专题丨面向5G承载的IP RAN增强技术研究

面向5G承载的IP RAN增强技术研究

朱琳　王光全　王海军　王泽林

（中国联合网络通信有限公司网络技术研究院，北京 100048）

摘要：结合5G的三大应用场景及其网络化需求，探讨了IP RAN网络的5G回传承载架构和增强型技术，对网络切片技术、Segment Routing技术、EVPN技术和网络智简进行了研究，并介绍了中国联通在IP RAN增强技术方面的部分创新实践。

关键词：5G；IP RAN；网络切片；SR；EVPN

1　引言

2019 年6月，工业和信息化部正式发放4张5G商用牌照，标志着中国正式进入5G商用时代。5G技术具有更快的数据传输速度、更低的业务时延和抖动、更高的可靠性，以及更广泛的数据连接。5G技术的这些特性使5G技术跳出了to C领域的范畴，将不仅仅面向人服务，也将更注重应用场景的多元化[1]，驱动产生与其他垂直行业的融合型创新应用，这些应用也将逆向驱动5G网络的演进与发展。

2　创新应用驱动5G高速发展

ITU-R定义了5G的3种典型应用场景[2]，即增强移动宽带业务（Enhanced Mobile Broad Band，eMBB）、海量连接的物联网业务（Massive Machine Type Communication，mMTC）和超高可靠性与超低时延业务（Ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）[3]，分别重点关注吞吐率、连接数量、可靠性和时延等方面。

eMBB是传统通信应用领域的延伸，主要面向的仍是to C用户，典型的应用场景有超高清视频、VR/AR，关注的是基于移动性的前提，为用户提供大带宽的高速业务体验；mMTC主要面向的是物联网业务，适用于以传感器和数据采集为基础的具有小数据包、低功耗和广连接特性的物联网应用，典型的应用和场景有智慧城市、智慧家居和智能电网等，聚焦的是超高密度的广泛连接特性[4]；uRLLC主要面向的对象是to B用户，适用于一些控制类、安全性要求高的生产化场景，典型的应用场景有工业自动化控制、无人驾驶等，聚焦的是对时延和安全高度敏感的业务。

5G多元化的应用场景，往往在多个关键指标上存在着差异化的需求，因此需要整个5G系统能为不同的5G应用提供不同的业务组织能力和差异化的解决方案。而这些5G应用将驱动5G的网络增强技术同MEC、切片、云计算、UPF服务化、AI和传感技术等各种新兴技术相结合，孵化出更多的通用能力，以实现更多的差异化的5G应用需求，打破传统的运营商固化的管道思维，提供全新的行业发展和合作模式，促进数字化进程。

3　5G承载网络赋能

3.1　IP RAN网络架构

IP RAN作为本地的综合承载网，承载对象包括3G基站业务、4G基站业务、客户专线业务、小规模宽带业务、5G基站业务、部分5G to B业务等。承载的业务特性也进一步向大带宽、高质量进行演进，同时业务差异化承载、业务间高隔离度这样的新需求，也对IP RAN网络的架构、业务组织方案、网络容量、QoS策略和安全等方面都提出了更高的要求。因此，面向5G的承载网络架构应具备以下特点。

（1）在架构上进行一定程度的简化，保证业务路径最短、时延最小。如网络架构仍保持包含核心层、汇聚层和接入层在内的三层基础架构（见图1），但采用扁平化组网方案，原则上不再设置二级汇聚节点，避免采用二级接入环的结构，减少业务经过的设备数量，缩短业务转发所需要的时间。

图1　IP RAN网络架构示意图

（2）在架构上保持较好的扩展性，保证业务灵活接入和调整。随着to B业务的发展，部分to B业务具有非常高的SLA指标要求。以电网的差动保护功能为例，以往电网是通过集中式的控制单元进行逻辑计算和指令下发，指导就地逻辑单元进行跳闸操作；而今电网改用分布式控制单元，分布式的组内单元进行组内的跳闸操作可以将故障时间缩短，控制电网故障的影响范围。差动保护的端到端的时延要求是<10 ms，时间同步的精度为10 μs，而差动保护分配给网络侧的时延<2 ms，可靠性要求为99.999%[5] 。针对可靠性要求高，对时延和抖动要求极为苛刻的生产行业，需要通过分片、UPF网元下沉和专网的方式来予以保障，这样可以在充分地保证业务安全隔离的同时，通过业务就近接入和处理大大缩短业务传送时间，通过差异化的承载通道保证to B业务的生产需求。

