基于新型承载网的车联网组网架构研究

周丽娜，赵鹏程，王世昌，刘太龙

（中国通信建设集团设计院有限公司第一分公司，河北 保定 071000）

1 研究背景及意义

智能网联汽车是车联网运行的主要载体，是指搭载先进的车载传感器、控制器、执行器等装置，并融合现代通信与网络技术，实现车与 X（人、车、路、云端等）智能信息交换、共享，具备复杂环境感知、智能决策、协同控制等功能，可实现“安全、高效、舒适、节能”行驶的新一代汽车[1]。

目前，对车联网的研究在产业界、学术界都引起了广泛的关注，主要集中在车侧、路侧、网侧以及云侧。车侧的研究主要由汽车厂家提供 OBU 实现；路侧研究主要集中在数字化道路，包括智能杆路、雷达、摄像头及 RSU 设备的部署；网侧目前业界已经达成共识，普遍采用 LTE-V2X 及5G-V2X 实现；云侧无论从试点情况还有研究情况看，大都采用边缘、区域及中心三级架构，可满足车联网业务多场景的组网需求，但是三层云平台架构部署功能业界尚未达成共识，有基于 SDN 技术实现车联网控制技术的，此技术可满足多种接入设备的接入需求，不受厂家的限制[2]。

为此，近年来，学术界提出了软件定义的 D2D 通信（SD-D2D， software defied D2D communication） 和软件定义的 V2X 通信（ SD -V2X， software defined V2X communication）这两个概念，并进行了广泛的研究，取得了一些成果，有力推动了 D2D 和V2X 技术的发展[2]。这些文献对对如何实现车联网回传承载技术方面的关注不多，更多基站和路边单元的部署，对承载网关于容量、组网以及时延提供了更高的要求。目前，承载网技术大多基于接入、汇聚以及核心组网架构，业务实现方式不灵活，不具备转控分离的能力。本文在研究了基于中心、区域及边缘三级架构平台的基础上，提出了基 Spine-Leaf 新型承载网络架构，此架构符合未来网 络演进方式，可满足车联网业务快速转发以及弹性的组网需求。

2 新型承载网架构及关键技术分析

2.1 Spine-Leaf 架构

Spine-Leaf 两层设备的扁平化网络架构来源于CLOS网络，采用分层 Full-Mesh 链接，实现 Spine-Leaf 任意节点间流量快速转发[4]。Spine-Leaf 可实现低成本弹性扩展，尽可能实现流量本地穿越，解决东西向流量问题。目前， Spine-Leaf 架构已在数据中心中广泛应用，尤其是叶脊 leaf-spine 网络架构配合 Overlay 技术，在 SDDC（Software Defined Data Center）演进过程中将起到重要的作用。如今，业界已将 Spine-Leaf 架构应用于承载网络，以解决云网融合以及新业务的承载。中国电信已在四川、江苏、上海等地开展基于 Spine-Leaf 架构的新型城域网试点，验证了承载5G 和传统业务可行性。

基于Spine-Leaf 架构承载网络， Spine 节点在城域POD 点成对设置， Leaf 设备以用户 /业务规模，覆盖范围为基础部署，成对水平扩展。 Spine-Leaf 可实现网内多链路负载分担和节点冗余，提升网络可靠性。

2.2 新型承载网关键技术

SRv6/EVPN 和FlexE 被业界认定为未来承载技术代表，实现各类协议融合与统一。

（1）SRv6 技术。它被誉为下一代转发技术，向SRv6 for everything 演进，实现面向用户端到端网络。SRv6基于源路由转发模型，基于 Function 携带业务属性，提升网络可编程能力。基于 SRv6可面向业务、用户提供端到端网络，解决网络跨域对接难题[5]。

（2）EVPN 技术。它全称 Ethernet VPN，最开始由RFC7432定义， EVPN 基于BGP/MPLS 技术，通过扩展BGP NLRI 属性，实现 L2 VPN/L3 VPN 业务承载融合。EVPN 通过扩展 BGP 协议使二层网络间的 MAC 地址学习和发布过程从数据平面转移到控制平面，减少网络资源消耗[6]。

