面向5G通信云的網(wǎng)絡(luò)自動化編排及解耦部署研究

張世華，胡 祎，張 奎，趙以爽，文湘江（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南 鄭州 450007；.中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信集團有限公司，北京 00033）

1 概述

隨著互聯(lián)網(wǎng)+、中國制造2025、智慧城市等概念的提出，智能終端以及云服務(wù)的普及和應(yīng)用，促使網(wǎng)絡(luò)的規(guī)模和流量快速激增，這也使傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)面臨眾多新的挑戰(zhàn)。通信云作為電信運營商主流的解決方案，能夠解決傳統(tǒng)專用硬件設(shè)備成本高、靈活性差、開發(fā)周期長等問題，滿足5G 網(wǎng)絡(luò)、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)/車聯(lián)網(wǎng)等新興業(yè)務(wù)的需求。以5G 核心網(wǎng)業(yè)務(wù)為代表，運營商正在大規(guī)模部署通信云資源池，穩(wěn)步推進網(wǎng)絡(luò)云化改造。

通信云網(wǎng)絡(luò)通常采用數(shù)據(jù)中心經(jīng)典的Spine/Leaf架構(gòu)，完成DC 內(nèi)流量快速、無阻塞轉(zhuǎn)發(fā)。若通信云網(wǎng)絡(luò)使用傳統(tǒng)的VLAN 方案存在著明顯的缺點：VLAN數(shù)量有限，難以滿足大規(guī)模組網(wǎng)；容易造成廣播風暴，通過STP/RSTP協(xié)議破環(huán)導(dǎo)致鏈路利用率低，故障恢復(fù)時間長；未能實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)的解耦，主要通過手工配置，無法滿足業(yè)務(wù)快速開通。SDN 作為一項顛覆傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的新技術(shù)，是未來網(wǎng)絡(luò)演進的重要方向，有效推動網(wǎng)絡(luò)和基礎(chǔ)設(shè)施新一輪的變革。通過SDN可以有效提升通信云網(wǎng)絡(luò)的自動化、智能化編排能力，實現(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同的目標。

但是由于通信云承載各種網(wǎng)絡(luò)云化、創(chuàng)新平臺業(yè)務(wù)，通信云的云平臺（Hypervisor 虛擬化層+虛擬化集群管理組件）通常是由主流電信設(shè)備提供商基于ETSI NFV 標準進行定制化開發(fā)，無法與SDN 控制器自動適配，再考慮到通信業(yè)務(wù)的可靠性要求高，網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置復(fù)雜，也增加了云平臺和SDN 控制器對接的難度。本文從通信云業(yè)務(wù)特征分析入手，探討云平臺和SDN控制器的對接方案。

2 通信云業(yè)務(wù)特征分析

隨著技術(shù)標準演進，服務(wù)化（SBA）、軟件化成為通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，通信網(wǎng)元也從虛擬化向云化發(fā)展。基于目前運營商的部署測試情況，5GC、VoLTE 短信網(wǎng)關(guān)、視頻彩鈴等業(yè)務(wù)網(wǎng)元已通過虛擬化測試驗證，滿足商用部署條件。根據(jù)網(wǎng)元云化成熟度，現(xiàn)階段適合云化部署的業(yè)務(wù)包括管理平臺、創(chuàng)新業(yè)務(wù)平臺以及控制類網(wǎng)元。基于不同的業(yè)務(wù)特征、網(wǎng)絡(luò)需求通信網(wǎng)元可分為主機型VNF和路由型VNF。

2.1 主機型VNF流量模型

主機型VNF 直接使用VM 網(wǎng)卡（vNIC）的IP 和MAC 地址對外通信，VNF 沒有業(yè)務(wù)地址，不對外部網(wǎng)絡(luò)建立路由鄰居、BFD 協(xié)議，發(fā)布路由等。由于采用分布式網(wǎng)關(guān)，VNF 將Leaf 設(shè)置為默認網(wǎng)關(guān)，Leaf 根據(jù)VNF 報文目的地址查找EVPN 的MAC/IP 路由表，將報文封裝進VxLAN 隧道發(fā)往對端DCGW/Leaf，DCGW/Leaf 終結(jié)VxLAN，同樣根據(jù)MAC/IP 路由表，將報文轉(zhuǎn)發(fā)到外部網(wǎng)絡(luò)/內(nèi)部其他VNF。若VNF采用主備保護，主備VNF 所在的VM 需綁定相同的浮動IP 地址。主機型VNF的網(wǎng)絡(luò)接口與通信模型如圖1所示。