（3）向意图驱动网络逐渐演进。由业务部门提出业务需求，规划部门进行规划，网络部门提出解决方案，网建部门进行部署实施，运维部门进行日常性运维，周期较长，环节较多，业务需求的变更、配置和策略变更、故障排除都需要大量的人工参与。业务不关心底层网络怎么运转，网络不清楚业务的具体需求而无法准确转化，这就需要把自动化的意图捕获转化成网络的策略，并进行策略执行的逆向反馈，形成闭环。

3.2　5G承载网功能增强

在5G建设的初期，IP RAN网络在业务层面将采用较为成熟的HVPN方案和分段的VPWS进行5G业务的承载，具体方案如图2所示[6]。

图2　5G 承载网承载方案

IP RAN网络在隧道层面，将采用RSVP-TE和LDP协议作为过渡阶段的主要协议。针对一些不规则的组网场景（如环套环、环切环等）下的移动回传业务，以及一些专享的客户专线业务等，将通过RSVPTE的方式进行业务路径强规划，在核心汇聚层和接入层分层次地部署RSVP-TE的隧道。而针对一些比较规则的组网场景下的移动回传业务，以及一些普通的客户专线业务等，可采用LDP的方式进行标签分发并指导转发，在核心汇聚层和接入层分层次地建立LDP隧道，以承载南北向和东西向流量。对于同一接入环内的东西向业务，通过采用LDP隧道的方式将可实现接入环内按IGP+LDP的方式进行环内就近转发，避免了4G阶段环内流量也需要绕行核心层转发的长路径问题；而对于同一汇聚设备下不同接入环间的东西向业务，也可通过汇聚设备进行就近转发，大大缩短东西向业务路径，缩短业务的时延。

IP RAN网络在路由协议层面，在核心汇聚层和接入层分进程地部署ISIS协议，在核心汇聚层部署一个ISIS进程，在每个接入环部署一个ISIS进程[7]，核心汇聚层可以获知整个网络的路由表项，而考虑到接入设备的设备路由表项能力有限，接入设备只能获得接入环内的路由表项。在BGP协议上，通过部署分级的RR来缩减BGP邻居对建立的数量。核心汇聚层可独立部署RR设备或采用核心设备兼做的方式，业务汇聚设备和汇聚设备均是其客户端，接入层使能汇聚设备兼做RR，接入设备是其客户端，并通过BGP Local-Preference属性的发布和控制，来实现接入设备/接入环选取不同的汇聚设备为主落地设备，通过这种方式来形成汇聚设备层级的负载分担。

随着5G的高速发展，越来越多的5G融合应用慢慢涌现，一些5G融合应用甚至进入到发展的快车道。如前文所述的5G+电网只是5G融合应用的一个例子，这些要求各异的5G融合型业务对网络提出了更高、更快、更可靠的要求。相应地，5G承载网也引入了FlexE、SR、EVPN和SDN等技术，在业务隔离、时延保障、敏捷发放、智能调优和智能运维方面提供了有力的技术支撑和保障。

3.2.1　切片技术

根据5G几种典型业务场景提出的网络化需求，网络需要端到端地进行差异化的SLA保障，从而引出了对网络切片技术的研究。通过网络切片技术能够针对用户业务来提供端到端的逻辑上的专用网络[8]。5G网络切片是由无线网、承载网和核心网分别进行子网络切片并拼接组成，由网络切片管理功能模块进行业务分解和任务下发，对端到端切片进行管理。

5G承载网络切片对IP承载网具有的要求有：支持建立不同的虚拟网络，且各虚拟网络可满足不同的业务指标需求；支持给专享客户和生产类业务提供专用的网络资源；具备向不同的业务提供差异化的业务质量保证的能力。

