IP RAN综合承载网中引入SDN技术的应用研究*

尹远阳，卢泉，杨广铭，马培勇

（中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630）

1 引言

随着通信技术的发展，融合通信已经成为信息社会发展的主旋律，语音和数据业务并重发展将是未来任何创新和发展的基础，以TDM、ATM为主导的移动传送网络已经不能满足当今移动互联网时代数据业务的发展需求。同时用户侧的网络宽带提速将成为商业发展的必然趋势。统一IP/MPLS开放架构的IP RAN综合承载网络逐渐备受关注。移动宽带逐渐改变了人们的生活习惯，IP化的架构也带来了移动承载网络规划的转变。根据无线网高带宽、IP化接入的需求，新建IP RAN承载网络是一张专门为数据通信新业务而建的综合承载网络。但是在LTE 4G通信时代，由于高频谱的使用，使得原有3G基站覆盖的范围需要更多的4G基站才能进行同样的覆盖，但是这样将会带来海量基站的接入管理。在IP RAN承载网的接入层需要更多的A设备对基站业务进行承接。在大范围、广覆盖、高质量的通信服务要求下，IP RAN网络中海量设备的维护管理将会给网络运维人员带来巨大的困难。本文在现有技术发展和运维管理将要面对的难题的基础上对IP RAN网络引入SDN（Software Defined Networking，软件定义网络）技术进行深入的研究，为后续的IP RAN网络朝SDN化的网络技术发展提供理论指导。

2 IP RAN网络发展及面对的问题

IP RAN是指以IP/MPLS协议及关键技术为基础，主要面向移动业务承载并兼顾提供二三层通道类业务承载，以省为单位，依托CN2骨干层，由城域的A、B、ER、BSC CE、EPC CE、MCE等设备组成的端到端的业务承载网络。IP RAN由接入层、汇聚层、城域核心层、省核心层及MCE层组成，具体如图1所示：

图1 IP RAN综合承载网络基本架构

业务承载接入A设备采用二层PW，从汇聚B设备到业务落地采用的是L3VPN，核心层设备主要集中在市及省干中心机房。IP RAN建立好后，全国约有300个本地网，汇聚B和接入A节点数将达数十万台。在这张网中同时集合了对多种网络协议的维护，随着网络规模的不断扩大，IP RAN网络将会出现以下几个问题：

（1）超大规模的网络运营

随着4G网络的建设，更多基站将会部署，在一个典型城域网中，对于1万基站的本地网，将要新增达1.5万～2万IP/MPLS设备来承载，这大大增加了运维人员的压力。

（2）多种网络协议维护

接入层A设备和汇聚层B设备之间运行了多种网络协议，如IGP、BGP、LDP、RSVP-TE、PW、PWBFD、BFD for RSVP-TE、IGP-BFD、QoS等，这对网络技术人员的要求较高，在网络维护时需要掌握大量的协议和组网信息。虽然有较为完善的组网规范和相关指导性的技术文档，但是对大规模网络的故障定位还是没法直接进行管理，需要根据维护的大量协议来仔细分析，因此对故障进行定位维护有一定的难度。

（3）新业务的承载问题

现有技术的更新周期越来越短，随着用户需求、新的增值业务不断变革式地发展，如何使IP RAN网络适用于新业务的发展需求，实现业务快速开通等问题，也是IP RAN将要面对的挑战。

（4）统一智能化管理

随着SDN新技术的应用和发展，如何在现有的IP RAN网络中使用SDN技术对IP RAN网络中海量网元进行统一性管理，掌握全局网络路由信息，实现流量智能化的调度、业务快速响应、故障快速定位等功能要求，这将是SDN化网络统一智能化管理的关键。SDN化的IP RAN网络阶段化的技术演进也是后续网络建设中需要长期考虑和研究的问题。

针对IP RAN网络的一些问题，SDN技术的兴起为IP RAN网络的后续发展和演进提供了技术支持和选择的方向，这是解决超大规模网络所面对的挑战最为理想的选择。该方案目前还处于实验验证的状态，本文重点研究了IP RAN承载网络在接入层采用SDN化的应用研究。

3 基于SDN的IP RAN网络

3.1 SDN网络虚拟化模型

传统的通信设备包含控制平面、转发平面、管理平面这三大平面。业务的实现不但受到转发平面的限制，更大的限制来自于控制平面，由于受制于设备提供商的软件开发周期，新业务响应慢。SDN技术通过控制平面与转发平面分离的思路，使得设备只关注于转发，网络中的控制平面从系统设备中抽取出来集中到专门的网络控制器上。网络控制器提供开放的API接口给第三方，使得第三方能直接通过网络控制器控制网络，网络维护人员或网管直接通过控制器管理设备，从而达到降低系统设备成本，简化网络运维的目的。

