IPRAN本地网络优化研究

张丽娟 中国联通安徽省分公司运行维护部工程师

IPRAN本地网络优化研究

张丽娟 中国联通安徽省分公司运行维护部工程师

随着新技术的发展，传统的SDH网络在现网中逐步减少乃至消失，IPRAN/PTN等新型传输网络的建设、扩展以及承载业务量不断增加，如何安全、稳定、更优质地保障业务网络的需求，解决网络隐患，优化网络性能，则成为当务之急。本文以某本地网为例，对IPRAN网络的优化方法进行了研究探讨，以期抛砖引玉，为IPRAN网络的维护优化添砖加瓦。

IPRAN；组网结构优化；参数优化

1 引言

传送网络是整个通信网络的基础，随着移动通信网络技术的不断演进，业务网络不断向IP化、集中化、宽带化、软件化的方向发展，以实现移动用户的高速移动上网。移动通信的快速发展进对传送网带宽要求越来越高，很显然传统SDH/MSTP独享刚性管道传输网络无法满足条件。而新型分组传送网的出现，分组交换和统计复用大大提高网络利用率，大带宽问题得到了有效解决。随着IPRAN/PTN等新型传输网络的建设、扩展以及承载业务量的增加，如何安全、稳定、更优质地保障业务网络的需求，解决网络隐患，优化网络性能，则成为当务之急。本文以某本地网为例，对IP RAN网络的优化方法进行了研究探讨，以期抛砖引玉，为IPRAN网络的维护优化添砖加瓦。

2 IPRAN网络概况

（1）基本概念

IP RAN中的IP指的是互联协议，RAN指的是RadioAccessNetwork。相对于传统的SDH传送网，IP RAN的意思：“无线接入网IP化”，是基于IP的传送网。具有多业务承载、超高带宽、完备的QoS（服务质量）、高可靠性的承载能力，其特点是端到端的IP化大大降低了网络复杂度、具有更高效的网络资源利用率、能实现多业务承载、具有成熟的标准和良好的互通性。

PTN（分组传送网，PacketTransportNetwork）是指这样一种光传送网络架构和具体技术：在IP业务和底层光传输媒质之间设置了一个层面，它针对分组业务流量的突发性和统计复用传送的要求而设计，以分组业务为核心并支持多业务提供，具有更低的总体使用成本，同时秉承光传输的传统优势，包括高可用性和可靠性、高效的带宽管理机制和流量工程、便捷的OAM和网管、可扩展、较高的安全性等。

（2）某本地网的组网方式

某本地网采用的是IPRAN/PTN设备混合组网，IPRAN设备组建成核心汇聚层，PTN组建接入层。PTN设备形态大多是在传统二层交换机基础上改进而成，基于MPLS-TP技术，静态寻址，提供二层以太网业务服务；而IPRAN设备形态大多是在传统路由器+交换机基础上改进而成，基于IP/MPLS动态技术，采取动态寻址理念为初衷，可以直接承载各类IP三层业务。

（3）某本地网IPRAN网络现状

建网初期，谨慎起见，结合技术和设备的成熟情况，IPRAN设备组网根据厂家技术建议的采用了相对保守的全静态技术组网。当IPRAN设备升级至新的版本后，设备对动态三层技术有较好的支持，即实施了IPRAN静转动态部署调整割接。随着技术进步，IPRAN设备再次升级，优化了动态路由计算算法优化，提高了动态路由收敛效率。在IPRAN设备继续升级后，增加了动态隧道自动1：1等新功能，结合ECMP的应用，实现核心设备—汇聚设备之间上/下行流量负载分担、提高带宽资源利用率。

随着网络的扩展、业务承载量的增加以及维护经验的积累，发现现网有很多不足和有待改进优化之处。为打造更安全稳定、效率更高的网络，提升服务质量，用户感知，降低投诉，网络优化势在必行。优化内容不仅包括设备自身硬件、组网结构，也包括各种动态技术应用优化。优化主要方式是结合工程建设大量设备入网，按照设计目标拓扑图，通过调整汇聚环、接入环下沉等割接来动态调整优化组网结构，同时割接调整过程中，逐步优化IPRAN网络中各种动态技术。

3 组网结构优化

3.1 IPRAN网络多层次划分组网

建网初期，IPRAN设备较少，每个县仅有2台IP RAN汇聚设备，通过本地城域波分不同的方向的两个10GE波道，直连两个核心机房的核心设备——两台汇聚设备，形成单层口子型组网（见图1）。初期组网设备少，承载接入环少，可以快速满足业务需求。但随着网络扩展，在此种组网模式的弊端逐步显现。