5G承载网络应支持的基于数据面的切片的能力包括：基于物理网络级别的隔离，对专享客户或生产类业务提供专网进行承载；基于物理端口级别的隔离，通过使不同的业务流入不同的物理端口，来实现业务在物理端口级别的硬隔离；基于FlexE接口级别的隔离，通过在物理端口上配置FlexE Group/Client在物理层形成逻辑划分，来实现业务在FlexE接口级别的硬隔离[8]；基于VPN 级别的隔离，通过在承载网络上配置独立的VPN，包括二层VPN 技术（如VPWS/VPLS）、三层VPN 技术（L3 VPN），来实现在网络层面的业务逻辑隔离；基于QoS级别的调度，通过配置QoS模板，使不同的业务进入不同的QoS等级，进而使业务获得不同级别的QoS保障，从而实现对业务的差异化调度和业务保障。

5G承载网络应支持的基于控制面的切片的能力包括：基于IGP协议进程的隔离，通过将不同的业务配置在不同的IGP进程之下，使得其采用不同的基础转发面在IGP进程层面进行隔离；基于隧道级别的隔离，通过采用RSVP-TE/SR-TE等显式路径隧道技术，显式地控制使不同的业务可选择不同的隧道路径，从而实现业务在隧道级别的隔离和承载；基于逻辑拓扑级别的隔离，针对不同的业务，对应不同的网络逻辑拓扑，使业务在逻辑拓扑级别实现业务差异化承载。

5G承载网络可针对不同的业务需求来进行不同的切片能力的组合应用，以适应业务的隔离能力需求。上述网络切片的能力还可归纳为软切片和硬切片两类。

（1）软切片：共享网络带宽资源，不同的业务在逻辑上是隔离的，但可通过相同的物理设备/端口进行业务传送，比如基于VPN的切片，业务间彼此可在路由层面进行逻辑隔离，保证不同客户间的设备无法相互通信，但不同客户各自通信所产生的业务流量可能共用相同的运营商物理链路。

（2）硬切片：独享网络带宽资源，不同的业务在物理网络/设备/端口上是独占的，比如基于FlexE技术的切片，在物理层通过时隙的控制，使得客户通信所产生的业务流量单独占用一个FlexE接口/通道。

3.2.2　SR

在传统的5G承载网络中使用BGP进行业务层面的路由传递，IGP和LDP进行域内的转发面保证。然而，IGP和LDP有可能出现不同步的问题，从而导致转发面丢包的问题。因此，为了解决大量的分布式的网络状态问题和潜在的IGP和LDP同步的问题，SR（Segment Routing）出现在IP网络面前。SR旨在简化内部网络，将智能化的工作移至网络的边缘，通过源路由的理念，在数据源就事先规划好数据包穿过网络所经过的路径，SR的思路是分离数据和控制平面从而达到网络简化的目的。SR在转发平面分为依赖于MPLS转发和依赖于IPv6转发，即SR-MPLS和SRv6。

（1）SR-MPLS

SR-MPLS是SR技术在IPv4网络上的应用。SR通过在源节点将Segment List压入到数据包中，从而实现在源节点来选择数据包需要经过的路径。随着数据包在网络中的传送，接收到该数据包的节点再根据Segment List的栈顶标识来进行处理。

SR-MPLS简化了MPLS网络的控制平面，进而也降低了对设备的要求，实现了成本的降低，具体表现在以下方面。

• 简化了协议：SR不需要LDP和RSVP-TE协议进行标签分发，只需通过组合几个简单的Segment标识，即可实现转发路径上的完全掌握。

• 扩展性较好：SR不需要任何的信令协议，因此只需要在头节点上保留基于每条流的流状态，就能提高网络的弹性并降低成本。

• 具有与传统标签分发协议较为良好的互通性：SR可以与现有的LDP网络进行互操作，可以实现LDP和SR的无缝过渡，且现有网络可通过软件升级来进行功能支持，从而有效地保护已有投资。

• 可以用于引流和路径调优：SR可以将流量引导至某些低延时路径上（这些低延时路径在IGP层面可能并不是最优路径），而不需要额外的信令协议即可达到有效引流和路径调优的作用。

