IP RAN綜合承載網(wǎng)中引入SDN技術(shù)的應用研究*

尹遠陽，盧泉，楊廣銘，馬培勇

（中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630）

1 引言

隨著通信技術(shù)的發(fā)展，融合通信已經(jīng)成為信息社會發(fā)展的主旋律，語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)并重發(fā)展將是未來任何創(chuàng)新和發(fā)展的基礎(chǔ)，以TDM、ATM為主導的移動傳送網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)不能滿足當今移動互聯(lián)網(wǎng)時代數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展需求。同時用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)寬帶提速將成為商業(yè)發(fā)展的必然趨勢。統(tǒng)一IP/MPLS開放架構(gòu)的IP RAN綜合承載網(wǎng)絡(luò)逐漸備受關(guān)注。移動寬帶逐漸改變了人們的生活習慣，IP化的架構(gòu)也帶來了移動承載網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的轉(zhuǎn)變。根據(jù)無線網(wǎng)高帶寬、IP化接入的需求，新建IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)是一張專門為數(shù)據(jù)通信新業(yè)務(wù)而建的綜合承載網(wǎng)絡(luò)。但是在LTE 4G通信時代，由于高頻譜的使用，使得原有3G基站覆蓋的范圍需要更多的4G基站才能進行同樣的覆蓋，但是這樣將會帶來海量基站的接入管理。在IP RAN承載網(wǎng)的接入層需要更多的A設(shè)備對基站業(yè)務(wù)進行承接。在大范圍、廣覆蓋、高質(zhì)量的通信服務(wù)要求下，IP RAN網(wǎng)絡(luò)中海量設(shè)備的維護管理將會給網(wǎng)絡(luò)運維人員帶來巨大的困難。本文在現(xiàn)有技術(shù)發(fā)展和運維管理將要面對的難題的基礎(chǔ)上對IP RAN網(wǎng)絡(luò)引入SDN（Software Defined Networking，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）技術(shù)進行深入的研究，為后續(xù)的IP RAN網(wǎng)絡(luò)朝SDN化的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展提供理論指導。

2 IP RAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)展及面對的問題

IP RAN是指以IP/MPLS協(xié)議及關(guān)鍵技術(shù)為基礎(chǔ)，主要面向移動業(yè)務(wù)承載并兼顧提供二三層通道類業(yè)務(wù)承載，以省為單位，依托CN2骨干層，由城域的A、B、ER、BSC CE、EPC CE、MCE等設(shè)備組成的端到端的業(yè)務(wù)承載網(wǎng)絡(luò)。IP RAN由接入層、匯聚層、城域核心層、省核心層及MCE層組成，具體如圖1所示：

圖1 IP RAN綜合承載網(wǎng)絡(luò)基本架構(gòu)

業(yè)務(wù)承載接入A設(shè)備采用二層PW，從匯聚B設(shè)備到業(yè)務(wù)落地采用的是L3VPN，核心層設(shè)備主要集中在市及省干中心機房。IP RAN建立好后，全國約有300個本地網(wǎng)，匯聚B和接入A節(jié)點數(shù)將達數(shù)十萬臺。在這張網(wǎng)中同時集合了對多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的維護，隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的不斷擴大，IP RAN網(wǎng)絡(luò)將會出現(xiàn)以下幾個問題：

（1）超大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)運營

隨著4G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，更多基站將會部署，在一個典型城域網(wǎng)中，對于1萬基站的本地網(wǎng)，將要新增達1.5萬～2萬IP/MPLS設(shè)備來承載，這大大增加了運維人員的壓力。

（2）多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議維護

接入層A設(shè)備和匯聚層B設(shè)備之間運行了多種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，如IGP、BGP、LDP、RSVP-TE、PW、PWBFD、BFD for RSVP-TE、IGP-BFD、QoS等，這對網(wǎng)絡(luò)技術(shù)人員的要求較高，在網(wǎng)絡(luò)維護時需要掌握大量的協(xié)議和組網(wǎng)信息。雖然有較為完善的組網(wǎng)規(guī)范和相關(guān)指導性的技術(shù)文檔，但是對大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)的故障定位還是沒法直接進行管理，需要根據(jù)維護的大量協(xié)議來仔細分析，因此對故障進行定位維護有一定的難度。

