业务感知技术在5G回传网络中的应用及演进思考_李振文.pdf

业务感知技术在 5G 回传网络中的应用及演进思考*李振文李芳(中国信息通信研究院技术与标准研究所，北京 100191)摘要:5G 网络大带宽、低时延、广连接和移动性强的特点，面向行业应用的 5G 三大类业务场景对网络提出了差异化承载的要求，因此 5G 回传网络需要深度参与到提升业务感知和服务能力过程，增强网络面向不同类型业务的差异化服务能力。分析了传统方案中存在的问题以及业务感知技术的两个典型方案，提出了面向云网融合的 5G 回传业务感知方案架构，并给出支撑 5G 增强阶段算力网络的后续发展建议。关键词:业务感知;5G 回传;APN6;SN;云网融合;算力网络中图分类号:TN929.5文献标志码:A引用格式:李振文，李芳.业务感知技术在 5G 回传网络中的应用及演进思考 J 信息通信技术与政策，2022，48(12):82-87.DOI:10.12267/j.issn.2096-5931.2022.12.0140引言5G 终端与基站之间无线传输的电磁环境复杂，可能产生反射、折射、绕射、多普勒效应等现象，从而引起多径干扰、信号传播延迟和展宽等问题，为业务传输性能带来一定的不确定性，3GPP 的 17 和 18 版本正在研究增强 5G 无线接入网切片服务能力和确定性传输技术。由于 5G 网络的确定性由无线接入网、承载网和核心网共同构建，所以回传网络应尽可能提高传输质量。5G 发展进入成熟期，主要业务从 to C 为主向 to B+to C 转变，精细化的 SLA 保证和差异化承载能力更加凸显。5G 行业专网的发展，需要在一张物理网络上承载多种业务，而不同行业的业务特点也不同，需要进行差异化承载和定制化的 SLA 保证，除了通过网络的软、硬切片技术进行传输过程中关键业务的隔离以外，还需要业务感知技术将用户和业务的类别、SLA 需求等更丰富的信息传递给网络，实现网络赋能，进一步支撑云网融合及将来的算力网络发展。15G 网络中存在的问题分析5G 网络由无线接入网(AN)、移动承载网(TN)和核心网(CN)共同构成，在为移动终端提供语音、短信等基础电信服务的过程中，无线接入网和核心网直接参与处理用户的业务信息;从 4G 网络开始，移动互联网业务已经逐渐成为了业务的主要部分，但是在移动互联 网 业 务 处 理 流 程 中，5G 网 络 只 是 提 供 一 个Underlay 的“管道”，无法感知业务的 SLA 需求，导致运营商不能针对不同的用户或业务提供精细化、差异化的服务，从而逐步陷入低价卖流量、增量不增收的困28*基金项目:国家电网项目“FlexE 柔性以太网技术在能源互联网中应用的关键技术研究”(No.5700-202118377A-0-0-00)境。从长期来看，这不利于我国 5G 网络的健康发展。从 5G 业务端到端处理流程分析，导致 5G 网络“管道化”的主要原因有以下三方面。1.1无线接入和核心网侧 GTP 隧道封装导致回传网络难以识别用户业务特征GTP-U 是 3GPP 早期定义的用户面传输协议，最初用在 GPS 网络节点间用户面数据包的传输，并在后来 的 3G/4G/5G 移动 系统 中一直 被 延 续 使 用。GTP-U 传输协议的特点是:在同一 IP 端到端连接上，构建点对点的隧道封装传输协议，提供多路传输复用、路径管理(GTP-U 自己还有“带内控制消息”用于隧道Path 管理)等能力。GTP-U 隧道传输协议从 2.5GGPS 系统开始被运用，在传统蜂窝非云化的电信网络中非常经典。GTP-U 协议一直由 3GPP 控制主导，可按需不断地进行内容扩展，但也难以适应未来的云化网络特征1。回传网从无线接入网和核心网 N3 接口接收的用户面数据都是带有 GTP-U 封装的，这在一定程度上加大了回传网设备识别业务特征的难度。1.2传统的 DNS 和业务系统调度机制未考虑精细化SLA 业务需求DNS 是互联网的一项服务，它作为将域名和 IP 地址相互映射的一个分布式数据库，用户能够更方便地访问互联网。DNS 和业务系统当前确定目的服务器的主要依据是接收到用户终端 DNS 解析请求的 DNS服务器所在的运营商、地域信息，但如果用户终端中配置的 DNS 服务器地址配置错误，或者配置为公共的DNS 服务器，最终用户终端得到的服务器地址就会出现偏 差。为 了 改 进 这 个 问 题，阿 里 云 等 部 署 了HTTPDNS 技术，用户终端通过 HTTP 向 HTTPDNS 服务器发出域名解析请求，此时 HTTPDNS 服务器可以获取终端的精确 IP 地址，并基于此 IP 进行调度。但这种调度方式仍然没有将用户终端与目的服务器之间网络的 SLA 指标纳入考虑范围，如果链路出现拥塞，就可能导致用户的服务质量劣化。1.35G 回传网络中的算路机制未考虑应用层需求在 5G 回传网络中，传统的 IP 路由或 MPLS 技术不感知业务，只负责按照网络层度量值或人工设置的路径约束进行数据报文的转发。