SDN觸動IP RAN現(xiàn)網(wǎng)高效利用模式開關(guān)

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院|周楠 魏鵬 劉晨

SDN觸動IP RAN現(xiàn)網(wǎng)高效利用模式開關(guān)

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計院|周楠 魏鵬 劉晨

SDN通過將網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)與路由控制的分離，并參照計算機領(lǐng)域的公共硬件底層為上層軟件提供應(yīng)用程序接口的方式，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的可編程，通過對IP RAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行SDN演進(jìn)，將實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的可編程與可配置，大大增強網(wǎng)絡(luò)的有效利用率。

近年來，隨著LTE發(fā)展和移動互聯(lián)網(wǎng)流量的不斷增長，運營商IP RAN網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和承載壓力也在逐漸增大。SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）提出了控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、集中化網(wǎng)絡(luò)控制、開放的API接口等建設(shè)目標(biāo)，能夠很好地契合運營商所提出的互聯(lián)網(wǎng)化和降低OPEX等目標(biāo)。如何能夠讓現(xiàn)有這些IP RAN設(shè)備實現(xiàn)SDN化亟待解決。

IP RAN與SDN的不解之緣

雖然電信和聯(lián)通的FDD-LTE牌照發(fā)放不足一年，但本著“滿足LTE需求并適度提前”的原則，兩家運營商的IP RAN網(wǎng)絡(luò)早已初具規(guī)模，近兩年正是進(jìn)一步加大投入趕超進(jìn)度的重要關(guān)頭。截至2015年底，江蘇某運營商RRU的規(guī)劃數(shù)量就將達(dá)到16萬個、BBU達(dá)5萬多個、IP RAN接入層設(shè)備數(shù)近3萬臺。現(xiàn)階段還屬于全面覆蓋的階段，由于LTE的頻點較高，覆蓋能力遠(yuǎn)小于2G/3G基站，這意味著需要更多的eNodeB來補充覆蓋。據(jù)估計，eNodeB節(jié)點數(shù)量將是現(xiàn)有基站數(shù)量的2～3倍；即便考慮到BBU集中設(shè)置，IP RAN設(shè)備數(shù)量仍將隨之同步增長，這就帶來IP設(shè)備的巨量增長。以大型城域網(wǎng)為例，原有IP網(wǎng)絡(luò)規(guī)模為300～500節(jié)點，引入IP RAN后，規(guī)模擴大至5000～20000節(jié)點。由于IP設(shè)備安裝完畢之后需要進(jìn)行IP地址規(guī)劃、路由規(guī)劃等業(yè)務(wù)規(guī)劃，端到端地進(jìn)行業(yè)務(wù)部署，包括BFD、MPLS TE、L2VPN等協(xié)議配置，每臺設(shè)備需要100多條配置腳本。大量新增設(shè)備還會導(dǎo)致業(yè)務(wù)割接和業(yè)務(wù)告警量增多，故障定位和排除難度大，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和可靠性面臨極大考驗。巨大的IP設(shè)備增量和維護(hù)壓力、繁瑣的配置流程使得運維人員壓力倍增。如何降低IP RAN網(wǎng)絡(luò)的OPEX成為運營商、廠家和設(shè)計院面臨的重要課題。

此時，SDN開始走進(jìn)人們的視野。SDN是一種新型的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，通過將網(wǎng)絡(luò)控制與網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)解耦合、數(shù)據(jù)交換設(shè)備控制面功能集中化、開放API等方法，構(gòu)建開放可編程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。但也不可無限制地增加網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，需要對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象以屏蔽底層復(fù)雜度，為上層提供簡單的、高效的配置與管理。SDN旨在實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)及網(wǎng)絡(luò)行為的定義和開放式的接口，從而支持未來各種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和新型業(yè)務(wù)的創(chuàng)新。