• 提供了高效的TI-LFA保护功能：TI-LFA可以提供与拓扑无关的任何单一节点、链路故障下的50 ms保护，TI-LFA既结合了RLFA算法，又弥补了RLFA算法的不足，可以提供99%场景下的保护能力。

（2）SRv6

SRv6之所以区别于SR-MPLS，主要是在转发面上有所区别。SRv6通过在IPv6报文上插入扩展包头（SRH），来插入一系列的IPv6地址栈，中间传输节点根据SRH进行逐跳转发。SRv6同样具有SR-MPLS的一系列优势。不仅如此，SRv6还可以实现较好的与现有IPv6技术相兼容的解决方案，中间经过的节点可以不支持SRv6，可以无需理解SRH的具体含义，而只需要正常地进行IPv6报文转发即可，这有效地盘活了存量的网络，使存量的网络设备不需要大面积替换即可支持SRv6的转发，从而有效地保护了投资。

更进一步地，SRv6的128 bit的Segment ID可细分为Locator、Function、Argument几部分，这使得SRv6不再仅仅是一项将数据流量从A点路由到B点的技术，而是可以在应用层大有作为的技术。SRv6将提供一种前所未有的网络架构编程工具，利用SRv6的网络编程的概念，网络将会得到进一步的简化，形成应用驱动网络的新局面。

3.2.3  EVPN

EVPN（Ethernet Virtual Private Network）在现有MP-BGP协议的基础之上进行了扩展，定义了自己的地址族、NLRI、扩展属性，以及5种EVPN路由类型。EVPN最初是用于二层专网业务场景之中的，用以解决传统VPLS的如下问题。

（1）VPLS无专用的控制面。VPLS的实现原理类似于交换机的Flood-learn模型。站点间在发送数据时，若无相应的ARP表项，会首先发送ARP请求消息用以请求对端的MAC地址；站点发送的ARP消息经过运营商的PE设备时，运营商的PE设备会通过广播方式将该ARP消息发布到所有的VPLS对端的PE设备上；各对端PE设备再转发至自己连接的客户站点上；目的客户站点回复ARP应答消息，再回复至源运营商的PE设备，进而发送到源站点上。至此，关于这两条MAC信息的表项才在运营商这个庞大的“交换机”上得以记录，后续再有关于这两条MAC信息的业务报文将直接依据已存储的MAC表项进行转发。

（2）参与VPLS实例中的各运营商边缘设备间需要创建Fullmesh的互联关系，若客户有N个站点需要接入同一VPLS实例当中，那么就有N×(N-1)/2条连接需要被建立，扩展性较差。

（3）VPLS具有在广域网上出现广播风暴的巨大风险。如上所述，由于VPLS的实现原理是类交换机的原理，通过数据面的泛洪来进行控制面的学习，若有不慎，就会造成部分端口出现环回，从而造成运营商的整个网络产生数据风暴。基于这个原因，运营商网络上开通的VPLS类业务数量也较为有限。

EVPN除了上面所述的针对VPLS的几处改进以外，还具有如下优势。

（1）EVPN通过控制面使用MP-BGP简化了协议。传统的VPLS需要通过LDP（Martini方式）或BGP（Kompella方式）来进行VPLS组内成员的发现，建立连接。采用了EVPN后，控制面将统一为MP-BGP，减少了其他协议，在协议上进行了统一。

（2）EVPN的PE设备具有ARP代答功能。通过EVPN路由和ARP消息，分别学习到远端和本端的MAC信息，形成IP与MAC表的映射关系，并将这些信息在本地形成表项，后续可据此进行ARP代答，减少了ARP广播过程中对网络带宽的消耗。

（3）随着EVPN技术的发展，EVPN的应用也从最初面向二层专网业务的场景，扩展到其他场景中，EVPN现在也可用于承载VPWS，以及作为VXLAN等NVO3网络技术的控制层，在数据中心和数据中心间得以应用。

