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运营商5GC大区集中部署新组网架构的研究

发表时间：2021/6/16 来源：《探索科学》2021年5月作者：张琰、曹景镇、乔岩、李顺

[导读] 目前运营商云资源池按照集约化运维方式部署，CT业务根据用户分布及骨干承载节点进行大区化集中部署。大区集中组网架构为运营商节省建设投资，提升资源利用率的同时，也带来前所未有的挑战，对网络容灾及运维人员提出更高的要求。

山东济南中国联合网络通信有限公司山东省分公司张琰、曹景镇、乔岩、李顺 250001

摘要：目前运营商云资源池按照集约化运维方式部署，CT业务根据用户分布及骨干承载节点进行大区化集中部署。大区集中组网架构为运营商节省建设投资，提升资源利用率的同时，也带来前所未有的挑战，对网络容灾及运维人员提出更高的要求。
关键词： 5G；电信云DC；新架构；容灾；集约化
        引言：随着集团公司深化推进电信云资源池集约化建设，核心网业务集中化和资源池云化天然地给核心网的可靠性和稳定性保障带来巨大挑战。本案例从传统数据中心出发，介绍堆叠、VPLS等技术和传统组网架构的优劣势，依托大区电信云业务特征，分析Spine-Leaf架构、CU分离架构和、、 M-LAG及SDN等关键技术在5GC大区数据中心承载网中不可替代的作用。
        1新架构
        1.1Spine-leaf架构
        2.1.1 Spine-Leaf架构产生背景
        传统的三层架构“接入-汇聚-核心”，是一种聚合访问模型，传统数据中心南北向流量大于80%。传统数据中心组网架构带来以下三个问题：
        首先，带宽资源的利用率问题。其次，数据路径过长导致的高时延问题。最后，运营商最关心的成本问题。
        2.1.2 Spine-Leaf架构应用
        Spine类似三层架构中的核心交换机，但形态有所变化：高端口密度高吞吐量的三层交换机替代了大型机箱式交换机，网络的压力从集中式负载于核心交换机，变成给许多的Spine交换机来均衡分担。新型数据中心VM迁移等东西向的流量超过了80%。
        1.2CU分离架构
        1.2.1 CU分离架构产生背景
        传统核心网业务中信令流所占用的流量较小，对设备转发性能要求不高；而数据流所占用流量较大，对设备的转发性能要求极高。因此，运营商对电信业务有着越来越强的转控分离的需求。
        1.2.2CU分离架构应用
        随着5G时代的到来，协议本身天然的SBI架构，控制面AMF、SMF、UDM、PCF等网元与用户面UPF发生了分离，使得用户面更好的靠近用户，缩短用户面访问路径，大幅降低时延，减少故障发生概率和错包丢包率，极大提高用户使用5G网络的感知。
        2关键技术
        2.1 EVPN
        2.1.1EVPN产生背景
        VPN的基本原理是利用隧道技术，把VPN报文封装在隧道中，利用VPN Backbone建立专用数据传输通道，实现报文的透明传输。
        特别是在电信云承载网中，我们要求业务快速部署上线，而VPLS的致命问题是需要网络全连接且需人工进行大量的静态数据配置，虚拟专用LAN服务解决方案已经无法满足我们的电信云承载网的业务需求。
        2.1.2EVPN在电信云承载网的应用的本质就是BGP，实际上就是BGP的一个新的地址簇。它是MAC in UDP的技术，能够像学习路由一样灵活的学习MAC地址，因此它可以继承BGP的ECMP、路由撤销等多种功能。依靠扩展BGP协议，不仅可以取代L2VPN，还可以承载L3VPN，可以实现各类VPN业务的统一控制面。
        在北部大区5GC C面，协议作为控制平面，控制的数据转发平面。

