基于新型承載網(wǎng)的車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)研究

周麗娜，趙鵬程，王世昌，劉太龍

（中國通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計院有限公司第一分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景及意義

智能網(wǎng)聯(lián)汽車是車聯(lián)網(wǎng)運(yùn)行的主要載體，是指搭載先進(jìn)的車載傳感器、控制器、執(zhí)行器等裝置，并融合現(xiàn)代通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)車與 X（人、車、路、云端等）智能信息交換、共享，具備復(fù)雜環(huán)境感知、智能決策、協(xié)同控制等功能，可實(shí)現(xiàn)“安全、高效、舒適、節(jié)能”行駛的新一代汽車[1]。

目前，對車聯(lián)網(wǎng)的研究在產(chǎn)業(yè)界、學(xué)術(shù)界都引起了廣泛的關(guān)注，主要集中在車側(cè)、路側(cè)、網(wǎng)側(cè)以及云側(cè)。車側(cè)的研究主要由汽車廠家提供 OBU 實(shí)現(xiàn)；路側(cè)研究主要集中在數(shù)字化道路，包括智能桿路、雷達(dá)、攝像頭及 RSU 設(shè)備的部署；網(wǎng)側(cè)目前業(yè)界已經(jīng)達(dá)成共識，普遍采用 LTE-V2X 及5G-V2X 實(shí)現(xiàn)；云側(cè)無論從試點(diǎn)情況還有研究情況看，大都采用邊緣、區(qū)域及中心三級架構(gòu)，可滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)多場景的組網(wǎng)需求，但是三層云平臺架構(gòu)部署功能業(yè)界尚未達(dá)成共識，有基于 SDN 技術(shù)實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)控制技術(shù)的，此技術(shù)可滿足多種接入設(shè)備的接入需求，不受廠家的限制[2]。

為此，近年來，學(xué)術(shù)界提出了軟件定義的 D2D 通信（SD-D2D， software defied D2D communication） 和軟件定義的 V2X 通信（ SD -V2X， software defined V2X communication）這兩個概念，并進(jìn)行了廣泛的研究，取得了一些成果，有力推動了 D2D 和V2X 技術(shù)的發(fā)展[2]。這些文獻(xiàn)對對如何實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)回傳承載技術(shù)方面的關(guān)注不多，更多基站和路邊單元的部署，對承載網(wǎng)關(guān)于容量、組網(wǎng)以及時延提供了更高的要求。目前，承載網(wǎng)技術(shù)大多基于接入、匯聚以及核心組網(wǎng)架構(gòu)，業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式不靈活，不具備轉(zhuǎn)控分離的能力。本文在研究了基于中心、區(qū)域及邊緣三級架構(gòu)平臺的基礎(chǔ)上，提出了基 Spine-Leaf 新型承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，此架構(gòu)符合未來網(wǎng) 絡(luò)演進(jìn)方式，可滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)快速轉(zhuǎn)發(fā)以及彈性的組網(wǎng)需求。

2 新型承載網(wǎng)架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 Spine-Leaf 架構(gòu)

Spine-Leaf 兩層設(shè)備的扁平化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來源于CLOS網(wǎng)絡(luò)，采用分層 Full-Mesh 鏈接，實(shí)現(xiàn) Spine-Leaf 任意節(jié)點(diǎn)間流量快速轉(zhuǎn)發(fā)[4]。Spine-Leaf 可實(shí)現(xiàn)低成本彈性擴(kuò)展，盡可能實(shí)現(xiàn)流量本地穿越，解決東西向流量問題。目前， Spine-Leaf 架構(gòu)已在數(shù)據(jù)中心中廣泛應(yīng)用，尤其是葉脊 leaf-spine 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)配合 Overlay 技術(shù)，在 SDDC（Software Defined Data Center）演進(jìn)過程中將起到重要的作用。如今，業(yè)界已將 Spine-Leaf 架構(gòu)應(yīng)用于承載網(wǎng)絡(luò)，以解決云網(wǎng)融合以及新業(yè)務(wù)的承載。中國電信已在四川、江蘇、上海等地開展基于 Spine-Leaf 架構(gòu)的新型城域網(wǎng)試點(diǎn)，驗(yàn)證了承載5G 和傳統(tǒng)業(yè)務(wù)可行性。

