5G承载网
5G承载网是为5G无线接入网和核心网提供网络连接的基础网络。
为了满足5G应用场景的需求，5G承载网采用新的网络架构和关键技术，为5G网络提供超大带宽、超低时延、灵活智能的连接服务。
5G对承载网提出了哪些需求？
与2G萌生数据、3G催生数据、4G发展数据不同，5G是跨时代的技术。5G除了更极致的体验和更大的容量，它还将开启物联网时代，并渗透进至各个行业。
2015年，ITU会议上，全球主要运营商和设备商共同定义了5G的三类典型应用场景：
- eMBB（增强移动宽带，enhanced Mobile Broadband）：面向增强的移动互联网应用场景，追求人与人之间的极致通信体验，典型应用如高清视频、虚拟现实、云存取，高速移动上网，人工智能等。
- mMTC（大规模机器类通信，Massive Machine-Type Communications）：面向物联网设备互联场景，满足人与物之间的通信需求，典型应用如环境监测、智能抄表、智能农业等。
- uRLLC（超可靠低时延通信，ultra-reliable low-latency communication）：面向垂直行业的特殊应用场景，解决物与物之间的通信需求，典型应用如车联网、工业控制、智能制造、远程医疗手术等。
5G将是以人为中心的通信和机器类通信共存的时代，各种各样具备差异化特征的业务应用将同时存在，这些都将为5G网络带来极大的挑战。
5G网络的结构分为无线接入网、承载网和核心网三部分：
5G无线接入网、承载网和核心网
5G承载网（包括接入层、汇聚层、核心层）为5G网络提供连接服务，在5G时代首当其冲迎来巨大变化，需要满足以下几方面需求：
- 超大带宽：eMBB场景要求5G的峰值速率比4G至少提升10～20倍，达到10～20Gbit/s，流量密度达到10Mbit/s每平方米；mMTC场景要求5G的连接密度达到每平方千米100万个。通过估算，5G承载网接入层必须具备10Gbit/s到站、50Gbit/s成环的带宽能力；汇聚层具备100/400Gbit/s、核心层具备400Gbit/s的带宽能力。
- 超低时延：eMBB场景要求用户面时延小于4ms，控制面时延小于10ms；uRLLC场景要求用户面时延小于0.5ms，控制面时延小于10ms。所以，5G承载网端到端的时延需要控制在2ms～4ms。对于时延要求严格的uRLLC业务，还需要通过网络结构的调整来实现，如无线接入网中CU（集中单元，Centralized Unit）和DU（分布单元，Distributed Unit）合设、核心网用户面下沉至无线接入网等。
- 灵活智能：承载网服务于5G三类场景，必须具备网络切片功能，让不同场景或业务拥有自己独立的逻辑网络。除此之外，网络的演进并不是一蹴而就的，5G承载网还需要同时支持4G、5G、专线等多种综合业务，需要引入SDN（软件定义网络，software defined networking）来进行端到端的灵活管控和智能运维。
当然，5G对承载网在时钟同步精度、可靠性、安全性等方面也提出了一些新的要求，这些也都是5G承载网在规划和部署时需要考虑的。
5G承载网的网络结构是什么样的？
5G承载网的目标网络结构如下所示：
5G承载网的目标网络结构
层次 |
主要内容 |
主要特征 |
|---|---|---|
业务承载层 |
管理面：运维管理 |
网络控制器、数字孪生、极简运维： |
控制面：控制协议 |
极简协议：
|
|
转发面：报文转发 |
高效转发：
|
|
逻辑拓扑层 |
设备、逻辑连接 |
极简架构、超大带宽、安全连接，支持弹性扩缩：
|
基础设施层 |
机房、光缆 |
最优TCO、可靠的基础设施保障：
|
架构极简
网络层级优化，当前LTE承载网现网架构有8层，从简化网络架构考虑，5G目标网简化了网络层级，共保留了5层：
目标网架构简化
- ACC（接入路由器，Access）
- mEG（城域边缘路由器，Metro Edge Gateway）
- mAEG（城域汇聚边缘路由器，Metro Aggregation Edge Gateway）