SDN架構(gòu)分為3層，包括應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層。SDN控制層是基于軟件的控制器，負(fù)責(zé)維護(hù)全局網(wǎng)絡(luò)視圖，并且向上層應(yīng)用提供用于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的可編程接口；應(yīng)用層運行在控制層之上，控制應(yīng)用程序可以把整個網(wǎng)絡(luò)定義成為一個邏輯的交換機，同時，利用控制器提供的應(yīng)用編程接口，網(wǎng)絡(luò)人員能夠靈活地編寫多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，如路由、多播、安全、接入控制等；基礎(chǔ)設(shè)施層位于控制層之下，通過控制數(shù)據(jù)平面接口與控制層相連，主要提供網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件?；赟DN的分層架構(gòu)（如圖1所示）：

圖1 基于SDN的分層架構(gòu)圖

圖2 內(nèi)嵌式SDN控制器

SDN based IP RAN技術(shù)優(yōu)勢

SDN based IP RAN利用了SDN的特性大大簡化了運維人員的壓力，具有如下優(yōu)勢：

無需人為規(guī)劃

傳統(tǒng)IP RAN的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃非常復(fù)雜繁瑣，需要進(jìn)行接口地址、IGP區(qū)域劃分、MPLS LDP/ TE隧道以及BFD/保護(hù)路徑等規(guī)劃。而SDN Based IP RAN可以免去人為的數(shù)據(jù)規(guī)劃，接口地址、業(yè)務(wù)保護(hù)、路由規(guī)劃都是SDN控制器進(jìn)行自動部署。

新建節(jié)點和破環(huán)加點即插即用

在新建節(jié)點的工作效率方面，傳統(tǒng)IP RAN新建節(jié)點步驟多、繁瑣并且效率低。配置一個新建節(jié)點，需要6個步驟：規(guī)劃IP/IGP/MPLS/ PW接口、配置接口地址、配置IGP/MPLS、配置主備業(yè)務(wù)模板、配置業(yè)務(wù)保護(hù)、驗證業(yè)務(wù)正常下發(fā)，約花費8分鐘時間。而SDN Based IP RAN新建節(jié)點配置一個新建節(jié)點只需要兩步：即插即用、綁定遠(yuǎn)端，約花費1分鐘時間。同時，傳統(tǒng)IP RAN新建節(jié)點需要維護(hù)的可見協(xié)議有：ISIS/BGP/LDP/MPLS/TE/VPN。而SDN Based IP RAN僅需維護(hù)OpenFlow協(xié)議。以800個網(wǎng)元的IP RAN網(wǎng)絡(luò)為例，業(yè)務(wù)部署可從原來的20天縮減為4天，維護(hù)效率大大提升，節(jié)省了70%的O&M資源。破環(huán)加點同樣可實現(xiàn)即插即用。

日常維護(hù)工作量驟減

在日常維護(hù)工作方面，傳統(tǒng)IP RAN具有海量設(shè)備、海量維護(hù)工作等特點。比如接入設(shè)備和匯聚設(shè)備均需要50多條指令，并且對于運維人員的技能要求較嚴(yán)格，需要具備IP技能的高級工程師操作。而SDN based IP RAN網(wǎng)絡(luò)在現(xiàn)階段僅需管理匯聚設(shè)備，僅需個位數(shù)指令。

快速故障定位，提升運維效率

傳統(tǒng)IP RAN網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時，每個節(jié)點獨立上報告警，造成告警較多且難以定位。同時業(yè)務(wù)路徑需要到各節(jié)點進(jìn)行查詢，沒有集中的業(yè)務(wù)路徑視圖，故障定位需要到各節(jié)點進(jìn)行Ping/Trace連通性檢測。

而當(dāng)SDN based IP RAN發(fā)生故障時，由SDN控制器進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)告警分析，能夠快速定位故障位置和受影響業(yè)務(wù)；并且SDN控制器可以查看整網(wǎng)業(yè)務(wù)路徑，故障定位可由SDN控制器發(fā)起對全網(wǎng)路徑進(jìn)行Ping/Trace連通性檢測。

綜合上文，SDN Based IP RAN在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、新建節(jié)點、破環(huán)加點、日常維護(hù)、故障定位5方面相比于傳統(tǒng)IP RAN具有巨大優(yōu)勢，能極大降低運維成本、提升運維效率。

