SDN承载网络相关技术浅析

作者:中国移动通信集团新疆有限公司网络部 吕斌 责任编辑:王禹蓉 2021.01.14 14:39 来源:通信世界全媒体

通信世界网消息(CWW)随着4G改变人们的生活,5G将进一步给社会带来根本的变化,从而实现一个完全移动和互联的世界。特别是随着信息时代的飞速发展,传统的网络体系结构无法满足当今企业、运营商和用户的需求,SDN(Software Defined Network)正在改变网络架构。在SDN架构中,控制平面和数据平面是分离的,网络智能和状态在逻辑上是集中的,并且基础网络、基础结构是从应用程序中抽象出来的,因此企业和运营商获得了空前的可编程性、自动化和网络控制,能够构建高度可扩展的、灵活的网络,从而轻松适应不断变化的业务需求。

SPN(Slicing Packet Network)则是在5G发展中应运而生的基于SDN架构的一种传输解决方案,本文主要针对SPN方案中的L3VPN架构及业务部署、保护方案、IPv6演进进行分析,了解不同方案中的优缺点及技术发展趋势。

下一代传输网络的七大要求

数字社会的到来对通信基础设施网络产生深远的影响,现有通信网络的流量模型将发生巨大变化。连接密度和流量密度将以前所未有的速度增加,并且地理网络的覆盖范围将大大扩展。不同类型的用户对网络提出了个性化的要求,特定行业的实时交互要求非常高。因此,下一代传输网络体系结构必须满足以下要求。

第一,高带宽。传输网络需要提供低成本和高带宽功能。每个用户的吞吐能力应大于1 Gbit/s,并且网络应支持视频、全息和VR应用程序的持续开发。

第二,低延迟。它应支持优于1 ms的E2E延迟,以满足交互式体验和工业控制的严格要求。

第三,灵活的连接。连接总数增加了几十倍,新网络应该可以在拥有10000多个节点的庞大网络中满足Full Mesh数据连接。

第四,网络开放性。应支持标准化的南向接口和北向接口。通过这种方式,运营商、企业可以利用SDN控制平面的多功能性和开放性,在虚拟或物理部署或两者中生成的服务来进行控制和实施。

第五,网络切片。多样化的服务带来多样化的网络需求。将来,传输网络应配备动态网络切片功能,以满足多样化的服务需求,网络应提供硬隔离和软隔离的能力。

第六,高可靠性。它应为AR、工业控制和远程医疗等新服务提供超高可靠性的连接。

第七,智能运维。服务模式从根本上发生变化,网络切片和全网状网络流量需要更智能的网络运维系统,以降低运营成本。

切片分组网络(SPN)致力于构建高效、简化和超宽带的传输网络,以支持城域网中的不同服务。它具备以下特点:一是新架构,新技术架构提供了一种低成本、简化的传输网络,网络带宽提高了100倍,每比特成本降低至原来的1/10至1/100;二是新服务,SPN专注于对传输网络上新服务的支持,延迟减少至原来的1/10至1/100,服务连接数量增加了100倍;三是新运维,全新的运维平台提供了敏捷的服务部署和操作,OPEX降低至原来的1/10。

SPN被定位为基于以太网生态系统的下一代融合传输网络,可实现高带宽、低延迟和高效率的全面服务传输。SPN可承载无线服务、企业服务、住宅服务和云互连等服务。

SPN设计原则

SPN利用高效的以太网生态系统来提供低成本和高带宽的传输网络服务。随着多层网络技术的有效融合,实现了灵活的软隔离切片和硬管道切片,并提供了从L0到L3的多层服务传输能力。SDN集中管理和控制,以创新方式实现开放、敏捷和高效的网络运营。SPN原则有如下7条。

第一,友好的包交换。SPN借助以太网技术(IEEE 802.3以太网,OIF FlexE和创新的切片以太网),共享IP/Ethernet生态系统(光学模块、协议和芯片),并友好地支持主流数据包交换。

第二,多层网络技术的融合。通过IP、Ethernet和光技术的有效融合,可以实现L0到L3的分层组网,以构建各种类型的管道。以太网分组调度用于分组服务的灵活连接。创新的切片以太网数据单元流调度用于支持硬管道隔离和服务的带宽保证,并提供低延迟的服务传输网络通道。WDM技术则用于支持平滑的容量扩展和大粒度业务。

第三,高效的软切片和硬切片。同时提供高度可靠的硬切片和弹性可伸缩的软切片功能。此类功能隔离了物理网络的资源以运行多个虚拟网络,并为多种服务类型提供了基于SLA的差异化传输网络服务。

