多手段保證LTE承載網(wǎng)可靠性

1、可靠性概述

電信級運營網(wǎng)絡對可靠性需求可分為三個層面：設備可靠性、網(wǎng)絡可靠性和業(yè)務可靠性。在承載網(wǎng)中，網(wǎng)絡和設備的可用性要求達到99.999%（這相當于設備在一年的連續(xù)運行中，因各種可能原因造成停機維護的時間少于5分鐘），高可靠性是電信運營商網(wǎng)絡建設和網(wǎng)絡運營的基本要求。

在網(wǎng)絡架構(gòu)不斷演進中可靠性的要求一直貫穿其中，可以說可靠性是網(wǎng)絡的必備特性?？煽啃员ＷC網(wǎng)絡發(fā)生故障時以最快的速度進行保護倒換，使得運營商的損失降到最低。

LTE承載網(wǎng)定位于綜合承載，實現(xiàn)2G、3G、LTE移動業(yè)務、固定業(yè)務的綜合接入，業(yè)務的多樣化使得網(wǎng)絡承載技術(shù)變得錯綜復雜，對網(wǎng)絡的高可靠性要求成為必然。

如上圖所示，在LTE階段，承載網(wǎng)絡架構(gòu)發(fā)生了很大變化。由于EPC高置，即EPC只部署在省會或者大型城市，使得基站和EPC之間的承載網(wǎng)絡需要跨越回傳+Core兩層網(wǎng)絡。

LTE業(yè)務對時延要求更加嚴格，對于LTE承載網(wǎng)來說，無法控制無線側(cè)和核心網(wǎng)側(cè)的時延，只能控制承載網(wǎng)絡的時延，如何保證LTE業(yè)務時延滿足要求關(guān)系到LTE業(yè)務是否能夠正常運營，可靠性部署勢在必行。

如上圖所示，對于應用層來說，TCP的滑動窗口和其三次握手接收數(shù)據(jù)確認機制，導致TCP連接的吞吐量與端到端時延成反比。當TCP傳輸路徑發(fā)生故障時，TCP啟用重傳機制，如果長時間得不到倒換路徑，會導致連接中斷。

LTE時代數(shù)據(jù)業(yè)務激增，網(wǎng)絡設備提供的端口從GE到10GE、100GE不斷增加，當數(shù)據(jù)速率到Gbit數(shù)量級時，長時間不能切換代表著大量數(shù)據(jù)的丟失，對于語音、視頻等業(yè)務來說，這幾乎是致命的。

可靠性技術(shù)可以保證在最短時間內(nèi)切換到保護路徑，不會出現(xiàn)連接中斷的情況。這對于運營商來說，無疑是保證用戶體驗的必然選擇。

可靠性技術(shù)可以分為快速檢測和保護倒換技術(shù)兩個方面來進行部署，二者相輔相成共同為網(wǎng)絡高可靠性提供保證。

1.1快速檢測技術(shù)

網(wǎng)絡設備一個越來越重要的特征是，要求對相鄰系統(tǒng)之間通信故障進行快速檢測，保證出現(xiàn)故障時可以更快的建立起替代通道或倒換到其他鏈路。

目前，一些硬件如SDH等可以提供這個功能，但是對于很多硬件或者軟件無法提供這個功能，比如以太網(wǎng)。還有一些無法實現(xiàn)路徑檢測，比如轉(zhuǎn)發(fā)引擎或者接口等，因此無法實現(xiàn)端到端的檢測。

目前的網(wǎng)絡一般采用慢Hello機制，尤其是路由協(xié)議在沒有硬件幫助下，檢測時間會很長（例如：OSPF需要2秒的檢測時間，ISIS需要1秒的檢測時間）。這對某些應用來說時間太長了，當數(shù)據(jù)速率到Gbit數(shù)量級時，缺陷感應時間長代表著大量數(shù)據(jù)的丟失，并且對于不運行路由協(xié)議的節(jié)點沒有辦法檢測鏈路的狀態(tài)。同時，在現(xiàn)有的IP網(wǎng)絡中并不具備秒以下的間歇性故障修復功能，而傳統(tǒng)路由架構(gòu)在對實時應用（如語音）進行準確故障檢測方面能力有限。

快速檢測技術(shù)的出現(xiàn)解決了上述問題，典型的快速檢測技術(shù)包括BFD、Eth OAM、MPLS OAM等。這些快速檢測技術(shù)通過相鄰設備間ms級進行檢測報文的發(fā)送和接收，當?shù)竭_配置的間隔收不到對端的報文時即上報故障，通知設備進行相應的協(xié)議倒換。

1.2保護倒換技術(shù)

網(wǎng)絡設備通過快速檢測技術(shù)檢測到故障后，配合保護倒換技術(shù)進行相應協(xié)議的倒換。保護倒換技術(shù)即在事先建立好備用通道供設備進行倒換，針對不同的承載技術(shù)需要部署相應的保護倒換技術(shù)。

針對LTE網(wǎng)絡，保護倒換技術(shù)按照業(yè)務部署可以分類為L2VPN類、L3VPN類、網(wǎng)關(guān)類、鏈路類保護倒換技術(shù)。L2VPN類保護倒換技術(shù)主要是PW冗余，L3VPN類保護倒換技術(shù)主要是VPN FRR，網(wǎng)關(guān)類保護保護技術(shù)為E-VRRP，鏈路類保護倒換技術(shù)包括LDP FRR、混合FRR、TE FRR和TE HSB.