（3）新業(yè)務(wù)的承載問題

現(xiàn)有技術(shù)的更新周期越來越短，隨著用戶需求、新的增值業(yè)務(wù)不斷變革式地發(fā)展，如何使IP RAN網(wǎng)絡(luò)適用于新業(yè)務(wù)的發(fā)展需求，實現(xiàn)業(yè)務(wù)快速開通等問題，也是IP RAN將要面對的挑戰(zhàn)。

（4）統(tǒng)一智能化管理

隨著SDN新技術(shù)的應用和發(fā)展，如何在現(xiàn)有的IP RAN網(wǎng)絡(luò)中使用SDN技術(shù)對IP RAN網(wǎng)絡(luò)中海量網(wǎng)元進行統(tǒng)一性管理，掌握全局網(wǎng)絡(luò)路由信息，實現(xiàn)流量智能化的調(diào)度、業(yè)務(wù)快速響應、故障快速定位等功能要求，這將是SDN化網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一智能化管理的關(guān)鍵。SDN化的IP RAN網(wǎng)絡(luò)階段化的技術(shù)演進也是后續(xù)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中需要長期考慮和研究的問題。

針對IP RAN網(wǎng)絡(luò)的一些問題，SDN技術(shù)的興起為IP RAN網(wǎng)絡(luò)的后續(xù)發(fā)展和演進提供了技術(shù)支持和選擇的方向，這是解決超大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)所面對的挑戰(zhàn)最為理想的選擇。該方案目前還處于實驗驗證的狀態(tài)，本文重點研究了IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)在接入層采用SDN化的應用研究。

3 基于SDN的IP RAN網(wǎng)絡(luò)

3.1 SDN網(wǎng)絡(luò)虛擬化模型

傳統(tǒng)的通信設(shè)備包含控制平面、轉(zhuǎn)發(fā)平面、管理平面這三大平面。業(yè)務(wù)的實現(xiàn)不但受到轉(zhuǎn)發(fā)平面的限制，更大的限制來自于控制平面，由于受制于設(shè)備提供商的軟件開發(fā)周期，新業(yè)務(wù)響應慢。SDN技術(shù)通過控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面分離的思路，使得設(shè)備只關(guān)注于轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)中的控制平面從系統(tǒng)設(shè)備中抽取出來集中到專門的網(wǎng)絡(luò)控制器上。網(wǎng)絡(luò)控制器提供開放的API接口給第三方，使得第三方能直接通過網(wǎng)絡(luò)控制器控制網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)維護人員或網(wǎng)管直接通過控制器管理設(shè)備，從而達到降低系統(tǒng)設(shè)備成本，簡化網(wǎng)絡(luò)運維的目的。

SDN是通信領(lǐng)域一種新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，主要目標是實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)的開放性，降低系統(tǒng)設(shè)備軟硬件耦合，將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拆分為控制平面和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面二平面結(jié)構(gòu)，轉(zhuǎn)發(fā)平面設(shè)備可通過上層控制平面實現(xiàn)編程化的集中控制管理。通過SDN/NFV化后，改變了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中設(shè)備緊耦合的方式，SDN/NFV對新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進行了重新定義，主要分成應用、控制、基礎(chǔ)設(shè)施（轉(zhuǎn)發(fā)）這三層次分離架構(gòu)。將網(wǎng)絡(luò)的控制功能抽象出來，在服務(wù)器上運行SDN控制軟件，上層應用、轉(zhuǎn)發(fā)層設(shè)施可認為是由多個邏輯實體組成，其模型如圖2所示。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)備主要根據(jù)應用層服務(wù)要求，為客戶提供基本的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由策略、QoS流量調(diào)度等方面的服務(wù)。轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)路由表項是由控制層中SDN控制器進行路由處理后再下發(fā)到設(shè)備，因此底層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備不再需要運行復雜的路由協(xié)議，就可以實現(xiàn)路由的轉(zhuǎn)發(fā)，完成業(yè)務(wù)傳送。為了對基礎(chǔ)設(shè)施層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行管理，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與網(wǎng)管主要是通過DCN網(wǎng)管通道進行管理。SDN控制器是整個網(wǎng)絡(luò)虛擬化集群操作的中心，主要負責管理SDN網(wǎng)絡(luò)拓撲計算，根據(jù)拓撲結(jié)構(gòu)形成最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，對設(shè)備進行業(yè)務(wù)配置管理，最后形成路由表項下發(fā)給轉(zhuǎn)發(fā)層設(shè)備。SDN支持開放性接口，有南向和北向接口，主要用來接受第三方軟件的控制以及接受網(wǎng)管的控制管理。

