基于SDN的城域综合IP承载网络架构研究

杨振东，陈旭东，冯铭能（.中国联通广东分公司，广东广州 5067；.中讯邮电咨询设计院有限公司广东分公司，广东广州 5067）

1 概述

目前移动通信和固网宽带是电信运营商最重要的两大基础业务，在电信网络IP 化、宽带化和技术融合的大背景下，移动通信网络和固定宽带网络迅猛发展，除了对带宽提速这一共同的刚性需求之外，两者对网络覆盖广度和深度的要求也越来越高，而且覆盖的范围将会越来越趋同，即同一区域既要有移动业务覆盖也要有固网业务覆盖，而建立2 种接入网势必会有高昂的成本、资源的浪费、大量的人力运维等一系列问题。

在全业务运营环境下，如果能找到一种新的方案实现固移网络综合承载，将有利于运营商整合现有固网资源和移动网络资源，发挥协同效应，扩大网络覆盖范围，提高网络利用率，同时可节约网络建设和运营成本，实现固网和移动业务有效益的规模化发展。

1.1 现有网络架构分析

现网移网和固网业务采用独立的网络进行控制和承载，结构复杂，效率低下（见图1）。移动业务回传采用专用网络承载，移网数据流量通过本地回传网（UTN）、本地承载网（LCR、LAR）、骨干承载网收敛汇聚至核心网S/PGW，再通过SGi接口，由Gi路由器接入互联网。

1.2 现状及存在的问题

图1 现有网络架构（以广东联通为例）

随着提速降费战略的深入推进，数据宽带网络尤其是移动数据宽带网络快速增长的趋势已不可逆转。由于历史原因，现有的数据宽带网都是从承载移动语音、固话、企业小总机等各种语音为主的网络逐步演进而来的，存在制式不同、结构迥异、移固独立、层级冗长、管理维护复杂等诸多问题。面对新形势下数据业务的爆发式增长，时延敏感业务日益增多，同时面对5G 业务对移动边缘计算MEC 的演进需求，传统网络的各种弊端日益凸显。

2 城域综合IP承载网络架构介绍

基于SDN 的城域综合IP 承载网络架构参考体系如图2所示，包括以下几部分。

a）Web UI/服开系统/资源系统/综合网管：API 北向接口，向第三方应用开放API编程接口，用于业务受理和第三方应用。

b）城域网业务编排器：通过北向API 实现与服务层次系统（Web UI、服开系统等）的通信。通过南向API 实现与城域综合IP 承载网控制面的通信，充当城域综合IP 承载网控制面的上层，支持对城域网内资源的动态实时搜集及资源的自动分配。

图2 基于SDN的城域综合IP承载网络参考体系

c）城域综合IP承载网控制面：包括多业务汇聚网关控制面MSG-C、移网控制面设备S/PGW-C 及SDN控制器等，作为城域综合IP 承载网络的控制面系统，负责对承载网络的集中控制。

d）城域综合IP 承载网转发面：在基于SDN 架构的转发和控制分离体系中，转发面主要完成用户数据包的转发和处理，应具有基本的路由功能，支持转发节点与控制器/网管之间控制管理通道的自动建立。

e）城域综合IP承载网接入网：包括固网有线接入及移网无线接入。

f）CDN：主要负责视频、游戏和边缘计算等内容的存储和分发。

3 基于SDN的城域综合IP承载网络技术特征

综合IP 承载网采用移动、固网分别接入，汇聚层采用移动固网业务共同承载，核心控制面分别控制的精简网络架构，节约了网络投资成本，并可提高网络运营效率。网络架构如图3所示。

图3 IP综合承载网络架构

3.1 承载网络扁平化

现有承载网的多层次网络架构已无法高效支撑业务需求，需对现有的网络架构进行扁平化改造。本标准建议采用核心网转发面下沉技术。将S/PGW 的转发面下沉，移动业务通过本地IP RAN 接入环、IP RAN 汇聚环2 个层级收敛汇聚至核心网，实现移动网数据业务承载的高度扁平化。业务流程如图4所示。