- mBB（城域核心路由器，Metro Backbone）
- 5G BB（核心路由器，Backbone）
L3到边缘，接入环带宽100Gbit/s，汇聚层和核心层Nx100Gbit/s。
协议极简
网络协议简化，从6个协议减少到2个协议，协议减少后，极大减轻了网络运维的工作量。
EVPN统一L2/L3业务承载，实现业务的灵活部署。
网络协议简化
运维极简
实践SDN战略，实现业务自动化发放、自动化运维、主动感知业务SLA、故障精准定位等功能。
在网络中引入了网络控制器（iMaster NCE），通过网络控制器提供智能、高效的网络和业务管理体验。
NCE简化网络运维
5G承载网的关键技术有哪些？
5G时代的综合承载网将是以分布式DC为中心，SDN使能自动化和智能化，切片提供差异化服务的极简、智能、开放的弹性承载网。5G承载网的关键技术有：
分类 |
关键技术 |
|---|---|
物理技术 |
WDM、PAM4 |
隧道技术 |
|
路由技术 |
|
VPN技术 |
L2VPN、L3VPN、EVPN |
同步技术 |
同步以太、IEEE 1588v2、ITU-T G.8275.1、Atom GPS |
SDN技术 |
|
切片技术 |
|
可靠性技术 |
IFIT、MPLS TE FRR、IP/VPN FRR、TL-LFA FRR |
下面选择其中的一些新型的关键技术，进行简单的介绍。
PAM4
PAM4（4级脉冲幅度调制，Four-level Pulse Amplitude Modulation）是一种四电平信号调制技术，相比之下PAM2则是一种两电平信号调制技术，通常称之为NRZ（不归零，Non-Return-to-Zero）。
NRZ和PAM4
NRZ：采用2个电平编码，高电平为1，低电平为0，可以表达一个比特信息。
PAM4：采用4个电平编码，从低到高，分别表示00、01、10、11，可以表达2个比特信息。
因此，实现同样的信号传输能力，PAM4信号的符号速率只需要达到NRZ信号的一半即可。
5G中传和回传网络对50Gbit/s速率的光模块有需求，采用基于25Gbit/s速光器件、辅以PAM4的方案，可以实现速率翻倍，每比特成本降低30%。
并且，基于PAM4技术的高速以太网接口标准（50Gbit/s、200Gbit/s、400Gbit/s），已分别在IEEE 802.3bs和IEEE 802.3cd中制定，可以在5G承载网的接入层、汇聚层、核心层中全覆盖应用。
SR-MPLS
SR-MPLS（基于MPLS转发平面的段路由，Segment Routing MPLS）技术源于MPLS，并伴随着SDN思潮应运而生。
SR-MPLS本质上是一种源路由技术，也被称为段路由协议。顾名思义，SR-MPLS是一种由源节点来为报文指定转发路径以控制报文转发的协议。在源节点上会有一个有序的段列表封装到报文头部，在中间节点上只需要根据报文头中指定的路径进行转发即可。
源路由的设计理念在现实生活中屡见不鲜，下面举一个例子，来更好的理解其原理。假设你从上海出发去巴黎旅游，需要在维也纳转机。那你的出行路线分为两段，上海→维也纳、维也纳→巴黎。则你只需要在上海买好上海途经维也纳到巴黎的票，按照计划根据机票，经过两段，飞到巴黎即可。
上海到巴黎出行图
相对于MPLS，SR-MPLS具有如下优势，可以在5G承载网中实现海量连接的灵活调度。
- 简单：无需LDP、RSVP-TE信令协议。
- 高效：仅在头节点部署即可建立端到端的路径。
- 易扩展：节点只需要维护拓扑信息，不需要维护链接状态。
- 兼容SDN网络：面向SDN架构设计，融合了设备自主转发和集中编程控制的优势。
同时，由于SR-MPLS是基于IP/MPLS转发架构的技术，无需改变现有承载网的网络架构，可以利旧网络资源，保障网络平滑演进。
SRv6
SRv6是基于IPv6转发平面的SR技术，其结合了SR-MPLS源路由优势和IPv6简洁易扩展的特质。
SRH扩展头格式