2.2 路由型VNF流量模型

對于路由型網(wǎng)元，除了VM 配置的vNIC IP 外，VNF 本身有業(yè)務(wù)IP 和Loopback 地址。路由型VNF 將按需對外建立路由鄰居（主要是與DCGW 建立BGP 鄰居），通過BFD 進行主備路由倒換，提高收斂性能，因此路由型VNF 將產(chǎn)生大量的業(yè)務(wù)路由。路由型VNF業(yè)務(wù)地址配置在Loopback 上，接口板VM 采用N+1 方式分擔流量，VNF 通過動態(tài)路由對外通信。路由型VNF的網(wǎng)絡(luò)接口與通信模型如圖2所示。

3 通信云網(wǎng)絡(luò)SDN部署方案

圖1 主機型VNF的網(wǎng)絡(luò)接口與通信模型

圖2 路由型VNF的網(wǎng)絡(luò)接口與通信模型

通信云網(wǎng)絡(luò)可以分為Underlay 網(wǎng)絡(luò)、Overlay 網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)。Underlay 網(wǎng)絡(luò)就是數(shù)據(jù)中心的內(nèi)部物理網(wǎng)絡(luò)，負責底層網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通和報文的高速轉(zhuǎn)發(fā)。Overlay 網(wǎng)絡(luò)是由SDN 控制器根據(jù)VIM 傳遞的網(wǎng)絡(luò)需求構(gòu)建的虛擬網(wǎng)絡(luò)，承載在Underlay 網(wǎng)絡(luò)之上。Over?lay 網(wǎng)絡(luò)通過VTEP 和VxLAN 網(wǎng)關(guān)之間建立VxLAN 隧道，來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)端到端打通，支持多租戶、大二層以及按需配置和自動化部署。業(yè)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)是由路由型VNF 和DCGW 建立動態(tài)路由鄰居，進行收發(fā)路由而形成的，由于主機型VNF 無需與外部網(wǎng)絡(luò)建立路由鄰居，因此業(yè)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)對其不可見。通信云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案如圖3所示。

通信云Underlay 網(wǎng)絡(luò)采用Spine-Leaf 架構(gòu)提供無阻塞網(wǎng)絡(luò)，通過IGP 協(xié)議打通物理層網(wǎng)絡(luò)。DCGW 建議采用高端路由器，對于主機型VNF，DCGW 配置為VRRP，提供虛擬IP 地址；對于路由型VNF，DCGW 獨立部署，分別與VNF 建立BGP 鄰居。Spine 建議采用高性能交換機，成對獨立部署，對上對下的接口配置IGP 協(xié)議進行三層報文轉(zhuǎn)發(fā)，并作為BGP 路由反射器，負責轉(zhuǎn)發(fā)DCGW 與Leaf 間的BGP 路由信息；Leaf 建議采用高端口密度的盒式交換機（典型TOR 設(shè)備端口為48×10GE+6×100GE/40GE），成對配置為一組VTEP group，上行接口配置IGP 協(xié)議與Spine 互通，下行與服務(wù)器側(cè)的接口采用MC-LAG提高鏈路可靠性。

圖3 通信云網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決方案

Overlay 網(wǎng)絡(luò)中根據(jù)VxLAN 網(wǎng)關(guān)（VTEP）選擇設(shè)備不同以及控制面協(xié)議不同，可以分為硬件Overlay 方案和混合Overlay方案。

a）硬件Overlay 組網(wǎng)方案。選用硬件Leaf 交換機作為VTEP，DCGW 作為資源池的唯一出口，配置為VxLAN 網(wǎng)關(guān)，在Leaf 和DCGW 之間、Leaf 和Leaf 之間建立VxLAN 隧道。硬件Overlay 網(wǎng)絡(luò)方案采用EVPN為控制面協(xié)議，SDN 控制器通過Netconf協(xié)議在相應(yīng)交換機設(shè)備上配置。

b）混合Overlay 組網(wǎng)方案。選擇硬件Leaf交換機或者vSwitch 作為VTEP。對于普通VM 采用vSwitch 作為VTEP，對于裸金屬服務(wù)器或其他特殊訴求的VM（如SRIOV 虛機）采用硬件Leaf 交換機作為VTEP。DCGW 配置為VxLAN 網(wǎng)關(guān)，在Leaf/vSwitch 和DCGW之間、Leaf/vSwitch 和Leaf/vSwitch 之間建立VxLAN 隧道。對于vSwitch 做VTEP，SDN 控制器通過OVSDB 和OpenFlow協(xié)議對vSwitch進行配置下發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)控制；對于硬件交換機做VTEP，控制面基于NetConf，控制器通過Netconf配置Leaf和DCGW。