第四,SDN集中管理和控制。SDN有助于实现开放、敏捷、高效的网络运营和维护。SPN可以监视网络状态并实时触发网络自我优化,因此服务供应和运维是自动化的。此外,具有基于SDN的融合管理和控制功能的体系结构还提供了其他功能,例如简化的网络协议和开放网络,以及跨网络域和跨技术服务的协调。

第五,运营商级可靠性。支持网络级分层OAM和保护功能。OAM用于监视网络上的逻辑层、网络连接和服务,从而实现全方位的网络可靠性并支持高可靠性的服务传输。

第六,高精度同步。实现了基于带内时钟和时间同步的传输,可靠性高、精度高、效率高。

第七,灵活的业务调度。SPN使用灵活的隧道、寻址和转发技术,灵活地调度点到点、点到多点和多点到多点的服务。切片以太网寻址和转发用于实现第一层服务调度,MAC和MPLS寻址和转发用于实现第二层服务调度,IP寻址和转发用于实现第三层服务调度。

SPN基于ITU—T网络模型,将以太网作为基本技术,并支持IP、以太网和恒定比特率(CBR)服务的集成传输。SPN技术架构包括切片数据包层(SPL)、切片通道层(SCL)、切片传输层(STL)、时间和时钟同步模块,以及管理和控制功能模块。

第一层SPL:通过为IP、以太网和CBR服务,实现寻址、转发和传输通道封装,SPL提供了各种类型的服务,例如第2层虚拟专用网(L2VPN)、L3VPN和CBR透明传输。SPL使用多种寻址机制(例如IP、多协议标签交换(MPLS)、802.1q和物理端口)执行服务映射,并提供服务标识、流量工程和服务质量(QoS)保证。对于分组服务,SPL提供了分段路由传输配置文件(SR—TP)隧道,并提供了面向连接和无连接的传输通道。基于源路由的分段路由技术允许入口使用一组分段(MPLS标签)来标识每个隧道转发路径。与传统的隧道技术不同,传输节点不需要维护分段路由隧道的路径状态信息,从而实现了灵活的路径调整和网络可编程性。SR—TP隧道技术增强了SR隧道的O&M功能,并支持双向隧道和E2E服务级OAM检测。

第二层SCL:为网络服务和分片提供端到端的通道化组通道。SCL使用创新的切片以太网(SE)在以太网物理接口和FlexE绑定组上执行时隙处理,提供基于E2E以太网的虚拟网络连接,并为L1的多业务传输建立低延迟和硬隔离的切片通道。 SCL利用OAM和保护功能对以太网通道进行切片,从而实现了E2E性能监控和故障恢复。

第三层STL:使用IEEE 802.3以太网物理层技术和OIF FlexE技术实现高效的高带宽传输。以太网物理层由新的高速以太网接口组成,例如50GE、100GE、200GE和400GE。借助以太网产业链,可以实现低成本和高带宽的网络建设,并且支持跳数之间最长80 km的主流网络应用。对于需要更高带宽可扩展性和更长传输距离的应用程序,SPN使用以太网+ DWDM组合来实现10T级容量和数百千米长距离的联网。

L3VPN架构及部署方案

SPN 5G SPL承载方案设计理念

如图1所示,SPN网络中L3VPN架构需要具备以下三大能力。

一是增强静态L3VPN大网能力:L3VPN域下沉/扩大,提供任意节点业务Mesh化互通能力;继承PTN LTE静态L3VPN运维习惯;L2+L3VPN和分层L3VPN按需部署。

二是灵活SR隧道业务调度能力:满足点到点(S1)和Mesh业务(X2)承载需求;继承MPLS—TP电信级OAM/APS保护能力;集中动态重路由简化协议和保护层次;增强SR隧道运维能力。

三是SDN集中管控能力:云化、SDN化集中管控系统;基于用户意图的智能业务布放和运维能力;开放网络可编程能力。

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图1  SPN 5G SPL承载方案设计图

SPN 5G集中管控架构

如图2所示,SRTP—TE隧道集中、实时、闭环控制,提供隧道重路由能力,增强网络可靠性。一是分布式控制协议,ISIS(网络状态通告、SR—BE路由控制);二是南向控制接口要求,BGP—LS(网络状态收集) + PCEP(控制通道);三是南向管理接口,Netconf(管理通道)L3VPN大网集中管控,提供符合传输运维习惯的静态路由管理;四是南向管理接口,Netconf(管理通道)。

