大道至简——迈向融合的未来网络

作者简介:Domi,任职于中国移动,负责SDN/NFV相关研究设计工作。

引言

江湖,武侠门派众多,武功众多,不一样的武功,有着不同的境界,同一种武功,随习武者悟性与天资的不同,武功境界也是参差不齐。从讲究招式,中规中距,到旁门左道,剑走偏锋;从天下之术,皆为我用,到盖世神功,深不可测;从武学宝典,出神入化,到自创武功,自成一派,不一而足。

内功也好,外功也罢,进之最高境界,达至化境,却都归于至简,返璞归真。所谓,重剑无锋,大巧不工,是也。网络,即江湖,亦如是。

二十多年前,RFC 1958明确给出了以简为美的网络设计原则。

图1互联网架构设计原则相关RFC

事实上,网络发展到今天其复杂程度已无法顺应新业务,新需求的发展。运营商网络中,体现尤为明显,这里不逐一详列,相信都已耳熟能详。这里我们一起来窥探未来网络的至简之道。

CU分离

网络设备赖以工作的基础即IP路由转发,骨干大网只进行大吞吐量IP路由。无论用户采用何种手段接入网络,最终都会经过运营商特定的网关设备转换为IP报文。今天我们看到的形形色色的网络划分,如运营商的两大当家业务:移动核心网,固定宽带接入网等,其本质并无不同,都是用户接入网络的触角,将上行业务报文解封装为IP报文,将下行IP报文加封装为业务报文。移动核心网网元设备如:SGSN,GGSN,SGW,PGW等负责GTP(GPRS Tunnelling Protocol)和IP的转换,宽带接入网元设备BRAS,BNG,SR负责PPPoE/L2TP等接入协议和IP的转换,其他业务网络网元亦如此。

随着4K高清/VR的发展及企业云互联的到来,用户高带宽,低时延的要求极为苛刻,运营商网络也正在面向以数据中心方式承载云化业务的方向全面转型。用户流量能否不经过承载网,通过本地设备做出口直接上公网?CU分离,即控制面(Control Plane)和用户面(User Plane)分离,该技术框架是一柄利刃,实现网络功能简化、高效。各业务网络事实上也在朝该方向演进。抽象一点来讲,CU分离框架有如下特点:

  • 控制面:集中、高效、智能
  • 用户面:分布式、低成本、灵活部署

我们来看下核心网架构演进方向。可以看到网络越来越扁平化,越来越简单,演进到5G,从网络架构上,可以说至简,只发挥其本质大管道即可,网络带宽超高,业务功能全部软件化控制,业务一旦软件化,其复杂度就锁定在软件层面,大有文章可作。

图2移动核心网架构演进

事实上,4G向5G演进过程中,存在一个过渡阶段,用于优化4G核心网,提升带宽,降低时延,姑且称作4.5G。3GPP工作组制定了相关协议标准,其框架如下,能够清晰看到CU框架的应用。移动终端接入报文拆分为控制报文和数据报文,SGW-C/PGW-C根据终端所作位置及漫游信息选择合适的SGW-U/PGW-U,负责GTP隧道建立,建立承载信道;MME将SGW-C/PGW-C返回的转发面信息传至eNodeB,eNodeB自动将移动终端数据包报文隧道至SGW-U/PGW-U,实现本地流量直接卸载。

图3 4G核心网CU分离架构

再来看下固定宽带接入BRAS的演进方向。传统BRAS设备通过SDN/NFV技术框架改造,一分为二,控制面BRAS-C逐步向上收缩,上升至省中心或大区域位置;转发面BRAS-U,进一步下沉至地市,甚至高密度接入小区。BRAS-C负责用户接入控制,承载设备形态为标准服务器,形成资源池化,云化,可弹性扩缩容。BRAS-U采用高性能转发设备承载,负责控制协议的检出上送及数据流量的线速转发。最近大热的SD-WAN解决方案同样遵循如此架构。

