当SDN遇上5G

作者简介：岳青伦，任职于华为产品与解决方案部，研究方向SDN/NFV

SDN是对传统IP网络的一次深刻的变革，它从三个方面对IP网络产生着深远的影响：首先是让网络可编程，通过提供北向接口让应用可以根据需求对网络做调整，促进网络创新；其次是控制面集中，集中的控制面对网络有全局的视图，解决了IP网络分段自治和无序的状态；最后因为控制面与转发面分离，通过抽象转发面的行为，使用标准的南向接口，使得转发面可以尽量通用和简化。

传统IP网络在根据业务需求部署上线以后，如果业务对网络的需求发生改变，需要重新修改相应网络设备（路由器、交换机、防火墙）上的配置，这是一件非常繁琐的事情。在互联网/移动互联网瞬息万变的业务环境下，网络的高稳定与高性能还不足以满足业务需求，灵活性和敏捷性反而更为关键。引入SDN后，可以将网络设备上的控制权分离出来，由集中的控制器管理，无须依赖底层网络设备，屏蔽了来自底层网络设备的差异。而控制权是完全开放的，用户可以自定义任何想实现的网络路由和传输规则策略，从而更加灵活和智能。在SDN网络中，网络设备的配置大大简化，设备的端口、链路等都是通过默认的协议自动发现，应用只需根据自己的需要定义好简单的网络规则即可。SDN提供基于业务逻辑的开放性编程接口，使得网络作为“管道”的发展空间变为无限可能。如果未来云计算的业务应用模型可以简化为“云—管—端”，那么SDN就是 “管”这一环的重要技术支撑。SDN在数据中心网络已经取得了广泛的应用，针对数据中心的流量特点，使用SDN技术可以明显提升网络的带宽利用率；SDN可以大大简化网络配置，节省运维成本，因此在城域网、接入网等领域也取得了显著成效。

随着4G网络的演进，CloudRAN以及未来5G网络的形态逐渐清晰，xHaul网络从单一的承载Backhaul演变为承载Fronthaul、Backhaul、以及CO（Central Office）内的交换网络。在移动网络中更强调端到端的服务保证，xHaul网络承载多个网元/计算节点之间数据的传递，需要全程保证数据包的QOS，使用SDN技术可以全程全网的去协同调度网络资源，从而提供端到端的服务保证。移动网络本身就具备控制面和数据面分离、业务和承载分离的特点，先天性的具备SDN的思想，在3GPP规范里也明确定义了网络控制器的网元，例如GSM网络中的BSC、UMTS网络中的RNC，但由于承载网历史上属于固网传输部分，并没有开放统一的接口，加上这些传输设备来自不同的厂家，导致RAN网络的控制器BSC/RNC对于承载网的控制作用非常有限，并没有达到全程全网的服务保证要求。

因此，作为未来无线网络中的承载网，5G xHaul不仅需要引入SDN技术解决网络开放编程、控制面集中、控制转发分离的基本需求，更需要把传输网的SDN技术与RAN网络深度融合，从而满足面向未来5G的业务多样化、IoT业务千亿连接、工业控制/ARVR超低时延等诉求。

5G xHaul网络有着无线网络独有的特点，当前为数据中心和固网承载为主要应用场景而设计的SDN架构并不能完全满足无线，特别是5G时代的全部要求，xHaul Controller以及承载网的传输设备要满足如下要求：

1、多种网络的融合调度

5G xHaul网络会继承现有的Backhaul网络，同时新建或增强一些新的网络，因此会存在多种传输技术共存的局面，包括基于光的波分或PON设备、基于微波的mmW设备、Gbit级的以太网，以及基于TDM的点对点设备。5G xHaul网络需要能够在异构的传输资源之间进行全局的资源调度，分配业务匹配的最优传输路径，实现多种传输技术之间的协同，达到动态调整、节能、提升可靠性的目的。

2、5G xHaul网络的端到端切片

5G多样化业务对QOS的要求差异非常大，RAN网络和核心网已经有切片技术来解决该问题。传统的承载网对QOS只能做简单的资源预留或提供区分服务，网络资源的使用仍然是抢占方式，提供的QOS服务有限。作为连接网元之间或计算节点之间的承载网，xHaul必须有能力为不同的切片提供单独的QOS能力，切片之间不受影响，并且这种能力是全程全网。为实现这一挑战目标，xHaul网络也需要提供切片能力，将传输设备资源、网络拓扑从物理和逻辑上进行切片，对每个切片实施QOS管理，匹配每一类型的业务。

3、极低时延网络的控制

CPRI是基于固定速率的技术，带宽独占时延保证，CPRI分组化以后不能降低QOS质量，尤其是5G的一些面向工业控制和AR/VR类业务，需要极低的时延，5G xHaul需要提供一种能力，在一个给定的切片中，通过控制器对整网的统一调度，提供确定的转发路径和最低的转发时延，满足业务需要。

4、基于带宽和时延最优的选路算法

现有的SDN技术在选路算法上策略单一，只能根据最短路径或者带cost的最优路径选择，在5G xHaul网络中，需要提供带宽保证和时延最优的选路算法，这种算法根据输入的带宽参数和时延参数，计算端到端的带宽预留和时延参考，从中选出最优的路径供业务使用。

5、无线与传输资源的快速联动

无线网络由于移动性和空口质量的快变特性，对5G xHaul网络有着快速调整的需求，这种调整不同于一般传输网络的动态配置，它具有极高的频度，例如当用户在高速移动时的小区切换、人流密集区域的小区负载变化，都要求5G xHaul快速的做出响应并调整到新的最优路径。这对无线资源和传输资源的联动要求很高，当前的SDN控制器通过北向接口很难满足这种场景，5G xHaul网络提供统一的控制器，将无线的控制单元和传输网络控制单元合一部署，从而提供快速联动。

6、QOS性能实时监控

当业务体验变化时，网络需要提前感知，对5G xHaul来说，要能够及时发现业务链路上的丢包、时延、吞吐率的变化，实时反馈给网络控制单元，及时做出调整，优化传输网络。采用类似于现有的IPPM技术，在时延、吞吐率、丢包率上做进一步增强，匹配SDN新架构。

7、网络精细化管理

应对5G的业务承载，xHaul网络将更加智能化，为支持切片、低时延的需求，除了传统SDN的流表资源外，交换节点会开放出更多的接口供控制器统一调度，比如交换机处理报文的线程、队列深度、buffer、逻辑端口等，SDN控制器通过对这些资源的全局统一精细化管理，实现端到端的全程全网精确QOS控制。

8、Openflow协议扩展

Openflow协议是现有SDN架构下的标准南向接口，用于SDN控制器和SDN交换机之间通信，完成配置和查询。Openflow协议对数据面报文转发做了抽象，有一系列的match-action组成，报文匹配流表执行对应的动作，从而完成数据面的转发任务。在5G xHaul网络中，数据面的行为抽象需要进一步扩展，比如要支持GTPU隧道，支持Fronthaul-Split后新的封装和动作，因此要对Openflow协议进行匹配无线业务的扩展。