障帶寬，時延相對穩(wěn)定，可以靈活匹配傳輸要求。此外，其單波容量按需靈活調制，最大化光纖價值，降低光纖投資。

3.3 SRv6

SRv6是當下熱門的分段路由（Segment Routing，SR）技術和IPv6技術的結合體，兼具前者的靈活選路能力和后者的親和力，同時特有設備級可編程能力。SRv6具有高可編程、平滑演進、超大規(guī)模、統(tǒng)一承載以及高可靠性等優(yōu)點，按需升級、快速開通，中間設備只需支持IPv6轉發(fā)，充分利舊。SRv6采用IPv6地址作為路徑節(jié)點信息，其路徑列表信息放在IPv6頭內，兼容了傳統(tǒng)IPv6轉發(fā)。SRv6頭信息除了標識節(jié)點/鏈路信息外，也支持自定義擴展信息，可滿足帶內測量等需求。SRv6以IP地址作為協(xié)議棧，能夠滿足未來云網融合業(yè)務的端到端編排需求。

4 結 論

通過對某省電信IP城域網絡架構現(xiàn)狀以及存在的問題進行分析，結合未來業(yè)務場景演進和固移融合發(fā)展趨勢，研究一種新型IP城域網架構。通過引入新技術，打破原有基于網元的緊耦合模式，搭建一種高可靠性、高靈活性且能快速部署的智能IP城域網絡架構，以滿足云網融合、5G及物聯(lián)網等業(yè)務的新型需求，為多業(yè)務融合承載提供大帶寬，實現(xiàn)業(yè)務快速開放，提升網絡效能。