盧泉 梁筱斌 尹遠(yuǎn)陽(yáng)
【摘? 要】為滿足主流運(yùn)營(yíng)商新的IP網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)要求,實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)流程端到端自動(dòng)化閉環(huán),本文基于新時(shí)期IP網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求,研究了引入IP網(wǎng)絡(luò)控制器的必要性、目標(biāo)架構(gòu)和關(guān)鍵技術(shù),在此基礎(chǔ)上研究了這些關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景,并基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境驗(yàn)證其有效性。為電信運(yùn)營(yíng)商在未來(lái)的IP網(wǎng)絡(luò)管控中提升業(yè)務(wù)發(fā)放和運(yùn)維效率、降低運(yùn)維成本提供重要參考。
【關(guān)鍵詞】IP網(wǎng)絡(luò);控制器;架構(gòu);關(guān)鍵技術(shù)
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2020.07.000? ? ? ? 中圖分類號(hào):TN919.21
文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A? ? ? ? 文章編號(hào):1006-1010(2020)07-0000-00
引用格式:盧泉,梁筱斌,尹遠(yuǎn)陽(yáng). IP網(wǎng)絡(luò)控制器架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 移動(dòng)通信, 2020,44(7): 00-00.
0? ?引言
2019年6月工信部向國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商頒發(fā)了5G牌照,我國(guó)提前一年進(jìn)入5G時(shí)代,云業(yè)務(wù)的發(fā)展,也驅(qū)動(dòng)運(yùn)營(yíng)商部署了大量的云專線業(yè)務(wù)。主流運(yùn)營(yíng)商普遍采用IP網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一承載4G/5G、云專線業(yè)務(wù)和已有政企專線業(yè)務(wù),這給IP網(wǎng)絡(luò)管控帶來(lái)了新的需求和挑戰(zhàn)。具體包括:
(1)超海量業(yè)務(wù)智能管控。5G基站密度是LTE的10倍,導(dǎo)致投資和電費(fèi)成本激增。此外還有大量的云專線和政企業(yè)務(wù)需要維護(hù)。因此,必須確保在不增加運(yùn)維成本的情況下,實(shí)現(xiàn)對(duì)超海量業(yè)務(wù)的集中智能化管理,以保證業(yè)務(wù)的可持續(xù)發(fā)展。
(2)解決誤配置問題。在超海量業(yè)務(wù)場(chǎng)景下,工單量激增,更容易出現(xiàn)向設(shè)備下發(fā)誤配置進(jìn)而引發(fā)全網(wǎng)故障的情況。這就要求管控系統(tǒng)具備配置下發(fā)預(yù)驗(yàn)證和事務(wù)處理能力。
(3)需求多樣化。不同的業(yè)務(wù)有不同的SLA,要求管控系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)調(diào)整流量轉(zhuǎn)發(fā)路徑以滿足SLA的能力。
目前業(yè)界已普遍達(dá)成共識(shí),集中式的IP網(wǎng)絡(luò)SDN控制器,可很好地解決上述不足,滿足上述需求[1]。在控制器技術(shù)成熟后,還將納入生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)的管控系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)IP網(wǎng)絡(luò)集中自動(dòng)化管控,使能端到端網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)流程自動(dòng)化閉環(huán)。本文將對(duì)IP網(wǎng)絡(luò)控制器的架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用進(jìn)行探討。
1? ? IP網(wǎng)絡(luò)控制器總體架構(gòu)
IP網(wǎng)絡(luò)控制器包含控制服務(wù)和數(shù)據(jù)采集兩個(gè)子系統(tǒng)。其總體架構(gòu)如圖1所示。
控制服務(wù)子系統(tǒng)包含了集中化的IP網(wǎng)絡(luò)控制功能模塊,其關(guān)鍵技術(shù)包括NETCONF、YANG模型解析與映射、拓?fù)涫占?、路徑?jì)算和下發(fā)。
