面向新型城域網(wǎng)的UMR技術(shù)方案研究與應(yīng)用

尹遠(yuǎn)陽，王志中，姜有強(qiáng)，孫嘉琪，梁筱斌

工程與應(yīng)用

面向新型城域網(wǎng)的UMR技術(shù)方案研究與應(yīng)用

尹遠(yuǎn)陽1，王志中1，姜有強(qiáng)2，孫嘉琪1，梁筱斌1

（1.中國電信股份有限公司研究院，廣東 廣州 510630；2. 中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510180）

新型城域網(wǎng)采用spine-leaf與BRAS（broadband remote access server）高掛集中部署的全新網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。隨著新型城域網(wǎng)部署，原有IP城域網(wǎng)家庭帶寬業(yè)務(wù)逐步割接到新型城域網(wǎng)，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)典型承載方案存在對設(shè)備MAC（media access control）路由表壓力大、業(yè)務(wù)部署困難等問題。通過研究與分析，創(chuàng)新性地提出UMR（unknown MAC route）技術(shù)實現(xiàn)方案，并完成實驗驗證，為推進(jìn)新型城域網(wǎng)快速部署提供參考意義。

云網(wǎng)融合；新型城域網(wǎng)；靈活調(diào)整；固移承載；SRv6

0 引言

在國家新基建戰(zhàn)略下，運營商不斷推動網(wǎng)絡(luò)升級演進(jìn)，助力數(shù)字經(jīng)濟(jì)，這為融合云、網(wǎng)、邊、端、創(chuàng)新型網(wǎng)絡(luò)建設(shè)等方面帶來了新機(jī)遇，同時對云網(wǎng)融合新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)提出了新要求?，F(xiàn)有的IP城域網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)主要如下。

（1）架構(gòu)不靈活，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展不靈活，網(wǎng)絡(luò)功能與設(shè)備緊耦合，難以滿足算力下沉帶來的邊緣云快速接入和東西向流量增長。

●擴(kuò)容壓力大，流量和帶寬保持規(guī)模增長，導(dǎo)致設(shè)備成本/投資大。

●業(yè)務(wù)接入設(shè)備能力分散部署，部分設(shè)備利用率偏低，新業(yè)務(wù)開通周期長，無法滿足彈性需求。

（2）業(yè)務(wù)分網(wǎng)承載，難以保障固移融合場景一致性體驗，特別是難以滿足2C/2H多屏互動的大視頻業(yè)務(wù)的跨網(wǎng)平滑遷移以及2B業(yè)務(wù)差異化承載。

（3）同一客戶的政企業(yè)務(wù)按類型分網(wǎng)承載業(yè)務(wù)部署不統(tǒng)一：互聯(lián)網(wǎng)訪問/L3VPN采用IP城域網(wǎng)承載，L2VPN組網(wǎng)型采用IPRAN承載。

（4）缺乏自動化開通，智能化運維手段。

●業(yè)務(wù)開通人工環(huán)節(jié)多、時間長，無法彈性調(diào)整。

●故障定位慢，依賴運維人員經(jīng)驗。

因此，在面向現(xiàn)有IP城域網(wǎng)的挑戰(zhàn)下，基于spine-leaf架構(gòu)的新型城域網(wǎng)應(yīng)運而生。本文重點研究新型城域網(wǎng)針對業(yè)務(wù)接入云化集中部署，海量家庭帶寬用戶業(yè)務(wù)的典型承載解決方案的研究與分析。通過分析方案缺陷與痛點，創(chuàng)新性地提出UMR（unknown MAC route）技術(shù)解決方案，并完成實驗驗證，為新型城域網(wǎng)建設(shè)提供指導(dǎo)。

1 城域網(wǎng)發(fā)展及新型城域網(wǎng)架構(gòu)

IP城域網(wǎng)的發(fā)展與新技術(shù)的迭代，已經(jīng)無法滿足當(dāng)前云網(wǎng)融合統(tǒng)一承載需求，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解決固移融合用戶體驗一致性，提升網(wǎng)絡(luò)靈活的擴(kuò)展性和可靠性，新型城域網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示，新型城域網(wǎng)是將現(xiàn)有IP城域網(wǎng)、STN（smart transport network）、IPRAN（IP radio access network）融合為一張網(wǎng)，滿足家庭帶寬、移動、專線、云業(yè)務(wù)、云互聯(lián)的統(tǒng)一承載要求。

新型城域網(wǎng)采用模塊化、標(biāo)準(zhǔn)化的方式組建，具備彈性伸/縮的橫向擴(kuò)容能力。全面引入新設(shè)備和新技術(shù)，實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，引入IPv6+為云網(wǎng)業(yè)務(wù)賦能，主要表現(xiàn)在如下方面。