图1 优化前单层次口子型拓扑

一是县里所有接入环都必须双挂这两台汇聚设备，物理覆盖范围较广，光缆纤芯物理资源的有限，造成县内接入环网元数量庞大，极易造成超大环。

二是接入环网元越多，意味着接入环业务量会越来越多，而接入环链路带宽是固定的，极易造成接入环带宽资源占用过大，发生接入环流量拥塞。

三是一旦相关光缆中断，造成接入环开环的风险更大。

3.2 结合工程建设优化组网结构

后期网络建设新增41台IPRAN设备，主要投入县分使用。在原来的接入环中，选择较重要的机房建设综合业务接入点，利旧光缆或新增光缆资源，完成2级、3级的IPRAN汇聚环网的组建（见图2）。具体构架方案为将分布在不同区域的41台PTN接入设备被成功替换成IPRAN设备，多个超大接入环被裂环，3层业务下沉割接。在1级汇聚环下，基本不会再出现接入环上挂的现象，超大接入环自然消失，且后期的新建的接入环可以双跨就近的综合接入点IPRAN汇聚设备，双跨2级或3级汇聚环，物理范围大大缩小，光缆资源更加充裕，容易组建，可以提高接入环的成环率。

图2 优化后多层次环型拓扑

3.3 优化业务路径实现上下行流量负载均衡

早期IPRAN核心——汇聚设备采用VPNFRR主备模型配置，手工指定主备核心或主备汇聚设备，在正常无故障时，业务流量路径在主用核心——主用汇聚设备的LSP工作隧道路径之间完成数据转发（见图3）。

以LTE基站业务上/下行流量路径为例，对于下行流量流向分析：两台承载网B网AR—两台IPRAN核心口子型组网，下行流量负载分担（通过承载网B网AR设备控制策略实现），因而核心1、核心2都能收到对应B网AR设备发来的LTE基站的下行流量。在本地IPRAN网络内部，核心1—2级汇聚1设备的IGP路由方向是：核心1—1级汇聚1—2级汇聚1；核心2—2级汇聚1设备的IGP路由方向是：核心2—核心1—1级汇聚1—2级汇聚1。2级汇聚1主设备—到对应PTN设备之间是静态LSP1：1二层隧道，通常主用方向也是按照习惯，从左到右的顺序，人工指定配置而成。因此，2级汇聚1主用设备收到的汇总下行流量会按照PTN1—PTN2…PTNN的方向，送给对应LTE基站，完成整个接入环LTE下行流量的转发。对于上行流量分析：同理LTE基站上行流量同样要先沿着静态2层主用LSP方向PTNN—PTN2—PTN1；上行流量汇总到2级汇聚1主设备，再经1级汇聚1设备转发给核心1设备，核心1设备收到的汇总上行流量，直接通过直连接口，转发给AR1设备，完成LTE上行流量的转发。从业务流量在IPRAN网络中的流转路径中可以看到，IPRAN内部流量正常情况下全部承载在主用侧，备用侧基本不参与流量处理，仅在应急情况下发生作用，网络资源带宽未能得到充分利用。在组网初期或业务轻载时弊端不明显，但随着业务量增长，网络需要承载大流量负荷时，则会出现主用侧不堪重负发生丢包、时延大、拥塞等问题，而备用侧依然闲置的不均衡问题。优化方案：取消了VPNFRR的主备模型组网，采用ECMP负载分担模型部署后，核心设备去往对应LTE基站的下行路由的下一跳会指向对应的两台汇聚设备，汇聚设备去往EPC核心网的上行路由下一跳会指向两台核心设备。并严格了核心—汇聚设备之间动态隧道LSP的严格路径（见图4）。优化后的网络带宽资源利用率得到了充分的利用，流量路径实现负载均衡，大大降低了核心—汇聚设备之间上下行流量拥塞的可能，保障网络安全，提升用户使用业务感知。

图3 优化前业务流路径

图4 优化后多层次环型拓扑

4 IPRAN动态技术优化

4.1 IGP路由控制优化

IGP是内部网关协议，是一类协议的统称，工作一个AS系统内部，具体协议主要包括RIPOSPFISIS等。RIP用于小型网络；OSPF和ISIS动态路由协议比较相似，都属于链路状态动态路由协议，使用SPF最短路径优先算法，通常用在较大型网络中应用。早期由于IPRAN设备较少，网络拓扑层次简单，分组传送网IGP使用了ISIS协议，基本上采用默认配置，未做任何优化。此类配置较适合纯1层口子行拓扑结构组网，对于后期规模较大的IPRAN网络则很快出现弊端。