數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)包含了IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集模塊,可供控制器的路徑計(jì)算模塊調(diào)用,作為路徑計(jì)算的約束條件。
這些關(guān)鍵技術(shù)解決了傳統(tǒng)IP網(wǎng)管缺乏集中式的控制平面的不足,下文將進(jìn)行展開討論。
2? ? IP網(wǎng)絡(luò)控制器關(guān)鍵技術(shù)
2.1? NETCONF協(xié)議和YANG模型[2-3]
網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議(NETCONF, Network Configuration Protocol)是一種高度標(biāo)準(zhǔn)化、可編程、對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行配置和管理的協(xié)議??刂破骺赏ㄟ^NETCONF實(shí)現(xiàn)配置的讀取、下發(fā)和設(shè)備狀態(tài)采集。
NETCONF協(xié)議包含傳輸層、消息層、操作層和內(nèi)容層。下一代數(shù)據(jù)模型(YANG, Yet Another Next Generation)是一種建模語(yǔ)言,工作在NETCONF協(xié)議的內(nèi)容層,是NETCONF的重要組件,用于描述配置和狀態(tài)等數(shù)據(jù),其描述的業(yè)務(wù)模型稱為YANG模型。
與基于命令行的配置下發(fā)、SNMP協(xié)議和MIB相比,NETCONF協(xié)議和YANG模型具備以下前者不具備的特性:
(1)良好的建模能力和擴(kuò)展性。
(2)事務(wù)管理能力。
(3)數(shù)據(jù)一致性:用戶可獨(dú)占配置數(shù)據(jù)的修改權(quán),防止多用戶操作沖突。
(4)標(biāo)準(zhǔn)化和兼容性:NETCONF協(xié)議和YANG模型遵循IETF標(biāo)準(zhǔn)。如圖2所示,運(yùn)營(yíng)商根據(jù)自身需求在控制器中定義業(yè)務(wù)YANG模型,控制器根據(jù)編排器的資源編排結(jié)果,基于業(yè)務(wù)YANG模型,通過適配插件更新相應(yīng)設(shè)備的YANG實(shí)例,通過NETCONF完成配置下發(fā)實(shí)現(xiàn)配置更新的自動(dòng)化閉環(huán)。
綜上所述,NETCONF協(xié)議和YANG模型更能滿足當(dāng)前和未來(lái)IP網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)發(fā)展需求。
2.2? 分段路由[4-5]
控制器要具備集中式路徑計(jì)算能力,首先要求路由器支持分段路由(SR, Segment Routing)。SR包括域內(nèi)SR和跨域SR兩類,可用于SR流量工程(SR-TE, Segment Routing Traffic Engineering)和SR盡力而為轉(zhuǎn)發(fā)(SR-BE, Segment Routing Best Effort)[4]。限于篇幅,不再詳細(xì)介紹。
基于SR-TE,可在頭端路由器實(shí)現(xiàn)源路由,為客戶業(yè)務(wù)流量提供精準(zhǔn)的全局路徑調(diào)度,保障業(yè)務(wù)體驗(yàn)。
2.3? BGP-LS協(xié)議[6]
全局化的路徑優(yōu)化,必須基于集中式的路徑計(jì)算。因此,必須具備將完整的域內(nèi)或跨域拓?fù)湫畔⑼降揭粋€(gè)集中式路徑計(jì)算實(shí)體(PCE, Path Computation Element)的機(jī)制。PCE部署在控制器中,控制器和路由器通過攜帶鏈路狀態(tài)的邊界網(wǎng)關(guān)協(xié)議(BGP-LS, Border Gateway Protocol with Link State)建立會(huì)話,同步拓?fù)湫畔ⅰ?/p>
與傳統(tǒng)路由協(xié)議相比,BGP-LS具備以下特性:
(1)強(qiáng)大的可擴(kuò)展能力:BGP-LS基于BGP TLV擴(kuò)展而得。
(2)跨IGP域的拓?fù)涫占芰Γ嚎刂破骺赏ㄟ^BGP-LS收集多IGP拓?fù)?,使控制器可同時(shí)支持單域和跨域流量調(diào)度。
在實(shí)際部署中,控制器只需與少數(shù)幾臺(tái)維護(hù)全網(wǎng)拓?fù)湫畔⒌脑O(shè)備建立BGP-LS會(huì)話,即可同步全網(wǎng)拓?fù)湫畔ⅰ?/p>
2.4? PCEP協(xié)議[7]
在控制器獲取網(wǎng)絡(luò)完整的鏈路狀態(tài)信息后,由PCE完成集中式路徑(LSP)計(jì)算,通過PCE協(xié)議(PCEP, PCE Protocol)將計(jì)算好的LSP下發(fā)給頭端(PCC, Path Computation Client),即支持PCEP的路由器。
PCE主要有兩種工作方式,包括:
(1)無(wú)狀態(tài)方式,PCE只響應(yīng)PCC發(fā)起的路徑計(jì)算請(qǐng)求,不維護(hù)LSP狀態(tài)。
(2)有狀態(tài)方式,PCE在完成LSP計(jì)算后,在本地維護(hù)LSP狀態(tài),具體還可分為兩種模式:
