基于新型承載網的車聯網組網架構研究

周麗娜，趙鵬程，王世昌，劉太龍

（中國通信建設集團設計院有限公司第一分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景及意義

智能網聯汽車是車聯網運行的主要載體，是指搭載先進的車載傳感器、控制器、執行器等裝置，并融合現代通信與網絡技術，實現車與 X（人、車、路、云端等）智能信息交換、共享，具備復雜環境感知、智能決策、協同控制等功能，可實現“安全、高效、舒適、節能”行駛的新一代汽車[1]。

目前，對車聯網的研究在產業界、學術界都引起了廣泛的關注，主要集中在車側、路側、網側以及云側。車側的研究主要由汽車廠家提供 OBU 實現；路側研究主要集中在數字化道路，包括智能桿路、雷達、攝像頭及 RSU 設備的部署；網側目前業界已經達成共識，普遍采用 LTE-V2X 及5G-V2X 實現；云側無論從試點情況還有研究情況看，大都采用邊緣、區域及中心三級架構，可滿足車聯網業務多場景的組網需求，但是三層云平臺架構部署功能業界尚未達成共識，有基于 SDN 技術實現車聯網控制技術的，此技術可滿足多種接入設備的接入需求，不受廠家的限制[2]。

為此，近年來，學術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，并進行了廣泛的研究，取得了一些成果，有力推動了 D2D 和V2X 技術的發展[2]。這些文獻對對如何實現車聯網回傳承載技術方面的關注不多，更多基站和路邊單元的部署，對承載網關于容量、組網以及時延提供了更高的要求。目前，承載網技術大多基于接入、匯聚以及核心組網架構，業務實現方式不靈活，不具備轉控分離的能力。本文在研究了基于中心、區域及邊緣三級架構平臺的基礎上，提出了基 Spine-Leaf 新型承載網絡架構，此架構符合未來網 絡演進方式，可滿足車聯網業務快速轉發以及彈性的組網需求。

2 新型承載網架構及關鍵技術分析

2.1 Spine-Leaf 架構

Spine-Leaf 兩層設備的扁平化網絡架構來源于CLOS網絡，采用分層 Full-Mesh 鏈接，實現 Spine-Leaf 任意節點間流量快速轉發[4]。Spine-Leaf 可實現低成本彈性擴展，盡可能實現流量本地穿越，解決東西向流量問題。目前， Spine-Leaf 架構已在數據中心中廣泛應用，尤其是葉脊 leaf-spine 網絡架構配合 Overlay 技術，在 SDDC（Software Defined Data Center）演進過程中將起到重要的作用。如今，業界已將 Spine-Leaf 架構應用于承載網絡，以解決云網融合以及新業務的承載。中國電信已在四川、江蘇、上海等地開展基于 Spine-Leaf 架構的新型城域網試點，驗證了承載5G 和傳統業務可行性。

基于Spine-Leaf 架構承載網絡， Spine 節點在城域POD 點成對設置， Leaf 設備以用戶 /業務規模，覆蓋范圍為基礎部署，成對水平擴展。 Spine-Leaf 可實現網內多鏈路負載分擔和節點冗余，提升網絡可靠性。

2.2 新型承載網關鍵技術

SRv6/EVPN 和FlexE 被業界認定為未來承載技術代表，實現各類協議融合與統一。

（1）SRv6 技術。它被譽為下一代轉發技術，向SRv6 for everything 演進，實現面向用戶端到端網絡。SRv6基于源路由轉發模型，基于 Function 攜帶業務屬性，提升網絡可編程能力。基于 SRv6可面向業務、用戶提供端到端網絡，解決網絡跨域對接難題[5]。

（2）EVPN 技術。它全稱 Ethernet VPN，最開始由RFC7432定義， EVPN 基于BGP/MPLS 技術，通過擴展BGP NLRI 屬性，實現 L2 VPN/L3 VPN 業務承載融合。EVPN 通過擴展 BGP 協議使二層網絡間的 MAC 地址學習和發布過程從數據平面轉移到控制平面，減少網絡資源消耗[6]。