每个本地网通常至少部署两台核心设备，图5举例5台IPRAN设备环型组网，所有IPRAN全部启用ISIS协议，单进程、单区域、宣告各自的互联接口和L0环回口（全是10GE接口，COST为默认都为10，仅启用BFDFORISIS，其他未做配置），第1次全网ISIS路由学习完成后，IGP邻居自动建立，发现拓扑，自动学习到全网IGP路由。根据ISIS最短路径优先算法原则，即路由开销最小的被写入路由表，很明显汇聚1—核心12设备的LO环回口路由的出接口都是7/1口，IGP路由有交集部分，存在一定的安全隐患，若出现汇聚1—核心1设备光缆中断，会造成汇聚1—核心12两台设备的L0环回口路由全部中断。等ISIS路由震荡，重新收敛计算后恢复。为加快链路故障时的快速恢复，主要从IGP的收敛速度和减少路由开销这两个方面着手优化。

（1）加快ISIS路由震荡收敛速度

优化SPF的功能算法。ISIS是周期性传递LSA（链路状态通告）的方式，路由器在收到整个LSA的时候再向邻居扩散LSP。因而在网络规模扩大时，LSDB（链路状态数据库）随之增大，SPF的计算时间就更长。SPF计算方法是否更优是直接影响收敛效率快慢的主要原因之一。实现SPF的功能算法有多种多样，各厂家设备计算的方法的可能各有不同，但最终的计算结果应当都相同，通过厂家研发新的软件版本，优化了SPF算法，大大提高了收敛效率。

启用LSP快速扩散功能。当LSP发生变化而导致SPF重新计算，在SPF重新计算前，把导致SPF重新计算的定量LSP快速扩散出去，加快LSDB同步的过程，可以提高快速收敛性能。

图5 5台IPRAN设备环型组网拓扑

启用SFP智能定时器。如果触发路由计算的间隔较长，同样会影响网路的收敛速度。使用毫秒级定时器可以缩短这个间隔时间，但如果网络闪断故障比较频繁，又会造成过度占用CPU资源。SPF智能定时器既可以对少量的外界突发事件进行快速响应，又可以避免过度的占用CPU资源，助力提高收敛效率。

（2）减少ISIS路由开销

ISIS是根据SPF最短路径优先算法，以自己为根，到达目的网络路由开销最小路由。COST值是决定路由开销的主要因素，合理优化COST值，可以优化相关IGP路由选路方向。早期的IPRAN网络拓扑仅存在1个级别层次结构,在1级IPRAN设备下面直接下挂PTN接入层设备，且所有的1级汇聚环基本上都是口子型直连核心设备，拓扑网络很简单，COST默认配置即可满足。

随着网络扩展新增了41台IPRAN设备后，设备总数量近60台。按照目标设计，边调整边割接，拓扑最终成型，1级设备下挂了2级甚至3级网络，且下级别的汇聚环上网元的数量基本上是3～6个。而ISIS初期配置都是单进程单区域应用，大量重要的IGP路由会有重叠路由现象，包括下一级别的IPRAN设备——上级双跨的两台IPRAN设备的L0环回口IGP路由，会造成走同一个方向。一旦出现相关链路光缆中断，会重新计算全网相关的大量IGP路由，震荡面大，对现网影响也大。

结合现网拓扑结构，重新规划IPRAN全网COST值设计并在现网中应用后，登录到任何一台下一级别IPRAN设备，查看IGP路由表，去往上一级别的重要IGP路由的出接口方向是不同的，路由震荡面可以减小，完成IPRAN全网ISIS路由开销的优化。如果本地IP RAN数量上升到更庞大的时候，还必须要考虑全网ISIS多进程或多区域划分应用。

4.2 BGP路由控制优化

BGP是边界网关路由协议，用于不同AS（自治系统）之间的互联，称为EBGP；工作在同一个AS内部，称为IBGP。BGP并不能像IGP那样自动发现计算路由，建立BGP邻居前提条件需要有IGP提供路由支撑，通过Network/Redistribute方式将IP路由表中的真实存在路由条目通告或引入进BGP路由表中，利用BGP的丰富路由策略，控制BGP路由的传播和最佳路由选择，BGP支持路由表的条目远远大于IGP路由表条目，采用增量更新机制，适用于Internet上传播大量路由信息，在互联网骨干路由器中广泛应用，而在IPRAN网络中，BGP主要用于传播三层VPN私网路由的作用。