通过链路带宽计算得到路由协议中的度量值，也可以手工配置。近年来，随着 SDN 技术的发展，部分厂商支持在计算转发路径的因子中增加网络时延信息，但网络层与应用层业务依然是割裂的，网络层的路径计算结果无法与应用层的需求实时进行匹配。2基于数据传输网络的业务感知技术为了解决数据传输网络无法获取到应用层业务需求信息的问题，业界提出了业务感知技术，当前主要分为以下两类。2.1APN6(AppCication-aware IPv6 networking)2APN6 是 在 数 据 平 面 利 用 IPv6 报 文 扩 展 头(Extension Headers)，如 逐 跳 选 项 头(Hop-by-HopOptions Header)、段路由头(Segment outing Header)的可编程空间，携带应用的相关信息(标识和需求)到网络中，网络设备依据这些信息为其提供相应的网络服务，如将报文映射进相应的能够保障其 SLA 的Sv6 路径等。应用感知信息可以由用户终端设备或应用直接生成，也可以由网络边缘设备生成，分别对应APN6 的主机侧方案和网络侧方案3。2.2SRN(Software ResoCved Networks)4SN 架构和流程如图 1 所示。在控制平面，基于FC 6891 进行 DNS 协议扩展，实现了用户终端、服务器与 SDN 控制器和接入路由器的交互。用户终端通过扩展的 DNS 协议，将应用 SLA 需求信息(如带宽和时延等)通过 DNS 代理转发给 DNS 解析器，并暂时缓存 DNS 解析器应答的 DNS 服务器 IP 地址信息;DNS代理向 SDN 控制器发送到 DNS 服务器的路径请求，由 SDN 控制器综合网络链路状态和应用需求计算出可到达 DNS 服务器的 Sv6-Policy，并下发给接入路由器的路由管理组件进行转发表项的安装;DNS 代理将DNS 解析器返回的应用服务器 IP 地址和 SDN 控制器的路径计算结果 BSID 一起应答给用户终端。为了防止网络设备的故障导致服务劣化，网络状态监控组件会实时刷新 OSPF 路由信息，并及时通知 SDN 控制器进行同步更新。在转发平面，用户终端发送数据包时，携带 DNS 代理下发的 BSID，接入路由器将数据包沿控制器下发的 Sv6-Policy 转发给网络中的应用服务器。为了提升网络与业务的关联性，APN6 和 SN 提出了不同的解决思路，它们的数据面转发都基于 Sv6技术，但携带业务层信息的方式不用，APN6 是在 IPv638的扩展头中封装应用信息及 SLA 需求信息，可用的扩展空间非常丰富(128 bit/SID)。而 SN 是基于控制面的 DNS 协议进行扩展，相对携带信息的空间较少，只能携带带宽、时延等基本的 SLA 需求信息，它的优势是这是一个轻量级的方案，对企业的 DNS 服务器和主机(LINUX 内核)进行软件升级即可，不需要运营商网络设备升级，也不依赖众多的应用生态的支持，所以实施起来相对更容易，两者详细对比参见表 1。3面向云网融合的5G 回传业务感知方案架构从业务发展趋势来看，5G 网络中的业务种类，流量模型与 3G/4G 相比都发生了显著的变化，尤其是行业业务的应用提出了比个人业务更严苛的需求。为了更好地满足这些需求，并加快构建数字化转型的新型基础设施，我国运营商都把云和网的融合确定为网络发展演进的重要方向，期望通过云网融合推动 5G 应用创新发展。面对长久以来云业务与网络各自独立发展的现状，当前需要思考如何逐渐改变这种解耦的发展方式，在这个过程中，网络对业务的感知技术成为业务层和网络层之间协同发展的纽带。APN 和 SN 两类技术分别是针对广域和企业场景进行业务感知，但是对于 5G 网络，由于其业务报文图 1SRN 架构表 1APN6 与 SRN 的对比对比项APN6SN适用场景广域局域(主要面向企业)方案思路数据报文中携带应用信息及 SLA 信息协议报文中携带应用的 SLA 信息控制面协议无需额外控制面协议基于 FC 68915 的 DNS 扩展数据面协议基于 Sv6 的 APN6 扩展基于 Sv6 的 Binding SID6 可携带信息SLA 等级、APP ID、User ID、Flow ID 及带宽、时延、抖动、分组丢失率需求带宽、时延需求扩展性可扩展可扩展标准状态IETF 独立文稿暂无(IETF)性能无公开测试数据仿真网络中测试可满足要求安全需进行用户接入终端的认证和消息校验需进行用户接入终端的认证和消息校验其他限制和依赖主机侧方案:用户终端及应用支持按照 APN6 格式将应用特征信息和需求封装在数据报文中网络侧方案:终端无限制，网络设备通过 DPI 或配置策略检测用户终端的应用类别DNS 服务器，SDN 控制器需支持协议扩展。