基于Spine-Leaf 架構(gòu)承載網(wǎng)絡(luò)， Spine 節(jié)點(diǎn)在城域POD 點(diǎn)成對設(shè)置， Leaf 設(shè)備以用戶 /業(yè)務(wù)規(guī)模，覆蓋范圍為基礎(chǔ)部署，成對水平擴(kuò)展。 Spine-Leaf 可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)內(nèi)多鏈路負(fù)載分擔(dān)和節(jié)點(diǎn)冗余，提升網(wǎng)絡(luò)可靠性。

2.2 新型承載網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

SRv6/EVPN 和FlexE 被業(yè)界認(rèn)定為未來承載技術(shù)代表，實(shí)現(xiàn)各類協(xié)議融合與統(tǒng)一。

（1）SRv6 技術(shù)。它被譽(yù)為下一代轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，向SRv6 for everything 演進(jìn)，實(shí)現(xiàn)面向用戶端到端網(wǎng)絡(luò)。SRv6基于源路由轉(zhuǎn)發(fā)模型，基于 Function 攜帶業(yè)務(wù)屬性，提升網(wǎng)絡(luò)可編程能力。基于 SRv6可面向業(yè)務(wù)、用戶提供端到端網(wǎng)絡(luò)，解決網(wǎng)絡(luò)跨域?qū)与y題[5]。

（2）EVPN 技術(shù)。它全稱 Ethernet VPN，最開始由RFC7432定義， EVPN 基于BGP/MPLS 技術(shù)，通過擴(kuò)展BGP NLRI 屬性，實(shí)現(xiàn) L2 VPN/L3 VPN 業(yè)務(wù)承載融合。EVPN 通過擴(kuò)展 BGP 協(xié)議使二層網(wǎng)絡(luò)間的 MAC 地址學(xué)習(xí)和發(fā)布過程從數(shù)據(jù)平面轉(zhuǎn)移到控制平面，減少網(wǎng)絡(luò)資源消耗[6]。

（3）FlexE 技術(shù)。它在以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)現(xiàn)基于時隙傳送，實(shí)現(xiàn)物理隔離和帶寬保證，可在構(gòu)建端到端低時延、低抖動的端到端路徑[7]。FlexE 作為切片的基礎(chǔ)技術(shù)，從硬件層面解決不同類型業(yè)務(wù)隔離問題，面向業(yè)務(wù)提供確定性 SLA 服務(wù)。可根據(jù)帶寬需求靈活配置，例如 10G、40G、100G、200G、 n*25G。

3 新型承載網(wǎng)在車聯(lián)網(wǎng)中應(yīng)用

目前，某市已開展數(shù)字道路建設(shè)研究工作，車路協(xié)同是其邊緣計算的重點(diǎn)應(yīng)用場景。車路協(xié)同場景具有實(shí)時性處理能力、海量數(shù)據(jù)接入及業(yè)務(wù)端到端時延低等特點(diǎn)，大量的業(yè)務(wù)需求在邊緣節(jié)點(diǎn)處理，并快速返回給車端，通常端到端時延要求小于 20 ms。海量數(shù)據(jù)接入主要包括 RSU、攝像頭以及毫米波雷達(dá)、氣象站等。 RSU的帶寬需求一般為 10 Mb/s，攝像頭帶寬需求根據(jù)選擇的類型不同，一般為8 Mb/s 或16 Mb/s，毫米波雷達(dá)、氣象站的帶寬一般為0.02 Mb/s，通過分布式云平臺的部署，能夠有效降低回傳消耗，減輕對中心節(jié)點(diǎn)的壓力。海量的傳感器以及視頻監(jiān)控的流量，對于存儲及鏈路帶寬在成極大的壓力，同時異構(gòu)設(shè)備 /平臺的接入及互通使得中心機(jī)房的安全性難以保障。通過三級平臺架構(gòu)部署，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)回傳開銷及中心節(jié)點(diǎn)壓力，同時能夠?qū)崿F(xiàn)異構(gòu)設(shè)備 /平臺在邊緣接入的解耦；中心平臺對區(qū)域和邊緣節(jié)點(diǎn)進(jìn)行集中管控，部署SDN 控制器，解決異廠家設(shè)備互通的問題。

