索文斌

（安徽電信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

現(xiàn)階段電信運(yùn)營商以公眾業(yè)務(wù)提供為主，主導(dǎo)業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，業(yè)務(wù)需求明確，網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)可控。而隨著社會(huì)的發(fā)展，電信運(yùn)營商未來將面向萬物互聯(lián)與云業(yè)務(wù)，以云商/軟件定義廣域網(wǎng)為代表的云服務(wù)提供商成為業(yè)務(wù)的主要需求方。云業(yè)務(wù)發(fā)展迅速、機(jī)制調(diào)整靈活、創(chuàng)新應(yīng)用快，但同時(shí)對網(wǎng)絡(luò)性能的要求十分苛刻。5G時(shí)代，PAN+車聯(lián)網(wǎng)、智慧家庭+AR/VR應(yīng)用、Site-cloud+工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)需求不斷涌現(xiàn)，電信運(yùn)營商需要建設(shè)一種大帶寬、低時(shí)延、云網(wǎng)無縫對接的智能IP城域網(wǎng)來滿足業(yè)務(wù)發(fā)展需求[1]。

1 城域網(wǎng)現(xiàn)狀分析

1.1 城域網(wǎng)架構(gòu)現(xiàn)狀

某省電信IP城域網(wǎng)為路由型網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用“核心層出口路由器/核心路由器（Core Router，CR）＋業(yè)務(wù)控制層/多業(yè)務(wù)邊緣路由器（Multi-Service Edge，MSE）、寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（Broadband Remote Access Server，BRAS）、全業(yè)務(wù)路由器（Service Router，SR）+接入層/光線路終端（Optical Line Terminal，OLT）”的3層組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淙鐖D1所示。

圖1 某省電信IP城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/p>

該省IP城域網(wǎng)采用綜合業(yè)務(wù)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(wù)。城域網(wǎng)內(nèi)部承載語音、數(shù)據(jù)以及視頻等業(yè)務(wù)，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(wǎng)IP地址，同時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換（Network Address Translation，NAT）功能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)類業(yè)務(wù)終端訪問公網(wǎng)，公眾客戶、政企客戶均通過PPPoE認(rèn)證方式訪問。

1.2 現(xiàn)有城域網(wǎng)問題分析

基于現(xiàn)有的IP城域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，主要問題表現(xiàn)在以下4個(gè)方面。

（1）網(wǎng)絡(luò)剛性。業(yè)務(wù)獨(dú)立運(yùn)營，業(yè)務(wù)控制層中許多設(shè)備和系統(tǒng)為垂直封閉建設(shè)（如專用網(wǎng)元設(shè)備、與硬件緊耦合的網(wǎng)絡(luò)功能和對應(yīng)的控制單元等），使得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜，不夠靈活。

（2）網(wǎng)元封閉。網(wǎng)元采用封閉式架構(gòu)，垂直整合軟件和硬件，設(shè)備功能不易擴(kuò)展、價(jià)格昂貴且容易被設(shè)備制造商鎖定。

（3）業(yè)務(wù)煙囪。提供新的服務(wù)和功能需要開發(fā)新的設(shè)備和協(xié)議，導(dǎo)致設(shè)備類型和網(wǎng)絡(luò)數(shù)量眾多，形成大量的煙囪群，業(yè)務(wù)難以融合。與此同時(shí)，新業(yè)務(wù)開發(fā)困難，不能滿足新業(yè)務(wù)快速部署的需求。

（4）運(yùn)營復(fù)雜。設(shè)備制造商和各類專用設(shè)備眾多，增加了網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)的難度，同時(shí)運(yùn)營成本較高。

2 新型IP城域網(wǎng)架構(gòu)研究

2.1 業(yè)務(wù)需求分析

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

2.2 新型IP城域網(wǎng)架構(gòu)分析

構(gòu)建融合、敏捷、簡潔、智能、云化且安全的新型城域網(wǎng)，以云為核心組網(wǎng)，采用積木式模塊化架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)架構(gòu)彈性擴(kuò)展、云網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)化對接、用戶集中式處理，滿足固移融合、云網(wǎng)融合發(fā)展需求。新型IP城域網(wǎng)架構(gòu)如圖2所示。

