IP RAN綜合承載網中引入SDN技術的應用研究*

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

隨著通信技術的發展，融合通信已經成為信息社會發展的主旋律，語音和數據業務并重發展將是未來任何創新和發展的基礎，以TDM、ATM為主導的移動傳送網絡已經不能滿足當今移動互聯網時代數據業務的發展需求。同時用戶側的網絡寬帶提速將成為商業發展的必然趨勢。統一IP/MPLS開放架構的IP RAN綜合承載網絡逐漸備受關注。移動寬帶逐漸改變了人們的生活習慣，IP化的架構也帶來了移動承載網絡規劃的轉變。根據無線網高帶寬、IP化接入的需求，新建IP RAN承載網絡是一張專門為數據通信新業務而建的綜合承載網絡。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承載網的接入層需要更多的A設備對基站業務進行承接。在大范圍、廣覆蓋、高質量的通信服務要求下，IP RAN網絡中海量設備的維護管理將會給網絡運維人員帶來巨大的困難。本文在現有技術發展和運維管理將要面對的難題的基礎上對IP RAN網絡引入SDN（Software Defined Networking，軟件定義網絡）技術進行深入的研究，為后續的IP RAN網絡朝SDN化的網絡技術發展提供理論指導。

2 IP RAN網絡發展及面對的問題

IP RAN是指以IP/MPLS協議及關鍵技術為基礎，主要面向移動業務承載并兼顧提供二三層通道類業務承載，以省為單位，依托CN2骨干層，由城域的A、B、ER、BSC CE、EPC CE、MCE等設備組成的端到端的業務承載網絡。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綜合承載網絡基本架構

業務承載接入A設備采用二層PW，從匯聚B設備到業務落地采用的是L3VPN，核心層設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，匯聚B和接入A節點數將達數十萬臺。在這張網中同時集合了對多種網絡協議的維護，隨著網絡規模的不斷擴大，IP RAN網絡將會出現以下幾個問題：

（1）超大規模的網絡運營

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

（2）多種網絡協議維護

接入層A設備和匯聚層B設備之間運行了多種網絡協議，如IGP、BGP、LDP、RSVP-TE、PW、PWBFD、BFD for RSVP-TE、IGP-BFD、QoS等，這對網絡技術人員的要求較高，在網絡維護時需要掌握大量的協議和組網信息。雖然有較為完善的組網規范和相關指導性的技術文檔，但是對大規模網絡的故障定位還是沒法直接進行管理，需要根據維護的大量協議來仔細分析，因此對故障進行定位維護有一定的難度。

（3）新業務的承載問題

現有技術的更新周期越來越短，隨著用戶需求、新的增值業務不斷變革式地發展，如何使IP RAN網絡適用于新業務的發展需求，實現業務快速開通等問題，也是IP RAN將要面對的挑戰。

（4）統一智能化管理

隨著SDN新技術的應用和發展，如何在現有的IP RAN網絡中使用SDN技術對IP RAN網絡中海量網元進行統一性管理，掌握全局網絡路由信息，實現流量智能化的調度、業務快速響應、故障快速定位等功能要求，這將是SDN化網絡統一智能化管理的關鍵。SDN化的IP RAN網絡階段化的技術演進也是后續網絡建設中需要長期考慮和研究的問題。

針對IP RAN網絡的一些問題，SDN技術的興起為IP RAN網絡的后續發展和演進提供了技術支持和選擇的方向，這是解決超大規模網絡所面對的挑戰最為理想的選擇。該方案目前還處于實驗驗證的狀態，本文重點研究了IP RAN承載網絡在接入層采用SDN化的應用研究。

3 基于SDN的IP RAN網絡

3.1 SDN網絡虛擬化模型

傳統的通信設備包含控制平面、轉發平面、管理平面這三大平面。業務的實現不但受到轉發平面的限制，更大的限制來自于控制平面，由于受制于設備提供商的軟件開發周期，新業務響應慢。SDN技術通過控制平面與轉發平面分離的思路，使得設備只關注于轉發，網絡中的控制平面從系統設備中抽取出來集中到專門的網絡控制器上。網絡控制器提供開放的API接口給第三方，使得第三方能直接通過網絡控制器控制網絡，網絡維護人員或網管直接通過控制器管理設備，從而達到降低系統設備成本，簡化網絡運維的目的。