業(yè)務(wù)層網(wǎng)絡(luò)是為路由型VNF 配置的，VNF 使用BGP 協(xié)議與DCGW 建立路由鄰居，進行收發(fā)路由，DC?GW 通過VRF 將不同業(yè)務(wù)平面的路由進行隔離，并通過eBGP/靜態(tài)路由與外部網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)。

4 通信云平臺與SDN控制器對接方案

通信云中存在大量虛擬子網(wǎng)和業(yè)務(wù)路由，采用傳統(tǒng)VLAN 方案部署時，內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)需要手工配置，網(wǎng)絡(luò)無法敏捷調(diào)整以適應(yīng)新業(yè)務(wù)的部署需求。在通信云資源池引入SDN 控制器，是通過云平臺VIM 北向REST接口向SDN 控制器下發(fā)配置需求，由SDN 控制器負責網(wǎng)絡(luò)自動化編排。相較傳統(tǒng)VLAN 方案，主要變化如表1所示。

a）邏輯網(wǎng)絡(luò)配置。通信云平臺通過Neutron 集成擴展插件SDN Driver向SDN控制器發(fā)送創(chuàng)建邏輯網(wǎng)絡(luò)虛擬網(wǎng)絡(luò)資源請求，云平臺創(chuàng)建的邏輯網(wǎng)絡(luò)為VLAN類型，SDN 控制器為邏輯網(wǎng)絡(luò)分配VxLAN 資源，根據(jù)分層網(wǎng)絡(luò)拓撲進行層次化綁定。具體流程見圖4。

表1 傳統(tǒng)VLAN與SDN方案的差異分析

圖4 邏輯網(wǎng)絡(luò)配置流程圖

b）BGP 鄰居配置。通信云平臺通過Neutron 集成擴展插件SDN Plugin 向SDN 控制器發(fā)送創(chuàng)建BGP 鄰居的請求，控制器獲取DCGW 設(shè)備信息，并將請求轉(zhuǎn)化為具體命令行配置到DCGW 上。通信云平臺和SDN 控制器應(yīng)支持VNF 和DCGW 之間BGP 鄰居的增/刪/查/改功能，實現(xiàn)路由型VNF 通過BGP 收發(fā)業(yè)務(wù)路由。具體流程如圖5所示。

c）VPC 互通配置。VPC 互通用于設(shè)置2 個vRout?er 的指定CIDR（無類別域間路由）進行互通。通信云平臺通過Neutron 集成擴展插件SDN Plugin，向SDN 控制器發(fā)送vpc_connection請求，控制器將請求轉(zhuǎn)化為具體命令行配置到DCGW 上，完成不同VPC 間的網(wǎng)絡(luò)互通。具體流程如圖6所示。

通信云平臺與SDN 控制器支持異構(gòu)方式進行解耦化部署，異構(gòu)方式對接時相關(guān)組件分工建議如表2所示。

5 結(jié)束語

目前通信云已在國內(nèi)運營商大規(guī)模部署，支撐5GC、VoLTE 短信網(wǎng)關(guān)等業(yè)務(wù)的順利開通。通信網(wǎng)絡(luò)向云化演進過程中，網(wǎng)絡(luò)自動化編排是不可或缺的一部分，只有實現(xiàn)云網(wǎng)協(xié)同，才能真正實現(xiàn)端到端的業(yè)務(wù)和資源統(tǒng)一編排，形成敏捷、彈性的智能化網(wǎng)絡(luò)，為智慧城市、智能制造提供無處不在的云網(wǎng)業(yè)務(wù)，以此加快推動經(jīng)濟社會的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化進程。

圖5 BGP鄰居配置流程圖

圖6 VPC互通配置流程圖

表2 通信云平臺與SDN控制器異構(gòu)對接分工建議