圖2 新型IP城域網(wǎng)架構(gòu)

新型城域網(wǎng)模塊化組件包括城域接入?yún)R聚點(diǎn)（Point Of Delivery，POD）、云網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)（Point Of Presence，POP）和POD出口功能區(qū)。

（1）城域POD。區(qū)域內(nèi)全業(yè)務(wù)融合承載，采用葉脊（Spine-Leaf）網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)流量快速疏導(dǎo)與橫向彈性擴(kuò)展。其中，A-Leaf提供固定/移動(dòng)用戶、邊緣云等全業(yè)務(wù)的就近接入，Spine實(shí)現(xiàn)Leaf匯聚與流量轉(zhuǎn)發(fā)，Leaf-Leaf之間通過SRv6+EVPN實(shí)現(xiàn)入云、云間等流量快速轉(zhuǎn)發(fā)。

（2）云網(wǎng)POP。部署DC-Leaf/S-Leaf實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)與云資源池標(biāo)準(zhǔn)化對接，接入Spine設(shè)備。

（3）POD出口功能區(qū)。由Spine和Super-Spine/B-leaf組成，與骨干網(wǎng)、業(yè)務(wù)平臺(tái)/核心網(wǎng)等外部網(wǎng)絡(luò)對接，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)差異化服務(wù)。國內(nèi)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)通過Spine直連骨干，Super-Spine只轉(zhuǎn)發(fā)多POD間互聯(lián)流量。初期考慮演進(jìn)復(fù)雜度，統(tǒng)一由Super-Spine直連骨干。

（4）轉(zhuǎn)控分離vBRAS池。由云化控制面（vBRAS-CP）、池化轉(zhuǎn)發(fā)面（vBRAS-UP）組成，實(shí)現(xiàn)光寬等固網(wǎng)業(yè)務(wù)。vBRAS-CP按城域網(wǎng)部署，vBRAS-UP按POD集中部署[3]。

2.3 發(fā)展思路

新型城域網(wǎng)是推動(dòng)2B/2C/2H全業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)型升級的基礎(chǔ)，采用新型組網(wǎng)架構(gòu)并引入新技術(shù)和新設(shè)備提高算力和應(yīng)用的綜合承載能力，支撐以邊緣云為中心的全業(yè)務(wù)生態(tài)建設(shè)。根據(jù)邊緣云布局設(shè)置城域Spine-Leaf節(jié)點(diǎn)，充分利用空間變換網(wǎng)絡(luò)（Spatial Transformer Network，STN）的設(shè)備，構(gòu)建新型城域網(wǎng)絡(luò)Spine-Leaf架構(gòu)，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(wù)，滿足邊緣云下沉，實(shí)現(xiàn)東西向流量高效疏導(dǎo)。引入轉(zhuǎn)控分離vBRAS池和SRv6/EVPN、FlexE等新設(shè)備和新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)2B/2C/2H全業(yè)務(wù)融合承載和差異化服務(wù)。同步開展網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營系統(tǒng)的升級改造，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)建設(shè)投資。

3 關(guān)鍵技術(shù)應(yīng)用

3.1 Spine-Leaf

Spine-Leaf起源于數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心使用3層架構(gòu)，由核心交換機(jī)、匯聚交換機(jī)以及接入交換機(jī)組成。在接入交換機(jī)和匯聚交換機(jī)之間運(yùn)行生成樹協(xié)議（Spanning Tree Protocol，STP），以保證網(wǎng)絡(luò)的二層部分沒有環(huán)路。而現(xiàn)代數(shù)據(jù)中心的計(jì)算和存儲(chǔ)基礎(chǔ)設(shè)施已經(jīng)不是單純的不同網(wǎng)段之間通信，內(nèi)外網(wǎng)的通信和網(wǎng)絡(luò)段分布在多個(gè)接入交換機(jī)，要求主機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)互連[4]。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)和通信網(wǎng)絡(luò)在同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)中。主機(jī)和陣列之間的數(shù)據(jù)通過儲(chǔ)存網(wǎng)絡(luò)來傳輸，在邏輯拓?fù)渖暇拖裰苯舆B接一樣。虛擬化服務(wù)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(zhuǎn)化，使網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)變得非常簡單。