SDN是通信領域一種新型的網絡技術，主要目標是實現通信網絡的開放性，降低系統設備軟硬件耦合，將傳統網絡拆分為控制平面和數據轉發平面二平面結構，轉發平面設備可通過上層控制平面實現編程化的集中控制管理。通過SDN/NFV化后，改變了傳統網絡架構中設備緊耦合的方式，SDN/NFV對新型網絡架構進行了重新定義，主要分成應用、控制、基礎設施（轉發）這三層次分離架構。將網絡的控制功能抽象出來，在服務器上運行SDN控制軟件，上層應用、轉發層設施可認為是由多個邏輯實體組成，其模型如圖2所示。

網絡設備主要根據應用層服務要求，為客戶提供基本的業務轉發、路由策略、QoS流量調度等方面的服務。轉發設備的轉發路由表項是由控制層中SDN控制器進行路由處理后再下發到設備，因此底層轉發設備不再需要運行復雜的路由協議，就可以實現路由的轉發，完成業務傳送。為了對基礎設施層網絡設備進行管理，網絡設備與網管主要是通過DCN網管通道進行管理。SDN控制器是整個網絡虛擬化集群操作的中心，主要負責管理SDN網絡拓撲計算，根據拓撲結構形成最優轉發路徑，對設備進行業務配置管理，最后形成路由表項下發給轉發層設備。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管的控制管理。

3.2 IP RAN網絡中基于SDN技術的部署

SDN技術恰好能夠解決IP RAN這兩方面的難題。根據IP RAN組網的特征，在IP RAN網絡中使用SDN技術，運營商最為迫切的需求是解決接入層網絡的維護問題，即接入A和匯聚設備之間業務的虛擬化部署，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，接入層設備對外呈現的是一個邏輯的大型路由設備，對基站而言就像直接接在匯聚層B設備上一樣。接入層接受上層控制器下發的路徑轉發命令實現轉發功能，下掛基站業務、TDM/ATM等服務直接透過接入層進入匯聚層。SDN虛擬化部分業務建立、協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組網結構也發生了相應變化，控制面與轉發面進行分離，接入層設備通過開放控制接口給上層匯聚設備，在匯聚設備中集成Control Agent模塊，這樣能保證網絡轉發面與控制面順利進行協議交互，通過SDN化后的IP RAN網絡各平面間的關系結構及作用如圖4所示。

轉發面：主要是接收控制器配置的業務流轉發指令轉發業務。在保證控制器和轉發面之間支持標準協議（如OpenFlow等）的前提下，轉發面轉發方式的選擇對于SDN架構的開放性沒有影響。轉發面內部的具體實現方式可以有多種選擇，如采用符合OpenFlow標準的多級流表轉發方式或傳統的IP/MPLS轉發方式等。

控制面：完成網絡拓撲收集，網絡資源統一管理，網絡虛擬化和業務處理。根據業務訴求為每個轉發節點生成轉發表項或流表項，并安裝和下發到各轉發節點，控制網絡的業務轉發、保護倒換等。

管理面：控制器提供北向接口，用于網管和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，如策略控制接口、資源接口、路徑控制接口等。

通過在IP RAN網絡中引入SDN架構及相關技術，實現了基于SDN的IP RAN網絡，可簡化IP RAN網絡設備，提高網絡自動化部署、運維、管理的能力，并為未來新業務的快速開放提供了能力。

