新型IP城域网架构研究

索文斌

（安徽电信规划设计有限责任公司，安徽 合肥 230031）

0 引 言

现阶段电信运营商以公众业务提供为主，主导业务和网络的发展，业务需求明确，网络规划建设可控。而随着社会的发展，电信运营商未来将面向万物互联与云业务，以云商/软件定义广域网为代表的云服务提供商成为业务的主要需求方。云业务发展迅速、机制调整灵活、创新应用快，但同时对网络性能的要求十分苛刻。5G时代，PAN+车联网、智慧家庭+AR/VR应用、Site-cloud+工业互联网等业务需求不断涌现，电信运营商需要建设一种大带宽、低时延、云网无缝对接的智能IP城域网来满足业务发展需求[1]。

1 城域网现状分析

1.1 城域网架构现状

某省电信IP城域网为路由型网络，网络架构采用“核心层出口路由器/核心路由器（Core Router，CR）＋业务控制层/多业务边缘路由器（Multi-Service Edge，MSE）、宽带远程接入服务器（Broadband Remote Access Server，BRAS）、全业务路由器（Service Router，SR）+接入层/光线路终端（Optical Line Terminal，OLT）”的3层组网，网络拓扑如图1所示。

图1 某省电信IP城域网网络拓扑

该省IP城域网采用综合业务承载方式，在BRAS/MSE上综合承载公众客户、政企客户、IPTV等业务。城域网内部承载语音、数据以及视频等业务，在BRAS/MSE上部署了终端综合管理系统（Integrated Terminal Management System，ITMS） 的 DHCP Sever，为终端分配私网IP地址，同时通过网络地址转换（Network Address Translation，NAT）功能实现数据类业务终端访问公网，公众客户、政企客户均通过PPPoE认证方式访问。

1.2 现有城域网问题分析

基于现有的IP城域网络架构，主要问题表现在以下4个方面。

（1）网络刚性。业务独立运营，业务控制层中许多设备和系统为垂直封闭建设（如专用网元设备、与硬件紧耦合的网络功能和对应的控制单元等），使得网络架构复杂，不够灵活。

（2）网元封闭。网元采用封闭式架构，垂直整合软件和硬件，设备功能不易扩展、价格昂贵且容易被设备制造商锁定。

（3）业务烟囱。提供新的服务和功能需要开发新的设备和协议，导致设备类型和网络数量众多，形成大量的烟囱群，业务难以融合。与此同时，新业务开发困难，不能满足新业务快速部署的需求。

（4）运营复杂。设备制造商和各类专用设备众多，增加了网络规划和建设的难度，同时运营成本较高。

2 新型IP城域网架构研究

2.1 业务需求分析

虚拟现实（Virtual Reality，VR）是未来视频业务发展的必然趋势，要求承载网具备高带宽、低时延的特性。流量的急剧增长再加上VR对带宽、时延、丢包率的高要求，使传统的高汇聚网络面临承载难题。此外，5G核心网云化部署、业务下沉，业务由确定性南北流向转变为不确定性南北+东西流向。5G行业应用（如远程驾驶等）则要求承载网低时延且时延稳定，同时政企专线对服务质量也提出明确的服务等级协议（Service Level Agreement，SLA）要求。新型IP城域网架构需具备固移融合、网业分离、网络切片、灵活选路以及智能管控等性能，以此有效应对未来业务流量、业务流向、连接质量以及服务质量等方面新的挑战[2]。

2.2 新型IP城域网架构分析

构建融合、敏捷、简洁、智能、云化且安全的新型城域网，以云为核心组网，采用积木式模块化架构，实现架构弹性扩展、云网标准化对接、用户集中式处理，满足固移融合、云网融合发展需求。新型IP城域网架构如图2所示。

图2 新型IP城域网架构

新型城域网模块化组件包括城域接入汇聚点（Point Of Delivery，POD）、云网网络接入点（Point Of Presence，POP）和POD出口功能区。

（1）城域POD。区域内全业务融合承载，采用叶脊（Spine-Leaf）网络架构组网，实现流量快速疏导与横向弹性扩展。其中，A-Leaf提供固定/移动用户、边缘云等全业务的就近接入，Spine实现Leaf汇聚与流量转发，Leaf-Leaf之间通过SRv6+EVPN实现入云、云间等流量快速转发。

（2）云网POP。部署DC-Leaf/S-Leaf实现网络与云资源池标准化对接，接入Spine设备。

（3）POD出口功能区。由Spine和Super-Spine/B-leaf组成，与骨干网、业务平台/核心网等外部网络对接，实现业务差异化服务。国内互联网业务通过Spine直连骨干，Super-Spine只转发多POD间互联流量。初期考虑演进复杂度，统一由Super-Spine直连骨干。

（4）转控分离vBRAS池。由云化控制面（vBRAS-CP）、池化转发面（vBRAS-UP）组成，实现光宽等固网业务。vBRAS-CP按城域网部署，vBRAS-UP按POD集中部署[3]。