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图2  SPN 5G集中管控架构

 SPN 5G业务承载部署方案

如图3所示,SPN 5G业务承载部署方案有两种。一是L3VPN到边缘部署方案,即端到端L3VPN,骨干汇聚点L3VPN分层;二是L2VPN+L3VPN部署方案,即接入、汇聚层部署L2VPN,核心层部署L3VPN,骨干汇聚点进行L2到L3桥接。

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图3  SPN 5G业务承载部署方案

SPN 5G业务保护方案

●S1业务

如图4所示,不同故障点触发的保护机制、检测机制、保护倒换性能不同,总结如表1所示。

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图4  SPN 5G S1业务保护方案

表1 S1业务不同故障点触发的保护机制、检测机制、保护倒换性能总结

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●X2业务

X2业务在图5所示的故障点中,触发的保护机制、检测机制、保护倒换性能总结见表2。

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图5  SPN 5G X2业务保护方案

表2  X2业务不同故障点触发的保护机制、检测机制、保护倒换性能总结

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静态L3VPN 与动态L3VPN的对比

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图6 静态L3VPN 与动态L3VPN的对比

静态L3VPN 与动态L3VPN的对比如图6所示。

在路由策略管理方面,集中静态L3VPN是基于网络全局视图的路由管控,简化部署、运维,提升体验;具备软件定义路由策略管理架构基础。动态L3VPN(BGP RR) 则是基于BGP分布式/单站视角的部署、运维,部署难度大,技能要求高;并且需要遵循BGP标准的路由策略控制。

在路由引入管理方面,集中静态L3VPN适用于基站直连接口路由和核心网静态路由静态引入,不适用于动态IGP协议路由引入(移动回传场景不需要)。动态L3VPN(BGP RR) 适用于静态路由引入和动态路由场景,扩展性、协议适应性强。

在路由扩散方面,集中静态L3VPN是控制器集中计算、存储、扩散,控制器/DCN性能压力大,在可承受范围内;属于自上而下的集中静态路由管理,继承PTN运维习惯,便于业务运维(业务溯源、定位定界);控制器脱管、设备复位故障场景下业务快速恢复能力强。动态L3VPN(BGP RR)是动态路由分布式存储、集中反射,控制器计算/存储压力小,它是分布式动态路由、状态数据,单站运维模式弊端多,并且BGP RR脱管场景设备路由恢复依赖分布式BGP Peer,增大设备控制面复杂度。

在路由收敛方面,集中静态L3VPN在多点故障(ASP/VPN FRR保护失效)场景下是静态L3VPN难点,待研究。动态L3VPN(BGP RR)在多点故障时BGP动态撤销路由,多点故障保护机制成熟,业务恢复时间>秒级。

基于5G移动回传应用场景和运维主要矛盾,推荐集中静态L3VPN。

明细路由和聚合路由的对比

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图7 明细路由和聚合路由的对比

明细路由和聚合路由的对比如图7所示,可以看出,明细路由有3个优势:接入域路由规划相对简单,IP地址资源利用率高;预留基于明细路由级的多点故障保护能力;预留基于明细路由级的业务负载分担能力。

聚合路由也有3个优势:减小控制器计算/存储/DCN性能压力、设备路由资源压力;提升用户操作体验,路由CRUD操作响应快;利于现网问题定位定界。

大量路由的部署和运维效率问题是大网L3的主要矛盾,推荐聚合路由方式。

SPN L3VPN路由迭代公网隧道

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图8  SPN L3VPN路由迭代公网隧道

如图8所示,通过控制器将PTN设备与无线基站直连接口IP扩散至远端PTN设备,生成反向转发路径。基于图形化操作界面的L3VPN路由静态引入、静态扩散,免去复杂动态路由协议部署运维,适用移动回传网成熟解决方案。

SPN L3VPN私网路由引入及扩散

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图9  SPN L3VPN私网路由引入及扩散

如图9所示,L3VPN私网通过路由下一跳查找匹配DIP的SR隧道,作为公网隧道进行转发。

IPv6技术及演进

随着多种颠覆性技术的出现和应用,网络发生了巨大的变革,IPv6已经成为5G、IoT、SDN/NFV、云计算以及边缘计算等新兴技术的基础。大量的终端设备联网产生了大量的地址需求,使用传统NAT的方式无法支持新的5G及物联网应用。此外,IPv6从设计之初就充分考虑了移动性的需求,还同时考虑到了网络侧和应用侧的需求,可以保证物联网的安全性、可靠性和服务质量。下面将从SPN网络中IPv6技术的引入以及部署方案、演进策略进行分析。