图4 BRAS设备CU架构

回过头来看,CU分离后,核心网和固定宽带接入网,SGW-U,PGW-U,BRAS-U等均负责线速转发,它们有什么不同么?本质上是一样的,尤其随着可编程逻辑转发芯片及设备的发展,转发面只需接收控制端网元下发的表项,用于指导转发即可。SGW-C,PGW-C,BRAS-C等均负责控制协议处理,以软件形式运行在标准服务器上,它们有什么不同?体现就是软件的不同,VNF的不同,本质也是一样的,可以运行在无差别的服务器上。当然不仅仅这两类网络,所有涉及CU分离的网元设备,都存在共性。当网元设备无差别后,就没必要存在这么多形态了,形成控制面和转发面的横向击穿,这就引出另一个重磅话题:固移融合。众多网络划分将融合成简单统一架构,可预期未来的网络,最终形成:集中控制(业务功能VNF) + 边缘计算(标准基础设施及能力) + 超宽基础网络(连接控制面和转发面)三要素格局。

图5 未来融合网络架构

CU分离之道,极为微妙。C和U如何界定?怎么样才算是真正的CU分离?C和U之间的南向接口标准为何如此难以制定?厂商背景不同,所站角度不同会有不同的理解,涉及到解耦的本质。

协议轻量化

上一话题我们从网元设备宏观上看网元设备的演进方向。从微观协议层面同样进行着颠覆性变革。一方面是大管道的强大需求激增,一方面当前网络协议体系难以满足激增的需求,继续简化,灵活。一方面加法,一方面减法的矛盾,将酝酿深度革命。

图6 未来IP网络发展目标

SDN的兴起,SDN控制器的出现,催生转发器新的北向接口(如Netconf YANG,BGP FS、SR Policy等)、网络信息收集与监控(如BGP-LS,gRPC等)新兴协议的出现。

图7 SDN网络协议概况

承载方案融合、协议轻量化帮助运营商降低Capex&Opex,日益成为下一代“TCO最优”网络的行业选择。传统厚重而壁垒重重的协议族,逐步智简,灵活。

图8 协议轻量化演进

传统的IP协议也在不断创新(如新EVPN/SR等),支撑网络向SDN架构和网络智简演进。详细可参考:Segment Routing将助力SDN重塑新型网络

软件化

从核心网到接入网都向着“全软件”发展,借助新的IT技术实现灵活、低成本。以软件的形式运行在IT通用基础设施上,网络转型提供电信云平台和灵活的调度编排。

图9 IT基础设施演进

软硬件解耦是软件化的基础,CU分离是解耦的必经之路。CU分离剥离了业务控制功能和线速转发,实质上进行了软件化识别。控制面软件化很好理解,毋庸置疑,尤其为网络注智,打造智能网络,软件化将是核心关键。转发面现阶段做到全软件化,仍存在一些难以逾越的难题。较长一段时间内,仍需依赖转发芯片硬件卸载流量,但这不意味着否定了软件化。

图10 IT基础设施演进

转发面实际上是厂商白热化竞争的蛋糕,这里想多聊一些。转发技术很多:DPDK、智能网卡、NP、ASIC、FPGA、P4、白盒交换机等。DPDK纯软转发仍是一大热点趋势,实现软硬件彻底解耦,炙手可热的开源项目:DPDK、VPP、Open vSwitch、FRRouting等可见一斑。一台16核心CPU服务器,其中14核用于转发,是否性价比不高?拥抱x86,要解耦,是真正的解耦,还是更彻底的捆绑?采用智能网卡、NP、ASIC等可高性能转发,但是否可实现解耦,是否能够标准化,如何形成核心技术优势?P4是否可颠覆OpenFlow,是否能够实现真正的SDN网络需求?可编程转发芯片,可编程无法标准化,是否意味着捆绑?芯片厂商、设备商、运营商、开源社区如何选择转发技术?转发面的软件化将持久曲折,盘根错节,涉及诸多厂商阵营,后面再开专题详聊,姑且称作:网络转型中的转发硬件选型。

展望

这是最好的时代,也是最坏的时代。5G要来了,网络重构的动力更强,时机更好,但5G商业模式不清,投资回报充满未知;云、NFV/SDN、AI等ICT技术进步已为网络重构奠基,但通信运营业增长低迷,行业地位下降;网络强国、两化融合等国家政策驱动(5G、AI等要引领),但网络重构给运营业带来巨大挑战。

江湖门派林立,招式繁多,至简之道,已强势来临,抑或先天基因,抑或后天修炼,江湖豪强都有自己的理解。时来易失,赴机在速。


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domi 发表于18-12-29
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