隨著互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)中心流量的爆炸式增長(zhǎng)，SDN已經(jīng)逐步取代靜態(tài)路由交換設(shè)備成為構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的主流方式，本系列是免費(fèi)電子書《Software-Defined Networks: A Systems Approach》的中文版，完整介紹了SDN的概念、原理、架構(gòu)和實(shí)現(xiàn)方式。原文: Software-Defined Networks: A Systems Approach
第9章 接入網(wǎng)
現(xiàn)在我們將注意力轉(zhuǎn)向SDN最新出現(xiàn)的用例: 接入網(wǎng)，包括光纖到家和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)。雖然現(xiàn)在還處于早期階段(剛剛推出產(chǎn)品部署)，但有巨大的機(jī)會(huì)。本章描述了兩個(gè)例子: 無源光網(wǎng)絡(luò)(PON, Passive Optical Networks) 和無線接入網(wǎng)(RAN, Radio Access Networks) ，分別是光纖到家和移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的核心。
9.1 背景
用于實(shí)現(xiàn)將家庭、企業(yè)和移動(dòng)設(shè)備連接到互聯(lián)網(wǎng)的最后一英里的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有著獨(dú)立于互聯(lián)網(wǎng)其他部分的發(fā)展歷程。這種發(fā)展已經(jīng)持續(xù)了幾十年，開始于對(duì)基于電路的語音通信的支持，然后逐漸增加了對(duì)基于IP的數(shù)據(jù)通信的支持。最終結(jié)果是一個(gè)巴洛克式的專用設(shè)備的集合，對(duì)于那些知道如何在L2/L3以太網(wǎng)交換機(jī)的集合上構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的人來說，這些設(shè)備看起來非常陌生。
但這使得接入網(wǎng)成為SDN的沃土，為了理解這意味著什么，我們需要從對(duì)將要替換的傳統(tǒng)系統(tǒng)的簡(jiǎn)要概述開始。我們將在介紹兩種特定接入技術(shù)(PON/RAN)的上下文中開始。幸運(yùn)的是，從高層往下看，它們的架構(gòu)驚人的相似。當(dāng)然，細(xì)節(jié)差別也很大，但隱藏(甚至消除)不必要的細(xì)節(jié)是SDN帶來的主要價(jià)值之一。
在討論細(xì)節(jié)之前，需要再了解一點(diǎn)背景知識(shí)。提供寬帶服務(wù)的ISP(如電信公司或有線電視公司)通常經(jīng)營(yíng)著國(guó)家主干網(wǎng)絡(luò)，連接到該主干網(wǎng)外圍的是成百上千的邊緣站點(diǎn)。在電信領(lǐng)域，這些邊緣站點(diǎn)通常被稱為中央機(jī)房(Central Offices) ，在有線通信領(lǐng)域，通常被稱為頭端(Head Ends) 。盡管這些名字暗示著"集中化"和"層次結(jié)構(gòu)的根"，但都位于ISP網(wǎng)絡(luò)的最邊緣，是ISP連接客戶的最后一英里的一端?；赑ON和RAN的接入網(wǎng)就部署在這些設(shè)施中。
9.1.1 無源光網(wǎng)絡(luò)(Passive Optical Network)
PON是樹形結(jié)構(gòu)的光纖網(wǎng)絡(luò)，從ISP邊緣站點(diǎn)的一臺(tái)設(shè)備開始，可以擴(kuò)展到1024個(gè)家庭。PON的名字來源于被動(dòng)的無源分路器，這些分路器向上下游轉(zhuǎn)發(fā)光信號(hào)，而沒有對(duì)幀進(jìn)行主動(dòng)存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的能力。端點(diǎn)完成幀的拼接，對(duì)應(yīng)的ISP設(shè)備被稱為光終端(OLT, Optical Line Terminal) ，部署在家庭中的設(shè)備被稱為光網(wǎng)絡(luò)單元(ONU, Optical Network Unit) 。
圖51是一個(gè)PON的示例，簡(jiǎn)化為只有一個(gè)ONU和一個(gè)OLT。在實(shí)際部署中，一個(gè)中心機(jī)房會(huì)有多個(gè)OLT，分別連接數(shù)千個(gè)客戶家庭。圖51還突出顯示了另一個(gè)細(xì)節(jié)，一個(gè)將接入網(wǎng)連接到Internet的BNG(Broadband Network Gateway) 。BNG是電信公司的一種設(shè)備，除了轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包外，還對(duì)用戶進(jìn)行身份驗(yàn)證，區(qū)分向每個(gè)客戶提供的服務(wù)水平，并對(duì)流量進(jìn)行計(jì)費(fèi)。