（3）FlexE 技术。它在以太网技术实现基于时隙传送，实现物理隔离和带宽保证，可在构建端到端低时延、低抖动的端到端路径[7]。FlexE 作为切片的基础技术，从硬件层面解决不同类型业务隔离问题，面向业务提供确定性 SLA 服务。可根据带宽需求灵活配置，例如 10G、40G、100G、200G、 n*25G。

3 新型承载网在车联网中应用

目前，某市已开展数字道路建设研究工作，车路协同是其边缘计算的重点应用场景。车路协同场景具有实时性处理能力、海量数据接入及业务端到端时延低等特点，大量的业务需求在边缘节点处理，并快速返回给车端，通常端到端时延要求小于 20 ms。海量数据接入主要包括 RSU、摄像头以及毫米波雷达、气象站等。 RSU的带宽需求一般为 10 Mb/s，摄像头带宽需求根据选择的类型不同，一般为8 Mb/s 或16 Mb/s，毫米波雷达、气象站的带宽一般为0.02 Mb/s，通过分布式云平台的部署，能够有效降低回传消耗，减轻对中心节点的压力。海量的传感器以及视频监控的流量，对于存储及链路带宽在成极大的压力，同时异构设备 /平台的接入及互通使得中心机房的安全性难以保障。通过三级平台架构部署，能够有效降低网络回传开销及中心节点压力，同时能够实现异构设备 /平台在边缘接入的解耦；中心平台对区域和边缘节点进行集中管控，部署SDN 控制器，解决异厂家设备互通的问题。

从计算时延和用户接入量考虑，车联网平台可采用分布式部署三级架构，即 V2X 中心计算平台、 V2X 区域计算平台以及 V2X 边缘计算节点，此三级架构可提供计算能力、存储能力、通信转发能力以及基础业务服务能力，可满足车联网业务不同场景需求。

在实现业务和管理分层的同时，如何为各级平台建立快速的访问通道，是本文研究的重点。现有承载网络均为流量驱动式组网方式，即网络通过接入、汇聚、核心层转发，组网方式不灵活，带宽分配方式单一，基于此，本文选用了基于 Spine-Leaf 架构的新型承载网实现边缘、区域及地区级 V-MEC 的互联互通的需求，部署 SRv6、FlexE、EVPN 等协议，满足车联网业务快速转发和灵活的组网需求。

基于Spine-Leaf 新型承载网架构 Leaf 节点部署在基站接入的 STN-A 环路，用于汇聚 STN-A 的业务，在三级架构云平台中各部署一对 Leaf 节点，一对Spine 节点部署在本地市的核心机房。 Leaf 设备全部双上联至Spine 节点，在此架构下，车联网终端设备访问云平台资源时，经过 Spine 节点一跳转发即可到达，减少因设备层级较多带来的时延。为满足车联网快速访问边缘平台的需求， STN-A 设备与Leaf 节点对接，满足车联网中对时延要求较高的组网需求。基于新型承载网车联网组网架构如图 1所示：

图1 某市基于新型承载网车联网架构图

基于 Spine-Leaf 新型承载网架构为转控分离的架构，可实现转发和控制解耦，对于车联网接入设备多样化有很好的解耦作用，可满足异厂家组网的需求。在控制层，可满足 SDN 控制层建设的需求。现有的园区和矿区除车联网建设需求外，还有上网、视频以及专线组网的需求。基于 Spine-Leaf 新型承载网架构可综合承载此类业务，通过 FlexE、EVPN 等关键技术的部署，可保证多业务的QoS 的实现。尤其是现有的园区大都建设有自己的云平台，可满足云网一体化的组网需求，为快速上云提供了快速的访问通道。

4 结束语

本文在分析了现有承载网络不足的基础上，针对车联网采用的中心、区域及边缘三级架构平台，提出了基于 Spine-Leaf 新型承载网络架构，可满足车联网业务快速、高效以及低时延的访问车联网平台的需求，并且此架构除满足车联网业务承载需求外，还可满足其他常规业务承载需求，为园区以及城市一体化组网的建设需求。目前车联网建设还处在试点阶段，尚未形成成熟的盈利模式，盈利模式目前正在探索前进中。