楊振東,馮銘能(.中國聯(lián)通廣東分公司,廣東廣州 5067;.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司,廣東廣州 5067)
目前移動互聯(lián)網(wǎng)快速發(fā)展,對低延遲、無擁塞、高質(zhì)量的QoS 保障需求愈加迫切,現(xiàn)網(wǎng)的QoS 保障方式已不能滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需要,需要一種新型的QoS 保障系統(tǒng)和方法來滿足業(yè)務(wù)快速發(fā)展的需要。
隨著互聯(lián)網(wǎng)+的高速發(fā)展,用戶對移動互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)質(zhì)量及有線網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求越來越高,希望可以實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)的低延遲、無擁塞、高質(zhì)量服務(wù);隨著IP網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展,最初以承載為主要功能的IP 網(wǎng)絡(luò)正漸漸地轉(zhuǎn)變?yōu)橐蕴峁┎町惢鲋捣?wù)為主要功能的網(wǎng)絡(luò)。
電信運營商傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用專用硬件設(shè)備,難以支撐日新月異的互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用快速部署和業(yè)務(wù)創(chuàng)新的需求,而NFV 將云計算引入到電信網(wǎng)絡(luò),能大幅提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性。SDN 通過基于軟件編程的SDN 控制器來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能的集中化,SDN 控制器向編排層開放接口,可支撐軟件編程控制的各類業(yè)務(wù)。隨著NFV/SDN 發(fā)展,網(wǎng)絡(luò)層級分為轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層、編排層,為基于業(yè)務(wù)編排的QoS保障提供了部署條件。
在5G 網(wǎng)絡(luò)高容量熱點場景中,用戶體驗速率達1 Gbit/s,峰值速率達10 Gbit/s,流量密度每平方千米達10 Tbit/s,這將對無線回傳網(wǎng)絡(luò)造成巨大的壓力,需要將業(yè)務(wù)平臺向網(wǎng)絡(luò)邊緣下沉,實現(xiàn)業(yè)務(wù)的本地處理。需要通過業(yè)務(wù)編排器對5G/4G 邊緣云應(yīng)用進行QoS 保障。MEC(Mobile Edge Computing)可助力運營商搭建與OTT 或應(yīng)用開發(fā)商合作的橋梁。運營商可以將網(wǎng)絡(luò)能力封裝成各種服務(wù)(如位置服務(wù)、帶寬管理服務(wù)等)開放給第三方,而基于MEC 的QoS 保障能力也是可以同步部署并開放的。
業(yè)務(wù)編排器負責(zé)資源的分配及業(yè)務(wù)的編排部署。業(yè)務(wù)編排器為運營商提供了資源和業(yè)務(wù)的統(tǒng)一視圖,對全網(wǎng)資源進行有效的管理和調(diào)度。通過業(yè)務(wù)編排器可以進行全程全網(wǎng)、跨層跨域、端到端、多業(yè)務(wù)、快速高效的QoS保障。
