如何用SDN/NFV技术打造云智能化的IP城域网?

如何用SDN/NFV技术打造云智能化的IP城域网?

目前随着运营商FBB(固网宽带)和MBB(移动宽带)业务的融合发展,传统电信固定业务城域网与无线业务承载网正向FMC(固定移动融合)演进。新业务尤其是视频业务的快速发展和普及,导致网络承载的流量迅速攀升,带宽需求激增,业务部署更复杂。越来越多的运营商意识到网络要简化、扁平化,希望利用新技术降低CAPEX,简化业务部署和运维流程。

党中央、国务院高度重视5G、干兆光网建设和IPv6规模化部署。2021年工业和信息化部贯彻落实党中央、国务院决策部署,分别印发了《“双干兆”网络协同发展行动计划(2021-2023年)》和《IPv6流量提升三年专项行动计划(2021-2023年)》。

《“双干兆”网络协同发展行动计划(2021-2023年)》指出,计划用3年时间,基本建成全面覆盖城市地区和有条件乡镇的“双干兆”网络基础设施,实现固定和移动网络普遍具备“干兆到户”能力。5G和干兆光网用户加快发展,高带宽应用进一步融入生产生活,典型行业干兆应用模式形成示范等。《IPV6流量提升三年专项行动计划(2021-2023年)》以流量提升为主要目标,以提升用户体验、营造IPv6良好发展环境为出发点,坚持发展与安全并举,聚焦问题、分类施策,从基础设施、应用生态、终端、安全4个方面提出13项工作要求和任务举措。在应用生态方面,重点提及推进IPv6网络及应用创新,鼓励各相关企业加大IPv6分段路由(SRv6)等“IPv6+”网络技术创新力度,开展IPv6网络和应用创新的规模商用。

传统城域网承载方案


国内运营商的传统城域网主要有两张网:一是承载固定宽带、IPTV/VOD电视、固定电话语音和政企大客户专线等固网业务的IP城域网,二是承载2G/3G/4G/5G等移网业务回传的IP承载网。如图1所示,传统IP城域网主要以FTTX组网(BRAS-OLT-ONU)作为主流光接入方案,承载家宽、固话、电视及政企专线等固网业务,而无线基站回传网主要采用路由器IPRAN方案或PTN/SPN环网承载。

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图1 传统城域网组网

除了上述IP城域网、IP承载网及政企专线等网络独立部署外,中国广电部分省网还可能存在VOD承载网、DVB承载网等多张独立部署的业务承载专网。随着国家“双干兆”及IPv6规模化部署推进,大带宽和新技术正在驱动传统城域网进行迭代演进,而多网并存的架构势必带来网络建设维护、升级改造的成本倍增,使得建网投资得不到充分利用。长期以来,传统城域网面临业务部署慢、上线周期长、流量调度难、灵活性缺乏、网络管理手段少、运维管理难度大、网络开放能力弱,以及无法适应业务对网络的要求等问题。

同时,随着5GC、CDN等边缘计算方案下沉布局,城域网流量从城域外转向城域内,流量模型由传统的南北纵向为主,转为南北纵向与东西横向的全互联流量模型。高清视频、视频直播、在线教育、元宇宙等业务提出大带宽、低时延、高可靠的需求,新业务的发展对未来城域网提出了快速响应、灵活部署、差异部署、安全可靠等网络要求。

运营商网络演进路线


随着5G商用以及产业互联网的发展落地,云网融合已经是大势所趋,未来所有业务和应用都将上云承载,云网一体化已成为不可阻挡的趋势。云网一体化架构需要将应用、云计算、网络及用户联通起来,提供一个端到端、完整、灵活、可扩展的新型城域网组网方案。同时,为了有效利用和保护建网投资,城域网多业务统一承载势在必行,驱动传统城域网必须集约化融合演进,实现存量网络融合、多业务统一承载。

中国电信:向新型城域网综合承载演进


从2020年开始,中国电信依托STN网络向新型城域网Spine+Leaf架构演进,5G to C、5G to B、固网家宽业务及云专线业务后续由新型城域网综合承载。5G STN承载网toC业务与联通共建共享,解决广覆盖问题,降低投资压力。

