面向新型城域網的UMR技術方案研究與應用

尹遠陽，王志中，姜有強，孫嘉琪，梁筱斌

工程與應用

面向新型城域網的UMR技術方案研究與應用

尹遠陽1，王志中1，姜有強2，孫嘉琪1，梁筱斌1

（1.中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630；2. 中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510180）

新型城域網采用spine-leaf與BRAS（broadband remote access server）高掛集中部署的全新網絡架構。隨著新型城域網部署，原有IP城域網家庭帶寬業務逐步割接到新型城域網，當前網絡典型承載方案存在對設備MAC（media access control）路由表壓力大、業務部署困難等問題。通過研究與分析，創新性地提出UMR（unknown MAC route）技術實現方案，并完成實驗驗證，為推進新型城域網快速部署提供參考意義。

云網融合；新型城域網；靈活調整；固移承載；SRv6

0 引言

在國家新基建戰略下，運營商不斷推動網絡升級演進，助力數字經濟，這為融合云、網、邊、端、創新型網絡建設等方面帶來了新機遇，同時對云網融合新型網絡架構提出了新要求。現有的IP城域網絡面臨的挑戰主要如下。

（1）架構不靈活，網絡擴展不靈活，網絡功能與設備緊耦合，難以滿足算力下沉帶來的邊緣云快速接入和東西向流量增長。

●擴容壓力大，流量和帶寬保持規模增長，導致設備成本/投資大。

●業務接入設備能力分散部署，部分設備利用率偏低，新業務開通周期長，無法滿足彈性需求。

（2）業務分網承載，難以保障固移融合場景一致性體驗，特別是難以滿足2C/2H多屏互動的大視頻業務的跨網平滑遷移以及2B業務差異化承載。

（3）同一客戶的政企業務按類型分網承載業務部署不統一：互聯網訪問/L3VPN采用IP城域網承載，L2VPN組網型采用IPRAN承載。

（4）缺乏自動化開通，智能化運維手段。

●業務開通人工環節多、時間長，無法彈性調整。

●故障定位慢，依賴運維人員經驗。

因此，在面向現有IP城域網的挑戰下，基于spine-leaf架構的新型城域網應運而生。本文重點研究新型城域網針對業務接入云化集中部署，海量家庭帶寬用戶業務的典型承載解決方案的研究與分析。通過分析方案缺陷與痛點，創新性地提出UMR（unknown MAC route）技術解決方案，并完成實驗驗證，為新型城域網建設提供指導。

1 城域網發展及新型城域網架構

IP城域網的發展與新技術的迭代，已經無法滿足當前云網融合統一承載需求，優化網絡架構解決固移融合用戶體驗一致性，提升網絡靈活的擴展性和可靠性，新型城域網組網架構如圖1所示，新型城域網是將現有IP城域網、STN（smart transport network）、IPRAN（IP radio access network）融合為一張網，滿足家庭帶寬、移動、專線、云業務、云互聯的統一承載要求。

新型城域網采用模塊化、標準化的方式組建，具備彈性伸/縮的橫向擴容能力。全面引入新設備和新技術，實現端到端網絡重構，引入IPv6+為云網業務賦能，主要表現在如下方面。

圖1 新型城域網組網架構

（1）基于STN網元構建spine-leaf架構

●新型城域網基于STN承載網演進，滿足spine-leaf架構組網建設要求。

●spine設備直接采用STN-ER設備，實現流量快速轉發和疏導，主要負責leaf節點之間的流量無阻塞轉發與出城流量快速轉發；leaf設備以STN-B設備為主，負責綜合接入區匯接和服務節點的互聯。

（2）轉控分離vBRAS技術，云化、集中部署

●提升利用率和可靠性：控制面云化，組件冗余，統管虛擬/硬件轉發面；轉發面池化，實現:1、(+1):1、1:1備份。

●集中部署提升運營效率：提高IP地址使用率，減少路由條目，有利于實現新業務的快速上線和開通。

（3）部署SRv6+EVPN+FlexE融合承載技術，提升網絡的靈活性和差異能力

●SRv6+EVPN：端到端SRv6承載，提升網絡編程能力，業務靈活選路，為云網融合提供技術支撐。

●FlexE切片技術：業務切片可按需設置，實現差異化承載能力。

2 新型城域網家庭帶寬業務承載技術方案

2.1 EVPN VPLS方案與EVPN VPWS方案研究

在新型城域網中，城域核心網采用集中化的BAS-U池實現業務集中接入。當前主要有兩種承載方案：EVPN VPLS（ethernet VPN virtual private LAN service）方案與EVPN VPWS（ethernet VPN virtual private wire service）方案，方案組網示意圖如圖2所示，兩種方案都采用SRv6作為底層隧道。

