面向5G的新型城域承载网的建设思路探讨与实践

薛 强，屠礼彪（.中国联通广东省分公司，广东广州 5067；.中国联合网络通信集团有限公司，北京 00033）

1 新型承载网的网络结构及要求

1.1 5G业务发展节奏以及要求

5G的业务发展分为3个阶段。

第1 阶段为eMBB+NB-IoT：时间点在2019—2020年，主体业务为2C 业务，如视频/上网/4K/VR/AR，2B业务为NB-IoT类业务。业务的特点是带宽相比4G提高较多，初期业务量还不是很大，在大多数区域，10GE接入环即可满足要求，在个别热点区域，带宽较大，50GE 接入环可满足带宽要求。时延要求10 ms 以上，现在的网络即可满足要求。

第2 阶段为eMBB+mMTC：时间点在2021—2022年。2C 业务（视频/上网/4K/VR/AR）和智慧园区业务开始增多，部分区域初期的10GE 接入环满足不了业务的带宽需求，需要将接入环变成50GE 环，当然还有很多的区域不用改变。部分汇聚层的带宽需要升级到100GE。时间延迟在10 ms 以上，要求确定性时延。VR/AR/直播等场景存在分片需求。

第3 阶段为eMBB+uRLLC+mMTC，时间点在2022年以后。这个阶段会新增V2X业务、自动驾驶业务，智慧工厂业务逐渐增多。时间的延迟要求在3～10 ms，要求确定性的时间延迟。局部垂直行业存在分片需求。

1.2 接入层建议

在第1阶段10GE 接入环即可满足要求，但是如果接入环的CSG 数量过多，则需要将超大环改造为多个小环，满足接入环的带宽不超过10G，这样不用增配10GE 的板卡即可满足带宽需求。接入层的拓扑由业务的实际情况决定，有以下几种场景。

1.2.1 大环裂小环

接入环大环组网如图1所示。

图1 接入层大环示意图

分裂后组环如图2所示。

图2 大环裂小环示意图

1.2.2 环带环

环带环的场景中如果在部分节点上不进行改造，接入环的带宽会超过10G，建议对如图3 所示环带环进行改造。改造为如图4所示的拓扑。

1.2.3 GE环改造

图3 环带环场景

图4 环带环改造后的拓扑

对于部分GE 环，在初期可以给接入层ATN 设备增配10GE 板卡来实现10GE 接入网，以保护现网投资。

1.3 汇聚核心层的演进建议

汇聚层核心层有3种网络架构可选择：口字型、双上联和Spine-Leaf架构。

1.3.1 Spine-Leaf架构

Spine-Leaf 架构源自Clos 架构，如图5 所示。Clos架构源自交换机，是一种多级交换架构，这种架构是为了在输入输出增长的情况下尽可能减少中间的交叉点数。

二层Spine-Leaf 架构（见图6）是由三层Clos 架构沿中间层折叠而成。

图5 Clos架构

图6 Spine-Leaf架构

Spine-Leaf 架构特点：多个Spine 节点的胖树结构，通过新增Leaf节点，实现横向弹性扩容，Spine下行端口数决定Leaf节点数和网络规模。

标准的Spine-Leaf 会给IPRAN 网络带来如下问题。

a）对于核心节点：每增加1对核心节点，核心汇聚层光纤数量就要翻1 倍；流量落地设备需跟核心节点建立full-mesh 连接；多核心节点会占用更多的核心机房空间和电源。

b）对于汇聚节点：新增汇聚节点要跟核心节点建立BGP邻居配置，会增加核心节点压力；新增1台汇聚节点，要增加8 条光纤（上下行），消耗光缆资源；新增汇聚节点要增加核心节点支持的端口密度，影响设备形态；新增汇聚节点，要配套增加汇聚机房空间和电源，占用机房资源。

c）对于保护：接入层故障，下行流量绕行核心节点，隧道硬收敛秒级丢包；核心网AC 侧故障，上行流量持续丢包，VPN路由硬收敛。

1.3.2 双上联架构

IPRAN采用的近“Spine-Leaf”架构，去掉了Spine-Leaf 架构的便于横向拓展的核心需求，称为“双上联”架构，如图7所示，双上联在口字型基础上增加了交叉线，本质上是一种改进的口字型架构。