中国联通:智能城域网架构,业务综合承载

中国联通针对家宽固网和5G to B以及云业务,在2021年末和2022年展开综合承载试点。智能城域网设计目标新业务技术驱动网络成本节约即综合承载,一网多用,降低投资压力。5G to C业务与中国电信共建共享,解决广覆盖的问题。

中国移动:3张网络专网专用

中国移动以“业务极致体验”为核心建网,3张网专网专用,分别承载云网、固网和移网3种业务。移动回传SPN网络为5G回传定制化网络,年投资近百亿元,固网和专线业务无法完全复用承载,部署了定制化SR-TP随道技术、FelxE网络切片技术等。

IP城域网演进思路

随着近些年数据中心、云计算、移动互联网的快速发展,用户除了基本上网需求外,对业务的丰富性和体验感要求越来越高,但目前运营商主要还是提供网络的互联互通,网络和业务基本上是割裂的,带来了增量不增收、业务交付慢、竞争压力大等问题。目前在5GC、中心云、边缘计算等新业务带来的承载技术要求驱动下,建议未来城域网的演进思路从用户、流量、网络、市场等现网多个维度的实际情况出发,分析省网IP城域网的业务现状及发展趋势,坚持以业务需求为驱动,以集约建设为原则,“开源节流”布局IP城域网的多业务融合和新技

术演进规划,具体考虑因素如图2所示。

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图2 集约化演进思路

IP城域网演进架构

面对当前云网融合的算力网络发展和固移融合的全业务运营趋势,对城域网进行重构与升级以满足业务转型需求,已经成为运营商的普遍共识。新一代城域网应具备以下网络能力。

1. 网络编程:基于用户业务进行灵活的网络定制编程。

2. 全局调度:管理系统基于整网流量进行调度和调整。

3. 开放网络:打破传统网络设备封闭的管理控制方式,集约快速部署构建整个网络。

4.智能运维:网络接口开放,可支持开发丰富的运维应用,简化运维和部署。

5.资源可视化:实时监控网络资源情况,实现整网资源可视化。

基于以上要求,国内运营商借鉴数据中心网络已经成熟的无阻塞交换架构解决方案,启动了以Spine-Leaf架构为核心的新型城域网演进工作。如图3所示,新型城域网通过集中化部署网络控制器,实现网络的转控分离、开发接口、业务编排、自动开通、网络调优、智能运维等功能;通过网络重构实现家庭宽带、固话语音、电视视频等传统固定网络业务与4G、5G等无线基站回传网移动业务的统一承载;通过S-Leaf接入中心云、边缘云等云化业务场景。

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图3 IP城域网演进总体架构

IP城域网网络规划

新型城域网参考计算机网络的设计思想,将城域网划分为云网POP、城域网POD、城域网POD出口3个组成部分。云网节点POP部分通过S-Leaf节点接入中心云、边缘云等相关云平台业务;城域网POD主要采用Spine-Leaf网状组网,通过A-Leaf接入固移融合业务;城域网POD出口通过B-Leaf接入广电CBNET骨干网(可以考虑CBNET CE兼做B-Leaf)或第三方互联网出口。

1.网络分层规划

目前部分省网城域网采用“中心一边缘”的星型组网,随着大带宽业务的发展和多业务的融合承载,网络流量的增加势必对中心节点核心数通设备的接入能力带来压力,同时还要求底层的光传输资源进行中心到边缘的多节点长距扩容。省网在新型城域网演进总体规划上,可将传统星型的两级组网演变为“核心一汇聚一接入”的三级组网,分层规划如图4所示。

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图4 三级组网的网络层次规划

● 出口网络:包含CBNET骨干网和5G专网骨干网的PE设备,作为省网固网业务和移网业务的出口网络。

● 核 心 层:包 含CBNET省网CE和5G专网CE。其中CBNET CE作为省网城域网固网业务的核心节点与国干出口网络对接,同时可兼作新型城域网的出口B-Leaf节点;5GC专网CE作为省内5G移动业务的核心节点与5G专网PE对接。

