5G承载网分段路由技术探讨

张忠杰

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林 长春 130012）

1 5G承载网当前面对的主要挑战

1.1 基站架构不断发展

5G无线基站相比4G基站具有更大的分布密度，为了解决基站的移动切换与协同运行等问题，对无线接入网进行架构时，针对4G通信体系的射频拉远单元（Remote Radio Unit，RRU）与基带处理单元（Building Baseband Unit，BBU）等实施重新划分，形成了集中单元（Centralized Unit，CU）、分布单元（Distributed Unit，DU）与有源天线处理单元（Active Antenna Unit，AAU）[1]。基带处理单元中的物理层处理功能与射频拉远单元被整合成AAU，分割BBU原本的实时化部分，并将其定义为CU，主要提供非实时服务并处理同类协议。BBU的其他功能被纳入到DU中，DU可支持实时服务功能与处理物理层的各种协议。通用公共无线接口（Common Public Radio Interface，CPRI）协议是前传接口的基础之一，多流、大带宽等多种技术对于5G通信的发展起到了推动作用。过去的CORI接口对于传输带宽的要求极高，低频配置条件下的流量约为400G。针对新的通信环境与要求，对接口作出新的标准与定义，从而解决带宽要求过高的问题，可使用25G接口，满足统计复用、分组承载以及以太封装等方面的需求。

1.2 核心网架构持续演进

在过去的4G网络系统中，架构核心网络系统时，主要选择在各个省会城市集中进行部署的模式。当前的业务场景中形成了更加多元化、复杂化的业务需求，5G通信系统的核心网需要在发展中推进控制分离、云化转化与演进等，结合具体的应用型业务需求，可选择部分下沉或者集中部署两种不同模式，使网络架构方式更加灵活化，进而解决本地流量中介、就近协同转发与网关下移等问题[2]。

2 5G承载网当前需要满足的发展需求

2.1 智能化管控

在软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的支撑下，5G通信系统分离了转发面与控制面板，促使通信网络形成了更高的开放化、高效化与智能化程度。承载网是“端到端网络”的重要组成部分之一，因此其需要通过软件定义网络功能来提供网络配置接口，这种接口能够面向当下的差异化、多样化业务，依照业务场景来实现对网络架构的设置，从而支持各种业务活动。在部署网络时，为了将业务运维效率提升到更高的水平线上，可引入简化路由控制技术与转发技术[3]。

2.2 网络灵活化

大规模机器类型通信（massive Machine Type Communication，mMTC）对应的主要是物联网等应用场景，其目标包括采集数据与传感。承载网需要保持较快的部署速度，同时支持网络编程、灵活调整流量路径、灵活调度网络资源等活动。无论从5G网络切片的角度，还是5G核心网云化的角度，都需要承载网具备更强的连接能力，否则无法满足动态业务存在的连续化需求。面对不同网元存在的各种业务流向，需要对L3功能实施下移，具体可移动到移动边缘计算（Mobile Edge Computing，MEC）或者用户平面功能（User Plane Function，UPF）的位置上，进而形成更高的带宽效率，给用户带去更好的使用体验。

2.3 时间同步

时间同步应满足精度方面的要求，具体包括新业务同步、协同业务时间同步与基本业务时间同步。4G与5G对于业务时间同步的要求基本一致，而新业务同步需求与5G协同业务的相关标准需在RRU之间。

2.4 网络切片

5G承载网支持的业务类型与业务形态更多，如高可靠和低延迟通信（ultra-Reliable and Low Latency Communications，uRLLC）、mMTC与增强型移动宽带（enhanced Mobile Broadband，eMBB）等，不同类型的业务对于可靠性、连接数、带宽与时延等往往有差异化的诉求，在差异化传输过程中，网络切片有重要作用，尤其是在对垂直行业存在的个性化需求进行满足时。升级5G承载网时，应明确3GPP给网络切片提出的具体要求，如操作不应互相影响、做好切片隔离、弹性应能够实现扩展、不应给业务带去影响、支持第三方自行配置、管理与创建的分片活动等。网络切片分组模型如图1所示。

2.5 大带宽

5G承载网需要具有较大的容量与带宽，主要是因为其连接的设备种类丰富，数量多，面对的拓扑结构场景也极为丰富，无论是接口还是带宽的消耗量都更高，承载设备必须满足接口数量、带宽与容量等方面的要求。