圖3 獨立式SDN控制器

IP RAN現(xiàn)網(wǎng)SDN化演進(jìn)策略

SDN的核心是控制器。IP RAN現(xiàn)網(wǎng)SDN化的核心就是控制器的設(shè)置。根據(jù)SDN控制器的能力和位置，移動承載網(wǎng)絡(luò)的SDN化演進(jìn)可以分為3個步驟：接入層的SDN，移動回傳網(wǎng)絡(luò)的SDN，以及無線網(wǎng)和移動回傳網(wǎng)的協(xié)同SDN。

現(xiàn)階段，部分廠家已經(jīng)初步實現(xiàn)了第一個步驟：接入層SDN化。解決方案主要包括兩種方式：內(nèi)嵌式SDN控制器和獨立式SDN控制器。

內(nèi)嵌式SDN控制器（如圖2所示）。把SDN控制器嵌入到在ASG（匯聚層設(shè)備）中，ASG通過SDN控制器實現(xiàn)對下掛CSG（接入層設(shè)備）的統(tǒng)一控制和管理，并實現(xiàn)接入設(shè)備的虛擬化。CSG成環(huán)或雙掛到兩個ASG時，兩個ASG（包括其中的SDN控制器）互為主備，從而提高網(wǎng)絡(luò)可靠性。外部的路由設(shè)備，只與ASG建立路由鄰居，并且也認(rèn)為只有到ASG的路由；對外的路由設(shè)備認(rèn)為SDN Controller控制的網(wǎng)絡(luò)就是一個虛擬的路由器。

內(nèi)嵌式SDN控制器的成熟度較高，以H廠家為主導(dǎo)，現(xiàn)階段即可實現(xiàn)快速部署。由于控制器內(nèi)嵌在ASG內(nèi)部，僅需把現(xiàn)網(wǎng)的ASG更換為支持SDN的ASG即可，新發(fā)貨的ASG均可直接支持內(nèi)嵌式SDN控制器。而現(xiàn)網(wǎng)大量的CSG設(shè)備全部通過軟件版本升級的方式就可實現(xiàn)這一對ASG下的接入層SDN化。但是，內(nèi)嵌式SDN控制器并沒有真正實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離；同時由于控制器做在ASG內(nèi)部，控制器和轉(zhuǎn)發(fā)器之間仍然使用廠家私有的協(xié)議，難以實現(xiàn)對外開放網(wǎng)絡(luò)的能力，也難以標(biāo)準(zhǔn)化，為IP RAN SDN的長期演進(jìn)埋下了隱患。所以，內(nèi)嵌式SDN控制器僅僅是接入層SDN化的過渡產(chǎn)品。

獨立式SDN控制器（如圖3所示）。獨立式SDN控制器作為軟件部署在獨立的IT服務(wù)器上，服務(wù)器本身不參與業(yè)務(wù)流量的轉(zhuǎn)發(fā)。其SDN域內(nèi)的ASG/CSG均需集成Control Agent模塊，用于向控制器上報狀態(tài)并接受控制器的控制等。外部的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可以認(rèn)為SDN域就是一臺路由器。如果SDN域外的設(shè)備與SDN域內(nèi)的設(shè)備之間，在傳統(tǒng)組網(wǎng)情況下建立有傳統(tǒng)路由協(xié)議，ASG作為IP RAN虛擬化網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)IP RAN網(wǎng)絡(luò)分界轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點設(shè)備，與周邊非SDN域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立傳統(tǒng)的路由協(xié)議。

