1 引言

5G時代涌現(xiàn)出一些新的服務(wù)需求，如虛擬現(xiàn)實、智能農(nóng)業(yè)和自動駕駛等大速率、廣連接和低時延的業(yè)務(wù)，新的業(yè)務(wù)需求需要5G承載網(wǎng)進行支撐。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、管理控制和靈活調(diào)度等功能，還要提供可靠性、帶寬、時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，同時兼顧網(wǎng)絡(luò)投資回報，將承載網(wǎng)的整體利用率保持在一個合理的水平，避免業(yè)務(wù)需求和傳輸容量的失配，因此實際商用時可以將5G PTN/SPN承載網(wǎng)絡(luò)大致分為初期、中期和后期三個階段，合理地使用擴容和升級等漸進式投資方式，而不要盲目地進行全面、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擴容加局部新建方案。如圖1所示，據(jù)估算在單個接入環(huán)下掛12個5G基站的時候，接入環(huán)帶寬需要8 Gb/s左右，因此接入層在熱點區(qū)域可新建10/50GE接入環(huán)，匯聚核心環(huán)可以按需擴容至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/擴容或新建SPN方案，PTN升級或新建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)拓撲以環(huán)形拓撲為主、鏈型拓撲為輔；在匯聚層采用100GE/N＊100GE組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓撲以口字型拓撲為主、1+1鏈型鏈型拓撲為輔；在采用NSA組網(wǎng)時，5G承載網(wǎng)絡(luò)要與4G的承載網(wǎng)絡(luò)互通，互通點一般選在PTN二轉(zhuǎn)三的骨干匯聚節(jié)點/核心節(jié)點上。

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SPN綜合承載平面承載，最終形成一張承載網(wǎng)絡(luò)的拓撲架構(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)議用來實時搜集網(wǎng)絡(luò)拓撲狀態(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）路由計算方法的鏈路狀態(tài)協(xié)議，即以本地節(jié)點為根，依據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)生成一棵SPT(最短路徑樹)，從而計算出本地節(jié)點到網(wǎng)絡(luò)中所有目的節(jié)點的最短路徑。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)值選定某對城域核心節(jié)點[4]。

L3到邊緣接入的鏈路保護方案為端到端部署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保護策略能有效保護南北向業(yè)務(wù)。當主用SR-TP OAM探測到部分路由發(fā)生故障時，就會觸發(fā)SR-TP APS 保護倒換，控制器不需要對工作隧道進行重新算路，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)生故障時控制器對保護隧道重新算路，拓撲發(fā)生變化，業(yè)務(wù)倒換到新生成的保護隧道路徑上，倒換時間在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隧道在實際部署時需遵循以下幾條原則：對于骨干匯聚節(jié)點到城域核心節(jié)點的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；對于普通匯聚節(jié)點到骨干匯聚節(jié)點的SR-TP隧道，其工作隧道優(yōu)先經(jīng)過匯聚環(huán)，保護隧道經(jīng)過骨干匯聚互連，不能繞行接入環(huán)；對于接入點到骨干匯聚節(jié)點的SR-TP隧道，其工作隧道不經(jīng)過骨干匯聚互連鏈路，保護隧道經(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的拓撲信息，使用最短路徑算法計算出最優(yōu)的標簽轉(zhuǎn)發(fā)路徑，可以實現(xiàn)東西向流量就近轉(zhuǎn)發(fā)。SR-BE隧道能自動生成Ti-LFA（與拓撲無關(guān)的無環(huán)交替）保護，Ti-LFA在每個IGP域中預(yù)先自動計算每個節(jié)點的備份路徑，當工作鏈路故障時，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)點的Node標簽和節(jié)點之間的鄰接標簽，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)使用顯式路徑表達備份路徑，不受網(wǎng)絡(luò)拓撲的影響；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Ti-LFA備份路徑通過IGP SR實現(xiàn)，不需要維護額外的狀態(tài)和增加額外的協(xié)議，一般Ti-LFA倒換時間在50 ms以內(nèi)[5]。如圖6所示，SR-BE隧道在實際部署時需遵循以下幾條原則：骨干匯聚點之間的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)點保護方案為每個節(jié)點都部署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。當主路由節(jié)點故障時，通過檢查LSP隧道狀態(tài)，當發(fā)現(xiàn)最優(yōu)路由隧道狀態(tài)為不可用時，報文就會被打上次優(yōu)路由信息的內(nèi)層標簽，沿著次優(yōu)路由的外層LSP隧道進行交換，從而恢復(fù)源節(jié)點和目的節(jié)點之間的業(yè)務(wù)，實現(xiàn)節(jié)點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。

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

3.2 L2+動態(tài)L3VPN保護策略

“L2+動態(tài)L3VPN” 保護策略多用在5G商用初期PTN擴容方案中，如圖7所示，骨干匯聚節(jié)點和城域核心節(jié)點之間部署動態(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策略相同。接入節(jié)點和骨干匯聚節(jié)點之間部署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的保護方案。MC-LAG（跨設(shè)備鏈路聚合組）是一種實現(xiàn)跨設(shè)備的鏈路聚合機制,能夠?qū)崿F(xiàn)多臺設(shè)備之間的鏈路聚合,把鏈路可靠性從單板級別提高到設(shè)備級別,組成了雙活系統(tǒng),一方面可以起到負荷分擔業(yè)務(wù)流量的功能,另一方面也起到了備份保護的作用。MC-PW APS通過PW OAM報文來檢測業(yè)務(wù)通道的是否正常，鏈路發(fā)生故障的時候相鄰兩個站點間通過APS報文交互完成倒換，倒換時業(yè)務(wù)中斷小于50 ms[6]。

圖7 L2+動態(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。目前5G承載網(wǎng)有“L2+動態(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)議分別保護南北向鏈路業(yè)務(wù)和東西向鏈路業(yè)務(wù)，同時還通過部署VPN FRR協(xié)議進行節(jié)點保護，因此能夠?qū)?G業(yè)務(wù)提供充分的保護。