3.2 CDN内容源下沉

现有CDN 节点一般设置在省级核心机房，存在传输距离长、转发跳数多、热点时段丢包拥塞等问题，导致访问时延大、用户体验差。通过CDN 内容源下沉，可解决上述问题。如图5所示，CDN由核心DC下沉至汇聚DC，本地汇聚层可直接提供热点内容，使用户业务就近得到服务，降低了业务访问时延，减少了汇聚层以上层次网络的扩容。

3.3 控制面和转发面解耦合

图4 数据业务流示意图

图5 CDN内容源下沉示意图

传统设备研发和部署体系封闭，网元功能单一，功能扩展和性能提升受限，导致新业务创新乏力，响应滞后，无法满足互联网应用创新对服务的动态请求。SDN、NFV 与边缘控制设备的融合，是下一代智能边缘发展方向，可解决当前遇到的难题，满足业务需求（见图6）。

3.4 基于SDN的城域综合IP承载网络架构

基于SDN 技术实现固移多业务汇聚接入的网络架构对移动回传网、固网城域网进行了整合重构，实现了移网、固网各类业务从汇聚层开始由多业务汇聚网关MSG 统一承载；实现了多业务汇聚网关MSG、移网数据业务服务网关S/PGW 转控分离，MSG-C、S/PGW-C 核心层集中控制，MSG-U、S/PGW-U 汇聚层分布式转发；将内容源通过CDN 技术下沉到汇聚层。移动数据业务回传的层级从7～10 跳压缩到4 跳，消费者访问CDN 热点内容源的转接层级由10～12 级减少到4级。从而构建出一个具备高性能、低时延、高带宽的基于SDN 的新一代移固融合的城域网架构，让消费者享有更优质、更丰富的数据宽带网络体验。网络架构如图7所示。

图6 转发与控制分离示意云计算/存储资源的协同

图7 基于SDN的城域综合IP承载网络架构图

4 基于SDN的城域综合IP承载网的技术要求

4.1 编排器技术要求

4.1.1 编排器技术概述

业务编排器架构如图8 所示，业务编排器用于城域网范围内的业务编排和网络协同，具体描述如下。

业务编排：实现城域业务灵活编排，对城域网各种网络资源以及网络能力进行抽象处理和封装，并通过灵活的业务组合，为业务开发提供标准API接口，开放网络能力，支持定制化开发。

网络协同：基于业务、网络的变化自动调优网络，实现预定的业务和网络策略，保障各网元协同工作，屏蔽底层设备差异，提供自动化、智能化运维手段。

根据网络发展进程及业务需求的不同，对编排器的部署可以逐步推进完成。

4.1.2 编排器近期部署

业务统一配置下发：传统的网络管理采用CLI 命令行的方式进行业务配置下发，存在设备类型多、命令数量多、配置复杂等一系列问题。通过编排器调用控制器完成业务统一配置下发，实现各厂家设备的业务管理和数据配置，屏蔽异构厂商细节。

图8 业务编排器架构图

固移QoS业务统一部署：移动宽带网VoLTE、游戏加速等高QoS 级别业务对关键业务流可靠性要求较高，需要在综合IP 承载网关MSG 及路由器上进行QoS配置，对固网及移网进行不同优先级标记，保障移网业务高优先级，对移动网业务进行端到端质量保障。

4.1.3 编排器远期部署

流量调优：传统城域网存在网络不够透明，可视化不够，存在管理困难、问题定界难等问题，需通过编排器与SDN 网络协同，根据全网的拓扑、带宽、流量、链路质量等信息，分析计算最优业务路径，实现网络流量智能管理，避免局部拥塞，提高网络质量和网络利用率。

业务产品开发：传统的业务模式已经不能快速响应用户的定制化需求，需对网络资源、功能以及服务进行重构编排，将基础网络能力进行抽象，基于网络能力编排协同，进行新产品开发，面向业务部门、客户输出灵活、个性化的业务产品。

4.2 API接口技术要求

4.2.1 API接口概述

城域网编排器对外接口主要包含南向接口和北向接口，如图9 所示，南向可通过灵活的REST API 接口协议和控制器互通；北向面向用户提供定制化的API接口，满足用户差异化的业务需求。