現(xiàn)有的QoS 保障采用對骨干網(wǎng)、城域網(wǎng)或IP RAN等分段保障的機制,不是端到端的保障。僅支持對某一類業(yè)務(wù)的保障,比如基于PCF/PCRF 對移網(wǎng)用戶的QoS 保障,不支持對固移綜合業(yè)務(wù)的QoS 保障。不同業(yè)務(wù)有不同的QoS 保障需求,網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保障等級和個性化定制化的業(yè)務(wù)需求之間不能滿足一一匹配的要求,所以對業(yè)務(wù)進行端到端靈活的QoS 保障成了運營商要解決的重點問題。
a)當(dāng)前城域網(wǎng)因網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)原因,跨AS(Autonomous System)域流量經(jīng)過骨干網(wǎng)設(shè)備過程中QoS 標(biāo)記會被抹去,導(dǎo)致端到端的QoS部署困難,體現(xiàn)在:
(a)骨干網(wǎng)不信任城域網(wǎng)的QoS 標(biāo)記,經(jīng)過骨干網(wǎng)的一跳并未提供相應(yīng)的QoS 保障,不是完整意義上的端到端QoS保障。
(b)跨AS 域流量在經(jīng)過骨干網(wǎng)時QoS 標(biāo)記不連續(xù),導(dǎo)致必須在城域網(wǎng)出口路由器以及IDC 路由設(shè)備上基于源或目地IP 地址標(biāo)記QoS 等級,而客戶需要保障的IP 地址經(jīng)常變化,手動配置的方式增加工作負擔(dān)。
(c)城域網(wǎng)出口路由器上已有很多安全相關(guān)配置,頻繁增加/修改QoS配置容易出現(xiàn)安全事件。
b)現(xiàn)有的網(wǎng)管不支持批量配置下發(fā),啟用QoS 的難度主要在配置工作量層面。QoS 標(biāo)記的信任與映射、設(shè)備內(nèi)隊列等,采用逐端口修改模式,需要大量的配置修改。
c)沒有全網(wǎng)端到端的QoS 保障機制,只有分段保障,在這一段保障的業(yè)務(wù)不能在下一段得到保障;沒有云網(wǎng)協(xié)同的QoS保障機制,無法對云業(yè)務(wù)進行保障。
d)現(xiàn)網(wǎng)對移網(wǎng)或固網(wǎng)采用單獨QoS 保障,沒有綜合業(yè)務(wù)保障的能力,無法實現(xiàn)固移業(yè)務(wù)綜合保障。
e)QoS保障能力沒有向第三方開放和實現(xiàn)能力變現(xiàn)。
為解決以上問題,需要一個新的QoS 質(zhì)量保障系統(tǒng),為全網(wǎng)提供端到端的全業(yè)務(wù)QoS保障,并進行云網(wǎng)協(xié)同的QoS保障,提升業(yè)務(wù)體驗。
通過在全國核心云和省級核心云部署業(yè)務(wù)編排器,實現(xiàn)分層架構(gòu)的端到端QoS保障(見圖1)。
邊緣云部署固移綜合承載網(wǎng)絡(luò),很好地滿足了邊緣云接入、安全、計費、QoS 保障等方面的需求。將UPF、移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)網(wǎng)關(guān)U面,即UP(SPGW-U)和多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)U 面(MSG-U)下沉部署在邊緣節(jié)點,移網(wǎng)及固網(wǎng)所有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(不含VoLTE)在匯聚節(jié)點由MSG-U 統(tǒng)一接入邊緣云或互聯(lián)網(wǎng)。SPGW-C、SMF/AMF、PCF/PCRF(移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)服務(wù)網(wǎng)關(guān)C 面,即CP)全省集中部署,負責(zé)移網(wǎng)業(yè)務(wù)控制。固網(wǎng)轉(zhuǎn)控分離,由MSG-U 統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā),控制層由全省或地(市)集中部署的多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)C面(MSG-C)統(tǒng)一負責(zé)。