3.2.4   网络智简

5G融合应用的快速发展，使5G承载不仅面临着业务和架构方面的新需求和新挑战，还亟需管理面和控制面的智能化发展。5G承载已经处于快速建设中，承载网设备也已基本具备了SR、FlexE和EVPN等功能，然而受限于管理面发展的滞后，SR、FlexE、EVPN的SDN架构优势无法得以体现。SRGB和SID仍然需要人工进行规划，FlexE的端到端通路的全部接口仍需手工配置，这使得业务和隧道无法智能化地自动下发和部署。因此，5G承载传送网还应在管控方面积极发力，形成5G承载智简网络，保持设备控制面简化，在减少人工参与的同时，保证网络的智能化。同时，针对切片等业务场景，还需要跨域地进行管控面协同（这涉及到无线网、核心网和承载网的端到端业务系统的业务拆解），再由业务编排器将业务和网络资源需求进行一一映射，进一步下发到无线网、核心网和承载网的管控平面，最后再下发到各网的网元进行资源的部署。

5G承载网不仅需要提供业务的快速发放和部署，使网络连接服务用时从按月开通降到按天开通甚至是分钟级的快速开通，还需要实现全局管控和智能调优。5G承载网的管控面应支持全局的资源分析能力：一方面可以为特定的用户提供满足签约SLA需求的资源，比如低时延路径、低抖动路径；另一方面可以站在全局的视角，对资源进行整体掌控，通过全局的算路和路径调优，均衡全网资源，提高全网资源利用率[6]。

另外，5G承载网也应支持智能化运维[9]，针对业务流量提供业务KPI指标多维度全方位检测功能，对业务状态做到全视角下的实时感知，对业务的历史状态进行回溯；与业务系统做好衔接，通过意图驱动，对业务进行灵活编排；对网络流量进行预测，对业务提供仿真能力；主动对潜在故障进行预警，提供预测性运维能力，提高网络的运维效率。

4　结束语

本地综合承载网络正在积极地探索研究各类5G承载的增强技术，并大力推动增强型技术的落地应用；与此同时，也在加速管理面和控制面的研发步伐，以完善整个业务链条从开通部署、日常运维到预测性运维的全方位保障。进一步地，结合5G的大带宽、低延迟、高可靠和广连接的网络属性，运营商应积极探索在各垂直行业的业务场景，通过深入参与为不同的行业客户提供相应的解决方案，来实现5G的网络赋能。

参考文献

[1] 亿欧网. 研报解读 | 5G应用之全球趋势前瞻:应用与流量齐飞[EB/OL]. (2020-03-24)[2020-04-08].https://www.iyiou.com/p/125460.html.

[2] 师严, 王光全, 王海军. 面向5G的承载网需求及关键技术[J]. 中兴通讯技术, 2018(2):17-20.

[3] 黄鹤晖, 杨燕玲. eMBB应用场景下的5G核心网切片设计方案研究[J]. 广东通信技术, 2019(11):40-42.

[4] IMT 2020(5G)推进组. 5G承载需求白皮书[R], 2018.

[5] 中国南方电网电力调度控制中心. 5G助力智能电网应用白皮书[R], 2018.

[6] 庞冉, 王海军, 彭绍勇,等. 基于IP RAN网络演进的5G回传承载方案探讨[J]. 邮电设计技术, 2018(5):9-12.

[7] 刘冰, 吕殿平. 分组传送网优化调整策略[J]. 电信工程技术与标准化, 2015(10):45-49.

[8] RF技术社区. 面向5G承载的灵活切片技术[EB/OL].(2018-11-02)[2020-04-08]. https://rf.eefocus.com/article/id-333368.

[9] IMT 2020(5G)推进组. 5G承载网络架构和技术方案白皮书[R], 2018.

Research on IP RAN enhanced techonology for 5G bearer networks

ZHU Lin, WANG Guangquan, WANG Haijun, WANG Zelin

（China Unicom Network Technology Research Institute, Beijing 100048, China）

Abstract: This paper analyzes major application scenario and network requirements, introduces evolved network architecture and enhanced technology of IP RAN for 5G backhaul, espacially network slicing, segment routing, EVPN and network intelligence, and relvant innovative practice in IP RAN of China Unicom.

Key words: 5G; IP RAN; network slicing; SR; EVPN

本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第5期

主办：中国信息通信研究院

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