● 汇聚层:每个片区汇聚点包含一对Spine节点路由器,作为省网城域P设备,接入各分公司Leaf节点、出口B-Leaf以及云网POP点S-Leaf。

● 接入层:各分公司A-Leaf及固网接入网、无线回传网的接入环。

2. 片区汇聚规划

新型城域网演进之前,建议提前规划出若干个城域网POD,每个POD部署一对Spine节点作为片区汇聚点,实现整个POD业务流量的汇聚收敛。片区汇聚点不宜规划过多,否则多POD的Spine节点会带来与周边的资管系统连接复杂、传输资源调整过大等问题,故建议在城域网演进初期先按1~2个片区汇聚进行规划。重点结合省网传输资源情况,提前布局规划片区汇聚点。在规划片区汇聚点时应考虑以下几点。

● 优先选择IT系统、中心云和出口平台等就近的核心机房作为片区汇聚点,减少Spine到S-Leaf的传输资源投入。

● 结合传输环网情况,尽量选择多个传输环网交叉点作为片区汇聚点,实现现网传输资源利旧覆盖。

● 按每个POD方案容量规格进行片区规划,优先选择用户业务量较大的区域作为片区汇聚点。

3. 网络冗余规划


省网城域全网采用双平面组网,提供网络容灾保护路径,部署故障快速检测机制,加速故障场景下相关网络协议切换收敛。

● 骨干层:PE设备上下行采用口字型双平面组网,实现出省流量的负载或主备方式保护。

● 汇聚层:Spine节点采用双平面成对组网,通过口字型组网上行,V字型交叉接入云网POP点S-Leaf及接入层A-Leaf。

● 接入层:双平面Leaf节点,通过V字型交叉接入边缘云网POP;OLT双上行V字型直连Leaf节点,5G to B自建基站通过接入环CSG接入A-Leaf节点。

4. BNG方案选择


城域网BNG架构需要考虑当前网络的实际部署情况与未来技术的演进方向。如图5所示,目前城域网BNG部署方案主要可以分为以下几种。

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图5 BNG方案部署规划

● 硬件集中式部署:BRAS硬件设备集中化部署在核心机房,通过大二层网络与接入网用户通信,实现用户的接入管理功能。

● 硬件分布式部署:BRAS硬件设备下沉部署到各区域或分公司接入机房,通过二层网络与接入网用户通信,实现用户的接入管理功能。

● 转控分离式部署:系统由vBRAS-CP及vBRAS UP组成,其中vBRAS-CP以云化方式部署在核心DC中心云上,负责用户的控制与管理,包含用户接入控制、用户管理、认证授权计费、地址管理、UP管理等功能;vBRAS-UP部署在传统的汇聚机房,负责数据报文的转发,包含流量转发、QoS、流量统计和动态路由协议等功能。考虑CU分离式方案中CP控制器的成熟度和兼容性,推荐目前城 域网采用硬件分布式部署BNG方案,分公司A-Leaf设备兼作下沉式硬件BRAS,同时考虑硬件BRAS的技术支持特性,具备可向未来CU分离式演进的能力。

5. 业务融合承载


新型城域网在SRv6的基础上通过多种VPN技术融合承载移动、固定和企业业务,降低了运营商的投资和运维成本,实现多业务的融合统一承载。传统的家庭宽带、VoIP固定语音、VOD及IPTV等固定网络业务,政企大客户专线业务,5G to C和5G to B专线专网等移动业务,以及云网融合业务均可就近接入新型城域网,实现省网城域网的多网融合,通过SRv6、EVPN等承载技术方案实现各业务间的网络隔离、业务编排、差异化承载及智能运维。

IP城域网新技术介绍


结合新型城域网架构演进与产品技术迭代,诸如SRv6、FlexE、IFIT、BIERv6、APN6等“IPv6+”新技术可在城域网中得到部署和应用。

1. SRv6技术

SRv6是新一代IP承载协议,可以简化并统一传统的复杂网络协议,是5G和云时代构建智能IP网络的基础。SRv6结合了Segment Routing的源路由优势和IPv6的简洁易扩展特质,并且具有多重编程空间,符合SDN(Software Defined Network,软件定义网络)思想,是实现意图驱动网络的“利器”。

