5G承載網分段路由技術探討

張忠杰

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林 長春 130012）

1 5G承載網當前面對的主要挑戰

1.1 基站架構不斷發展

5G無線基站相比4G基站具有更大的分布密度，為了解決基站的移動切換與協同運行等問題，對無線接入網進行架構時，針對4G通信體系的射頻拉遠單元（Remote Radio Unit，RRU）與基帶處理單元（Building Baseband Unit，BBU）等實施重新劃分，形成了集中單元（Centralized Unit，CU）、分布單元（Distributed Unit，DU）與有源天線處理單元（Active Antenna Unit，AAU）[1]。基帶處理單元中的物理層處理功能與射頻拉遠單元被整合成AAU，分割BBU原本的實時化部分，并將其定義為CU，主要提供非實時服務并處理同類協議。BBU的其他功能被納入到DU中，DU可支持實時服務功能與處理物理層的各種協議。通用公共無線接口（Common Public Radio Interface，CPRI）協議是前傳接口的基礎之一，多流、大帶寬等多種技術對于5G通信的發展起到了推動作用。過去的CORI接口對于傳輸帶寬的要求極高，低頻配置條件下的流量約為400G。針對新的通信環境與要求，對接口作出新的標準與定義，從而解決帶寬要求過高的問題，可使用25G接口，滿足統計復用、分組承載以及以太封裝等方面的需求。

1.2 核心網架構持續演進

在過去的4G網絡系統中，架構核心網絡系統時，主要選擇在各個省會城市集中進行部署的模式。當前的業務場景中形成了更加多元化、復雜化的業務需求，5G通信系統的核心網需要在發展中推進控制分離、云化轉化與演進等，結合具體的應用型業務需求，可選擇部分下沉或者集中部署兩種不同模式，使網絡架構方式更加靈活化，進而解決本地流量中介、就近協同轉發與網關下移等問題[2]。

2 5G承載網當前需要滿足的發展需求

2.1 智能化管控

在軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的支撐下，5G通信系統分離了轉發面與控制面板，促使通信網絡形成了更高的開放化、高效化與智能化程度。承載網是“端到端網絡”的重要組成部分之一，因此其需要通過軟件定義網絡功能來提供網絡配置接口，這種接口能夠面向當下的差異化、多樣化業務，依照業務場景來實現對網絡架構的設置，從而支持各種業務活動。在部署網絡時，為了將業務運維效率提升到更高的水平線上，可引入簡化路由控制技術與轉發技術[3]。

2.2 網絡靈活化

大規模機器類型通信（massive Machine Type Communication，mMTC）對應的主要是物聯網等應用場景，其目標包括采集數據與傳感。承載網需要保持較快的部署速度，同時支持網絡編程、靈活調整流量路徑、靈活調度網絡資源等活動。無論從5G網絡切片的角度，還是5G核心網云化的角度，都需要承載網具備更強的連接能力，否則無法滿足動態業務存在的連續化需求。面對不同網元存在的各種業務流向，需要對L3功能實施下移，具體可移動到移動邊緣計算（Mobile Edge Computing，MEC）或者用戶平面功能（User Plane Function，UPF）的位置上，進而形成更高的帶寬效率，給用戶帶去更好的使用體驗。

2.3 時間同步

時間同步應滿足精度方面的要求，具體包括新業務同步、協同業務時間同步與基本業務時間同步。4G與5G對于業務時間同步的要求基本一致，而新業務同步需求與5G協同業務的相關標準需在RRU之間。

2.4 網絡切片

5G承載網支持的業務類型與業務形態更多，如高可靠和低延遲通信（ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、mMTC與增強型移動寬帶（enhanced Mobile Broadband，eMBB）等，不同類型的業務對于可靠性、連接數、帶寬與時延等往往有差異化的訴求，在差異化傳輸過程中，網絡切片有重要作用，尤其是在對垂直行業存在的個性化需求進行滿足時。升級5G承載網時，應明確3GPP給網絡切片提出的具體要求，如操作不應互相影響、做好切片隔離、彈性應能夠實現擴展、不應給業務帶去影響、支持第三方自行配置、管理與創建的分片活動等。網絡切片分組模型如圖1所示。

2.5 大帶寬

5G承載網需要具有較大的容量與帶寬，主要是因為其連接的設備種類豐富，數量多，面對的拓撲結構場景也極為豐富，無論是接口還是帶寬的消耗量都更高，承載設備必須滿足接口數量、帶寬與容量等方面的要求。