图7 双上联架构

双上联架构的特点如下：

a）城域内只用一对Spine节点，非胖树结构。

b）汇聚节点数量相对固定，扩容时采用节点容量扩容和链路带宽扩容方式，核心节点的背板容量决定了扩容总容量。

c）成对的汇聚Leaf 节点之间需横连线，做接入层保护路径。

d）核心Spine 节点之间需横连线，做核心网侧AC链路故障保护路径。

1.3.3 架构比较以及建议

Spine-Leaf和双上联架构之间的区别如表1所示。

表1 Spine-Leaf和双上联架构的区别

新型城域承载网的汇聚和核心层拓扑建议选取双上联架构或者口字型架构，具体选择哪种架构本文从以下几个角度来比较。

核心至汇聚的需求带宽是100GE 时，组网拓扑如图8所示。

图8 目标带宽为100GE时的2种组网拓扑

核心至汇聚需求带宽是200GE 时，组网拓扑如图9所示。

图9 目标带宽为200GE时的2种组网拓扑

上述2 种需求带宽下不同组网拓扑的比较如表2所示。

新型承载网可以根据不同的目标带宽，选择口字型或双上联架构，需求带宽100G时建议选择口字型架构，需求带宽200G时建议选择双上联架构。

2 新型承载网的网路协议选择

2.1 SR与现有RSVP-TE/LDP 的关系及演进策略

2.1.1 SR与RSVP-TE/LDP

现存的网络隧道LDP 和RSVP-TE 各有其优势和弊端。LDP部署简单，但需要专门的LDP协议，且无法进行路径控制。RSVP-TE 可以进行路径控制，但部署复杂且存在Full Mesh 的N2 问题。同为转发隧道，SR在控制面不再需要RSVP、LDP 等协议。同时，在转发平面，SR 保留了MPLS 的标签转发机制。SR 的源路由机制使它通过源节点即可控制数据包在网络中的转发路径，满足了未来SDN 智能网络对路由灵活控制的需求。

表2 2种需求带宽下口字型及双上联拓扑的比较

2.1.2 SR演进策略

在面向5G的新型城域网中，隧道演进总体策略如下：初期完成部分链路带宽升级，快速完成5G 基站开通与业务上线，达成5G 首发目标，隧道选择LDP/RSVP-TE；2020 年之后随着新型承载网的新建或者优化，核心汇聚层的设备都能支持SR 协议，这时可以启用新的隧道协议，并同步将传统的网管系统升级为SDN 控制器设备，然后从核心汇聚层到接入层逐步切换传统隧道到SR，完成智能化演进升级。

2.1.3 SR演进步骤

SR 隧道演进过程，按照先演进核心汇聚层再演进接入层的顺序进行。

a）核心汇聚层演进：

（a）汇聚核心层升级版本支持SR/EVPN特性。

（b）汇聚核心层使能SR-TE/SR-BE隧道。

（c）汇聚层上行隧道切换SR，修改ASG 隧道策略，优选SR，次选MPLS。下行隧道切换SR，修改RSG隧道策略，优选SR，次选MPLS。

b）接入层演进：

（a）接入层设备升级新版本或者新建接入环。

（b）接入层使能SR-TE/SR-BE隧道。

（c）接入层上行隧道切换SR，修改新版本CSG 的隧道策略，优选SR，次选MPLS。

（d）接入层下行隧道自动切换SR，无需修改ASG的隧道策略。

c）清理RSVP-TE/LDP配置：

（a）全网升级新版本，且接入汇聚核心都部署优选SR隧道后，删除TE/LDP配置。

（b）汇聚设备下挂V5 接入环，此类ASG 不能删除TE/LDP配置。

（c）先修改隧道策略迭代顺序，删除迭代顺序中的MPLS隧道，再删除其他配置。

（d）按照先删除接入层再删除汇聚层的顺序清理RSVP-TE/LDP隧道。

2.2 SR MPLS与SRv6的关系及演进策略

2.2.1 SR-MPLS与SRv6

SR-MPLS 与SRv6 的本质区别在于前者Segment ID 使用MPLS Label，后者使用IPv6 地址。正是这一本质区别，使得SRv6 在诸多方面都比SR-MPLS 表现出强大的优势，并成为“可预见的终极方案”。

SR-MPLS和SRv6的对比如表3所示。

2.2.2 SRv6演进策略

表3 SR-MPLS和SRv6的对比

SRv6 兼容现网MPLS VPN的演进方案如下：

a）RSG设备升级支持SRv6。

b）RSG 设备与存量CSG 设备建立传统MPLS VPN BGP peer，RSG 与已升级支持SRv6的CSG 设备建立SRv6 VPN BGP Peer。

c）东西向流量采用传统MPLS 隧道，南北向流量具备SRv6 能力的设备优选SRv6，不具备SRv6 能力的设备采用MPLS隧道。

SRv6 替换现网MPLS VPN 的演进方案如下：首先将现网的L3VPN 业务建立在RSVP-TE/LDP 上，为L3VPN 业务建立双栈SRv6 隧道，然后通过配置隧道优选策略，用SRv6 隧道承载L3VPN 业务，最后删除MPLS隧道和ipv4-family vpnv4地址族配置。

尽管主流设备厂家已支持SRv6，但SRv6 的相关标准还未完全成熟，因此新型的城域承载网要视建设的时间点决定采用SR-MPLS 还是SRv6，2020 年初可以先上SR-MPLS。

2.3 EVPN与L3VPN、VPLS的关系及演进策略

2.3.1 EVPN与VPLS、L3VPN

EVPN 通过扩展BGP 协议使不同站点的二层网络间的MAC 地址学习和发布过程从数据平面转移到控制平面。EVPN 解决了传统VPLS 不支持双归网络负载分担的问题，避免了公网PE 间的全连接，实现了快速收敛。同时，EVPN 作为统一的VPN 架构，全面支持L2及L3VPN。