業(yè)務(wù)需求與業(yè)務(wù)特征,對QoS規(guī)劃有重要影響,因而在考慮QoS 規(guī)劃前,應(yīng)首先根據(jù)業(yè)務(wù)需求和特征對其進行分類。其后,再考慮各項業(yè)務(wù)的QoS規(guī)劃,以及部分業(yè)務(wù)是否可以共用QoS隊列。根據(jù)各項業(yè)務(wù)的特點,對業(yè)務(wù)類型進行劃分,并匹配對應(yīng)的QoS 保障策略。
全國業(yè)務(wù)編排器與骨干網(wǎng)路由器、省級業(yè)務(wù)編排器對接,編排指令下發(fā),負責(zé)骨干網(wǎng)設(shè)備的QoS 保障,調(diào)用省級業(yè)務(wù)編排器的QoS保障能力;與互聯(lián)網(wǎng)SP/CP應(yīng)用平臺對接,提供API接口實現(xiàn)能力開放。
圖1 基于分層架構(gòu)的端到端QoS保障系統(tǒng)架構(gòu)
省級業(yè)務(wù)編排器與全國業(yè)務(wù)編排器、省分/地(市)核心云、地(市)邊緣云、省內(nèi)核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、寬帶網(wǎng)等對接,負責(zé)QoS 保障能力落地;與互聯(lián)網(wǎng)SP/CP應(yīng)用平臺對接,提供API接口實現(xiàn)能力開放。
省級業(yè)務(wù)編排器與各平臺設(shè)備對接,主要完成如下工作。
3.3.1 與移網(wǎng)核心網(wǎng)設(shè)備PCF/PCRF對接
業(yè)務(wù)編排器與PCF/PCRF 對接,為5G/4G 用戶提供網(wǎng)絡(luò)加速和QoS保障服務(wù)。編排器向第三方提供標(biāo)準(zhǔn)和互聯(lián)網(wǎng)化的REST/JSON 接口,簡化了第三方的集成難度。通過QoS 保障時延優(yōu)化:為手游電競、證券、移動視頻類業(yè)務(wù)打上高優(yōu)先級5QI(5G QoS Indicator)、QCI(QoS Class Identifier)標(biāo)識,通過差異化調(diào)度策略對報文數(shù)據(jù)進行優(yōu)先調(diào)度。通過業(yè)務(wù)編排器,將PCC(Policy Control and Charging)保障策略開放給第三方,為第三方應(yīng)用動態(tài)申請差異化的PCC 保障策略,如設(shè)定5QI 或QCI 保障等級、用戶接入資源分配保持優(yōu)先級(ARP)和數(shù)據(jù)流帶寬等。PCF/PCRF 支持下達QoS策略給UPF/SPGW-U,包括GBR/MBR/5QI/QCI/ARP 等參數(shù)的配置和調(diào)整。
核心網(wǎng)側(cè):UPF/SMF/SPGW 根據(jù)PCF/PCRF 下發(fā)的QoS 策略發(fā)起5QI flow 或QCI 專載建立流程,通過UPF/SMF/SPGW 傳遞到無線側(cè),并根據(jù)無線側(cè)的反饋建立承載專用網(wǎng)絡(luò)。核心網(wǎng)元UPF/SPGW 需支持5QI/QCI至差分服務(wù)代碼點(DSCP)映射。
無線側(cè):以手游業(yè)務(wù)為例,根據(jù)核心網(wǎng)觸發(fā)的5QI flow 或QCI 專載建立流程為手游用戶建立專載網(wǎng)絡(luò)并反饋結(jié)果給核心網(wǎng)。核心網(wǎng)與無線網(wǎng)共同組成專用網(wǎng)絡(luò),與公網(wǎng)手游服務(wù)器連接共同承載手游端到端數(shù)據(jù)流?;拘柚С?QI/QCI至DSCP映射。
3.3.2 與城域網(wǎng)設(shè)備對接
與城域網(wǎng)核心路由器CR、BRAS/MSG 對接,完成如下工作。