圖1 新型城域網(wǎng)組網(wǎng)架構(gòu)

（1）基于STN網(wǎng)元構(gòu)建spine-leaf架構(gòu)

●新型城域網(wǎng)基于STN承載網(wǎng)演進(jìn)，滿足spine-leaf架構(gòu)組網(wǎng)建設(shè)要求。

●spine設(shè)備直接采用STN-ER設(shè)備，實現(xiàn)流量快速轉(zhuǎn)發(fā)和疏導(dǎo)，主要負(fù)責(zé)leaf節(jié)點之間的流量無阻塞轉(zhuǎn)發(fā)與出城流量快速轉(zhuǎn)發(fā)；leaf設(shè)備以STN-B設(shè)備為主，負(fù)責(zé)綜合接入?yún)^(qū)匯接和服務(wù)節(jié)點的互聯(lián)。

（2）轉(zhuǎn)控分離vBRAS技術(shù)，云化、集中部署

●提升利用率和可靠性：控制面云化，組件冗余，統(tǒng)管虛擬/硬件轉(zhuǎn)發(fā)面；轉(zhuǎn)發(fā)面池化，實現(xiàn):1、(+1):1、1:1備份。

●集中部署提升運營效率：提高IP地址使用率，減少路由條目，有利于實現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速上線和開通。

（3）部署SRv6+EVPN+FlexE融合承載技術(shù)，提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性和差異能力

●SRv6+EVPN：端到端SRv6承載，提升網(wǎng)絡(luò)編程能力，業(yè)務(wù)靈活選路，為云網(wǎng)融合提供技術(shù)支撐。

●FlexE切片技術(shù)：業(yè)務(wù)切片可按需設(shè)置，實現(xiàn)差異化承載能力。

2 新型城域網(wǎng)家庭帶寬業(yè)務(wù)承載技術(shù)方案

2.1 EVPN VPLS方案與EVPN VPWS方案研究

在新型城域網(wǎng)中，城域核心網(wǎng)采用集中化的BAS-U池實現(xiàn)業(yè)務(wù)集中接入。當(dāng)前主要有兩種承載方案：EVPN VPLS（ethernet VPN virtual private LAN service）方案與EVPN VPWS（ethernet VPN virtual private wire service）方案，方案組網(wǎng)示意圖如圖2所示，兩種方案都采用SRv6作為底層隧道。

方案一：EVPN VPLS方案，在A-leaf與S-leaf之間部署VSI（virtual switching instance），并與RR（route reflector）建立連接，所有Leaf設(shè)備將學(xué)習(xí)OLT（optical line terminal ）的用戶MAC信息。由于在新型城域網(wǎng)內(nèi)BRAS池化后，一個BRAS池面臨百萬用戶地址學(xué)習(xí)，因此，該方案存在不足。

●VRR（virtual route reflector）負(fù)責(zé)百萬級或千萬級MAC地址學(xué)習(xí)并進(jìn)行路由反射，設(shè)備MAC路由表項壓力大。

●為確保整個網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定和設(shè)備正常工作，對于特定的設(shè)備，RR設(shè)備需要配置復(fù)雜MAC過濾規(guī)則，否則A-leaf也將面臨MAC性能壓力，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)崩潰。

●VPLS組網(wǎng)容易環(huán)路，從而引起網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴，造成整網(wǎng)MAC漂移，頻繁發(fā)生導(dǎo)致整網(wǎng)癱瘓，給網(wǎng)絡(luò)運維帶來困難。

方案二：EVPN VPWS方案，以O(shè)LT為單位在A-leaf部署VPWS，承載網(wǎng)不感知用戶MAC，VRR僅需要反射EVPN連接路由；可以采用VLAN透傳方式，不修改用戶QinQ（802.1Q-in- 802.1Q）的VLAN，但是針對S-leaf的SVLAN需要以資源池為單位進(jìn)行規(guī)劃，保證池內(nèi)唯一。在規(guī)劃SVLAN時，可以與A-leaf的SVLAN不一致，確保兩側(cè)SVLAN獨立，避免SVLAN在資源池側(cè)的沖突。該方案的缺陷如下。

圖2 EVPN VPLS與EVPN VPWS部署方案組網(wǎng)示意圖

●需要對整網(wǎng)SVLAN進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，同時每新增一個OLT都需要做端到端的規(guī)劃。