3 5G承載網分段路由技術

3.1 概念與特點

傳統型多協議標簽交換（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）已暴露出不少問題，如標簽分發協議（Label Distribution Protocol，LDP）不能對流量工程起到支持作用，內部網關協議（Interior Gateway Protocol，IGP）與LDP間出現交互復雜的情況。從隧道的角度切入，基于流量工程擴展的資源預留協議（Resource ReSerVation Protocol-Traffic Engineering，RSVP-TE），隧道中間、宿節點與源節點都存在維護鄰居的情況，同時具有復雜的控制面板與鏈路狀態，微環問題也應引起關注。所以可將分段路由（Segment Routing，SR）引入到5G承載網系統中，用來替代LDP/MPLS，進行隧道構建工作。分段路由屬于源路由技術，其轉發點并不需要對業務狀態進行感知，只對拓撲信息進行維護，從而完成網絡和業務實例數的有效解耦，增強網絡對于泛在連接的支持能力，也實現了對擴展性的有效優化。

分段路由技術應和SDN技術進行聯合使用，SDN技術可結合拓撲資源與網絡流量情況，以集中計算的方式找出能夠滿足具體業務需求的最為合適的轉發路徑，對路由信息發動到源節點，并不需要有其他節點參與消息交互與控制活動，使承載網絡形成更穩定的轉發性能。分段路由可同時支持松散約束路由與嚴格約束路由，當處于松散路由場景中時，轉發面應對具體的內部網關協議進行支持，松散約束路由也能夠在局部保護中發揮作用。

分段路由涉及鏈路標簽、標簽棧、黏連節點與黏連標簽等概念。鏈路標簽主要功能是對分段路由網絡系統中的路由鄰接鏈路進行標識，路由流量工程（Segment Routing-Traffic Engineering，SR-TE）隧道中的標簽多為鏈路標簽，其具有明顯的方向性，能夠在報文處于轉發過程中時發揮引導作用，但是只對源節點本地有效。標簽棧可被看作是標簽排序集合，可以表示完整、沒有缺損的分層服務提供商（Layered Service Provider，LSP），鏈路標簽處于標簽棧中，對相應的鏈路展開表示。標簽棧以棧頂為起點，直到棧底，按照順序逐一標識全部鏈路。轉發報文時，可按照棧頂顯示的鏈路標簽來一一找出具體鏈路，彈出標簽并完成轉發。彈出全部鏈路標簽之后，報文也完成了LSP的流轉，并達到預設目的地。若標簽棧的深度與轉發器的標簽深度不相符，前者深度更大，僅憑借單個標簽棧很難實現對全部鏈路標簽的有效攜帶，則可對路徑進行切分，將完整的路徑切分成數個標簽棧進行逐一攜帶，同時還要依靠特定的標簽來黏連相鄰的標簽棧。這類標簽為黏連標簽，所處的節點被稱為黏連節點。

3.2 主要優勢

對比RSVP-TE與SR-TE，從控制平面的角度來看，前者需要為MPLS提供控制協議，整個控制平面相對比較復雜；而后者作為控制信令發揮作用，形成的協議是對IGP協議的內容進行擴展，具有更加簡單的可控制平面，不需要為MPLS形成專門的控制協議，協議數量更少。從標簽分配的角度來看，前者的所有LSP上都需要被分配相應的標簽，若存在LSP的數量過多，則需要將多個標簽分配到鏈路上，標簽資源被大量占用，維護標簽轉發表的工作量也很大；后者只需要為每個線路分配一個與之對應的標簽，全部LSP均可使用同一標簽，標簽被占用的問題得到有效解決，維護工作量也隨之減輕。從路徑控制與調整的角度來看，前者應逐個節點來下發配置；后者的網絡中間設備不需要對隧道進行感知，只需要進入節點的相關報文實施標簽操作就能夠實現對業務轉發路徑的控制，可省略逐個節點一一下發配置的環節。

3.3 控制平面

分段路由的數據平面可選擇MPLS架構，以此延續其功能特征。分發與分配SR標簽時，可借助IGP協議中的分段路由擴展實現同步，也可將控制器視作控制平面，來下發與分配Segment[4]。協同運用IGP與SDN控制器，從而挖掘其在自動發現鏈路資源、以動態化的方式控制業務與連接情況、計算端至端業務計算與收集網絡拓撲等方面的應用價值。Netconf、路徑計算單元通信協議（Path Computation Element Communication Protocol，PCEP）與邊界網關協議鏈路狀態（Border Gateway Protocol Link-Stat，BGP-LS）是控制器和轉發面間的主要南向接口協議。轉發面利用BGP-LS把拓撲向控制器上報，為路由信息庫（Routing Information Base，RIB）的形成做好準備，同時要確保數據的一致性；控制器完成對分段路由端到端路徑的計算后，PCEP負責將計算結果傳送給設備，以此構建閉環式控制系統，Netconf負責其余的管理接口。分段路由控制平面如圖2所示。