與CR 交互:在業(yè)務(wù)流分類上,編排器發(fā)送配置指令給CR,將上行、下行業(yè)務(wù)流量在CR 處基于源IP、目的IP 等特征部署流分類,將特殊業(yè)務(wù)報文優(yōu)先級重標(biāo)記為高優(yōu)先級,即根據(jù)源IP 地址、目的IP 地址為特殊業(yè)務(wù)流做QoS 標(biāo)記。然后根據(jù)QoS 標(biāo)記進行隊列調(diào)度,隊列調(diào)度可采用相應(yīng)的調(diào)度算法,同時將QoS標(biāo)記傳遞到下一層級設(shè)備。
與BRAS/MSG 交互:在業(yè)務(wù)流分類上,編排器發(fā)送配置指令給BRAS/MSG,上下行流量信任上游設(shè)備報文優(yōu)先級。在優(yōu)先級處理上,上行流量,將固網(wǎng)寬帶802.1p優(yōu)先級映射為IP頭域DSCP值,同時將QoS標(biāo)識傳遞到上層設(shè)備;下行流量,將QoS 標(biāo)識IP 頭域DSCP值映射為802.1p 傳遞到固網(wǎng)寬帶設(shè)備。在流量監(jiān)管上,配置QoS模板,為上下行特殊業(yè)務(wù)進行承諾信息速率(CIR)限速。當(dāng)MSG-U 和UPF/SPGW-U 互聯(lián)時,信任對端傳遞的IP頭域DSCP值。
3.3.3 與IP RAN設(shè)備對接
匯聚節(jié)點距離無線基站、有線CPE 約10 km,光回傳網(wǎng)絡(luò)的傳輸時延通常在0.1 ms 以內(nèi)(7 ms/1 000 km),光傳輸時延可以忽略不計。影響用戶體驗主要因素是擁塞、誤碼和時延,需要部署QoS 策略:IP RAN QoS 保障可通過調(diào)用編排協(xié)同器的QoS 保障能力,在IP RAN 匯聚設(shè)備配置GTP-U 外層IP 頭域DSCP 值,或信任上游設(shè)備傳遞過來的參數(shù);IP RAN 接入設(shè)備信任上游設(shè)備傳遞過來的GTP-U 外層IP 頭域DSCP 值,映射到MPLS EXP 對應(yīng)比特,基于VPN 網(wǎng)絡(luò)進行QoS 調(diào)度。
QoS配置主要涉及3個方面的問題:劃分業(yè)務(wù)并進行QoS 標(biāo)記、進入IP RAN 時QoS 標(biāo)記的信任與映射、IP RAN內(nèi)QoS隊列配置。
業(yè)務(wù)的分類與標(biāo)記,需要按需配置。例如專線類需要在業(yè)務(wù)接入點添加配置;移網(wǎng)業(yè)務(wù)則需要核心網(wǎng)、無線網(wǎng)設(shè)備做配合,在IP RAN 外部打好QoS 標(biāo)記。QoS 標(biāo)記的信任與映射,需要統(tǒng)一配置,IP RAN 的QoS策略主要基于信任QoS 標(biāo)記執(zhí)行,需要在IP RAN 入口進行配置。設(shè)備內(nèi)QoS隊列,需要統(tǒng)一配置,涉及隊列調(diào)度、權(quán)重、限速、丟棄規(guī)則等問題,各廠家有其缺省配置,且各型號設(shè)備也會有差異。
IP RAN 應(yīng)透傳業(yè)務(wù)的QoS 標(biāo)記,即IP RAN 內(nèi)部的QoS 操作(如信任/不信任、重標(biāo)記等)不應(yīng)修改業(yè)務(wù)原始報文的QoS標(biāo)記。
3.3.4 與寬帶接入設(shè)備交互
省級編排器與光線路終端(OLT)控制器交互。在流分類上,每條業(yè)務(wù)流基于服務(wù)商VLAN(SVLAN)標(biāo)簽標(biāo)記802.1p,或者信任上游設(shè)備傳遞過來的SVLAN報文優(yōu)先級;在流量監(jiān)管上,可為特殊業(yè)務(wù)建立獨立的GEMPORT(GPON 中一種虛擬的接口,業(yè)務(wù)虛端口),將該業(yè)務(wù)流映射到該GEMPORT,不同SVLAN 業(yè)務(wù)流通過映射到不同的GEMPORT 端口實現(xiàn)區(qū)分;在隊列調(diào)度上,根據(jù)802.1p COS(Code Of Service)字段優(yōu)先級進行調(diào)度。編排器可基于不同SVLAN 進行差異化的QoS質(zhì)量保障。