方案一：EVPN VPLS方案，在A-leaf與S-leaf之間部署VSI（virtual switching instance），并與RR（route reflector）建立連接，所有Leaf設備將學習OLT（optical line terminal ）的用戶MAC信息。由于在新型城域網內BRAS池化后，一個BRAS池面臨百萬用戶地址學習，因此，該方案存在不足。

●VRR（virtual route reflector）負責百萬級或千萬級MAC地址學習并進行路由反射，設備MAC路由表項壓力大。

●為確保整個網絡的穩定和設備正常工作，對于特定的設備，RR設備需要配置復雜MAC過濾規則，否則A-leaf也將面臨MAC性能壓力，導致網絡崩潰。

●VPLS組網容易環路，從而引起網絡風暴，造成整網MAC漂移，頻繁發生導致整網癱瘓，給網絡運維帶來困難。

方案二：EVPN VPWS方案，以OLT為單位在A-leaf部署VPWS，承載網不感知用戶MAC，VRR僅需要反射EVPN連接路由；可以采用VLAN透傳方式，不修改用戶QinQ（802.1Q-in- 802.1Q）的VLAN，但是針對S-leaf的SVLAN需要以資源池為單位進行規劃，保證池內唯一。在規劃SVLAN時，可以與A-leaf的SVLAN不一致，確保兩側SVLAN獨立，避免SVLAN在資源池側的沖突。該方案的缺陷如下。

圖2 EVPN VPLS與EVPN VPWS部署方案組網示意圖

●需要對整網SVLAN進行統一規劃，同時每新增一個OLT都需要做端到端的規劃。

●針對大量用戶集中接入，用戶VLAN在同一個池內沖突會影響整網故障定位困難。

●隨著用戶數增加需要配置VPWS業務量大，操作相對復雜，不利于業務快速開通。

EVPN VPLS與EVPN VPWS關鍵能力的對比見表1。

2.2 EVPN VPLS方案中，網絡RR設備的路由壓力分析

EVPN VPLS方案部署的RR路由分析如圖3所示，根據現網業務部署模型，對應典型配置按OLT1雙歸雙活接入A-leaf，當OLT下用戶A的家庭帶寬業務上線時，在A-leaf1和A-leaf2各學習一條MAC表項，生成兩條EVPN MAC路由發往RR。同理，ITMS（integrated terminal management system）、VoIP（voice over internet protocol）、IPTV（internet protocol television）業務上線時，各需要生成兩條MAC路由，因此一個用戶需要生成8條MAC路由，按新型城域網規劃目標，一個接入池規劃按60萬～80萬用戶目標設計，以此規模網絡設備需要480萬～640萬RIB（routing info base）表項資源。假設一個地市用戶按400萬預估，則僅家庭帶寬業務至少需要800萬MAC RIB表項資源，如考慮其他業務接入，將對RR設備壓力將成倍增加。

EVPN VPLS方案在資源使用率、業務部署、業務配置方面優勢較突出，但需要重點解決百萬級MAC路由對RR的路由反射壓力和匯聚S-leaf的MAC容量壓力，同時還需要考慮解決VPLS中網絡MAC漂移引起網絡不穩定甚至網絡癱瘓等問題。

表1 EVPN VPLS與EVPN VPWS關鍵能力對比

圖3 EVPN VPLS方案部署的RR路由分析

3 新型城域網增強型EVPN VPLS with UMR技術方案

3.1 基于UMR技術承載方案實現方式

在RFC 7543中有對UMR技術進行了簡單定義，可以理解在網絡傳遞L3默認路由方式發布默認MAC路由。本文通過分析VPLS方案不足以及VPWS方案帶來配置量大等問題，結合UMR技術，通過對未知單播MAC的流量匹配全0（0000-0000-0000）MAC路由進行轉發，減少網絡中因開啟純VPLS后，設備VSI 域內EVPN MAC明細路由同步。因此，在S-leaf節點對于符合未知單播流量基于全0 MAC通過負載分擔方式轉發到A-leaf，A-leaf根據用戶明細MAC將流量引向對應的OLT，UMR技術承載方案如圖4所示。

