江苏省邮电规划设计院|周楠 魏鹏 刘晨

SDN触动IP RAN现网高效利用模式开关

江苏省邮电规划设计院|周楠 魏鹏 刘晨

SDN通过将网络转发与路由控制的分离，并参照计算机领域的公共硬件底层为上层软件提供应用程序接口的方式，实现整个网络的可编程，通过对IP RAN网络进行SDN演进，将实现无线网络的可编程与可配置，大大增强网络的有效利用率。

近年来，随着LTE发展和移动互联网流量的不断增长，运营商IP RAN网络的覆盖和承载压力也在逐渐增大。SDN（软件定义网络）提出了控制与转发分离、集中化网络控制、开放的API接口等建设目标，能够很好地契合运营商所提出的互联网化和降低OPEX等目标。如何能够让现有这些IP RAN设备实现SDN化亟待解决。

IP RAN与SDN的不解之缘

虽然电信和联通的FDD-LTE牌照发放不足一年，但本着“满足LTE需求并适度提前”的原则，两家运营商的IP RAN网络早已初具规模，近两年正是进一步加大投入赶超进度的重要关头。截至2015年底，江苏某运营商RRU的规划数量就将达到16万个、BBU达5万多个、IP RAN接入层设备数近3万台。现阶段还属于全面覆盖的阶段，由于LTE的频点较高，覆盖能力远小于2G/3G基站，这意味着需要更多的eNodeB来补充覆盖。据估计，eNodeB节点数量将是现有基站数量的2～3倍；即便考虑到BBU集中设置，IP RAN设备数量仍将随之同步增长，这就带来IP设备的巨量增长。以大型城域网为例，原有IP网络规模为300～500节点，引入IP RAN后，规模扩大至5000～20000节点。由于IP设备安装完毕之后需要进行IP地址规划、路由规划等业务规划，端到端地进行业务部署，包括BFD、MPLS TE、L2VPN等协议配置，每台设备需要100多条配置脚本。大量新增设备还会导致业务割接和业务告警量增多，故障定位和排除难度大，网络稳定性和可靠性面临极大考验。巨大的IP设备增量和维护压力、繁琐的配置流程使得运维人员压力倍增。如何降低IP RAN网络的OPEX成为运营商、厂家和设计院面临的重要课题。

此时，SDN开始走进人们的视野。SDN是一种新型的网络体系结构，通过将网络控制与网络转发解耦合、数据交换设备控制面功能集中化、开放API等方法，构建开放可编程的网络体系结构。但也不可无限制地增加网络的复杂度，需要对网络进行抽象以屏蔽底层复杂度，为上层提供简单的、高效的配置与管理。SDN旨在实现网络互联及网络行为的定义和开放式的接口，从而支持未来各种新型网络体系结构和新型业务的创新。

SDN架构分为3层，包括应用层、控制层和基础设施层。SDN控制层是基于软件的控制器，负责维护全局网络视图，并且向上层应用提供用于实现网络服务的可编程接口；应用层运行在控制层之上，控制应用程序可以把整个网络定义成为一个逻辑的交换机，同时，利用控制器提供的应用编程接口，网络人员能够灵活地编写多种网络应用，如路由、多播、安全、接入控制等；基础设施层位于控制层之下，通过控制数据平面接口与控制层相连，主要提供网络设备硬件。基于SDN的分层架构（如图1所示）：

图1 基于SDN的分层架构图

图2 内嵌式SDN控制器

SDN based IP RAN技术优势

SDN based IP RAN利用了SDN的特性大大简化了运维人员的压力，具有如下优势：

无需人为规划

传统IP RAN的网络规划非常复杂繁琐，需要进行接口地址、IGP区域划分、MPLS LDP/ TE隧道以及BFD/保护路径等规划。而SDN Based IP RAN可以免去人为的数据规划，接口地址、业务保护、路由规划都是SDN控制器进行自动部署。

新建节点和破环加点即插即用

在新建节点的工作效率方面，传统IP RAN新建节点步骤多、繁琐并且效率低。配置一个新建节点，需要6个步骤：规划IP/IGP/MPLS/ PW接口、配置接口地址、配置IGP/MPLS、配置主备业务模板、配置业务保护、验证业务正常下发，约花费8分钟时间。而SDN Based IP RAN新建节点配置一个新建节点只需要两步：即插即用、绑定远端，约花费1分钟时间。同时，传统IP RAN新建节点需要维护的可见协议有：ISIS/BGP/LDP/MPLS/TE/VPN。而SDN Based IP RAN仅需维护OpenFlow协议。以800个网元的IP RAN网络为例，业务部署可从原来的20天缩减为4天，维护效率大大提升，节省了70%的O&M资源。破环加点同样可实现即插即用。

日常维护工作量骤减

在日常维护工作方面，传统IP RAN具有海量设备、海量维护工作等特点。比如接入设备和汇聚设备均需要50多条指令，并且对于运维人员的技能要求较严格，需要具备IP技能的高级工程师操作。而SDN based IP RAN网络在现阶段仅需管理汇聚设备，仅需个位数指令。

快速故障定位，提升运维效率

传统IP RAN网络发生故障时，每个节点独立上报告警，造成告警较多且难以定位。同时业务路径需要到各节点进行查询，没有集中的业务路径视图，故障定位需要到各节点进行Ping/Trace连通性检测。

而当SDN based IP RAN发生故障时，由SDN控制器进行网络告警分析，能够快速定位故障位置和受影响业务；并且SDN控制器可以查看整网业务路径，故障定位可由SDN控制器发起对全网路径进行Ping/Trace连通性检测。

综合上文，SDN Based IP RAN在网络规划、新建节点、破环加点、日常维护、故障定位5方面相比于传统IP RAN具有巨大优势，能极大降低运维成本、提升运维效率。

