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什么是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
5G承载网的目标网络结构
表1-1 5G承载网的层次特征

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:

  • 网络控制器提供了OpennessIntelligence等特性,通过网络控制器进行业务发放、路径调优,提升智能化网络故障分析和定位的能力
  • 智能化故障分析特性支持秒峰、TelemetryTWAMPiFIT等特性
  • 通过数字孪生,以数字化的手段实现网络状态实时感知和预测性维护,提升网络的智能

控制面:控制协议

极简协议:

  • 统一的E2E SRv6/EVPN构建无缝连接的网络,控制面通过SR-MPLS/SRv6 + EVPN替代传统L2/L3 VPN,协议简化。

转发面:报文转发

高效转发:

  • 转发面L3到边缘,以避免东西向流量在承载网上绕行
  • 5G MEC(移动边缘计算,Mobile Edge Computing)需要承载网L3到边缘,满足大企业数据不出园区的需求

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

  • 面向5G和云的承载网采用简单、弹性的承载网络架构,城域网汇聚层以上及DC(数据中心,Data Center)采用扁平的Spine-Leaf架构,网络极简。
  • 接入层成环,城域Spine-Leaf架构保障网络高可靠性和扩展性。
  • 通过切片进行业务的隔离。
  • 5G接入层10Gbit/s到站,50Gbit/s成环,汇聚层100/400Gbit/s,核心层400Gbit/s,构建无阻塞大带宽物理网络。

基础设施层

机房、光缆

最优TCO、可靠的基础设施保障:

  • 接入层基于综合业务区进行基础设施规划,最优TCO
  • 接入层实现光纤化,保障高可靠的连接和提供大带宽
  • 核心、汇聚层机房间光缆直连为主,光缆距离最优,降低路径时延

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
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
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
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:

表1-2 5G承载网关键技术

分类

关键技术

物理技术

WDM、PAM4

隧道技术

MPLSSR-MPLSSRv6VXLAN

路由技术

OSPF、IS-IS、BGP

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

OpenFlow、BGP-LS、PCEP、NETCONFYANG

切片技术

OTN ODUk、HQoS信道化子接口FlexE

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
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
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
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。

5G网络切片

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
iFIT基于真实业务流检测
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  • 作者: 吴卓然
  • 最近更新: 2021-10-09
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