4.2.2 编排器北向接口

与综合网管系统的接口：获取网络拓扑、网络节点和链路状态、业务流量信息，实现网络资源、业务资源信息的收集、呈现。

与服开系统的接口：接收业务开通、变更、删除等指令。

图9 编排器南向接口及北向接口图

与Web UI 的接口：提供API 开放、自服务界面，实现网络资源查看、业务运行状态监控、性能监控、自服务等功能。

与资源管理系统的接口：申请、释放业务开通所需的网络资源数据。

通过北向接口业务编排器能以软件编程的形式，让上层应用调用各种网络资源，把控整个网络的资源状态，并对资源进行统一调度。

4.2.3 编排器南向接口

编排器REST API接口可灵活适配异厂家控制器，调用控制器配置的YANG 模型，实现和跨厂家、跨域、跨本地网控制器的对接。

4.3 控制面技术要求

4.3.1 拓扑管理

拓扑管理能实现拓扑的自动发现、视图的灵活定制、设备面板的直观展现及告警的有效关联，同时能够直观反映故障位置，真实反映网络的实际运行情况。

4.3.2 配置管理

配置管理主要包括统一管理、批量设置、业务查询以及对外接口等能力；可以对交换机、路由器、防火墙等网络设备的配置进行统一管理；支持批量配置海量设备，自动备份配置文件，实时跟踪配置变更，快速恢复正确配置；支持包括IP 地址、VPN、VLAN、AS、码号资源的资源查询和管理功能，并实现资源管理系统的对接。

4.3.3 控制器南向接口

SDN 控制器南向接口位于控制器与网络设备之间，可实现包括链路发现、拓扑管理、策略制定、表项下发等功能。控制器南向接口采用OpenFlow 协议或者NETCONF协议来实现。

4.3.4 控制器北向接口

SDN 控制器北向接口位于控制器与编排器之间，用于向城域网编排器上报业务部署、业务监控、性能搜集、故障定位等信息。控制器北向接口采用NET⁃CONF及RESTFUL等协议实现。

5 演进过渡方案

5.1 与传统网络兼容

随着SDN 的持续发展，传统网络将与SDN 长期共存，而全网部署SDN 需要更换大量路由器设备，投资大，周期长，故考虑SDN 与传统网络进行兼容，实现平滑过渡。

5.2 长期演进

在演进过程中主要采用以下技术：

a）核心网转控分离：核心网采用NFV 虚拟化架构，用户面和控制面分离，控制面网关集中统一配置接口，用户面网关分布式灵活部署。

b）BRAS 转控分离：通过将BRAS/综合承载网关的转发层和业务控制层分离，实现宽带用户业务的统一管理，充分利用传统NP设备的转发能力。

c）控制面通道EVPN/SR 承载：引入EVPN/SR 技术对现有MPLS技术进行简化，同时复用MPLS已有的转发机制，保证与MPLS 网络的兼容性，帮助现有MPLS网络向SDN的平滑演进。

5.3 网络演进路线

初期部署：由于该方案涉及面较广，为保证网络的稳定性，建议初期在现网进行试点，结合网络的实际情况，选取1～2个点进行安装调测，统筹推进试验网建设。

规模部署：结合实际情况，有序扩展试点规模，这样既满足当前业务需求，也为移网、固网业务未来的发展奠定了基础。

全网推广：待系统各个方面均成熟稳定后，着力全网推广，加大演进的广度和深度，打造一张高效、可靠、大带宽、低时延的固移融合的综合城域网络。

6 结束语

本文通过对现网的网络承载现状进行分析，结合广东联通网络现状，研究基于SDN 的城域综合承载网络参考架构及网络转发面、控制面和管理面等技术要求，该研究成果应用在城域网中，既很好地满足了当前业务需求，也为移网、固网业务未来的发展奠定了基础，对丰富业务功能、优化网络架构、提高网络效率、增强网络管控能力、提升安全防护能力都有十分重要的意义。