3 5G承载网分段路由技术

3.1 概念与特点

传统型多协议标签交换（Multi-Protocol Label Switching，MPLS）已暴露出不少问题，如标签分发协议（Label Distribution Protocol，LDP）不能对流量工程起到支持作用，内部网关协议（Interior Gateway Protocol，IGP）与LDP间出现交互复杂的情况。从隧道的角度切入，基于流量工程扩展的资源预留协议（Resource ReSerVation Protocol-Traffic Engineering，RSVP-TE），隧道中间、宿节点与源节点都存在维护邻居的情况，同时具有复杂的控制面板与链路状态，微环问题也应引起关注。所以可将分段路由（Segment Routing，SR）引入到5G承载网系统中，用来替代LDP/MPLS，进行隧道构建工作。分段路由属于源路由技术，其转发点并不需要对业务状态进行感知，只对拓扑信息进行维护，从而完成网络和业务实例数的有效解耦，增强网络对于泛在连接的支持能力，也实现了对扩展性的有效优化。

分段路由技术应和SDN技术进行联合使用，SDN技术可结合拓扑资源与网络流量情况，以集中计算的方式找出能够满足具体业务需求的最为合适的转发路径，对路由信息发动到源节点，并不需要有其他节点参与消息交互与控制活动，使承载网络形成更稳定的转发性能。分段路由可同时支持松散约束路由与严格约束路由，当处于松散路由场景中时，转发面应对具体的内部网关协议进行支持，松散约束路由也能够在局部保护中发挥作用。

分段路由涉及链路标签、标签栈、黏连节点与黏连标签等概念。链路标签主要功能是对分段路由网络系统中的路由邻接链路进行标识，路由流量工程（Segment Routing-Traffic Engineering，SR-TE）隧道中的标签多为链路标签，其具有明显的方向性，能够在报文处于转发过程中时发挥引导作用，但是只对源节点本地有效。标签栈可被看作是标签排序集合，可以表示完整、没有缺损的分层服务提供商（Layered Service Provider，LSP），链路标签处于标签栈中，对相应的链路展开表示。标签栈以栈顶为起点，直到栈底，按照顺序逐一标识全部链路。转发报文时，可按照栈顶显示的链路标签来一一找出具体链路，弹出标签并完成转发。弹出全部链路标签之后，报文也完成了LSP的流转，并达到预设目的地。若标签栈的深度与转发器的标签深度不相符，前者深度更大，仅凭借单个标签栈很难实现对全部链路标签的有效携带，则可对路径进行切分，将完整的路径切分成数个标签栈进行逐一携带，同时还要依靠特定的标签来黏连相邻的标签栈。这类标签为黏连标签，所处的节点被称为黏连节点。

3.2 主要优势

对比RSVP-TE与SR-TE，从控制平面的角度来看，前者需要为MPLS提供控制协议，整个控制平面相对比较复杂；而后者作为控制信令发挥作用，形成的协议是对IGP协议的内容进行扩展，具有更加简单的可控制平面，不需要为MPLS形成专门的控制协议，协议数量更少。从标签分配的角度来看，前者的所有LSP上都需要被分配相应的标签，若存在LSP的数量过多，则需要将多个标签分配到链路上，标签资源被大量占用，维护标签转发表的工作量也很大；后者只需要为每个线路分配一个与之对应的标签，全部LSP均可使用同一标签，标签被占用的问题得到有效解决，维护工作量也随之减轻。从路径控制与调整的角度来看，前者应逐个节点来下发配置；后者的网络中间设备不需要对隧道进行感知，只需要进入节点的相关报文实施标签操作就能够实现对业务转发路径的控制，可省略逐个节点一一下发配置的环节。

3.3 控制平面

分段路由的数据平面可选择MPLS架构，以此延续其功能特征。分发与分配SR标签时，可借助IGP协议中的分段路由扩展实现同步，也可将控制器视作控制平面，来下发与分配Segment[4]。协同运用IGP与SDN控制器，从而挖掘其在自动发现链路资源、以动态化的方式控制业务与连接情况、计算端至端业务计算与收集网络拓扑等方面的应用价值。Netconf、路径计算单元通信协议（Path Computation Element Communication Protocol，PCEP）与边界网关协议链路状态（Border Gateway Protocol Link-Stat，BGP-LS）是控制器和转发面间的主要南向接口协议。转发面利用BGP-LS把拓扑向控制器上报，为路由信息库（Routing Information Base，RIB）的形成做好准备，同时要确保数据的一致性；控制器完成对分段路由端到端路径的计算后，PCEP负责将计算结果传送给设备，以此构建闭环式控制系统，Netconf负责其余的管理接口。分段路由控制平面如图2所示。