SDN是通信领域一种新型的网络技术，主要目标是实现通信网络的开放性，降低系统设备软硬件耦合，将传统网络拆分为控制平面和数据转发平面二平面结构，转发平面设备可通过上层控制平面实现编程化的集中控制管理。通过SDN/NFV化后，改变了传统网络架构中设备紧耦合的方式，SDN/NFV对新型网络架构进行了重新定义，主要分成应用、控制、基础设施（转发）这三层次分离架构。将网络的控制功能抽象出来，在服务器上运行SDN控制软件，上层应用、转发层设施可认为是由多个逻辑实体组成，其模型如图2所示。

网络设备主要根据应用层服务要求，为客户提供基本的业务转发、路由策略、QoS流量调度等方面的服务。转发设备的转发路由表项是由控制层中SDN控制器进行路由处理后再下发到设备，因此底层转发设备不再需要运行复杂的路由协议，就可以实现路由的转发，完成业务传送。为了对基础设施层网络设备进行管理，网络设备与网管主要是通过DCN网管通道进行管理。SDN控制器是整个网络虚拟化集群操作的中心，主要负责管理SDN网络拓扑计算，根据拓扑结构形成最优转发路径，对设备进行业务配置管理，最后形成路由表项下发给转发层设备。SDN支持开放性接口，有南向和北向接口，主要用来接受第三方软件的控制以及接受网管的控制管理。

3.2 IP RAN网络中基于SDN技术的部署

SDN技术恰好能够解决IP RAN这两方面的难题。根据IP RAN组网的特征，在IP RAN网络中使用SDN技术，运营商最为迫切的需求是解决接入层网络的维护问题，即接入A和汇聚设备之间业务的虚拟化部署，汇聚核心之间一般不考虑运用。如果核心汇聚层也采用虚拟化，则IP RAN部署虚拟化的成本可能会增加，在当前SDN还不是很成熟的情形下，最适宜从接入层着手。IP RAN中SDN当前最适合采用的模型如图3所示。

从图3可以看到，对接入层进行SDN虚拟化集群以后，接入层设备对外呈现的是一个逻辑的大型路由设备，对基站而言就像直接接在汇聚层B设备上一样。接入层接受上层控制器下发的路径转发命令实现转发功能，下挂基站业务、TDM/ATM等服务直接透过接入层进入汇聚层。SDN虚拟化部分业务建立、协议维护等功能都由控制器进行集中管理。

因此在引入SDN之后，IP RAN组网结构也发生了相应变化，控制面与转发面进行分离，接入层设备通过开放控制接口给上层汇聚设备，在汇聚设备中集成Control Agent模块，这样能保证网络转发面与控制面顺利进行协议交互，通过SDN化后的IP RAN网络各平面间的关系结构及作用如图4所示。

转发面：主要是接收控制器配置的业务流转发指令转发业务。在保证控制器和转发面之间支持标准协议（如OpenFlow等）的前提下，转发面转发方式的选择对于SDN架构的开放性没有影响。转发面内部的具体实现方式可以有多种选择，如采用符合OpenFlow标准的多级流表转发方式或传统的IP/MPLS转发方式等。

控制面：完成网络拓扑收集，网络资源统一管理，网络虚拟化和业务处理。根据业务诉求为每个转发节点生成转发表项或流表项，并安装和下发到各转发节点，控制网络的业务转发、保护倒换等。

管理面：控制器提供北向接口，用于网管和OSS集成。同时，控制器需要提供开放编程接口，用于第三方应用的集成开发，如策略控制接口、资源接口、路径控制接口等。

通过在IP RAN网络中引入SDN架构及相关技术，实现了基于SDN的IP RAN网络，可简化IP RAN网络设备，提高网络自动化部署、运维、管理的能力，并为未来新业务的快速开放提供了能力。

图2 SDN技术基本模型架构

图3 IP RAN网络接入层SDN虚拟化集群部署模型

图4 IP RAN网络SDN化各平面功能关系

3.3 基于SDN虚拟化的IP RAN 网络转发通道与控制

在现有的IP RAN承载网络中，接入层设备通常存在两种通道：一种是业务转发通道，另一种是IP RAN综合网管所进行的管理报文转发通道，即所谓的DCN管理通道。

根据原有的网络结构及属性，IP RAN网络采用SDN虚拟化技术后，网络的SDN控制器的主要作用只是用来收集全网的网元拓扑信息。根据应用层下发的业务要求通过Controller计算出全局的业务转发路径，然后通过南向接口下发到下层转发设备，于是在转发设备上形成相应的转发路由信息。下层设备只需要执行上层的计算结果，无需再参与路由的学习和计算，在这个过程中SDN控制器并不维护IP RAN的DCN通道。转发设备与SDN之间通常也维护一个带内通道，用于SDN 和转发设备之间交互控制信息、管理信息。通常控制通道采用DCN 通道的IP 进行创建维护，即和DCN共平面。因此在IP RAN DCN虚拟化之前，DCN通道需要按照IP RAN目前既有的方式进行维护管理，SDN主要还是负责维护业务转发通道的建立和管理。