(3)被動(dòng)模式,PCE只保存LSP狀態(tài),不主動(dòng)發(fā)起LSP的建立和對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行變更。
(4)主動(dòng)模式,PCE保存LSP狀態(tài),可主動(dòng)發(fā)起LSP的建立,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況對(duì)其狀態(tài)進(jìn)行變更。
在實(shí)際部署中,要求控制器具備對(duì)LSP的統(tǒng)一集中計(jì)算和實(shí)時(shí)狀態(tài)優(yōu)化能力,因此建議將PCE部署為有狀態(tài)的主動(dòng)模式。
3? ?IP網(wǎng)絡(luò)控制器關(guān)鍵技術(shù)的應(yīng)用
在實(shí)驗(yàn)室中搭建編排器、控制器和網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,模擬現(xiàn)網(wǎng)移動(dòng)承載的場(chǎng)景。其中編排器和控制器功能架構(gòu)如圖1,實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景如圖3所示。
預(yù)置條件:
(1)被測(cè)設(shè)備由3個(gè)不同廠家提供,實(shí)驗(yàn)環(huán)境為跨廠家混合組網(wǎng)。接入網(wǎng)關(guān)和匯聚網(wǎng)關(guān)間的接入環(huán)為50 GE鏈路,匯聚網(wǎng)關(guān)、二級(jí)核心、一級(jí)核心和云網(wǎng)關(guān)間互聯(lián)采用100 GE鏈路;測(cè)試儀采用2條10 GE鏈路分別連接2臺(tái)接入網(wǎng)關(guān),采用2條100 GE鏈路分別連接2臺(tái)云網(wǎng)關(guān)。
(2)編排器與控制器對(duì)接妥當(dāng),已定義好4G/5G基站業(yè)務(wù)的YANG模型,編排器中已存儲(chǔ)模擬的基站業(yè)務(wù)CRM訂單數(shù)據(jù)和資源管理數(shù)據(jù)。
(3)控制器中已存儲(chǔ)基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置數(shù)據(jù)。
(4)所有被測(cè)設(shè)備均支持NETCONF協(xié)議、YANG模型、BGP-LS和PCEP協(xié)議。
(5)每個(gè)路由器廠家均在控制器中提供YANG模型適配插件,用于適配和屏蔽運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)YANG模型與不同設(shè)備YANG模型間的差異。
(6)控制器與所有被測(cè)設(shè)備間均已通過帶外建立NETCONF會(huì)話。
(7)匯聚網(wǎng)關(guān)、二級(jí)核心、一級(jí)核心和云網(wǎng)關(guān)均支持SR。
實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括以下5個(gè)方面:
(1)具備SR功能基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置下發(fā)驗(yàn)證
1)如圖3所示,在接入環(huán)配置OSPF和LDP,在匯聚網(wǎng)關(guān)到云網(wǎng)關(guān)間配置支持SR的ISIS協(xié)議,其中每臺(tái)設(shè)備的節(jié)點(diǎn)SID范圍配置為16000~23999,鄰接SID范圍配置為15000~15999。
2)鄰接SID由每臺(tái)設(shè)備在本地獨(dú)立分配;節(jié)點(diǎn)SID由控制器統(tǒng)一全局分配并下發(fā)給設(shè)備,其在控制器上規(guī)劃如表1所示:
3)通過NETCONF協(xié)議將上述配置下發(fā)到對(duì)應(yīng)設(shè)備。
4)在每臺(tái)接入網(wǎng)關(guān)和匯聚網(wǎng)關(guān)查看OSPF鄰居和LDP鄰居狀態(tài),均正常,與期望結(jié)果一致。
5)在每臺(tái)匯聚網(wǎng)關(guān)、二級(jí)核心、一級(jí)核心和云網(wǎng)關(guān)查看ISIS鄰居狀態(tài),均正常;查看節(jié)點(diǎn)SID,與表1規(guī)劃值一致。
6)在每臺(tái)匯聚網(wǎng)關(guān)、二級(jí)核心、一級(jí)核心和云網(wǎng)關(guān)查看每個(gè)使能ISIS的端口的鄰接SID分配情況,記錄結(jié)果如表2所示:
7)具備SR功能基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議配置均成功下發(fā)并生效。
(2)基站業(yè)務(wù)開通功能驗(yàn)證
1)在接入網(wǎng)關(guān)和匯聚網(wǎng)關(guān)間部署TLDP和PW,在匯聚網(wǎng)關(guān)和云網(wǎng)關(guān)間部署MP-BGP、L3VPN和VPN ECMP,一級(jí)核心兼作VRR,用于基站業(yè)務(wù)承載.