UMR技術方案控制面路由發布/接收實現流程如下。

●在A-leaf上基于BD（bridge domain）粒度向RR發布UMR路由（即0000-0000-0000的EVPN MAC路由），如圖4粗虛線所示。

●在成對的A-leaf之間互相發布MAC明細路由（圖4細虛線），不發布UMR路由。

●在S-leaf設備上，向RR發布MAC明細路由。

●RR對A-leaf僅發布明細路由，S-leaf發布全部類型路由。

UMR技術方案數據面轉發實現流程如下。

●基于路由方案可以得知，穩態下，A-leaf上有所有用戶的MAC路由和pUP（physical user plane）的虛MAC路由；在S-leaf上僅有UMR路由，下一跳分別為A-leaf1和A-leaf2。

●上行流量目的MAC是pUP的虛MAC，轉發流程同EVPN VPLS方案。

●下行流量目的MAC為用戶MAC，在S-leaf上沒有用戶MAC，因為命中UMR路由，將流量轉發至A-leaf1和A-leaf2。

●A-leaf1和A-leaf2根據用戶MAC將報文按照已知單播轉發到對應的OLT。

采用UMR技術后，每對A-leaf僅需要發送兩條UMR路由到RR，且發布的路由表項與A-leaf接入的用戶數無直接關系，網絡中的MAC路由總量僅與A-leaf對的數量相關，相比VPLS方案，使用UMR技術，RR設備上的路由量呈指數級下降。

圖4 UMR技術承載方案

實驗對比，儀表模擬用戶MAC數量為512 000個，UP側模擬10個MAC接入，對比VPLS方式與UMR方式對應RR上的MAC路由表數如圖5所示。

通過實驗室驗證測試，UMR技術方案對應A-leaf設備接入的MAC數量僅與本地接入的用戶數量有關，不會因為RR使全網的（多個A-leaf接入形成的池）MAC反射到對應A-leaf，大大降低了A-leaf壓力，同時RR上對應的MAC數量僅為A-leaf側默認MAC路由和UP側明細路由，與VPLS方案相比，UMR技術方案實現使RR路由量下降，增強了網絡可部署性。

3.2 UMR技術方案端到端故障可靠性保護實現

作為一種網絡技術方案，必須具備在網絡故障時的可靠性保護能力，UMR技術方案針對網絡故障點的保護實現如圖6所示，在網絡中模擬不同故障點，實現網絡的業務可靠性保護倒換，滿足業務承載需要，URM技術方案故障點場景處理，見表2。

從上述各個故障點的保護技術可以看出，UMR方案的端到端故障可靠性基本延續了EVPN VPLS方案的保護技術，比VPLS方案故障收斂速度更快，保護技術標準化高，技術相對比較成熟。

4 結束語

本文提出的EVPN VPLS with UMR技術解決方案，解決了EVPN VPLS方案中對應設備需要大容量MAC規格及用戶明細MAC通告問題：A-leaf只發布默認MAC路由，減少了RR和S-leaf設備的MAC學習，RR設備的MAC路由表項從百萬級別降低到千級別，同時也降低了網絡部署與運維難度，提高網絡靈活調度及業務服務能力，可以作為新型城域網絡部署應用方案。

圖5 對比VPLS方式與UMR方式對應RR上的MAC路由表數

圖6 UMR技術方案針對網絡故障點的保護實現

表2 URM技術方案故障點場景處理

[1] 馬培勇, 吳偉, 張文強, 等. 5G承載網關鍵技術及發展[J]. 電信科學, 2020, 36(9): 122-130.

MA P Y, WU W, ZHANG W Q, et al. Key technologies and development of 5G bearer network[J]. Telecommunications Science, 2020, 36(9): 122-130.

[2] 陳運清, 雷波, 解云鵬. 面向云網一體的新型城域網演進探討[J]. 中興通訊技術, 2019, 25(2): 2-8, 27.

CHEN Y Q, LEI B, XIE Y P. Evolution of new metropolitan area network for cloud network convergence[J]. ZTE Technology Journal, 2019, 25(2): 2-8, 27.

[3] 關青, 馮忠義. 基于智能城域網的vBRAS部署方案探討[J]. 通信電源技術, 2020, 37(12): 274-276.

