基于网络扁平化的IP RAN承载网融合演进及优化

2021-01-14

广东通信技术 2020年12期

1 引言

网络技术的不断发展演进，业务需求不断向高速率、低时延、广覆盖、密集连接、高安全、智能化的方向发展，以实现移动视频、宽带提速、IPTV、4K等业务大带宽需求；ICT专线、金融专线、移动支付、在线游戏等业务的高可靠、低时延需求；IoT业务的广接入、智能化的需求。IP RAN承载网作为本地网业务的主要承载网络，在某省运营商近年来的业务发展中发挥了巨大作用。

2 IP RAN承载网现状及问题分析

2.1 IP RAN承载网现状综述

某省运营商IP RAN网络从2012年开始规模部署，截至目前，全省网络层次清晰，覆盖完善。已实现了基础架构节点（含核心、汇聚、综合接入点）的全覆盖。本地网IP RAN系统建成从核心到接入的三级架构，每个地市分别设置2个核心机房，每个机房配置2端核心设备，4个核心设备建成mesh结构。每个汇聚区设置1个汇聚机房，每个汇聚机房配置2端汇聚设备分别双上联至核心节点，组建口字型环网结构。综合接入点或普通基站机房设置接入设备，接入层网络结构以环形为主链形为辅，每个接入环设置4～8个接入节点。针对目前的IP RAN三层网络架构。IP RAN网络现状如图1所示。

图1 某运营商本地IP RAN网络架构图

目前本地大颗粒/小颗粒专线业务及常规普通专线业务通过IP RAN传输IP承载A网终结的方式承载；无线专业移动网业务经本地IP RAN接入通过IP承载B网承载移动数据业务流量，业务承载网络结构示意图如图2所示。

图2 某运营商IP RAN网络业务承载示意图

以4G业务承载现状为例，4G网络数据业务流向有两种场景。

场景一为4G数据业务在本地网层面由IP RAN系统承载，省干层面由IP承载B网承载至核心网CE设备；

场景二4G数据业务在本地网层面直接由IP RAN系统承载上联至核心网（EPC）U面设备。4G承载网络架构图如图3所示。

图3 某运营商本地4G数据业务流向图

由于4G核心网用户面尚未完成地市级下沉，第一种接入场景成为了4G移动网业务的主要接入方式，业务路径为经本地IPRAN接入设备、汇聚设备、核心设备转至IP承载B网的AR设备，再经省级BR设备、核心网综合接入路由器MCE设备转到4G核心网CE设备，最后进入4G核心网网关。

2.2 IP RAN网络问题分析及挑战

根据对某省份IPRAN网络架构现状的分析，IP承载网目前主要存在如下几方面问题。

（1）IP RAN网络承载业务较为复杂，IP RAN上行与各系统对接较多，少量汇聚存在汇聚层设备组环以及二级汇聚的情况；接入层成环率不足维护难度大，易引起流量不均，扩容成本较高。

（2）IP RAN网络与IP承载B网并行建设，网络节点设备同址堆叠，业务需求引起的网络扩容涉及节点多、专业界面过于复杂，网络扩容、建设响应速度慢，维护成本高，难以应对突发性流量风暴的冲击。

（3）IP承载网网络现状表现为结构复杂，平面堆叠，分域层级繁多，系统利用率低，网络架时延高，网络安全性差等问题。

无线移动网、集客专线类业务的飞速发展，对IP RAN承载网提出了更高的要求，网络运营商主要面临投资效益、网络时延、流量增长、建设周期等多方面压力，对现有承载网的承载能力、交付周期、安全性能提出了更高的挑战，具体表现为以下几点。

（1）极致时延网络体验。随着实时互动类游戏及远程医疗、自动驾驶技术的发展及应用，网络时延的要求也日益提高，目前端到端网络时延一般要求在50～100 ms，现有IPRAN网络基本能够满足要求；未来，应关注交互类的业务时延（如移动在线游戏）和控制类的时延（如车联网）的低时延需求。