4 SDN IP RAN研究与实践

4.1 IP RAN网络SDN化的演进方向

技术的应用都是基于技术的成熟发展，阶段性地进行商用部署，只有这样才能确保业务建立和网络服务的高质量、高可靠性的要求。对IP RAN承载网络SDN虚拟化的发展情况进行深入研究和分析，根据现有的技术要求将后续网络的演进情况进行了总结，主要可以划分为3个阶段，具体如图5所示。

第1阶段，即当前阶段。Controller控制器可以内置在汇聚层设备，简化接入层管理复杂度，实现接入层SDN化。

第2阶段，指IP RAN承载网络SDN虚拟化中期。该时期可以在IP RAN网络接入，汇聚层以及核心层以外独立部署Controller作为网络SDN控制中心，实现IP RAN承载网汇聚层以下SDN化，进一步简化网络设备的集中管理运维。

图5 IP RAN网络SDN化演进示意图

第3阶段，实现IP RAN承载网和无线网全面采用SDN虚拟化。该时期整个网络对外提供开放能力，IP RAN承载网Controller与无线Controller通过北向接口被协同应用管理，实现整网的SDN化管理，最终使整个网络能实现MBB流量智能管理的经营能力。

4.2 SDN IP RAN网络业务测试实践

在现网进行IP RAN承载网络接入层SDN虚拟化试验，设备B内置控制器作为SDN Controller来控制下挂的A设备，试验环境是通过软件升级使B设备支持虚拟化，同时A设备也能满足虚拟集群要求。在一对B下面接入40台A设备，通过虚拟化后，接入环A设备对于基站就可以认为是一个逻辑的大的接入路由器，控制器会根据网络业务需求，自动下发网络配置及路由转发表项给接入层设备，具体网络逻辑如图6所示。

图6 实践部署示意图

图6中，实践部署网络中故障点简单设置为1、2、3这3个点，为了验证SDN化后IP RAN网络虚拟化对业务的承载是否符合电信级业务承载能力的一个保证要求，在本次测试过程中采用仪表模拟基站等业务从接入层实现业务打流测试。具体是通过流量互打测试、链路故障倒换测试来检验网络正常和故障时的链路丢包、时延统计等参数指标。通过测试可知测试时延、丢包等结果能满足组网规范的要求，SDN技术可以作为IP RAN网络后续发展的一个方向，增强IP RAN网络的管理。

SDN虚拟化后，A设备无需再进行繁琐的业务指令配置，A设备控制面上移后，当链路故障时，设备B上的Controller能自动定位故障设备。在以后的海量设备维护中只需对接入层A设备做简单的现场维护工作，这大大简化了网络设备的管理。在SDN虚拟化前后，IP RAN网络接入层设备协议的维护管理的对比如表1所示：

表1 SDN虚拟化前后，IP RAN网络配置管理对比

通过SDN虚拟化前后IP RAN网络配置所需要维护协议的对比情况可以发现：IP RAN通过引入SDN技术后可以简化接入层复杂繁多的协议管理和设备维护，SDN技术通过将物理大网络转变为逻辑上的小网络的管理运维方式，真正实现了网络的集约化运营。

5 结束语

本文重点研究了现有IP RAN网络的发展情况，对现有网络建设中存在的或是以后将要面对的困难挑战进行了详细的分析研究，同时对全新的SDN虚拟化新技术进行了分析。根据IP RAN的发展需要明确了IP RAN网络SDN化的演进方向，最后对IP RAN网络接入层虚拟化进行了实践，实践结果表明SDN技术能进一步简化IP RAN网络的运营。

SDN IP RAN实践后，存在的不足主要体现在两个方面：

（1）目前实际网络测试中由于前期设备及技术因素等制约，对于网络中前期部署的老设备目前还无法直接进行SDN虚拟化管理，同时目前研究的SDN控制器管理还在实验室测试和现网试点阶段，对于实际网络中接入层虚拟化设备数量管理能力需要进一步的验证。

（2）在该项实践中只是对同厂家B设备下的接入层设备进行虚拟化管理，异厂家混合组网的接入场景下还无法满足IP RAN SDN化的要求，这将是在下一步研究中需要重点解决的问题，最终将形成多厂家混合型的SDN化的IP RAN综合承载网络。

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