3.2 IP RAN網(wǎng)絡(luò)中基于SDN技術(shù)的部署

SDN技術(shù)恰好能夠解決IP RAN這兩方面的難題。根據(jù)IP RAN組網(wǎng)的特征，在IP RAN網(wǎng)絡(luò)中使用SDN技術(shù)，運營商最為迫切的需求是解決接入層網(wǎng)絡(luò)的維護問題，即接入A和匯聚設(shè)備之間業(yè)務(wù)的虛擬化部署，匯聚核心之間一般不考慮運用。如果核心匯聚層也采用虛擬化，則IP RAN部署虛擬化的成本可能會增加，在當前SDN還不是很成熟的情形下，最適宜從接入層著手。IP RAN中SDN當前最適合采用的模型如圖3所示。

從圖3可以看到，對接入層進行SDN虛擬化集群以后，接入層設(shè)備對外呈現(xiàn)的是一個邏輯的大型路由設(shè)備，對基站而言就像直接接在匯聚層B設(shè)備上一樣。接入層接受上層控制器下發(fā)的路徑轉(zhuǎn)發(fā)命令實現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)功能，下掛基站業(yè)務(wù)、TDM/ATM等服務(wù)直接透過接入層進入?yún)R聚層。SDN虛擬化部分業(yè)務(wù)建立、協(xié)議維護等功能都由控制器進行集中管理。

因此在引入SDN之后，IP RAN組網(wǎng)結(jié)構(gòu)也發(fā)生了相應變化，控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面進行分離，接入層設(shè)備通過開放控制接口給上層匯聚設(shè)備，在匯聚設(shè)備中集成Control Agent模塊，這樣能保證網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)面與控制面順利進行協(xié)議交互，通過SDN化后的IP RAN網(wǎng)絡(luò)各平面間的關(guān)系結(jié)構(gòu)及作用如圖4所示。

轉(zhuǎn)發(fā)面：主要是接收控制器配置的業(yè)務(wù)流轉(zhuǎn)發(fā)指令轉(zhuǎn)發(fā)業(yè)務(wù)。在保證控制器和轉(zhuǎn)發(fā)面之間支持標準協(xié)議（如OpenFlow等）的前提下，轉(zhuǎn)發(fā)面轉(zhuǎn)發(fā)方式的選擇對于SDN架構(gòu)的開放性沒有影響。轉(zhuǎn)發(fā)面內(nèi)部的具體實現(xiàn)方式可以有多種選擇，如采用符合OpenFlow標準的多級流表轉(zhuǎn)發(fā)方式或傳統(tǒng)的IP/MPLS轉(zhuǎn)發(fā)方式等。

控制面：完成網(wǎng)絡(luò)拓撲收集，網(wǎng)絡(luò)資源統(tǒng)一管理，網(wǎng)絡(luò)虛擬化和業(yè)務(wù)處理。根據(jù)業(yè)務(wù)訴求為每個轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點生成轉(zhuǎn)發(fā)表項或流表項，并安裝和下發(fā)到各轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點，控制網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)、保護倒換等。

管理面：控制器提供北向接口，用于網(wǎng)管和OSS集成。同時，控制器需要提供開放編程接口，用于第三方應用的集成開發(fā)，如策略控制接口、資源接口、路徑控制接口等。