用户终端需支持 Sv6 及 BSID，如果不支持需进行兼容性处理(使用特殊 IP 地址和 NAT 进行路径映射)48图 3基站/核心网与回传设备间报文封装被封装在 GTP 隧道中的特殊性，这两种技术并不能直接适用，需要进行针对性的优化。结合 APN 技术的优势，提出面向云网融合的 5G 回传业务感知方案。如图 2 所示，与当前的 APN6 方案相比，其关键的优化点在于针对 5G 回传的具体场景进行分析，并提出回传边缘 PE 设备对 APN6 信息的两种可选获取方式。其主要业务处理流程如下。(1)终端或 APP Server 在发送业务报文前增加APN6 标识，包含应用标识信息(用户组等)和应用需求信息(带宽、时延、抖动、丢包率等)，其报文封装格式可与当前 APN6 中定义的格式保持一致，即在用户报文头后通过 IPv6 的逐跳选项头(HBH)、目的选项头(DOH)或段路由头(SH)携带。图 2面向云网融合的 5G 回传业务感知方案(2)回传网络中的边缘 PE 设备收到报文后，获取最终用户业务报文中的 APN6 标识信息。在这个过程中，具体获取 APN6 的方式有以下两种选择。一是基站和核心网设备不做特殊处理，由于此时回传边缘 PE 设备收到的基站或核心网设备发送的报文封装如图 3 所示，所以回传边缘 PE 设备需要通过固定字节偏移来获取 APN6 中的封装信息，此时的偏移量为外层报文头之和(126 字节):如果对于回传网络的中间 P 设备需要获取 APN6 信息，还要考虑在此基础上增加外层 IPv6 与 UDP 之间的 SH 和 SID 列表，对设备芯片的转发性能要求更高。二是在基站或核心网设备对收到终端或 APPServer 发送的用户报文主动进行判断，发现是携带APN6 的报文时，则对其做特殊处理，将 APN6 报文头中的信息复制到外层 IPv6 与 UDP 之间，同时删除内层 IPv6 后的 APN6 报文;之后发送到回传边缘 PE 设备，只需偏移 ETH+VLAN+外层 IPv6 的字节数(62 字节)即可获取到 APN6 信息，相对第一种方式对回传设备硬件的要求更低(见图 4)。(3)回传网络中的边缘 PE 设备将 DPI 获取的信息上送控制器。(4)控制器基于边缘 PE 设备上送的信息，将带58图 4基站/核心网复制 APN6 信息至外层宽、时延、抖动、丢包率等需求信息纳入算路因子(时延、丢包率等需留出无线接入网和核心网的余量)，并计算到达外层目的 IP(边缘云或核心云中的核心网设备)的路径，下发至边缘 PE 设备。(5)边缘 PE 设备收到控制器下发的路径后，根据Sv6 Policy 进行 SID 列表的封装，APN6 信息保留用于回传网中 P 设备进行随流监控等服务，并按照下发路径进行报文转发至相应的边缘云或核心云内核心网设备中。4结束语为了提升网络层与业务层的关联性，业界在进行不断的尝试和探索，APN6 和 SN 是其中的两种典型方案，不排除后续会有更多的方案被提出和验证。基于 Sv6 的 APN6 相对于传统的最短路径算法和 QoS优先级映射，具有业务级或用户级的细粒度和可量化的多维度 SLA 保证等优势;相对于 SN 又具备更丰富的信息携带能力和扩展空间的优势。面向云网融合的5G 回传业务感知方案，在 APN6 信息的传递和获取方式上进行了优化，在未来算力网络中，还可以通过字段扩展携带业务的算力需求信息，具有更大的发展潜力。但 APN6 在生态建设和性能验证等方面也还需要继续加大投入，具体有以下三方面建议。(1)主机侧方案要求业务应用支持封装 APN6 报文头，但当前 APP 种类众多，生态链支持的难度较大，后续建议加强业界生态建设，吸引 APP 厂家的共同参与和支持;另外，针对 5G 回传的场景，在当前 GTP 隧道封装的报文中实现 APN6，需要对报文进行深度检测或基站、核心网设备特殊处理，除了功能上的要求之外，还可能对网络设备转发性能带来较大压力，同时业务时延也会增加，需评估是否在可接受范围内。当然，比较理想的方案是在 6G 网络中，无线接入侧和核心网侧能去掉 GTP 封装，或者扩展协议将终端 APN6 的信息通过标准化的接口传递给回传网络。(2)APN6 标准还未成为稳定的工作组文稿或 FC，建议相关厂商和运营商针对典型场景，补充更多的性能测试数据，并进行针对性的优化，增强其可部署性。(3)APN6 当前解决的是用户侧需求信息感知的问题，而将来的算力网络，需要网络对用户侧需求和资源侧供给做最优的匹配，所以还需要面向算力网络做相应的扩展，增加感知业务对算力需求字段的支持，并与 CFN7 等新技术结合，既为业务匹配最佳算力资源节点，又能计算出到算力资源节点的最佳路径。在算力网络时代，网络不再是单纯的数据传输，而是集通信、计算、存储为一体的信息系统。算力资源的统一建模度量是算力调度的基础，算力网络中的算力资源将是泛在化、异构化的，通过模型函数将不同类型的算力资源映射到统一的量纲维度，形成业务层可理68解、可阅读的零散算力资源池，为算力网络的资源匹配调度提供基础保障。