2、LTE承載網(wǎng)可靠性技術(shù)

下面的章節(jié)將針對中國電信和中國聯(lián)通在LTE承載網(wǎng)建設中涉及到的可靠性技術(shù)進一步進行詳細介紹。

2.1中國電信LTE承載網(wǎng)可靠性技術(shù)

中國電信在建設IPRAN網(wǎng)絡時，主流場景是依托于現(xiàn)有的城域網(wǎng)進行建設，也存在端到端新建的IPRAN網(wǎng)絡。在演進到LTE承載組網(wǎng)時，沒有EPC機房的地市需要向上跨過CN2到省會或者大區(qū)城市EPC機房進行業(yè)務落地。

中國電信的LTE承載網(wǎng)架構(gòu)和承載方式如上圖所示，本地網(wǎng)仍然采用IPRAN的承載方式（即PW+L3VPN），只是非省會城市需要途徑CN2省干網(wǎng)絡到省會或者大區(qū)的EPC機房落地業(yè)務。

為了敘述方便，拓撲圖簡化如下：

對于省會或者大區(qū)城市（EPC所在地），RAN ER直接上聯(lián)至EPC CE設備即可；對于非省會城市（沒有EPC），RAN ER設備需要和CN2的本地落地PE設備相連，由CN2調(diào)度到EPC CE設備然后到EPC進行業(yè)務落地。

PW+L3VPN方案的設計理念為接入層通過一種技術(shù)PW實現(xiàn)所有業(yè)務的接入，降低接入層的維護復雜度，以及維護人員的技能要求，到達匯聚路由器后再進入L3VPN轉(zhuǎn)發(fā)。

對于省會或者大區(qū)城市（EPC所在地），業(yè)務承載如下圖所示：

如上圖所示，接入層建立二層管道PW，匯聚路由器以上起L3VPN，通過內(nèi)部環(huán)回接口實現(xiàn)PW與L3VPN的橋接。通常一個接入環(huán)會雙掛兩臺匯聚路由器，匯聚路由器作為基站的三層網(wǎng)關(guān)，此時需要為兩臺匯聚路由器三層內(nèi)部環(huán)回接口設置相同的MAC和IP，實現(xiàn)雙網(wǎng)關(guān)保護。

PW+L3VPN同時采用二層PW及三層VPN技術(shù)，相應的保護方案也是兩種技術(shù)保護方案的組合。

按照保護模式可以分為隧道保護、業(yè)務保護及網(wǎng)關(guān)保護三類：

1）隧道保護

用于網(wǎng)絡內(nèi)部鏈路及節(jié)點故障，特征是保護倒換前后業(yè)務源宿節(jié)點不變，相應的保護技術(shù)為LDP快速收斂、LSP 1：1、TE FRR，檢測技術(shù)為BFD for IGP/LSP.

2）業(yè)務保護

用于匯聚路由器、RAN ER以及EPC CE節(jié)點故障，特征是保護前后業(yè)務源宿節(jié)點（包括PW與L3VPN的橋接點）發(fā)生變化，相應的保護技術(shù)為PW Redundancy和VPN FRR，檢測技術(shù)分別為BFD for PW和BFD for Tunnel.

3）網(wǎng)關(guān)保護

用于EPC CE及EPC與EPC CE之間的鏈路故障，相應的保護技術(shù)為E-VRRP.

2.2中國聯(lián)通LTE承載網(wǎng)可靠性技術(shù)

中國聯(lián)通在建立IPRAN網(wǎng)絡時，主流場景是端到端新建的IPRAN網(wǎng)絡，也存在依托于現(xiàn)有的城域網(wǎng)進行建設。

中國聯(lián)通的LTE承載網(wǎng)架構(gòu)和承載方式如下圖所示，本地網(wǎng)仍然采用IPRAN的承載方式（即HVPN），只是非省會城市需要途徑聯(lián)通B網(wǎng)省干到省會或者大區(qū)的EPC機房落地業(yè)務。

為了敘述方便，拓撲圖簡化如下：

HVPN（Hierarchy VPN）在傳統(tǒng)端到端L3VPN的基礎(chǔ)上進行了適當優(yōu)化，通過引入一層“輕量級RR”來緩解核心側(cè)設備壓力，解決組建大網(wǎng)的問題。具體方案為：