圖2 分段路由控制平面

3.4 隧道與保護技術

3.4.1 SR-TP隧道

這一隧道是在控制器的基礎上建設的隧道，同時還設有約束條件，控制器能夠將計算獲得的轉發路徑以分段路由標簽站的外部形式進行下發，在此過程中需要依靠隧道源節點，以此實現對相應隧道轉發路徑的精準指示，并且開展與S1相互連接的業務。該隧道屬于單向隧道，綁定雙向速調時，可添加PathSID標簽，考慮到SPN設備在進行標簽棧轉發時的能力會受到限制，因此為了提升路徑條數，可以專門制定有針對性的黏連標簽機制。SR-TP隧道具有線性保護機制，從原來MPLS-TP方案中轉發的符合50 ms的電信級保護倒換這一特殊要求能夠給隧道帶去保護作用。SDN控制器能夠對SR-TP隧道具備的動態路由功能起到支持作用，當源宿節點精準地檢測并確定高級計劃與排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）或者操作維護管理（Operation Administration and Maintenance，OAM）產生異常狀態時，隧道將觸發重新算路，BGP-LS在對拓撲狀態進行收集后，同樣能夠觸發重新算路。

3.4.2 SR-BE隧道

在IGP與SR之間建立相互協同的關系后，即可自動獲得SR-BE隧道，其僅存在一層標簽，處于IGP域內范圍時，可支持Fullmesh連接[5]。這種隧道不設置約束條件，轉發時主要依照IGP路徑，所以不會對TE能力進行保障，承載的主要業務是L3VPN業務。

SR-BE隧道的保護機制較為特殊，為動態IGP與拓撲無關無環路備份（Topology-Independent Loop-free Alternate，TI-LFA）收斂的保護機制，能夠滿足50 ms電信級別的倒換保護特殊要求，對于OAM機制也有良好的支持效果，包括Traceroute與Ping等。觸發倒換保護機制條件主要有鄰接鏈路處于異常狀態或者出現端口級故障現象，對鏈路狀態實施檢測時，可充分利用雙向轉發檢測（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）。當處于IGP域內，并且存在支持分段路由的條件時，借助TI-LFA算法就可以在任何一種拓撲中確保為路由形成其所需的FRR局部保護，重點給鏈路帶去保護作用，同時應對節點失效的問題。LFA算法的核心理念為對PQ空間中的交集進行計算，若PQ空間中不存在交集，則RLFA無法對拓撲起到保護作用。TI-LFA擁有獨特的保護機制，當處于P、Q兩種空間相互分離的集合中，可通過NodeSID來選出對應的P節點，并將Adj SID壓上，通過這種方式直接越過所有的metric限制，直接使流量從P空間中順利穿越，進入Q空間，進而使業務被有效轉發到目的節點處，同時也不會產生環路，并且還能發揮出形成保護的作用。

3.5 數據轉發過程

首先進入節點，并將標簽棧添加到數據報文上，依照位于棧頂部的標簽與鏈路進行匹配，確定轉發出接口，彈出標簽。報文即可在攜帶標簽棧的前提下利用相應的鏈路被轉發到下游節點；中間節點獲得報文之后，根據棧頂的標簽繼續對鏈路實施匹配，定位作為轉發接口的鏈路，同樣將標簽直接彈出，重復之前的步驟，轉發到下游節點；黏連節點獲得報文后，對棧頂上的黏連標簽加以識別，并對其進行交換，使其被交換成與其存在關聯的標簽棧，匹配鏈路時需參考棧頂標簽，明確轉發出接口，彈出對應標簽并繼續轉發，直到報文沒有標簽，即可在完成路由表查找后再開展轉發活動。

4 結 論

分段路由技術借助IGP與MPLS協議，對網絡設計與協議進行了簡化，加強了保護功能，還可以無縫銜接SDN，能夠滿足當前云化網絡系統存在的多元化連接需求。5G承載網是5G通信網絡系統中極為關鍵的組成部分，其在應對當前的靈活性、帶寬、時延以及精度等方面的挑戰時，將不斷提升建網技術水平，提高業務服務質量。