●針對大量用戶集中接入，用戶VLAN在同一個池內(nèi)沖突會影響整網(wǎng)故障定位困難。

●隨著用戶數(shù)增加需要配置VPWS業(yè)務(wù)量大，操作相對復(fù)雜，不利于業(yè)務(wù)快速開通。

EVPN VPLS與EVPN VPWS關(guān)鍵能力的對比見表1。

2.2 EVPN VPLS方案中，網(wǎng)絡(luò)RR設(shè)備的路由壓力分析

EVPN VPLS方案部署的RR路由分析如圖3所示，根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)部署模型，對應(yīng)典型配置按OLT1雙歸雙活接入A-leaf，當(dāng)OLT下用戶A的家庭帶寬業(yè)務(wù)上線時，在A-leaf1和A-leaf2各學(xué)習(xí)一條MAC表項，生成兩條EVPN MAC路由發(fā)往RR。同理，ITMS（integrated terminal management system）、VoIP（voice over internet protocol）、IPTV（internet protocol television）業(yè)務(wù)上線時，各需要生成兩條MAC路由，因此一個用戶需要生成8條MAC路由，按新型城域網(wǎng)規(guī)劃目標(biāo)，一個接入池規(guī)劃按60萬～80萬用戶目標(biāo)設(shè)計，以此規(guī)模網(wǎng)絡(luò)設(shè)備需要480萬～640萬RIB（routing info base）表項資源。假設(shè)一個地市用戶按400萬預(yù)估，則僅家庭帶寬業(yè)務(wù)至少需要800萬MAC RIB表項資源，如考慮其他業(yè)務(wù)接入，將對RR設(shè)備壓力將成倍增加。

EVPN VPLS方案在資源使用率、業(yè)務(wù)部署、業(yè)務(wù)配置方面優(yōu)勢較突出，但需要重點解決百萬級MAC路由對RR的路由反射壓力和匯聚S-leaf的MAC容量壓力，同時還需要考慮解決VPLS中網(wǎng)絡(luò)MAC漂移引起網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定甚至網(wǎng)絡(luò)癱瘓等問題。

表1 EVPN VPLS與EVPN VPWS關(guān)鍵能力對比

圖3 EVPN VPLS方案部署的RR路由分析

3 新型城域網(wǎng)增強(qiáng)型EVPN VPLS with UMR技術(shù)方案

3.1 基于UMR技術(shù)承載方案實現(xiàn)方式

在RFC 7543中有對UMR技術(shù)進(jìn)行了簡單定義，可以理解在網(wǎng)絡(luò)傳遞L3默認(rèn)路由方式發(fā)布默認(rèn)MAC路由。本文通過分析VPLS方案不足以及VPWS方案帶來配置量大等問題，結(jié)合UMR技術(shù)，通過對未知單播MAC的流量匹配全0（0000-0000-0000）MAC路由進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，減少網(wǎng)絡(luò)中因開啟純VPLS后，設(shè)備VSI 域內(nèi)EVPN MAC明細(xì)路由同步。因此，在S-leaf節(jié)點對于符合未知單播流量基于全0 MAC通過負(fù)載分擔(dān)方式轉(zhuǎn)發(fā)到A-leaf，A-leaf根據(jù)用戶明細(xì)MAC將流量引向?qū)?yīng)的OLT，UMR技術(shù)承載方案如圖4所示。

UMR技術(shù)方案控制面路由發(fā)布/接收實現(xiàn)流程如下。

●在A-leaf上基于BD（bridge domain）粒度向RR發(fā)布UMR路由（即0000-0000-0000的EVPN MAC路由），如圖4粗虛線所示。

●在成對的A-leaf之間互相發(fā)布MAC明細(xì)路由（圖4細(xì)虛線），不發(fā)布UMR路由。

●在S-leaf設(shè)備上，向RR發(fā)布MAC明細(xì)路由。

●RR對A-leaf僅發(fā)布明細(xì)路由，S-leaf發(fā)布全部類型路由。

UMR技術(shù)方案數(shù)據(jù)面轉(zhuǎn)發(fā)實現(xiàn)流程如下。

●基于路由方案可以得知，穩(wěn)態(tài)下，A-leaf上有所有用戶的MAC路由和pUP（physical user plane）的虛MAC路由；在S-leaf上僅有UMR路由，下一跳分別為A-leaf1和A-leaf2。

●上行流量目的MAC是pUP的虛MAC，轉(zhuǎn)發(fā)流程同EVPN VPLS方案。

●下行流量目的MAC為用戶MAC，在S-leaf上沒有用戶MAC，因為命中UMR路由，將流量轉(zhuǎn)發(fā)至A-leaf1和A-leaf2。

●A-leaf1和A-leaf2根據(jù)用戶MAC將報文按照已知單播轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)的OLT。

采用UMR技術(shù)后，每對A-leaf僅需要發(fā)送兩條UMR路由到RR，且發(fā)布的路由表項與A-leaf接入的用戶數(shù)無直接關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)中的MAC路由總量僅與A-leaf對的數(shù)量相關(guān)，相比VPLS方案，使用UMR技術(shù)，RR設(shè)備上的路由量呈指數(shù)級下降。