圖2 SDN技術基本模型架構

圖3 IP RAN網絡接入層SDN虛擬化集群部署模型

圖4 IP RAN網絡SDN化各平面功能關系

3.3 基于SDN虛擬化的IP RAN 網絡轉發通道與控制

在現有的IP RAN承載網絡中，接入層設備通常存在兩種通道：一種是業務轉發通道，另一種是IP RAN綜合網管所進行的管理報文轉發通道，即所謂的DCN管理通道。

根據原有的網絡結構及屬性，IP RAN網絡采用SDN虛擬化技術后，網絡的SDN控制器的主要作用只是用來收集全網的網元拓撲信息。根據應用層下發的業務要求通過Controller計算出全局的業務轉發路徑，然后通過南向接口下發到下層轉發設備，于是在轉發設備上形成相應的轉發路由信息。下層設備只需要執行上層的計算結果，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。轉發設備與SDN之間通常也維護一個帶內通道，用于SDN 和轉發設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務轉發通道的建立和管理。

4 SDN IP RAN研究與實踐

4.1 IP RAN網絡SDN化的演進方向

技術的應用都是基于技術的成熟發展，階段性地進行商用部署，只有這樣才能確保業務建立和網絡服務的高質量、高可靠性的要求。對IP RAN承載網絡SDN虛擬化的發展情況進行深入研究和分析，根據現有的技術要求將后續網絡的演進情況進行了總結，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控制器可以內置在匯聚層設備，簡化接入層管理復雜度，實現接入層SDN化。

第2階段，指IP RAN承載網絡SDN虛擬化中期。該時期可以在IP RAN網絡接入，匯聚層以及核心層以外獨立部署Controller作為網絡SDN控制中心，實現IP RAN承載網匯聚層以下SDN化，進一步簡化網絡設備的集中管理運維。

圖5 IP RAN網絡SDN化演進示意圖

第3階段，實現IP RAN承載網和無線網全面采用SDN虛擬化。該時期整個網絡對外提供開放能力，IP RAN承載網Controller與無線Controller通過北向接口被協同應用管理，實現整網的SDN化管理，最終使整個網絡能實現MBB流量智能管理的經營能力。

4.2 SDN IP RAN網絡業務測試實踐

在現網進行IP RAN承載網絡接入層SDN虛擬化試驗，設備B內置控制器作為SDN Controller來控制下掛的A設備，試驗環境是通過軟件升級使B設備支持虛擬化，同時A設備也能滿足虛擬集群要求。在一對B下面接入40臺A設備，通過虛擬化后，接入環A設備對于基站就可以認為是一個邏輯的大的接入路由器，控制器會根據網絡業務需求，自動下發網絡配置及路由轉發表項給接入層設備，具體網絡邏輯如圖6所示。

圖6 實踐部署示意圖

圖6中，實踐部署網絡中故障點簡單設置為1、2、3這3個點，為了驗證SDN化后IP RAN網絡虛擬化對業務的承載是否符合電信級業務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務從接入層實現業務打流測試。具體是通過流量互打測試、鏈路故障倒換測試來檢驗網絡正常和故障時的鏈路丟包、時延統計等參數指標。通過測試可知測試時延、丟包等結果能滿足組網規范的要求，SDN技術可以作為IP RAN網絡后續發展的一個方向，增強IP RAN網絡的管理。

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

表1 SDN虛擬化前后，IP RAN網絡配置管理對比

通過SDN虛擬化前后IP RAN網絡配置所需要維護協議的對比情況可以發現：IP RAN通過引入SDN技術后可以簡化接入層復雜繁多的協議管理和設備維護，SDN技術通過將物理大網絡轉變為邏輯上的小網絡的管理運維方式，真正實現了網絡的集約化運營。

5 結束語

本文重點研究了現有IP RAN網絡的發展情況，對現有網絡建設中存在的或是以后將要面對的困難挑戰進行了詳細的分析研究，同時對全新的SDN虛擬化新技術進行了分析。根據IP RAN的發展需要明確了IP RAN網絡SDN化的演進方向，最后對IP RAN網絡接入層虛擬化進行了實踐，實踐結果表明SDN技術能進一步簡化IP RAN網絡的運營。

SDN IP RAN實踐后，存在的不足主要體現在兩個方面：

（1）目前實際網絡測試中由于前期設備及技術因素等制約，對于網絡中前期部署的老設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網試點階段，對于實際網絡中接入層虛擬化設備數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設備下的接入層設備進行虛擬化管理，異廠家混合組網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綜合承載網絡。

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