通過在IP RAN網(wǎng)絡(luò)中引入SDN架構(gòu)及相關(guān)技術(shù)，實現(xiàn)了基于SDN的IP RAN網(wǎng)絡(luò)，可簡化IP RAN網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，提高網(wǎng)絡(luò)自動化部署、運維、管理的能力，并為未來新業(yè)務(wù)的快速開放提供了能力。

圖2 SDN技術(shù)基本模型架構(gòu)

圖3 IP RAN網(wǎng)絡(luò)接入層SDN虛擬化集群部署模型

圖4 IP RAN網(wǎng)絡(luò)SDN化各平面功能關(guān)系

3.3 基于SDN虛擬化的IP RAN 網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)通道與控制

在現(xiàn)有的IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)中，接入層設(shè)備通常存在兩種通道：一種是業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)通道，另一種是IP RAN綜合網(wǎng)管所進行的管理報文轉(zhuǎn)發(fā)通道，即所謂的DCN管理通道。

根據(jù)原有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及屬性，IP RAN網(wǎng)絡(luò)采用SDN虛擬化技術(shù)后，網(wǎng)絡(luò)的SDN控制器的主要作用只是用來收集全網(wǎng)的網(wǎng)元拓撲信息。根據(jù)應用層下發(fā)的業(yè)務(wù)要求通過Controller計算出全局的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)路徑，然后通過南向接口下發(fā)到下層轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，于是在轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備上形成相應的轉(zhuǎn)發(fā)路由信息。下層設(shè)備只需要執(zhí)行上層的計算結(jié)果，無需再參與路由的學習和計算，在這個過程中SDN控制器并不維護IP RAN的DCN通道。轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備與SDN之間通常也維護一個帶內(nèi)通道，用于SDN 和轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間交互控制信息、管理信息。通常控制通道采用DCN 通道的IP 進行創(chuàng)建維護，即和DCN共平面。因此在IP RAN DCN虛擬化之前，DCN通道需要按照IP RAN目前既有的方式進行維護管理，SDN主要還是負責維護業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)通道的建立和管理。

4 SDN IP RAN研究與實踐

4.1 IP RAN網(wǎng)絡(luò)SDN化的演進方向

技術(shù)的應用都是基于技術(shù)的成熟發(fā)展，階段性地進行商用部署，只有這樣才能確保業(yè)務(wù)建立和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的高質(zhì)量、高可靠性的要求。對IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)SDN虛擬化的發(fā)展情況進行深入研究和分析，根據(jù)現(xiàn)有的技術(shù)要求將后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的演進情況進行了總結(jié)，主要可以劃分為3個階段，具體如圖5所示。

第1階段，即當前階段。Controller控制器可以內(nèi)置在匯聚層設(shè)備，簡化接入層管理復雜度，實現(xiàn)接入層SDN化。

第2階段，指IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)SDN虛擬化中期。該時期可以在IP RAN網(wǎng)絡(luò)接入，匯聚層以及核心層以外獨立部署Controller作為網(wǎng)絡(luò)SDN控制中心，實現(xiàn)IP RAN承載網(wǎng)匯聚層以下SDN化，進一步簡化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的集中管理運維。

圖5 IP RAN網(wǎng)絡(luò)SDN化演進示意圖

第3階段，實現(xiàn)IP RAN承載網(wǎng)和無線網(wǎng)全面采用SDN虛擬化。該時期整個網(wǎng)絡(luò)對外提供開放能力，IP RAN承載網(wǎng)Controller與無線Controller通過北向接口被協(xié)同應用管理，實現(xiàn)整網(wǎng)的SDN化管理，最終使整個網(wǎng)絡(luò)能實現(xiàn)MBB流量智能管理的經(jīng)營能力。