GUAN Q, FENG Z Y. Discussion on deployment scheme of vBRAS based on intelligent IP MAN[J]. Telecom Power Technology, 2020, 37(12): 274-276.

[4] RFC. Covering prefixes outbound route filter for BGP-4[R]. 2015.

[5] 吳偉, 張文強, 楊廣銘, 等. 5G承載網的“SRv6+EVPN”技術研究與規模部署[J]. 電信科學, 2020, 36(8): 43-52.

WU W, ZHANG W Q, YANG G M, et al. SRv6 +EVPN technology research and scale deployment of 5G bearer network[J]. Telecommunications Science, 2020, 36(8): 43-52.

[6] 張鈺. 淺談基于VPLS的二層網絡擴展方案的應用[J]. 電信科學, 2014, 30(S1): 137-140, 153.

ZHANG Y. Application of layer 2 network expansion scheme based on VPLS [J]. Telecommunications Science, 2014, 30(S1): 137-140, 153.

[7] 曹暢, 張帥, 唐雄燕. 下一代智能融合城域網方案[J]. 電信科學, 2019, 35(10): 51-59.

CAO C, ZHANG S, TANG X Y. Next generation intelligent converged metro network[J]. Telecommunications Science, 2019, 35(10): 51-59.

[8] 丁志茂. 基于業網分離思想的新型城域網建設思考[J]. 中國新通信, 2020, 22(11): 62.

DING Z M. Thoughts on the construction of new man based on the idea of industry network separation [J]. China New Telecommunications, 2020, 22(11): 62.

[9] 張龍江, 王進勇, 梁凌. 基于EVPN的新型互聯網技術在智能城域網中的應用[J]. 山東通信技術, 2021, 41(1): 12-16.

ZHANG L J, WANG J Y, LIANG L. Application of new Internet technology based on evpn in intelligent man [J]. Shandong Communication Technology, 2021, 41(1): 12-16.

[10] 陸鋼, 陳長怡, 黃澤龍, 等. 面向云網融合的智能云原生架構和關鍵技術研究[J]. 電信科學, 2020, 36(9): 67-74.

LU G, CHEN C Y, HUANG Z L, et al. Research on intelligent cloud native architecture and key technologies for cloud and network integration[J]. Telecommunications Science, 2020, 36(9): 67-74.

[11] 喬建, 李忠超, 高麗華. 面向云網融合的新型城域網架構關鍵問題研究[J]. 電信快報, 2021(8): 22-25.

QIAO J, LI Z C, GAO L H. Research on key issues of new MAN's network architecture for cloud-network convergence[J]. Telecommunications Information, 2021(8): 22-25.

Research and application of UMR technology for new metropolitan area network

YIN Yuanyang1, WANG Zhizhong1, JIANG Youqiang2, SUN Jiaqi1, LIANG Xiaobin1

1.Research Institute of China Telecom Co.,Ltd., Guangzhou 510630, China 2. Guangdong Branch of China Telecom Co.,Ltd., Guangzhou 510180, China

The new metropolitan area network adopts the new architecture of spine-leaf. BRAS is a high hanging and centralized deployment mode. With the deployment of the new metropolitan area network, the home wide service is gradually cut over to the new network. The current typical bearer scheme has many problems, such as the sharp increase of pressure on the network equipment MAC routing table, the large and complex network configuration. After analyzing and comparing the defects of typical bearer schemes, the implementation scheme of UMR technology was innovatively put forward, which provided reference significance for promoting the rapid deployment of new metropolitan area network.

cloud network integration, new metropolitan area network, flexible adjustment, fixed mobile bearing, SRv6

TP915.06

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022028

2021?08?13；

2021?12?03

尹遠陽（1986?），男，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要從事IP網絡技術研究、新型城域網技術研究、IP數通設備方案評測驗證等工作。

王志中（1971?），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要從事IP網絡架構、技術方案研究等工作。

姜有強（1981?），男，中國電信股份有限公司廣東分公司高級工程師，主要從事IP網絡的規劃、建設、維護以及4G/5G核心網的規劃建設工作。

孫嘉琪（1987?），女，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要從事IP網絡技術研究、新型城域網技術研究等工作。

梁筱斌（1982?），男，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要從事IP網絡技術研究、2B業務承載方案設計等工作。