2)相關(guān)的承載通道和QoS配置數(shù)據(jù)由編排器根據(jù)模擬的CRM訂單數(shù)據(jù)自動(dòng)生成,下發(fā)控制器。
3)控制器根據(jù)編排器下發(fā)的數(shù)據(jù),自動(dòng)為每臺(tái)相關(guān)設(shè)備生成相應(yīng)的設(shè)備級(jí)配置數(shù)據(jù),并通過NETCONF下發(fā)到相應(yīng)設(shè)備。
4)在每臺(tái)設(shè)備上觀察相應(yīng)的承載通道狀態(tài)(如PW、L3VPN、BGP狀態(tài)等),狀態(tài)均正常。
5)在測(cè)試儀上構(gòu)造并發(fā)送雙向流量,每條鏈路包含10條流,總流量6 Gbps。
6)在匯聚網(wǎng)關(guān)、二級(jí)核心、一級(jí)核心和云網(wǎng)關(guān)上觀察每條縱向連接鏈路的利用率,各條鏈路利用率基本相同。
7)在測(cè)試儀上觀察1小時(shí)內(nèi)的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),測(cè)試數(shù)據(jù)報(bào)文均可正常收發(fā),無(wú)丟包。
8)基于NETCONF和YANG模型,可實(shí)現(xiàn)基于模型驅(qū)動(dòng)的業(yè)務(wù)開通,即業(yè)務(wù)模型一次定義、重復(fù)調(diào)用,由編排器自動(dòng)編排網(wǎng)絡(luò)資源,控制器自動(dòng)生成設(shè)備配置,并基于設(shè)備的配置驗(yàn)證功能保證配置的有效性,有效避免了超海量業(yè)務(wù)場(chǎng)景下業(yè)務(wù)開通誤配置的出現(xiàn)。同時(shí)可實(shí)現(xiàn)從業(yè)務(wù)訂單到業(yè)務(wù)開通的端到端秒級(jí)自動(dòng)化閉環(huán),相比原有的分鐘級(jí)業(yè)務(wù)開通方式(基于業(yè)務(wù)訂單手動(dòng)編排網(wǎng)絡(luò)資源,再經(jīng)網(wǎng)管完成配置下發(fā)),效率提高了10倍以上,可有效縮短5G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)交付周期。
(3)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑cSID信息統(tǒng)一收集功能驗(yàn)證
1)控制器與匯聚網(wǎng)關(guān)和VRR建立BGP-LS會(huì)話,集中收集IGP拓?fù)洹?/p>
2)在控制器上查看拓?fù)洌c實(shí)驗(yàn)拓?fù)湟恢?,同時(shí)查看SID信息,與表1和表2一致。
3)控制器可正確收集網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜蚐ID信息。
(4)控制器下發(fā)隧道功能驗(yàn)證
1)在控制器上將PCE配置為有狀態(tài)的主動(dòng)模式。
2)在控制器上手動(dòng)規(guī)劃隧道路徑,指定進(jìn)入設(shè)備A的上行流量路徑為A→B→D→E→F→H→G,均指定節(jié)點(diǎn)SID,通過PCEP將隧道信息下發(fā)給設(shè)備A;指定進(jìn)入設(shè)備G的下行流量路徑為G→H→F→E→D→B→A,均指定節(jié)點(diǎn)SID,通過PCEP將隧道信息下發(fā)給設(shè)備G;不指定進(jìn)入設(shè)備B的上行流量和進(jìn)入設(shè)備H的下行流量路徑,其流量仍經(jīng)IGP最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)。
3)在設(shè)備A上查看下發(fā)的隧道,狀態(tài)正常。
4)在設(shè)備A上tracert隧道,同時(shí)在設(shè)備A上去往設(shè)備B鏈路的出方向抓取報(bào)文,觀察到的標(biāo)簽棧信息如表3所示:
5)在設(shè)備G上查看下發(fā)的隧道,狀態(tài)正常;
6)在設(shè)備G上tracert隧道,同時(shí)在設(shè)備G上去往設(shè)備H鏈路的出方向抓取報(bào)文,觀察到的標(biāo)簽棧信息如表4所示:
7)經(jīng)驗(yàn)證,通過PCEP下發(fā)到PCC的隧道與手動(dòng)規(guī)劃結(jié)果一致。
(5)控制器路徑計(jì)算功能驗(yàn)證