SRv6不仅像SR-MPLS一样，简单、高效、易扩展、兼容SDN网络，还具有纯IP化的优势：SRv6基于Native IPv6进行转发，SRv6是通过扩展报文头来实现的，没有改变原有IPv6报文的封装结构，SRv6报文依然是IPv6报文，普通的IPv6设备也可以识别SRv6报文。
SRv6设备能够和普通IPv6设备共同部署，对现有网络具有更好的兼容性，可以支撑业务快速上线，平滑演进。另外基于Native IPv6，SRv6可以进入数据中心网络，甚至用户终端，促进云网融合。
同时，SRv6具有强大的可编程能力。SRv6具有网络路径、业务、转发行为三层可编程空间，可以支撑大量不同业务的不同诉求，契合了业务驱动网络的大潮流。
EVPN
EVPN（Ethernet Virtual Private Network）是下一代全业务承载的VPN解决方案。
EVPN统一了各种VPN业务的控制面，利用MP-BGP（BGP多协议扩展，Multiprotocol Extensions for BGP）来传递二层或三层的可达性信息，实现了转发面和控制面的分离，非常适合在SDN网络中应用。并且，EVPN可以和VXLAN技术结合使用，数据平面采用VXLAN封装方式转发报文。
EVPN与传统的L2VPN技术对比
EVPN将IP VPN流量均衡和部署灵活的优势引入到了以太网中，解决了传统L2VPN的无法实现负载分担、网络资源的消耗较高等不足，同时也可以对L3VPN业务进行承载，降低了协议的复杂程度。
在5G承载网的隧道方案中使用SR-MPLS或SRv6，VPN方案中使用EVPN，可以实现整体承载方案的协议简化。
FlexE
灵活以太网FlexE（Flexible Ethernet）是承载网实现业务隔离承载和网络切片的一种接口技术，在IEEE 802.3定义的标准Ethernet技术基础上，通过在MAC与PHY层之间增加一个FlexE Shim层，实现了MAC与PHY层解耦，打破两者强绑定的一对一映射关系，实现M个MAC可映射到N个PHY，从而实现了灵活的速率匹配。
例如把100GE PHY池化为20个5GE时隙，而业务口可以灵活的从20个5GE时隙资源池中申请独立的带宽资源。
FlexE时隙表
同时，FlexE支持面向多业务承载的增强QoS能力：FlexE在物理层接口上提供通道化的硬件隔离功能，实现硬切片保障业务SLA，各业务独占带宽，业务之间不互相影响，即可在多业务承载条件下实现增强QoS能力。
图中，AMF（接入和移动管理功能，Access and Mobility Management Function）、UPF（用户面管理功能，User Plane Function）和SMF（会话管理功能，Session Management Function）是核心网中的功能单元。
5G网络切片
IFIT
IFIT（随流信息检测，In-situ Flow Information Telemetry）是一种通过对网络真实业务流进行特征标记，以直接检测网络的时延、丢包、抖动等性能指标的检测技术。
5G承载网面临着超大带宽、海量连接及高可靠低时延等新需求与新挑战。IFIT通过在真实业务报文中插入IFIT报文头进行性能检测，并采用Telemetry技术实时上送检测数据，最终通过iMaster NCE-IP可视化界面直观地向用户呈现逐包或逐流的性能指标。IFIT可显著提高网络运维及性能监控的及时性和有效性，保障SLA（服务水平协议，Service Level Agreement）可承诺，为实现智能运维奠定坚实基础：
- 扩展功能：IFIT检测精度高，部署简单，具有未来的扩展能力。
- 故障快速定位功能：IFIT提供了随流检测功能，可以真正实时地检测用户流的时延、丢包情况。
- 可视化功能：IFIT通过可视化界面展示性能数据，并具备快速发现故障点的能力。
IFIT基于真实业务流检测
- 作者： 吴卓然
- 最近更新： 2023-04-08
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