（3）FlexE 技術。它在以太網技術實現基于時隙傳送，實現物理隔離和帶寬保證，可在構建端到端低時延、低抖動的端到端路徑[7]。FlexE 作為切片的基礎技術，從硬件層面解決不同類型業務隔離問題，面向業務提供確定性 SLA 服務。可根據帶寬需求靈活配置，例如 10G、40G、100G、200G、 n*25G。

3 新型承載網在車聯網中應用

目前，某市已開展數字道路建設研究工作，車路協同是其邊緣計算的重點應用場景。車路協同場景具有實時性處理能力、海量數據接入及業務端到端時延低等特點，大量的業務需求在邊緣節點處理，并快速返回給車端，通常端到端時延要求小于 20 ms。海量數據接入主要包括 RSU、攝像頭以及毫米波雷達、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選擇的類型不同，一般為8 Mb/s 或16 Mb/s，毫米波雷達、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，減輕對中心節點的壓力。海量的傳感器以及視頻監控的流量，對于存儲及鏈路帶寬在成極大的壓力，同時異構設備 /平臺的接入及互通使得中心機房的安全性難以保障。通過三級平臺架構部署，能夠有效降低網絡回傳開銷及中心節點壓力，同時能夠實現異構設備 /平臺在邊緣接入的解耦；中心平臺對區域和邊緣節點進行集中管控，部署SDN 控制器，解決異廠家設備互通的問題。

從計算時延和用戶接入量考慮，車聯網平臺可采用分布式部署三級架構，即 V2X 中心計算平臺、 V2X 區域計算平臺以及 V2X 邊緣計算節點，此三級架構可提供計算能力、存儲能力、通信轉發能力以及基礎業務服務能力，可滿足車聯網業務不同場景需求。

在實現業務和管理分層的同時，如何為各級平臺建立快速的訪問通道，是本文研究的重點。現有承載網絡均為流量驅動式組網方式，即網絡通過接入、匯聚、核心層轉發，組網方式不靈活，帶寬分配方式單一，基于此，本文選用了基于 Spine-Leaf 架構的新型承載網實現邊緣、區域及地區級 V-MEC 的互聯互通的需求，部署 SRv6、FlexE、EVPN 等協議，滿足車聯網業務快速轉發和靈活的組網需求。

基于Spine-Leaf 新型承載網架構 Leaf 節點部署在基站接入的 STN-A 環路，用于匯聚 STN-A 的業務，在三級架構云平臺中各部署一對 Leaf 節點，一對Spine 節點部署在本地市的核心機房。 Leaf 設備全部雙上聯至Spine 節點，在此架構下，車聯網終端設備訪問云平臺資源時，經過 Spine 節點一跳轉發即可到達，減少因設備層級較多帶來的時延。為滿足車聯網快速訪問邊緣平臺的需求， STN-A 設備與Leaf 節點對接，滿足車聯網中對時延要求較高的組網需求。基于新型承載網車聯網組網架構如圖 1所示：

圖1 某市基于新型承載網車聯網架構圖

基于 Spine-Leaf 新型承載網架構為轉控分離的架構，可實現轉發和控制解耦，對于車聯網接入設備多樣化有很好的解耦作用，可滿足異廠家組網的需求。在控制層，可滿足 SDN 控制層建設的需求。現有的園區和礦區除車聯網建設需求外，還有上網、視頻以及專線組網的需求。基于 Spine-Leaf 新型承載網架構可綜合承載此類業務，通過 FlexE、EVPN 等關鍵技術的部署，可保證多業務的QoS 的實現。尤其是現有的園區大都建設有自己的云平臺，可滿足云網一體化的組網需求，為快速上云提供了快速的訪問通道。

4 結束語

本文在分析了現有承載網絡不足的基礎上，針對車聯網采用的中心、區域及邊緣三級架構平臺，提出了基于 Spine-Leaf 新型承載網絡架構，可滿足車聯網業務快速、高效以及低時延的訪問車聯網平臺的需求，并且此架構除滿足車聯網業務承載需求外，還可滿足其他常規業務承載需求，為園區以及城市一體化組網的建設需求。目前車聯網建設還處在試點階段，尚未形成成熟的盈利模式，盈利模式目前正在探索前進中。