（1）1LTE基站EBGP路由汇总优化

众所周知，LTE网络结构更加扁平化，eNodeB直接与EPC核心网互通，物理简化拓扑如图6所示。

本地网的核心IPRAN设备，直连对接承载网AR设备，口子型组网，通过互联接口直连路由建立EBGP邻居关系。初期构建网络时，本地网IPRAN核心设备通过EBGP邻居向承载网AR设备发布该本地网LTE基站的明细路由（通过携带BGP的AS-PATH属性，以防环路）；承载网AR设备将学习到的EPC核心网100多条路由条目+其他本地网的LTE基站明细路由条目，通过EBGP邻居向各本地网IPRAN核心设备方向发布，从而建立全省LTE网络。

初期建网时LTE基站数量少，平均每个本地网100多，大多数本地网LTE基站的IP地址按照30位掩码规划，相当于1个LTE基站占用1条路由，即全省LTE基站路由条目总和+EPC核心网路由不超过2000条，总路由条目较少。随着网络第二期、第三期的建设，总路由条目激增，可能达到1～2万条路由。对于BGP而言，传播几万条路由条目也没问题。但是随着网络继续扩张，路由表越来越大，对每次路由查表所需时间相应增加，数据包转发效率便会有所影响。就全省规划而言，全省LTE基站IP地址有各本地网的规划，可通过各本地网核心IPRAN设备——对承载网AR设备发布LTE基站EBGP汇总路由，就可以极大缩小LTEVRF虚拟路由表，提高数据包转发效率，惠及全省网络。

图6 LTE业务承载简化拓扑

优化效果：该本地网通过EBGP路由汇总的优化后，LTE基站的管理和业务各几百条路由，汇聚成2条汇总路由对外发布,全省本地网全部照此优化后，承载网B网AR设备学习到的全省LTE总路由表的条目在200条以内，大大减小LTEVRF路由表，LTE上网数据包在经过承载网AR设备的转发效率得到有效提高。

（2）RR的应用，减轻核心IPRAN设备——汇聚设备IBGP连接压力

在同一个AS内部，通常都是利用IPRAN设备的L0环回口的IGP路由可达，就可以建立IBGP邻居，无需要求形成IBGP邻居的设备必须物理直连。早期的IPRAN设备并不多，单层次口子行组网，网络拓扑层次简单，采用的是核心IPRAN设备——所有的IPRAN汇聚设备都要组建IBGP对等体关系，如果全网采用IBGP全互联的模型，那么全网要建立的IBGP对等体数量就为n（n-1）/2个，这种模型不适用于后期较大的IPRAN网络，大量的IBGP连接数量，会造成网络资源和设备的CPU资源消耗更大，为了解决该问题，引用了RR路由反射器的应用。

根据现网IPRAN拓扑结构和IPRAN路由器的数量，来合理规划RR和它的Client。RR和它归属的Client组成一个集群（Cluster），RR-Client之间反射BGP路由信息,而Client之间不需要建立BGP连接。在多级别层次网络的中，可对RR进行分级管理：将一级IP RAN设备，定义成一级RR，两台核心IPRAN设备和对应下挂的二级汇聚IPRAN设备都定义成对应一级RR的Client；将相关的二级IPRAN设备定义成二级RR，将对应下挂的第三级IPRAN设备定义成对应二级RR的Client，以此类推。为防止单节点RR故障，增强网络的可靠性，通常在一个Cluster集群中配置两个RR，共同工作，又起到互为备份的作用，这两个RR同时作为上一级RR的Client。Cluster集群内的所有Client同时与这两个RR建立IBGP连接。按照这样的思路去部署应用后，1级汇聚环网络本已经构成，后期基本不需调整；网络扩展新增的IPRAN设备，基本在二级或更低级别的网络层次，相应不会增加IPRAN核心设备的IBGP连接的数量，大大减轻IPRAN核心设备处理大量IBGP连接的压力。

5 结束语

本地分组传送网从组建至今，通过持续的网络优化调整，网络结构兼具安全和效率，设备功能逐步完善，参数设置更趋合理。相较初期网络，通过优化，网络更加智能、高效、安全稳定。随着新技术的发展，传统的SDH网络在现网中逐步减少乃至消失，将完全被IPRAN/PTN所替代。在日常维护工作中，主动学习研究相关网络新知识，夯实理论基础，把握网络优化的正确方向，结合现行网络，多思考、多实践，继续努力打造精品网络。

2016-11-10）