时延对于我们移动有什么价值？我们这里重点讲讲最近最火热的在线游戏、腾讯王者荣耀。

① 市场渗透率高达22.3%，用户规模突破2亿，年轻化趋势明显，24岁以下用户超过54%，高ARPU的手机用户，很多人都在玩，我们认为这款游戏不光是游戏里面组团对战，更是我们运营商网络口碑的终极PK。

② 这款游戏会显示游戏预测延时，而且因为是组团对战，1个用户网络延时，会极大影响队员，所以用户对延时非常敏感（游戏右上角显示预测延时，0～105绿色游戏流畅，105～200黄色游戏有卡顿，200+红色游戏卡

为了验证目前咱们移动网络情况，我们选取高校、车站等区域，随机测试100条，发现预测时延大都在50～110 ms。

影响网络时延的关键要素在承载网方面主要有4个：①光纤材质、距离、接头等引起的时延，②IP RAN系统设备光电转换、数据交换引起的时延，③IP承载B网网络设备引起的时延，④中间承载的传输系统如波分系统引起的时延。网络时延主要构成图如图4所示。本地承载网侧时延的关键要素如表1所示。

图4 网络时延主要构成图

表1 本地承载网侧时延的关键要素

（2）带宽需求迅猛增加。随着4G移动网视频类业务迅猛增加，尤其是双频段及载波聚合等技术的应用，对传输网络带宽提出了更高的要求。IP RAN网络建设初期核心层采用10G速率互联，中远期难以适应快速增长的实际业务需求，周期性的扩容已形成常态化建设需求。

以某本地网为例：2017年4月份-2018年3月份流量增长情况，

2017年4月份，至B网总流量为8.7 G；2017年8月份，至B网总流量为15.5 G；2017年12月份，至B网总流量为22.68 G；2018年3月初，至B网总流量为42.18 G；2017年8月至12月期间，月均流量增长11%，2017年12月至2018年3月期间，月均流量增长28%。根据目前业务发展速度，预计至2018年8月，ASBR至B网流量将增长至52.55 GE。增长情况如图5所示。

图5 IP RAN至IP承载B网出口流量曲线图

（3）网络响应速度要求敏捷灵活。从前期网络规划、到中期网络建设、最后到网络投产运营都突出一个快字。随着新兴业务的快速发展和对网络服务提出的超快、极简、智能的需求，传统分层、分域、分布迭代的建设方式已无法支撑瞬息万变的市场发展需求。

综上所述，为了更好地满足4G及集团客户日益增长的业务需求，迫切需要打造层次扁平、结构极简、体验最优的IP RAN承载网架构。本文结合某省运营商IP RAN网络实际情况及工程情况，针对现有网络核心汇聚至IP承载B网提出优化方案，以供参考。

3 IP RAN网络扁平化及与IP承载B网融合策略

根据市场业务发展需求预测对IP RAN网络带来的问题与挑战，结合网络现状实际情况，以提效益、促发展为原则，提出了IP RAN网络简化及多平面融合策略。

3.1 网络扁平化

3.1.1 核心层优化

某地IP RAN网络设置2个核心局址，配置4端核心设备，网状网mesh化结构互联，面对日益增长的业务需求，存在主要问题如下：

扩容投资大：若其中单边流量超过扩容阈值，为保障单点失效，业务安全倒换，其余链路均需扩容，存在大量的板卡

流量不均衡：ASBR设备上联B网，一侧承载流量1.1 G，另一侧承载流量7.6 G，流量不均衡。且为了保障业务增长，高流量侧配置了两条10 G链路，低流量侧配置了一条10 G链路，两方向上行端口配置速率不一致，存在网络故障时流量倒换拥塞风险。

业务路径迂回：对现有四核心流量分析的时候发现，四核心互联链路中存在大量的流量，流量路径不符合南北走向。从图6可以分析出，二枢纽七楼1至北向枢纽楼4G汇聚流量为0.05 G；二枢纽七楼1至高开区2流量为5.6G ，高开区2至高开区4G汇聚流量为4.5 G。二枢纽七楼核心的流量少量走北向接口，大量的流量通过从核心之间调度转发至4G汇聚ASBR。存在流量不均衡的增长、单边失效流量倒换风险等问题。同时也增长了业务路径，增加了网络时延，尤其在在流量出现拥堵时造成的网络时延增大更是影响了用户的网络体验。