4.2 SDN IP RAN網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)測試實踐

在現(xiàn)網(wǎng)進行IP RAN承載網(wǎng)絡(luò)接入層SDN虛擬化試驗，設(shè)備B內(nèi)置控制器作為SDN Controller來控制下掛的A設(shè)備，試驗環(huán)境是通過軟件升級使B設(shè)備支持虛擬化，同時A設(shè)備也能滿足虛擬集群要求。在一對B下面接入40臺A設(shè)備，通過虛擬化后，接入環(huán)A設(shè)備對于基站就可以認為是一個邏輯的大的接入路由器，控制器會根據(jù)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求，自動下發(fā)網(wǎng)絡(luò)配置及路由轉(zhuǎn)發(fā)表項給接入層設(shè)備，具體網(wǎng)絡(luò)邏輯如圖6所示。

圖6 實踐部署示意圖

圖6中，實踐部署網(wǎng)絡(luò)中故障點簡單設(shè)置為1、2、3這3個點，為了驗證SDN化后IP RAN網(wǎng)絡(luò)虛擬化對業(yè)務(wù)的承載是否符合電信級業(yè)務(wù)承載能力的一個保證要求，在本次測試過程中采用儀表模擬基站等業(yè)務(wù)從接入層實現(xiàn)業(yè)務(wù)打流測試。具體是通過流量互打測試、鏈路故障倒換測試來檢驗網(wǎng)絡(luò)正常和故障時的鏈路丟包、時延統(tǒng)計等參數(shù)指標。通過測試可知測試時延、丟包等結(jié)果能滿足組網(wǎng)規(guī)范的要求，SDN技術(shù)可以作為IP RAN網(wǎng)絡(luò)后續(xù)發(fā)展的一個方向，增強IP RAN網(wǎng)絡(luò)的管理。

SDN虛擬化后，A設(shè)備無需再進行繁瑣的業(yè)務(wù)指令配置，A設(shè)備控制面上移后，當鏈路故障時，設(shè)備B上的Controller能自動定位故障設(shè)備。在以后的海量設(shè)備維護中只需對接入層A設(shè)備做簡單的現(xiàn)場維護工作，這大大簡化了網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理。在SDN虛擬化前后，IP RAN網(wǎng)絡(luò)接入層設(shè)備協(xié)議的維護管理的對比如表1所示：

表1 SDN虛擬化前后，IP RAN網(wǎng)絡(luò)配置管理對比

通過SDN虛擬化前后IP RAN網(wǎng)絡(luò)配置所需要維護協(xié)議的對比情況可以發(fā)現(xiàn)：IP RAN通過引入SDN技術(shù)后可以簡化接入層復雜繁多的協(xié)議管理和設(shè)備維護，SDN技術(shù)通過將物理大網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變?yōu)檫壿嬌系男【W(wǎng)絡(luò)的管理運維方式，真正實現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)的集約化運營。

5 結(jié)束語

本文重點研究了現(xiàn)有IP RAN網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展情況，對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中存在的或是以后將要面對的困難挑戰(zhàn)進行了詳細的分析研究，同時對全新的SDN虛擬化新技術(shù)進行了分析。根據(jù)IP RAN的發(fā)展需要明確了IP RAN網(wǎng)絡(luò)SDN化的演進方向，最后對IP RAN網(wǎng)絡(luò)接入層虛擬化進行了實踐，實踐結(jié)果表明SDN技術(shù)能進一步簡化IP RAN網(wǎng)絡(luò)的運營。

SDN IP RAN實踐后，存在的不足主要體現(xiàn)在兩個方面：

（1）目前實際網(wǎng)絡(luò)測試中由于前期設(shè)備及技術(shù)因素等制約，對于網(wǎng)絡(luò)中前期部署的老設(shè)備目前還無法直接進行SDN虛擬化管理，同時目前研究的SDN控制器管理還在實驗室測試和現(xiàn)網(wǎng)試點階段，對于實際網(wǎng)絡(luò)中接入層虛擬化設(shè)備數(shù)量管理能力需要進一步的驗證。

（2）在該項實踐中只是對同廠家B設(shè)備下的接入層設(shè)備進行虛擬化管理，異廠家混合組網(wǎng)的接入場景下還無法滿足IP RAN SDN化的要求，這將是在下一步研究中需要重點解決的問題，最終將形成多廠家混合型的SDN化的IP RAN綜合承載網(wǎng)絡(luò)。

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