统一的管控体系是关键，传统信息系统中应用、终端、网络相互独立，缺乏统一的架构体系进行集中管控、协同。因此，算力网络的管控系统将由网络进一步向端侧延伸，通过网络层对应用层业务感知，建立云网边端融合一体的新型网络架构，实现算力资源的无差别交付、自动化匹配，以及网络的智能化调度，并解决算力网络中多方协作关系和运营模式等问题8。参考文献 1牟林，杨立，李志军，等.6G 无线侧相关新承载和新传输的愿景需求分析 J 信息通信技术，2021，15(3):62-68.2何林，况鹏，王士诚，等.基于“IPv6+”的应用感知网络(APN6)J 电信科学，2020，36(8):36-42.3CCSA TC3WG1.感知应用的 IPv6 网络(APN6)架构研究 ，2021.4 LEBUN D，JADIN M，CLAD F，et al.Softwareresolved networks:rethinking enterprise networks withIPv6 segmentrouting C/Proceedings of the Symposiumon SDN esearch.New York:ACM Press，2018.5DAMAS J，GAFF M，VIXIE P.Extension mechanismsfor DNS(EDNS(0):FC6891 S，2013.6 FILSFILS C，CAMAILLO P，LEDDY J，et al.SegmentroutingoverIPv6(Sv6)networkprogramming:FC 8986 S，2021.7 LI Y，HE J，GENG L，et al.Framework of ComputeFirst Networking(CFN):draft-li-rtgwg-cfn-framework-00 Z，2019.8IMT-2030(6G)推进组.6G 总体愿景与潜在关键技术白皮书 ，2021作者简介:李振文中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部工程师，主要从事 5G承载、Sv6 等方面的研究工作李芳中国信息通信研究院技术与标准研究所光网络技术与应用研究部主任，教授级高级工程师，长期从事5G 承载、分组传送、云网融合等方面的技术与标准研究工作Thinking on application and evolutionof service-awaretechnology in 5G bearer networkLI Zhenwen，LI Fang(Technology and Standards esearch Institute，China Academy of Information and Communications Technology，Beijing 100191，China)Abstract:With the characteristics of large bandwidth，low latency，wide connections and strong mobility，three typesof business scenarios for industry application puts forward service differentiation requirements on 5G bearer network，sothe 5G bearer network need to be involved in the business awareness process deeply and improve service ability，enhance service oriented differentiation.This paper analyzes the issue existing in traditional solutions and two typicalsolutions of service-aware technology，proposes a service-aware solution architecture face to cloud and networkintegration in 5G bearer nework，and gives suggestions for the future development of computing power network in 5Gbeyond phase.Keywords:service awareness;5G bearer network;APN6;SN;cloud and network integration;computingpower network(收稿日期:2022-09-01)78