图6 某地市IP RAN架构及流量图

设备配置低：目前四核心配置的是CX600-X8设备，单槽位容量最大支持100 G，配置的子卡主要为5*10 G，不支持100 G单端口板卡。目前的配置与流量增长日益不符，传统的10 G链路叠加扩容已不能满足现有业务需求。

优化建议如下：

架构优化建议：将IP RAN的4核心结构调整为两核心结构，使网络简洁化，原有各业务汇聚区分别配置1-2端一级汇聚设备，汇聚设备单环形、双路由归属至本地核心设备。减少接入层单环上的节点数量，优化光缆路由，改造单链结构为环形接入，缩短业务路径，降低网络时延，提高网络效能、提升运营效益。

设备配置建议：结合长远业务需求，综合考虑可采框架目录设备的交叉容量、设备槽位、设备造价等因素，建议选择新增较大交叉容量的设备为核心设备，满足远期需求，设备板卡+端口配置考虑中远期预留，适当冗余，以满足快速扩容需求，两核心设备互联端口采用100 GE速率互联。核心设备上联核心网设备采用直连方式，配置100 GE速率端口，且预留少量10 G端口以备不时之需；核心UTN设备10 GE下连端口数量根据汇聚节点规模和口字型组网结构，按需配置，10 GE板卡尽量考虑利旧；新增10 GE板卡须采用高密度板卡。从网络结构、设备槽位、主控、交叉、端口、模块、配套等多维度综合提升网络能力，保障后续业务快速接入。

流量均衡建议：全面梳理、综合分析、优化调整数据业务承载策略，使出口设备配置与业务接入匹配，承载方式按不同方向均衡流量，制定事实监控机制，遵从超前扩容门限指标，对数据链路配置LAG及负载分担保护，对长距及安全隐患中继段配置线路保护，降低数据倒换风险，提升网络安全。

3.1.2 接入层优化

以腾讯王卡全国网络感知影响周报为契机，本次在某地市存在投诉的区域，梳理出现网络卡顿的站点，对网络结构分析。

主要的分析要点为：网络卡顿站址的传输网络结构；分析环/链路容量；同时周期性对环/链路即时、均值流量进行分析；对业务路径进行分析。

某本地网IP RAN接入环网络结构现状图如图7所示，在往期网络感知影响周报中，幼儿师范站点多次存在，本期选取此点为案例分析：

网络结构：主要存在接入环上节点数量过多，接入环存在环套环现象，接入环路存在单归属问题，存在网络安全隐患。

图7 某本地网IP RAN接入环网络结构现状图

环路容量：接入环设备节点机房均为综合业务接入点机房，单节点配置10 GE速率接入层设备，环路容量为1*10 GE，配置基本合理。

流量分析：鹿泉开发区支局北向上行流量峰值为3.2 G，占比保持在32%左右，未出现网络拥塞；鹿泉开发区支局与鹿泉幼儿师范为GE链路，其中鹿泉开发区支局下行接入层环路最大流量已接近800 M，占比环路容量80%，严重超过扩容门限。

业务路径：业务路径与网络架构不匹配，未通过最短路径回传，存在路径迂回。

优化建议如下。

架构优化建议：对超大环路裂环优化，环路承载节点控制在4～6个；对环套环问题的场景进行拆环处理，优化改造为单层结构，接入环上行双归至异局址的两个汇聚节点。

流量分析建议：定期进行流量带宽监测、分析，对超过门限值的环路及时扩容，优化调整，避免由于流量拥塞导致的网络卡顿、数据丢失。

业务路径配置建议：IP RAN接入层网络建设通常是逐步“加站”，环路配置业务时，选取东、西其中一个方向为主路径，后期均以此路径默认为主路径，随着接入层IP RAN环上节点逐渐增多，路径迂回的现象越来越突出。这要求后期在进行网络建设时，需统筹考虑周边业务需求，统一规划，分布实施，减少大环、超大环、长链建设，同时在进行业务路径配置时，应充分考虑网络结构，避免迂回路径的配置。从各方面减少业务路径，让网络从物理架构、逻辑结构均实现最优、扁平化的配置。