1)在匯聚網(wǎng)關(guān)至云網(wǎng)關(guān)間的各鏈路配置時(shí)延屬性,通過NETCONF更新到設(shè)備,具體配置值如表5所示:
2)通過BGP-LS更新拓?fù)湫畔?,在控制器上查看,各鏈路時(shí)延信息與表5一致。
3)在控制器上觸發(fā)隧道計(jì)算,隧道端點(diǎn)分別為設(shè)備A和設(shè)備H,約束條件為路徑總時(shí)延最小。
4)控制器通過PCEP將隧道分別下發(fā)給設(shè)備A和設(shè)備H。
5)分別在設(shè)備A和設(shè)備H上tracert時(shí)延最小隧道,結(jié)果如表6所示:
6)控制器向匯聚網(wǎng)關(guān)和云網(wǎng)關(guān)更新策略,DSCP值為EF的流量經(jīng)最低時(shí)延隧道轉(zhuǎn)發(fā),其他流量經(jīng)IGP最短路徑轉(zhuǎn)發(fā)。
7)測(cè)試儀向設(shè)備1灌注6 Gbps流量,其中DSCP值為EF的流量為2 Gbps,DSCP值為0的流量為4 Gbps;向設(shè)備H灌注2 Gbps DSCP值為EF的流量,向設(shè)備G灌注4 Gbps DSCP值為0的流量。
8)在隧道各途徑鏈路上分別抓取上下行EF流量報(bào)文,觀察其標(biāo)簽棧信息,結(jié)果如表7所示:
9)在測(cè)試儀上觀察流量統(tǒng)計(jì)信息,從設(shè)備G接收到4 Gbps DSCP值為0的上行流量,從設(shè)備H接收到2 Gbps DSCP值為EF的上行流量;從設(shè)備1接收到4 Gbps DSCP值為0的下行流量和2 Gbps DSCP值為EF的下行流量。
10)EF流量路徑符合預(yù)期,流量出口和收發(fā)符合預(yù)期。
綜上所述,實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的5個(gè)方面均取得預(yù)期結(jié)果,符合期望。
4? ? 結(jié)束語(yǔ)
本文從運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)發(fā)展的需求出發(fā),分析了運(yùn)營(yíng)商重構(gòu)原有網(wǎng)絡(luò)管控系統(tǒng)的需求,基于這些需求介紹了其中的關(guān)鍵技術(shù),最后基于實(shí)驗(yàn)室環(huán)境對(duì)這些關(guān)鍵技術(shù)的協(xié)同部署進(jìn)行了驗(yàn)證,初步具備超海量業(yè)務(wù)高效開通、避免誤配置、集中式網(wǎng)絡(luò)信息收集和路徑計(jì)算的能力,為下一步現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)和大規(guī)模推廣提供了技術(shù)儲(chǔ)備和實(shí)施參考。
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作者簡(jiǎn)介
盧泉(orcid.org/0000-0002-6991-8640):高級(jí)工程師,碩士畢業(yè)于哈爾濱船舶工業(yè)學(xué)院(現(xiàn)哈爾濱工程大學(xué)),現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司研究院,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究及電信IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。
梁筱斌(orcid.org/0000-0002-2409-6954):工程師,碩士畢業(yè)于華南理工大學(xué),現(xiàn)任中國(guó)電信股份有限公司研究院,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和SDN架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)。
尹遠(yuǎn)陽(yáng):工程師,碩士畢業(yè)于重慶郵電大學(xué),現(xiàn)任職于中國(guó)電信股份有限公司研究院,主要研究方向?yàn)閿?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、電信IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和SDN管控系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)。
收稿日期:2019-08-29