2.3.2 EVPN演进策略

路径1：现网L3VPN 进行EVPN 改造，移动业务通过EVPN承载，演进步骤如图10所示。

路径2：现网L3VPN 不进行EVPN 改造，L3VPN 承载4G 和5G NSA 业务，EVPN 承载5G SA 业务，演进步骤如图11所示。

图10 L3VPN向EVPN改造步骤

图11 EVPN承载5G SA示意图

路径3：现网PW 不进行EVPN 改造，PW 专线和EVPN 专线并存；分层PW 专线和EVPN 专线不是一个控制面学习MAC 地址，不存在改造的过程，在一个设备上共存也没有冲突；已开通的分层PW 专线承载方案不变，新开通专线选择分层的EVPN 专线方案承载，不同专线之间也没有互通要求。

3 现有网络形态分析及融合策略

3.1 承载网

3.1.1 承载网架构分析

现有承载网如图12所示，是数据网、传送网、接入网等多专业网络混合组网，相同专业又分多个不同功能的网络。现有网络已难以适应云、高速、低时延、个性化等业务需求。

图12 承载网现状

现有承载网主要存在以下几个问题。

a）端到端结构复杂，用户体验差：移动、大客户、宽带业务贯穿核心、数据、传输、接入、基站等多个网络。

b）网络冗余重叠、网络效率低：本地承载网（CE网络）与IPRAN 网络纵向重叠，大珠三/云骨干/UTN 省干横向重叠。

c）智能化不足、协同难：部分网络未SDN 化，部分网络独立部署SDN控制，无法实现统一协调管控。

d）网络效能低、投资大：网络架构的冗余会增加机房、电费及维护等运营成本，同时需要较大的扩容投资。

3.1.2 承载网协议分析

IPRAN 和城域网的MPLS 采用的是LDP 协议，LDP 协议用于标签分配，但LDP 协议较复杂，有11 种不同类型的消息，如果LDP 和IGP 协议不及时同步会出现路由黑洞，同时LDP不具备流量工程能力。

业务层对VLL 业务采用的是Remote LDP 协议，L3VPN 业务采用的是MP BGP 协议。业务层的协议不统一。

3.2 现有网络的整合与互通

为适应5G网络及云业务发展的需求，对现有网络进行了相应改造，满足了5G 初期发展的需求，提高了网络的效率。

3.2.1 IPRAN与CE网络的整合

骨干网层面，随着核心网的下沉和去属地化，承载B 网的功能逐步减弱，B 网与A 网进一步融合。具体演进思路如图13所示。

业务承载思路如下：

a）本地CE网络不再建设，充分利旧。

b）新增4G/5G业务通过IPRAN2.0设备承载。

图13 5G承载IPRAN的演进思路

c）原有3G/4G业务逐步割接至IPRAN网络。

网络融合步骤如下。

a）IPRAN网络核心直连核心网出口路由器。

b）IPRAN核心、MCE融合为1对本地核心。

c）IPRAN跨厂家互通，进行解耦组网。

3.2.2 IPRAN与城域网的互通

以业务为导向，在汇聚层横向打通本地城域网及IPRAN 网络，实现双网有机互联，如图14所示，结合云骨干（省内原有的小省网改造而来）的统一调度，满足PON入云、智享专车等业务快速承载开通。

图14 本地城域网与IPRAN有机互联

通过以上手段，可以实现以下业务：

a）PON 入云：OLT 经过BRAS/SR 后由各地（市）城域网CR与云骨干网打通，实现快速入云。

b）IPRAN 上互联网：IPRAN 的汇聚层设备就近与IP 城域网的BRAS/SR 通过GE/10GE 互联，实现智享专车等互联网专线业务的快速开通。

以上业务在广东联通都已实现，满足不同场景下用户上网、上云的需求，并取得了不错的经济效益。

3.3 新型城域网承载网的发展之路

新型承载网的设计目标是确定的，即网络结构上：核心、汇聚层之间采用Mesh架构，接入层采用树型或环型，树型接入PON 网络，环型接入移动基站，全网采用SR+EVPN协议，统一承载5G、宽带、专线等业务。

广东联通已经完成广州、深圳智能城域网的测试，从结构、协议等多方面，进行了多业务承载测试，结果证明4G/5G 业务、宽带拨号、互联网专线、组网专线、云专线等业务，完全可以在一张网络中承载。

随着集采的推进，设备形态即将确定，新建的智能城域网将直接满足5G的承载需求，后期会整合原有的IPRAN 网络，原有的汇聚、接入层能力达到要求的，直接改挂新核心即可，不符合的通过新建替换，割接原有的业务，逐步将IPRAN 消化掉，形成一张统一的移动承载网络。然后再考虑将169城域网的汇聚层改挂到智能城域网核心，并最终融合。相信，通过一系列可行的优化、整合措施，承载综合业务的新型城域网将会在近几年实现。