3.3.5 與IDC機房出口設(shè)備交互、云管平臺交互
省級編排器與省級/地(市)核心云(IDC 機房)出口路由交換設(shè)備交互,在IDC 出口設(shè)備標(biāo)記數(shù)據(jù)流量的QoS 等級,為符合一定業(yè)務(wù)規(guī)則的業(yè)務(wù)流提供高QoS保障。
3.3.6 與互聯(lián)網(wǎng)SP/CP應(yīng)用平臺對接,API能力開放
業(yè)務(wù)編排器向第三方應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)和互聯(lián)網(wǎng)化的REST/JSON API 接口,由第三方應(yīng)用根據(jù)業(yè)務(wù)需要動態(tài)申請QoS保障,簡化了第三方的集成難度,第三方應(yīng)用需支持API接口。
業(yè)務(wù)編排器對接移網(wǎng)和固網(wǎng)設(shè)備,對網(wǎng)絡(luò)能力進行標(biāo)準(zhǔn)化,轉(zhuǎn)化為第三方可以快速、低門檻調(diào)用的API接口,滿足第三方動態(tài)調(diào)用移網(wǎng)、固網(wǎng)智能管道的需求,為各類應(yīng)用的用戶提供帶寬提速、QoS 保障等服務(wù)。
通過全國、省級業(yè)務(wù)編排器分工協(xié)作,實現(xiàn)全程全網(wǎng)、端到端、跨層跨域QoS 保障,其中全國業(yè)務(wù)編排器負責(zé)骨干網(wǎng)設(shè)備的QoS質(zhì)量保障以及調(diào)用省級業(yè)務(wù)編排器的QoS 保障能力;省級業(yè)務(wù)編排器負責(zé)省內(nèi)各業(yè)務(wù)網(wǎng)的QoS 保障落地實施。通過分層級的編排器平臺,實現(xiàn)對全網(wǎng)的QoS保障。
省中心集中部署的網(wǎng)關(guān)UPF 或SPGW-U 下沉至邊緣云,固移業(yè)務(wù)在邊緣云由多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)MSG 實現(xiàn)接入和轉(zhuǎn)發(fā)。
移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通過本地IP RAN 的接入環(huán)、匯聚環(huán)收斂后接入UPF/SPGW-U,完成移動業(yè)務(wù)請求的封裝,并接入多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)MSG-U訪問互聯(lián)網(wǎng)。省去本地IP RAN 一個層級、本地承載網(wǎng)及骨干承載網(wǎng)所有層級,實現(xiàn)移網(wǎng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)承載的高度扁平化。
固網(wǎng)業(yè)務(wù)包含寬帶業(yè)務(wù)、IPTV 業(yè)務(wù)、專線業(yè)務(wù)及VPN業(yè)務(wù),原來通過BRAS、SR、PE、BNG等設(shè)備匯聚接入,現(xiàn)統(tǒng)一由多業(yè)務(wù)匯聚網(wǎng)關(guān)MSG-U 接入和承載。MSG 可以有效地實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制分離。MSG-U 分布在邊緣云,負責(zé)移網(wǎng)和固網(wǎng)業(yè)務(wù)的接入和承載。
PCF/PCRF/SMF/AMF/SPGW-C 和MSG-C 在省中心或地(市)核心機房集中部署,負責(zé)區(qū)域內(nèi)UPF/SPGW-U 和MSG-U 管理控制,實現(xiàn)資源的集中控制及統(tǒng)一配置、業(yè)務(wù)快捷開通。
業(yè)務(wù)編排器通過對MSG、PCF/PCRF、UPF/SPGW、IP RAN、寬帶接入網(wǎng)、無線等網(wǎng)元的配置,實現(xiàn)對固網(wǎng)和移網(wǎng)業(yè)務(wù)QoS綜合保障。