將匯聚路由器設為“第二級RR”，接入路由器與匯聚路由器建立BGP會話，由于匯聚路由器下掛接入路由器數(shù)量有限，因此匯聚路由器上BGP會話壓力不大；匯聚路由器與城域骨干RR建立BGP會話，相比接入路由器，整網(wǎng)的匯聚路由器數(shù)量大大降低，相應的RR的BGP會話壓力也大大降低。匯聚路由器收到接入路由器發(fā)布的VPNv4路由后，將下一跳修改為自己之后再發(fā)布給RR，之后再由RR反射給EPC CE，因此EPC CE有整網(wǎng)明細路由；匯聚路由器收到的VPNv4路由均不向接入路由器發(fā)布，僅向接入路由器發(fā)布一條缺省路由，用于引導上行流量，由此，接入路由器僅需維護極少的VPN路由，路由壓力較大的問題得以徹底解決。由于VPN采用分層的方式，相應的用于承載VPN的隧道也需要采用分層的方式，接入路由器與匯聚路由器之間為一段隧道，匯聚路由器與EPC CE設備之間為另一段隧道，EPC CE的隧道數(shù)量較多的問題也不復存在。

通過上述方案，HVPN解決了傳統(tǒng)端到端L3VPN的擴展性問題，保證了低端設備與高端設備共同組大網(wǎng)的能力。

對于省會或者大區(qū)城市（EPC所在地），核心層設備直接上聯(lián)至EPC CE設備即可；對于非省會城市（沒有EPC），核心層設備需要和B網(wǎng)的本地落地PE設備相連，由B網(wǎng)調(diào)度到EPC CE設備然后到EPC進行業(yè)務落地。

對于省會或者大區(qū)城市（EPC所在地），業(yè)務承載如下圖所示：

L3VPN到邊緣的業(yè)務保護方案非常完備，可以分為隧道保護、業(yè)務保護及網(wǎng)關(guān)保護三種模式，隧道保護用于網(wǎng)絡內(nèi)部鏈路及節(jié)點故障，特征是保護倒換前后業(yè)務源宿節(jié)點不變，相應的保護技術(shù)為LSP 1：1，檢測技術(shù)為BFD for LSP；業(yè)務保護用于匯聚路由器及EPC CE節(jié)點故障，特征是保護前后業(yè)務源宿節(jié)點（包括兩段L3VPN的銜接點）發(fā)生變化，相應的保護技術(shù)為VPN FRR，檢測技術(shù)為BFD for Tunnel；網(wǎng)關(guān)保護用于EPC CE及EPC與EPC CE之間的鏈路故障，相應的保護技術(shù)為E-VRRP.

2.3快速檢測技術(shù)

雙向轉(zhuǎn)發(fā)檢測BFD（Bidirectional Forwarding Detection）用于快速檢測系統(tǒng)之間的通信故障，并在出現(xiàn)故障時通知上層應用。

BFD for PW是一種對PW進行故障檢測的機制，用于觸發(fā)所承載業(yè)務的快速切換，達到業(yè)務保護的目的。利用BFD完成隧道或PW故障的快速檢測，從而引導所承載業(yè)務的快速切換，達到業(yè)務保護的目的。

BFD For TE是MPLS TE中的一種端到端的快速檢測機制，用于快速檢測隧道所經(jīng)過的路徑（包括鏈路和節(jié)點）中所發(fā)生的故障。

TE傳統(tǒng)的檢測機制包括RSVP Hello或者RSVP刷新超時等檢測，都具有檢測速度緩慢的缺點。BFD檢測機制很好的克服了這些缺點，它采用快速收發(fā)報文的機制，完成這些隧道路徑故障的快速檢測，從而觸發(fā)承載業(yè)務的快速切換，達到保護業(yè)務的目的。

在LSP隧道上建立BFD會話，利用BFD檢測機制快速檢測LSP隧道的故障，可以提供端到端的保護。BFD可以用來檢測MPLS LSP轉(zhuǎn)發(fā)路徑上數(shù)據(jù)平面的故障。使用BFD檢測單向LSP路徑時，反向鏈路可以是IP鏈路、LSP.

3、總結(jié)

為了建設一張高可靠性的LTE網(wǎng)絡，華為公司針對各種業(yè)務提供了端到端的可靠性保護方案，保證業(yè)務順暢，同時在故障發(fā)生后能以最快的速度進行保護倒換，把運營商損失降到最低。

在快速檢測方面，華為公司較早實現(xiàn)的BFD for everything，可以針對端口、鏈路、LSP、TE-LSP、VPN、PWE3等等進行快速檢測，保證在故障發(fā)生的第一時間通知相關(guān)模塊進行快速倒換。

在故障倒換方面，華為公司配合快速檢測，推出了針對LTE場景的各種保護技術(shù)，如PW冗余、VPN FRR、混合FRR、TE HSB、VRRP等，已經(jīng)在現(xiàn)網(wǎng)中廣泛應用，為運營商的無線和有線業(yè)務保駕護航。