移动回传业务IP地址及应用场景分析

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图10 移动回传业务IP地址及应用场景分析

如图10所示,终端与核心网PGW间IPv6改造属于UE的用户IP地址,PTN/SPN不可见。基站与核心网SGW间IPv6改造需要PTN/SPN L3VPN用户侧私网配合。PTN/SPN网络侧控制面(设备LSRID/NNI接口IP)和管理面(NE IP) IPv6为内部组网接口。

●SPN L3VPN用户侧私网IPv6承载方案(6VPE双栈)

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图11  SPN L3VPN用户侧私网IPv6承载方案(6VPE双栈)

如图11所示,VPN双栈接入的引入,改变了以往接口只能部署单一协议栈类型VPN的问题。VPN双栈接入下启用IPv4和IPv6地址族,使得与L3VPN绑定的同一接口既支持IPv4私网接入,又支持IPv6私网接入。VPN双栈接入,与基站和核心网地址协议解耦,实现当前用户侧业务现网平滑过渡到IPv6承载。当前PTN/SPN设备可通过软件升级支持6VPE双栈部署能力。

●SPN网络侧IPv6部署方案一:直接切换IPv6控制面

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图12  SPN网络侧IPv6部署方案一:直接切换IPv6控制面

如图12所示,此方案的优点是业务最终全部走IPv6控制面,最终无需双栈维护;但缺点非常明显:一是需要对全网业务进行切换,部分改造过程会导致业务受损;二是改造工程量巨大周期长;三是存在部分节点不支持IPv6控制面,需要进行替换后才可行;四是切换中需要消耗资源翻倍,会存在重负荷站点不能满足而无法切换。

●SPN网络侧IPv6部署方案二:双栈共存演进

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图13  SPN网络侧IPv6部署方案二:双栈共存演进

如图13所示,此方案的优点是对现网业务无修改,充分保障原有现网业务安全,同时改造过程可控,工程量和实施代价相对较小。缺点是存在部分节点不支持IPv6控制面,需要进行替换后才可行,另外需要长期维护双栈控制面,对设备规格存在较高要求。

●SPN网络侧IPv6部署方案三:新建网络部署IPv6控制面

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图14  SPN网络侧IPv6部署方案三:新建网络部署IPv6控制面

如图14所示,此方案的优点是纯新建网络直接部署公网控制面,无双栈运维复杂性,不需要复杂的改造过程。缺点是只适合全新建网络;V6控制面部分协议还未定义细节扩展,不够成熟。

SPN L3VPN网络侧IPv6演进策略建议

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如图15所示,笔者提出SPN L3VPN网络侧IPv6演进策略的三方面建议。

一是扩容场景。扩容场景利旧大量现网设备,初期基于实际流量按需扩容接入环、汇聚环。业务上仍然采用静态L2+L3方案,不支持SR、FlexE等5G SPN新特性,满足5G eMBB初期承载。由于部分老设备不支持控制面IPv6,且现网已部署IPv4控制面且无控制面协议,静态隧道仍建议采用MPLS—TP隧道,不部署IPv6控制面。

二是升级场景。升级场景对现有PTN设备进行升级、替换后,支持SPN特性能力,承载5G业务流量。设备升级、替换后,PTN设备演进到SPN设备,具备控制面IPv6特性能力。基于现网大量的存量业务仍采用IPv4控制面进行部署,直接切换IPv6控制面导致大量的业务割接,对现网业务会造成冲击,建议仍继续使用IPv4控制面部署。

三是新建场景。全新建场景,所有设备均具备软件升级到IPv6控制面特性的能力,且已部署IPv4控制面场景,建议保留IPv4控制面,避免切换。还未部署IPv4控制面的场景,建议直接部署IPv6控制面,业务全部使用V6隧道和V6路由。

结语

秉承“新架构、新服务和新运营”愿景的SPN 5G传输解决方案,支持全新的云服务传输和敏捷网络运营。SPN使用高效的以太网生态系统来提供低成本和高带宽的传输通道,通过L3VPN架构及部署、保护方案、IPv6演进等方式,有效地集成多层网络技术,SPN可以传输L0—L3服务和进行软/硬管道切片。SPN网络基于SDN的集中管理和控制,为用户提供了一个开放、敏捷、高效的网络操作系统,使我们的生活更加信息化、智能化,也更便捷。

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