同內(nèi)嵌式SDN控制器一樣，獨立式SDN控制器可以實現(xiàn)對ASG及其下掛CSG的統(tǒng)一控制和網(wǎng)絡(luò)虛擬化，大幅提升網(wǎng)絡(luò)運維效率。不同之處在于，由于獨立式SDN控制器實現(xiàn)了控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離，控制器同網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間可以使用標(biāo)準(zhǔn)化的南向接口（如OpenFlow）來對設(shè)備進(jìn)行控制，有利于網(wǎng)絡(luò)能力的開放以及后續(xù)向全程IP RAN SDN網(wǎng)絡(luò)的長期演進(jìn)。并且獨立的控制器基于IT結(jié)構(gòu)，處理能力更強，還可以部署到遠(yuǎn)端機房，便于統(tǒng)一控制管理。在現(xiàn)網(wǎng)部署中，獨立式SDN控制器也面臨著一些問題。首先，獨立式SDN控制器要求現(xiàn)網(wǎng)的CSG和ASG都集成Control Agent功能模塊，這就需要對現(xiàn)網(wǎng)的ASG/ CSG進(jìn)行軟硬件升級。以Z廠家為例，最早一部分CSG設(shè)備是不支持SDN功能的，也無法改造；去年年底前發(fā)貨的其他CSG設(shè)備以及現(xiàn)網(wǎng)絕大部分ASG設(shè)備需要進(jìn)行軟件版本升級才能支持SDN功能，并且穩(wěn)定版本尚在測試階段。其次，現(xiàn)階段的獨立式SDN控制器也僅能對一對ASG及其下掛的CSG進(jìn)行控制管理，這就意味著一個地級市在遠(yuǎn)端機房需要部署大量的服務(wù)器用于運行獨立式SDN控制器。所以，對SDN Based IP RAN需求較為強烈的地區(qū)建議進(jìn)行內(nèi)嵌式SDN控制器方案改造，其他地區(qū)待獨立式SDN控制器方案成熟之后再進(jìn)行升級。

IP RAN SDN化的第二個階段是移動回傳網(wǎng)絡(luò)的SDN（如圖4所示）。獨立部署的SDN控制器可以實現(xiàn)一對RSG（核心層設(shè)備）下的所有ASG和CSG的統(tǒng)一控制和管理，形成一個SDN域，并將一個地市內(nèi)全網(wǎng)的IP RAN設(shè)備虛擬成一臺路由器。RSG作為IP RAN虛擬化網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)IP RAN網(wǎng)絡(luò)分界轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點設(shè)備，與周邊非SDN域內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備建立傳統(tǒng)的路由協(xié)議。

圖4 中期：移動回傳網(wǎng)絡(luò)的SDN

圖5 遠(yuǎn)期：無線網(wǎng)和移動回傳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)同SDN

由于全網(wǎng)設(shè)備往往不是單一廠家生產(chǎn)，這就要求第二階段的SDN演化需要完全實現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)的解耦，采用獨立式的SDN控制器，并且控制器同轉(zhuǎn)發(fā)平面之間使用標(biāo)準(zhǔn)化的南向接口（如OpenFlow協(xié)議）。由于在較大的范圍內(nèi)（城域）實現(xiàn)了全網(wǎng)SDN化，針對移動業(yè)務(wù)、政企業(yè)務(wù)等APP應(yīng)用軟件的需求也隨之出現(xiàn)，對控制器北向API接口也提出了較高的標(biāo)準(zhǔn)化要求。這個階段的IP RAN網(wǎng)絡(luò)才可以說真正實現(xiàn)了SDN。

第三階段是無線網(wǎng)和移動回傳網(wǎng)的協(xié)同SDN。IP RAN作為移動回傳網(wǎng)絡(luò)，建設(shè)目的就是為無線業(yè)務(wù)服務(wù)的。而無線網(wǎng)也有自己的SDN，BBU池化技術(shù)即可作為無線網(wǎng)絡(luò)SDN化演進(jìn)的最初階段。最終，兩張網(wǎng)將實現(xiàn)SDN協(xié)同化發(fā)展，提供共同的開放能力，構(gòu)筑MBB流量經(jīng)營能力（如圖5所示）。SDN通過將網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)與路由控制的分離，并參照計算機領(lǐng)域的公共硬件底層為上層軟件提供應(yīng)用程序接口的方式，實現(xiàn)整個網(wǎng)絡(luò)的可編程。而目前IP RAN網(wǎng)絡(luò)龐大的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施為整個網(wǎng)絡(luò)的可編程提供了硬件基礎(chǔ)。通過對IP RAN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行SDN演進(jìn)，將實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的可編程與可配置，將大大增強網(wǎng)絡(luò)的有效利用率。在SDN平臺的保證下，相信未來將出現(xiàn)大量的網(wǎng)絡(luò)控制程序，未來互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)或?qū)⑹艿骄薮笥绊憽?/p>