圖4 UMR技術(shù)承載方案

實驗對比，儀表模擬用戶MAC數(shù)量為512 000個，UP側(cè)模擬10個MAC接入，對比VPLS方式與UMR方式對應(yīng)RR上的MAC路由表數(shù)如圖5所示。

通過實驗室驗證測試，UMR技術(shù)方案對應(yīng)A-leaf設(shè)備接入的MAC數(shù)量僅與本地接入的用戶數(shù)量有關(guān)，不會因為RR使全網(wǎng)的（多個A-leaf接入形成的池）MAC反射到對應(yīng)A-leaf，大大降低了A-leaf壓力，同時RR上對應(yīng)的MAC數(shù)量僅為A-leaf側(cè)默認(rèn)MAC路由和UP側(cè)明細(xì)路由，與VPLS方案相比，UMR技術(shù)方案實現(xiàn)使RR路由量下降，增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)可部署性。

3.2 UMR技術(shù)方案端到端故障可靠性保護(hù)實現(xiàn)

作為一種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方案，必須具備在網(wǎng)絡(luò)故障時的可靠性保護(hù)能力，UMR技術(shù)方案針對網(wǎng)絡(luò)故障點的保護(hù)實現(xiàn)如圖6所示，在網(wǎng)絡(luò)中模擬不同故障點，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)可靠性保護(hù)倒換，滿足業(yè)務(wù)承載需要，URM技術(shù)方案故障點場景處理，見表2。

從上述各個故障點的保護(hù)技術(shù)可以看出，UMR方案的端到端故障可靠性基本延續(xù)了EVPN VPLS方案的保護(hù)技術(shù)，比VPLS方案故障收斂速度更快，保護(hù)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化高，技術(shù)相對比較成熟。

4 結(jié)束語

本文提出的EVPN VPLS with UMR技術(shù)解決方案，解決了EVPN VPLS方案中對應(yīng)設(shè)備需要大容量MAC規(guī)格及用戶明細(xì)MAC通告問題：A-leaf只發(fā)布默認(rèn)MAC路由，減少了RR和S-leaf設(shè)備的MAC學(xué)習(xí)，RR設(shè)備的MAC路由表項從百萬級別降低到千級別，同時也降低了網(wǎng)絡(luò)部署與運維難度，提高網(wǎng)絡(luò)靈活調(diào)度及業(yè)務(wù)服務(wù)能力，可以作為新型城域網(wǎng)絡(luò)部署應(yīng)用方案。

圖5 對比VPLS方式與UMR方式對應(yīng)RR上的MAC路由表數(shù)

圖6 UMR技術(shù)方案針對網(wǎng)絡(luò)故障點的保護(hù)實現(xiàn)

表2 URM技術(shù)方案故障點場景處理

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Research and application of UMR technology for new metropolitan area network

YIN Yuanyang1, WANG Zhizhong1, JIANG Youqiang2, SUN Jiaqi1, LIANG Xiaobin1

1.Research Institute of China Telecom Co.,Ltd., Guangzhou 510630, China 2. Guangdong Branch of China Telecom Co.,Ltd., Guangzhou 510180, China

The new metropolitan area network adopts the new architecture of spine-leaf. BRAS is a high hanging and centralized deployment mode. With the deployment of the new metropolitan area network, the home wide service is gradually cut over to the new network. The current typical bearer scheme has many problems, such as the sharp increase of pressure on the network equipment MAC routing table, the large and complex network configuration. After analyzing and comparing the defects of typical bearer schemes, the implementation scheme of UMR technology was innovatively put forward, which provided reference significance for promoting the rapid deployment of new metropolitan area network.

cloud network integration, new metropolitan area network, flexible adjustment, fixed mobile bearing, SRv6

TP915.06

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2022028

2021?08?13；

2021?12?03

尹遠(yuǎn)陽（1986?），男，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要從事IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、新型城域網(wǎng)技術(shù)研究、IP數(shù)通設(shè)備方案評測驗證等工作。

王志中（1971?），男，中國電信股份有限公司研究院高級工程師，主要從事IP網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、技術(shù)方案研究等工作。

姜有強(qiáng)（1981?），男，中國電信股份有限公司廣東分公司高級工程師，主要從事IP網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃、建設(shè)、維護(hù)以及4G/5G核心網(wǎng)的規(guī)劃建設(shè)工作。

孫嘉琪（1987?），女，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要從事IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、新型城域網(wǎng)技術(shù)研究等工作。

梁筱斌（1982?），男，中國電信股份有限公司研究院工程師，主要從事IP網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究、2B業(yè)務(wù)承載方案設(shè)計等工作。