從計算時延和用戶接入量考慮，車聯(lián)網(wǎng)平臺可采用分布式部署三級架構(gòu)，即 V2X 中心計算平臺、 V2X 區(qū)域計算平臺以及 V2X 邊緣計算節(jié)點(diǎn)，此三級架構(gòu)可提供計算能力、存儲能力、通信轉(zhuǎn)發(fā)能力以及基礎(chǔ)業(yè)務(wù)服務(wù)能力，可滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)不同場景需求。

在實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)和管理分層的同時，如何為各級平臺建立快速的訪問通道，是本文研究的重點(diǎn)。現(xiàn)有承載網(wǎng)絡(luò)均為流量驅(qū)動式組網(wǎng)方式，即網(wǎng)絡(luò)通過接入、匯聚、核心層轉(zhuǎn)發(fā)，組網(wǎng)方式不靈活，帶寬分配方式單一，基于此，本文選用了基于 Spine-Leaf 架構(gòu)的新型承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)邊緣、區(qū)域及地區(qū)級 V-MEC 的互聯(lián)互通的需求，部署 SRv6、FlexE、EVPN 等協(xié)議，滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)快速轉(zhuǎn)發(fā)和靈活的組網(wǎng)需求。

基于Spine-Leaf 新型承載網(wǎng)架構(gòu) Leaf 節(jié)點(diǎn)部署在基站接入的 STN-A 環(huán)路，用于匯聚 STN-A 的業(yè)務(wù)，在三級架構(gòu)云平臺中各部署一對 Leaf 節(jié)點(diǎn)，一對Spine 節(jié)點(diǎn)部署在本地市的核心機(jī)房。 Leaf 設(shè)備全部雙上聯(lián)至Spine 節(jié)點(diǎn)，在此架構(gòu)下，車聯(lián)網(wǎng)終端設(shè)備訪問云平臺資源時，經(jīng)過 Spine 節(jié)點(diǎn)一跳轉(zhuǎn)發(fā)即可到達(dá)，減少因設(shè)備層級較多帶來的時延。為滿足車聯(lián)網(wǎng)快速訪問邊緣平臺的需求， STN-A 設(shè)備與Leaf 節(jié)點(diǎn)對接，滿足車聯(lián)網(wǎng)中對時延要求較高的組網(wǎng)需求。基于新型承載網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖 1所示：

圖1 某市基于新型承載網(wǎng)車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)圖

基于 Spine-Leaf 新型承載網(wǎng)架構(gòu)為轉(zhuǎn)控分離的架構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)和控制解耦，對于車聯(lián)網(wǎng)接入設(shè)備多樣化有很好的解耦作用，可滿足異廠家組網(wǎng)的需求。在控制層，可滿足 SDN 控制層建設(shè)的需求。現(xiàn)有的園區(qū)和礦區(qū)除車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)需求外，還有上網(wǎng)、視頻以及專線組網(wǎng)的需求。基于 Spine-Leaf 新型承載網(wǎng)架構(gòu)可綜合承載此類業(yè)務(wù)，通過 FlexE、EVPN 等關(guān)鍵技術(shù)的部署，可保證多業(yè)務(wù)的QoS 的實(shí)現(xiàn)。尤其是現(xiàn)有的園區(qū)大都建設(shè)有自己的云平臺，可滿足云網(wǎng)一體化的組網(wǎng)需求，為快速上云提供了快速的訪問通道。

4 結(jié)束語

本文在分析了現(xiàn)有承載網(wǎng)絡(luò)不足的基礎(chǔ)上，針對車聯(lián)網(wǎng)采用的中心、區(qū)域及邊緣三級架構(gòu)平臺，提出了基于 Spine-Leaf 新型承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)快速、高效以及低時延的訪問車聯(lián)網(wǎng)平臺的需求，并且此架構(gòu)除滿足車聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)承載需求外，還可滿足其他常規(guī)業(yè)務(wù)承載需求，為園區(qū)以及城市一體化組網(wǎng)的建設(shè)需求。目前車聯(lián)網(wǎng)建設(shè)還處在試點(diǎn)階段，尚未形成成熟的盈利模式，盈利模式目前正在探索前進(jìn)中。