橫向網(wǎng)絡(luò)在縱向設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲袀鬏敂?shù)據(jù)會(huì)遇到瓶頸，因?yàn)閿?shù)據(jù)要經(jīng)過許多路由交換設(shè)備等不必要的節(jié)點(diǎn)。由于生成樹協(xié)議會(huì)防止冗余鏈路存在環(huán)路，雙上行鏈路接入交換機(jī)只能使用一個(gè)指定的網(wǎng)絡(luò)接口。針對此類問題，引入基于Clos網(wǎng)絡(luò)的Spine-Leaf架構(gòu)（Clos Network-based Spine-Leaf Architecture）提供高帶寬、低延遲、非阻塞的服務(wù)器到服務(wù)器連接。在以上兩級架構(gòu)中，每個(gè)Leaf均與Spine連接，形成一個(gè)鄰居全互聯(lián)（Full-mesh）拓?fù)?。Leaf層為接入交換機(jī)，用于連接服務(wù)器等設(shè)備。Spine為網(wǎng)絡(luò)骨干層，連接所有Leaf。如果一個(gè)Spine出現(xiàn)問題，數(shù)據(jù)中心的吞吐性能只會(huì)輕微下降。如果某個(gè)鏈路流量占滿，通過增加Spine交換機(jī)的數(shù)量對每個(gè)Leaf的上行鏈路進(jìn)行擴(kuò)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(shè)備來擴(kuò)容接入層的端口數(shù)量，然后將其連接到每個(gè)Spine，做好對應(yīng)的配置。Spine-Leaf架構(gòu)易于擴(kuò)展，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)容十分方便。任意兩個(gè)服務(wù)器的連接經(jīng)過的設(shè)備數(shù)量相同，由此實(shí)現(xiàn)延遲可預(yù)測[5]。

在新型城域網(wǎng)中引入Spine-Leaf架構(gòu)可實(shí)現(xiàn)低成本的彈性擴(kuò)展，同時(shí)實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)用戶流量本地穿越，解決東西向流向問題，減輕城域骨干網(wǎng)絡(luò)上下行流量壓力，減少擴(kuò)容成本。Spine-Leaf具備網(wǎng)內(nèi)多鏈路負(fù)載分擔(dān)和節(jié)點(diǎn)冗余能力，使鏈路故障及節(jié)點(diǎn)故障影響范圍可控，有效提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。

3.2 FlexE

靈活以太網(wǎng)技術(shù)（Flex Ethernet，F(xiàn)lexE）通過在以太網(wǎng)媒體訪問控制層（Media Access Control，MAC）和物理層（Physical Layer，PHY）之間增加時(shí)分多路復(fù)用（Time Division Multiplexing，TDM）調(diào)度機(jī)制的FlexE Shim層，使MAC速率和物理層解耦，不再強(qiáng)制綁定，實(shí)現(xiàn)速率的靈活匹配，以滿足不同的網(wǎng)絡(luò)傳輸需求。FlexE技術(shù)不受其他專線長包的影響，嚴(yán)格按時(shí)隙發(fā)包，采用硬隔離方式保障帶寬，時(shí)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(diào)制，最大化光纖價(jià)值，降低光纖投資。

3.3 SRv6

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

4 結(jié) 論

通過對某省電信IP城域網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)現(xiàn)狀以及存在的問題進(jìn)行分析，結(jié)合未來業(yè)務(wù)場景演進(jìn)和固移融合發(fā)展趨勢，研究一種新型IP城域網(wǎng)架構(gòu)。通過引入新技術(shù)，打破原有基于網(wǎng)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以滿足云網(wǎng)融合、5G及物聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)的新型需求，為多業(yè)務(wù)融合承載提供大帶寬，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速開放，提升網(wǎng)絡(luò)效能。