图3 独立式SDN控制器

IP RAN现网SDN化演进策略

SDN的核心是控制器。IP RAN现网SDN化的核心就是控制器的设置。根据SDN控制器的能力和位置，移动承载网络的SDN化演进可以分为3个步骤：接入层的SDN，移动回传网络的SDN，以及无线网和移动回传网的协同SDN。

现阶段，部分厂家已经初步实现了第一个步骤：接入层SDN化。解决方案主要包括两种方式：内嵌式SDN控制器和独立式SDN控制器。

内嵌式SDN控制器（如图2所示）。把SDN控制器嵌入到在ASG（汇聚层设备）中，ASG通过SDN控制器实现对下挂CSG（接入层设备）的统一控制和管理，并实现接入设备的虚拟化。CSG成环或双挂到两个ASG时，两个ASG（包括其中的SDN控制器）互为主备，从而提高网络可靠性。外部的路由设备，只与ASG建立路由邻居，并且也认为只有到ASG的路由；对外的路由设备认为SDN Controller控制的网络就是一个虚拟的路由器。

内嵌式SDN控制器的成熟度较高，以H厂家为主导，现阶段即可实现快速部署。由于控制器内嵌在ASG内部，仅需把现网的ASG更换为支持SDN的ASG即可，新发货的ASG均可直接支持内嵌式SDN控制器。而现网大量的CSG设备全部通过软件版本升级的方式就可实现这一对ASG下的接入层SDN化。但是，内嵌式SDN控制器并没有真正实现控制与转发的分离；同时由于控制器做在ASG内部，控制器和转发器之间仍然使用厂家私有的协议，难以实现对外开放网络的能力，也难以标准化，为IP RAN SDN的长期演进埋下了隐患。所以，内嵌式SDN控制器仅仅是接入层SDN化的过渡产品。

独立式SDN控制器（如图3所示）。独立式SDN控制器作为软件部署在独立的IT服务器上，服务器本身不参与业务流量的转发。其SDN域内的ASG/CSG均需集成Control Agent模块，用于向控制器上报状态并接受控制器的控制等。外部的网络设备可以认为SDN域就是一台路由器。如果SDN域外的设备与SDN域内的设备之间，在传统组网情况下建立有传统路由协议，ASG作为IP RAN虚拟化网络和传统IP RAN网络分界转发节点设备，与周边非SDN域内的网络设备建立传统的路由协议。

同内嵌式SDN控制器一样，独立式SDN控制器可以实现对ASG及其下挂CSG的统一控制和网络虚拟化，大幅提升网络运维效率。不同之处在于，由于独立式SDN控制器实现了控制与转发的分离，控制器同网络设备之间可以使用标准化的南向接口（如OpenFlow）来对设备进行控制，有利于网络能力的开放以及后续向全程IP RAN SDN网络的长期演进。并且独立的控制器基于IT结构，处理能力更强，还可以部署到远端机房，便于统一控制管理。在现网部署中，独立式SDN控制器也面临着一些问题。首先，独立式SDN控制器要求现网的CSG和ASG都集成Control Agent功能模块，这就需要对现网的ASG/ CSG进行软硬件升级。以Z厂家为例，最早一部分CSG设备是不支持SDN功能的，也无法改造；去年年底前发货的其他CSG设备以及现网绝大部分ASG设备需要进行软件版本升级才能支持SDN功能，并且稳定版本尚在测试阶段。其次，现阶段的独立式SDN控制器也仅能对一对ASG及其下挂的CSG进行控制管理，这就意味着一个地级市在远端机房需要部署大量的服务器用于运行独立式SDN控制器。所以，对SDN Based IP RAN需求较为强烈的地区建议进行内嵌式SDN控制器方案改造，其他地区待独立式SDN控制器方案成熟之后再进行升级。

IP RAN SDN化的第二个阶段是移动回传网络的SDN（如图4所示）。独立部署的SDN控制器可以实现一对RSG（核心层设备）下的所有ASG和CSG的统一控制和管理，形成一个SDN域，并将一个地市内全网的IP RAN设备虚拟成一台路由器。RSG作为IP RAN虚拟化网络和传统IP RAN网络分界转发节点设备，与周边非SDN域内的网络设备建立传统的路由协议。

图4 中期：移动回传网络的SDN

图5 远期：无线网和移动回传网络的协同SDN

由于全网设备往往不是单一厂家生产，这就要求第二阶段的SDN演化需要完全实现控制与转发的解耦，采用独立式的SDN控制器，并且控制器同转发平面之间使用标准化的南向接口（如OpenFlow协议）。由于在较大的范围内（城域）实现了全网SDN化，针对移动业务、政企业务等APP应用软件的需求也随之出现，对控制器北向API接口也提出了较高的标准化要求。这个阶段的IP RAN网络才可以说真正实现了SDN。

第三阶段是无线网和移动回传网的协同SDN。IP RAN作为移动回传网络，建设目的就是为无线业务服务的。而无线网也有自己的SDN，BBU池化技术即可作为无线网络SDN化演进的最初阶段。最终，两张网将实现SDN协同化发展，提供共同的开放能力，构筑MBB流量经营能力（如图5所示）。SDN通过将网络转发与路由控制的分离，并参照计算机领域的公共硬件底层为上层软件提供应用程序接口的方式，实现整个网络的可编程。而目前IP RAN网络庞大的基础网络设施为整个网络的可编程提供了硬件基础。通过对IP RAN网络进行SDN演进，将实现无线网络的可编程与可配置，将大大增强网络的有效利用率。在SDN平台的保证下，相信未来将出现大量的网络控制程序，未来互联网产业或将受到巨大影响。