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        云资源池内所有业务LEAF交换机与业务SPINE、DCGW部署OSPF，发布互联地址以及自己本身的loopback地址，保证设备间VTEP地址可达。存储管理EOR与DCGW以及EOR互联之间起两个OSPF进程进行路由发布和学习。
        2.2VXLAN
        2.2.1VXLAN产生背景
        虚拟化和容器技术在通信云资源池中的应用使得单个DC内部会有动辄成千上万的机器需要通信。而传统的 VLAN 技术在标准定义中只有12比特，最多支持 4096 个网络上限，已经显然满足不了不断扩展的电信云资源池的规模。对于同网段主机的通信而言，报文通过查询MAC表进行二层转发。随着通信云资源池服务器虚拟化，数据中心中VM的数量比原有的物理机发生了数量级的增长，伴随而来的便是虚拟机网卡MAC地址数量的空前增加。一般而言，接入侧二层设备的规格较小，MAC地址表项规模已经无法满足快速增长的VM数量。
        2.2.2VXLAN在电信云承载网的应用
        分为静态的和动态的，就类似于我们路由协议有动态路由协议和静态路由协议，但是由于运营商电信云内部承载的业务复杂多样且需要频繁的根据用户SLA进行动态调整，所以我们现网中应用协议作为控制平面，动态的转发来更快速的进行5GC业务部署和上线运行。的部署方式根据软硬件分为硬件式、软件式、混合式，根据网关的部署分为集中式网关、分布式网关。为确保业务可靠性和稳定性，5GC大区采用硬件分布式网关的部署模式：专用硬件虽成本较高，但稳定性相较通用硬件虚拟化的软件部署方式要提高很多；分布式网关可以确保单节点故障时，业务无感知切换，最大程度上提升用户感知。另外，分布式网关也有效避免了集中式网关部署网络访问路径冗长、扩容受限于ARP表现限制等缺陷。分布式网关必须需要BGP 的支持，否则只能配置集中式网关的架构。
        2.3SDN
        2.3.1SDN产生背景
        传统TCP/IP网络协议多，网络调整需要配置的命令量大，仅日常配置一个BGP MPLS VPN就需要几十行命令行。传统网络中网络设备类型多，命令千差万别，导致培养一名网络专家需要3-5年甚至更长的时间。这些问题都导致网络部署慢，影响业务快速上线。短时间内交付、测试验证、部署，业务特性升级成为我们运营商亟待解决的问题。
        总之，SDN就是靠转控分离、集中控制、开放可编程这三个法宝来颠覆网络。
        2.3.2SDN在电信云承载网的应用
        北部大区5GC电信云承载网目前通过3台SDN控制器进行集中控制。随着SDN的应用，大区电信云承载网实现E2E自动化部署。承载网分为Overlay网络和Underlay网络，Underlay网络物理部署后配置不再变化，Overlay网络和业务相关，随业务而动，在业务部署时，SDN控制器自动化配置业务逻辑网络。通过SDN减少和简化E2E网络配置过程，减少出错，提高建网和业务上线效率。
        3结束语
        了解5GC大区电信云DC内部承载网络的架构设计方案、技术实现原理及现网部署模式，有助于运维人员基于当前云资源池大区化部署开展集约化运营。5GC CU分离组网架构，使得我们打破厂家对核心网设备专用硬件的制约，扩容时不再受限于单一厂家的设备，长远来看能够节省大量建设成本。
参考文献：
［1］邱玲等. 第三代移动通讯技术.北京:人民邮电出版社，2003.
［2］刘大伟，陈亮，丁琳琦. HCIE路由交换学习指南.北京:人民邮电出版社, 2017.
［3］冯海林.网络系统中可靠性问题的研究[D].西安电子科技大学, 2004.
［4］闫长江,吴东君.SDN原理解析[M].北京:人民邮电出版社,2016:100-105.
［5］张届新,吴志明,徐文华.面向vDC的overlay网络关键技术研究[J].电信科学,2014,30(5):138-144.
作者信息:张琰，女（1988.5.3—），汉族，山东济南，本科学士，中级工程师，研究方向：互联网技术、IP、5G、云计算