運營商充分發(fā)揮豐富的移網(wǎng)、固網(wǎng)接入網(wǎng)資源和本地化支撐服務(wù)的優(yōu)勢,向第三方提供基于IaaS/PaaS層邊緣云資源和多業(yè)務(wù)接入網(wǎng)資源的云網(wǎng)一體化產(chǎn)品,實現(xiàn)邊緣云和接入網(wǎng)能力開放和變現(xiàn)。運營商可以允許第三方接入邊緣云的基礎(chǔ)設(shè)施進行應(yīng)用開發(fā),在邊緣云部署各類應(yīng)用,比如云游戲,物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用、高清視頻等內(nèi)容,為用戶提供低時延、大帶寬的高品質(zhì)服務(wù)。
通過將包含第三方熱點應(yīng)用的內(nèi)容部署在邊緣云,接入MSG-U。對于訪問已分發(fā)至邊緣云熱點內(nèi)容的移動和固網(wǎng)業(yè)務(wù)請求,由邊緣云就近提供服務(wù),減少了MSG-U以上層次網(wǎng)絡(luò)的帶寬占用。另外,對于某些應(yīng)用(比如視頻監(jiān)控、安全監(jiān)控、大數(shù)據(jù)分析等)需要將大量的數(shù)據(jù)存儲在網(wǎng)絡(luò)邊緣,邊緣云的第三方應(yīng)用可以做分析和預(yù)處理,將原始數(shù)據(jù)進行抽象、壓縮和緩存,再送往核心云,大大減少送往核心云的數(shù)據(jù)流量,節(jié)省傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬。
業(yè)務(wù)編排器可以通過移動網(wǎng)、城域網(wǎng)、IP RAN、寬帶接入網(wǎng)的QoS 保障,為邊緣云業(yè)務(wù)提供更高QoS 的服務(wù),支持邊緣云個性化的業(yè)務(wù)需求。
通過業(yè)務(wù)編排器實現(xiàn)全網(wǎng)各網(wǎng)元的QoS統(tǒng)一配置下發(fā),大大減輕了逐臺設(shè)備手工配置的工作量,提高了業(yè)務(wù)響應(yīng)和新產(chǎn)品上線速度,提高了網(wǎng)絡(luò)自動化運營水平,提升了業(yè)務(wù)支撐能力。
網(wǎng)絡(luò)QoS 保障能力向第三方開放,為網(wǎng)絡(luò)能力變現(xiàn)提供了條件,支持政企客戶和互聯(lián)網(wǎng)CP/SP 根據(jù)業(yè)務(wù)運行情況進行動態(tài)地QoS調(diào)度。業(yè)務(wù)編排器屏蔽底層通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的差異化配置問題,向第三方應(yīng)用提供標(biāo)準(zhǔn)和互聯(lián)網(wǎng)化的REST/JSON API 接口,由第三方根據(jù)業(yè)務(wù)需求動態(tài)調(diào)用QoS 保障能力,簡化了第三方的集成難度。滿足第三方動態(tài)調(diào)用移網(wǎng)、固網(wǎng)智能管道質(zhì)量保障的需求,為各類應(yīng)用所服務(wù)的用戶提供動態(tài)帶寬加速、QoS保障等服務(wù)。
本文對互聯(lián)網(wǎng)+、SDN/NFV、MEC 邊緣云及業(yè)務(wù)編排器的發(fā)展趨勢進行分析,并對現(xiàn)有的QoS 質(zhì)量保障方案進行分析,研究一種基于分層架構(gòu)的端到端QoS保障系統(tǒng)與方法,通過省級業(yè)務(wù)編排器與全國業(yè)務(wù)編排器、省級/地(市)核心云、地(市)邊緣云、核心網(wǎng)、城域網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、寬帶網(wǎng)對接,與互聯(lián)網(wǎng)SP/CP 應(yīng)用平臺對接,提供API接口實現(xiàn)能力開放,實現(xiàn)全程全網(wǎng)端到端的QoS保障。