2.3 发展思路

新型城域网是推动2B/2C/2H全业务转型升级的基础，采用新型组网架构并引入新技术和新设备提高算力和应用的综合承载能力，支撑以边缘云为中心的全业务生态建设。根据边缘云布局设置城域Spine-Leaf节点，充分利用空间变换网络（Spatial Transformer Network，STN）的设备，构建新型城域网络Spine-Leaf架构，为用户和边缘云提供大带宽、泛在接入且安全可靠的电信级服务，满足边缘云下沉，实现东西向流量高效疏导。引入转控分离vBRAS池和SRv6/EVPN、FlexE等新设备和新技术，实现2B/2C/2H全业务融合承载和差异化服务。同步开展网络运营系统的升级改造，实现网络可管可控。除此之外，按需引入DCI-BOX，承载Spine至Leaf之间的链路，降低城域传输网络建设投资。

3 关键技术应用

3.1 Spine-Leaf

Spine-Leaf起源于数据中心网络。传统的数据中心使用3层架构，由核心交换机、汇聚交换机以及接入交换机组成。在接入交换机和汇聚交换机之间运行生成树协议（Spanning Tree Protocol，STP），以保证网络的二层部分没有环路。而现代数据中心的计算和存储基础设施已经不是单纯的不同网段之间通信，内外网的通信和网络段分布在多个接入交换机，要求主机通过网络互连[4]。网络结构中，储存网络和通信网络在同一个物理网络中。主机和阵列之间的数据通过储存网络来传输，在逻辑拓扑上就像直接连接一样。虚拟化服务器是未来发展的主流趋势，将物理客户端向虚拟客户端转化，使网络节点的移动变得非常简单。

横向网络在纵向设计的网络拓扑中传输数据会遇到瓶颈，因为数据要经过许多路由交换设备等不必要的节点。由于生成树协议会防止冗余链路存在环路，双上行链路接入交换机只能使用一个指定的网络接口。针对此类问题，引入基于Clos网络的Spine-Leaf架构（Clos Network-based Spine-Leaf Architecture）提供高带宽、低延迟、非阻塞的服务器到服务器连接。在以上两级架构中，每个Leaf均与Spine连接，形成一个邻居全互联（Full-mesh）拓扑。Leaf层为接入交换机，用于连接服务器等设备。Spine为网络骨干层，连接所有Leaf。如果一个Spine出现问题，数据中心的吞吐性能只会轻微下降。如果某个链路流量占满，通过增加Spine交换机的数量对每个Leaf的上行链路进行扩容，增加Leaf与Spine之间的带宽，缓解流量过载的问题。通过增加新的Leaf设备来扩容接入层的端口数量，然后将其连接到每个Spine，做好对应的配置。Spine-Leaf架构易于扩展，网络的扩容十分方便。任意两个服务器的连接经过的设备数量相同，由此实现延迟可预测[5]。

在新型城域网中引入Spine-Leaf架构可实现低成本的弹性扩展，同时实现城域网用户流量本地穿越，解决东西向流向问题，减轻城域骨干网络上下行流量压力，减少扩容成本。Spine-Leaf具备网内多链路负载分担和节点冗余能力，使链路故障及节点故障影响范围可控，有效提升网络可靠性。

3.2 FlexE

灵活以太网技术（Flex Ethernet，FlexE）通过在以太网媒体访问控制层（Media Access Control，MAC）和物理层（Physical Layer，PHY）之间增加时分多路复用（Time Division Multiplexing，TDM）调度机制的FlexE Shim层，使MAC速率和物理层解耦，不再强制绑定，实现速率的灵活匹配，以满足不同的网络传输需求。FlexE技术不受其他专线长包的影响，严格按时隙发包，采用硬隔离方式保障带宽，时延相对稳定，可以灵活匹配传输要求。此外，其单波容量按需灵活调制，最大化光纤价值，降低光纤投资。

3.3 SRv6

SRv6是当下热门的分段路由（Segment Routing，SR）技术和IPv6技术的结合体，兼具前者的灵活选路能力和后者的亲和力，同时特有设备级可编程能力。SRv6具有高可编程、平滑演进、超大规模、统一承载以及高可靠性等优点，按需升级、快速开通，中间设备只需支持IPv6转发，充分利旧。SRv6采用IPv6地址作为路径节点信息，其路径列表信息放在IPv6头内，兼容了传统IPv6转发。SRv6头信息除了标识节点/链路信息外，也支持自定义扩展信息，可满足带内测量等需求。SRv6以IP地址作为协议栈，能够满足未来云网融合业务的端到端编排需求。

4 结 论

通过对某省电信IP城域网络架构现状以及存在的问题进行分析，结合未来业务场景演进和固移融合发展趋势，研究一种新型IP城域网架构。通过引入新技术，打破原有基于网元的紧耦合模式，搭建一种高可靠性、高灵活性且能快速部署的智能IP城域网络架构，以满足云网融合、5G及物联网等业务的新型需求，为多业务融合承载提供大带宽，实现业务快速开放，提升网络效能。