SRv6丰富的网络编程能力能够更好地满足新的网络业务需求,而其兼容 IPv6的特性也使得网络业务部署更为简便。SRv6不仅能够打破云和网络的边界,使运营商网络避免被“管道化”,将网络延伸到用户终端,更多地分享信息时代的“红利”,还可以帮助运营商快速发展智能云网,实现应用级的 SLA 保障,使千行百业广泛受益。

SRv6的技术价值:简化网络协议,促进云网融合,兼容存量网络,提升跨域体验,敏捷开通业务。

2.FlexE网络切片

网络切片是5G和云时代运营商网络中新引入的服务模式,运营商将基于一套共享的网络基础设施,为多租户提供不同的网络切片服务,满足不同行业的差异化网络需求,各垂直行业用户将以切片租户的形式来使用网络。IP网络切片实现架构整体上可以划分为3个层次,即网络切片管理层、网络切片实例层和网络基础设施层。

网络切片技术价值:实现资源隔离与网络安全,差异化SLA保障,极高可靠性保障,灵活定制拓扑连接,自动化切片管理。

3.随流检测

IFIT(In-situFlow Information Telemetry,随流检测)是一种通过对网络真实业务流进行特征标记,以直接检测网络的时延、丢包、抖动等性能指标的检测技术。随着移动承载、专网专线以及云网架构的快速发展,承载网面临着超大带宽、海量连接及高可靠低时延等新需求与新挑战。IFIT通过在真实业务报文中插入IFIT报文头进行性能检测,并采用Telemetry技术实时上送检测数据,最终通过可视化界面直观地向用户呈现逐包或逐流的性能指标。IFIT可以显著提高网络运维及性能监控的及时性和有效性,保障SLA可承诺,为实现智能运维奠定坚实基础。

IFIT技术价值:高精度多维度检测真实业务质量,灵活适配大规模多类型业务场景,提供可视化的运维界面,构建闭环的智能运维系统。

4. BIERv6组播

BIERv6 (Bit Index Explicit Replcation IPv6 encapsulation,IPv6封装的比特索引显式复制)是一种新型组播方案。BIERv6将组播报文目的节点的集合以比特串(BitString)的方式封装在报文头部发送,从而使网络中间节点无需为每一条组播流建立组播分发树和保存流状态,仅需根据报文头部的比特串完成复制转发。BIERv6将BIER与Native IPv6报文转发相结合,不需要显式建立组播树,也不需要在中间节点维护每条组播流状态,可以无缝融入SRv6网络,简化了协议复杂度。BIERv6可以高效承载IPTV、视频会议、远程教育、远程医疗、在线直播等组播业务。

BIERv6技术价值:网络协议简化,部署运维简单,网络可靠性高。

5.APN6技术

APN6(应用感知的IPv6网络,Application-awareIPv6 Networking)利用IPv6报文自带的可编程空间,将应用信息(标识和/或网络性能需求)携带进入网络,使能网络感知应用及其需求,进而为其提供精细的网络服务和精准的网络运维。APN6网络架构中的组件包含应用端侧/云侧设备、网络边缘设备、网络策略执行设备(头节点、中间节点、尾节点)、控制器。

APN6技术价值:精细应用可视直观的特征画像;精细应用导流,敏捷的自动选路;精细应用测量,智能的网络运维;精细应用调优,VMP的性能看护。

结语


IP技术历经近20年发展,IP城域网的部署方案日趋成熟,固移融合和云网融合将构成下一代综合承载网络的基础,这一趋势将越来越明显。为满足移动和固定网络业务需求的不断增长、降低投资和运营成本,移动网络与固定网络的融合势在必行。融合后的新型城域网满足多业务统一承载的需求,包括移动业务、固定业务和企业专线业务。

新城城域网以软件定义网络实现了一个全新的网络架构,基于集中式控制、控制和转发分离、标准接口的开放等核心理念,以层次化网络结构,借助SRv6、FlexE等“IPv6+”新技术的应用,构筑面向未来新业务的融合承载网络。

*本文刊载于《通信世界》

总第920期 2023年5月25日 第10期

原文标题:《IP城域网演进思考

END

作者:中国广电重庆网络股份有限公司 欧代伟

责编/版式:王鹤迦

审核:舒文琼

监制:刘启诚




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原创文章,作者:sunyaqun,如若转载,请注明出处:https://www.dallk.cn/807.html

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