图2 分段路由控制平面

3.4 隧道与保护技术

3.4.1 SR-TP隧道

这一隧道是在控制器的基础上建设的隧道，同时还设有约束条件，控制器能够将计算获得的转发路径以分段路由标签站的外部形式进行下发，在此过程中需要依靠隧道源节点，以此实现对相应隧道转发路径的精准指示，并且开展与S1相互连接的业务。该隧道属于单向隧道，绑定双向速调时，可添加PathSID标签，考虑到SPN设备在进行标签栈转发时的能力会受到限制，因此为了提升路径条数，可以专门制定有针对性的黏连标签机制。SR-TP隧道具有线性保护机制，从原来MPLS-TP方案中转发的符合50 ms的电信级保护倒换这一特殊要求能够给隧道带去保护作用。SDN控制器能够对SR-TP隧道具备的动态路由功能起到支持作用，当源宿节点精准地检测并确定高级计划与排程（Advanced Planning and Scheduling，APS）或者操作维护管理（Operation Administration and Maintenance，OAM）产生异常状态时，隧道将触发重新算路，BGP-LS在对拓扑状态进行收集后，同样能够触发重新算路。

3.4.2 SR-BE隧道

在IGP与SR之间建立相互协同的关系后，即可自动获得SR-BE隧道，其仅存在一层标签，处于IGP域内范围时，可支持Fullmesh连接[5]。这种隧道不设置约束条件，转发时主要依照IGP路径，所以不会对TE能力进行保障，承载的主要业务是L3VPN业务。

SR-BE隧道的保护机制较为特殊，为动态IGP与拓扑无关无环路备份（Topology-Independent Loop-free Alternate，TI-LFA）收敛的保护机制，能够满足50 ms电信级别的倒换保护特殊要求，对于OAM机制也有良好的支持效果，包括Traceroute与Ping等。触发倒换保护机制条件主要有邻接链路处于异常状态或者出现端口级故障现象，对链路状态实施检测时，可充分利用双向转发检测（Bidirectional Forwarding Detection，BFD）。当处于IGP域内，并且存在支持分段路由的条件时，借助TI-LFA算法就可以在任何一种拓扑中确保为路由形成其所需的FRR局部保护，重点给链路带去保护作用，同时应对节点失效的问题。LFA算法的核心理念为对PQ空间中的交集进行计算，若PQ空间中不存在交集，则RLFA无法对拓扑起到保护作用。TI-LFA拥有独特的保护机制，当处于P、Q两种空间相互分离的集合中，可通过NodeSID来选出对应的P节点，并将Adj SID压上，通过这种方式直接越过所有的metric限制，直接使流量从P空间中顺利穿越，进入Q空间，进而使业务被有效转发到目的节点处，同时也不会产生环路，并且还能发挥出形成保护的作用。

3.5 数据转发过程

首先进入节点，并将标签栈添加到数据报文上，依照位于栈顶部的标签与链路进行匹配，确定转发出接口，弹出标签。报文即可在携带标签栈的前提下利用相应的链路被转发到下游节点；中间节点获得报文之后，根据栈顶的标签继续对链路实施匹配，定位作为转发接口的链路，同样将标签直接弹出，重复之前的步骤，转发到下游节点；黏连节点获得报文后，对栈顶上的黏连标签加以识别，并对其进行交换，使其被交换成与其存在关联的标签栈，匹配链路时需参考栈顶标签，明确转发出接口，弹出对应标签并继续转发，直到报文没有标签，即可在完成路由表查找后再开展转发活动。

4 结 论

分段路由技术借助IGP与MPLS协议，对网络设计与协议进行了简化，加强了保护功能，还可以无缝衔接SDN，能够满足当前云化网络系统存在的多元化连接需求。5G承载网是5G通信网络系统中极为关键的组成部分，其在应对当前的灵活性、带宽、时延以及精度等方面的挑战时，将不断提升建网技术水平，提高业务服务质量。