由于分路器是無源的，PON實(shí)現(xiàn)了多接入?yún)f(xié)議。簡(jiǎn)單來說，上下游業(yè)務(wù)在兩個(gè)不同的波長(zhǎng)的光波上傳輸，因此是完全獨(dú)立的。下行流量從OLT開始，信號(hào)沿著PON的每一條鏈路傳播，每一幀都能夠到達(dá)ONU。然后ONU在幀中查看唯一的標(biāo)識(shí)符，并接收該幀(如果標(biāo)識(shí)符是自己)或丟棄(如果不是自己)。通過加密防止ONU竊聽鄰居的通信。上游流量在上游波長(zhǎng)上進(jìn)行時(shí)分復(fù)用，每個(gè)ONU周期性獲得發(fā)送周期。
PON與以太網(wǎng)類似，定義了一種共享算法，經(jīng)過多年發(fā)展，該算法可以適應(yīng)越來越高的帶寬。目前部署最廣泛的是G-PON(Gigabit-PON)，支持2.25 Gbps帶寬。XGS-PON(10 Gigabit-PON)正在部署中。
9.1.2 無線接入網(wǎng)(Radio Access Network)
RAN通過在無線電頻譜的不同帶寬上編碼和傳輸數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)最后一跳。例如，傳統(tǒng)的蜂窩技術(shù)范圍從700 MHz到2400 MHz，如今在6 GHz范圍分配了新的中頻頻譜，而毫米波(mmWave)技術(shù)的頻譜在24 GHz以上。
如圖52所示，給定地理區(qū)域(例如地鐵站)中的一組基站相互連接，并和運(yùn)行在中央機(jī)房中的移動(dòng)核心網(wǎng)(Mobile Core)通信。移動(dòng)核心網(wǎng)類似于BNG(從高層架構(gòu)來說)，充當(dāng)連接接入網(wǎng)到Internet的IP網(wǎng)關(guān)，同時(shí)負(fù)責(zé)認(rèn)證、QoS和計(jì)費(fèi)。與BNG不同，移動(dòng)核心網(wǎng)還負(fù)責(zé)管理移動(dòng)性(例如，記錄當(dāng)前哪個(gè)基站在為哪個(gè)有源設(shè)備服務(wù)，管理基站之間的切換，等等)。
圖中顯示了移動(dòng)核心網(wǎng)和一組由回傳(backhaul)網(wǎng)絡(luò)連接的基站。回傳網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)取決于技術(shù)選擇，可以基于以太網(wǎng)或基于PON，但就我們的目的而言，重要的是理解RAN實(shí)際上是構(gòu)建在回傳網(wǎng)絡(luò)之上的局域包交換網(wǎng)絡(luò)，其中基站是該overlay網(wǎng)絡(luò)的"節(jié)點(diǎn)"。數(shù)據(jù)包通過這個(gè)網(wǎng)絡(luò)"路由"到達(dá)最合適的基站，并在給定時(shí)刻為每個(gè)移動(dòng)設(shè)備(用戶設(shè)備或UE)提供服務(wù)[1]。轉(zhuǎn)發(fā)決策由基站實(shí)現(xiàn)，基站負(fù)責(zé)做出以下決策: 切換(handover, 將給定終端的流量從一個(gè)基站切換到另一個(gè)基站)、負(fù)載均衡(load balancing, 一組基站根據(jù)其當(dāng)前負(fù)載決定哪個(gè)應(yīng)該為某個(gè)終端服務(wù))和鏈路聚合(link aggregation, 多個(gè)基站決定聯(lián)合向某個(gè)給定終端傳輸數(shù)據(jù))。
[1] 之所以說"路由"，是因?yàn)榛诰C合考慮移動(dòng)跟蹤和監(jiān)控決定如何最有效利用無線頻譜，而不是通常在有線網(wǎng)絡(luò)中使用的最短路徑標(biāo)準(zhǔn)。重要的是，基站協(xié)同實(shí)現(xiàn)一種分布式?jīng)Q策算法，然后根據(jù)這些決策相互轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包。
9.1.3 關(guān)鍵結(jié)論(Key Takeaways)
在討論如何應(yīng)用SDN原則之前，有三個(gè)關(guān)于這兩種網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的結(jié)論。首先是"接入網(wǎng)"和"IP網(wǎng)關(guān)"的區(qū)別。例如，光纖到家(Fiber-to-the-Home)是由PON和BNG結(jié)合實(shí)現(xiàn)的，同樣，5G蜂窩移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(5G Cellular Mobile Network)是由RAN和移動(dòng)核心網(wǎng)(Mobile Core)結(jié)合實(shí)現(xiàn)的。本章主要關(guān)注如何將SDN應(yīng)用到PON和RAN上，但正如我們?cè)?.4節(jié)中已經(jīng)看到的，SDN也可以應(yīng)用到BNG和移動(dòng)核心網(wǎng)。兩者都是增強(qiáng)的IP路由器，其新特性都是對(duì)運(yùn)行在交換結(jié)構(gòu)中的P4程序的擴(kuò)展。 我們將在最后一節(jié)中回到這個(gè)主題，介紹SD-Fabric和接入網(wǎng)之間的關(guān)系。
其次，因?yàn)镻ON是無源的，沒有機(jī)會(huì)在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部進(jìn)行軟件控制。將SDN應(yīng)用于PON涉及到對(duì)端點(diǎn)(即OLT和ONU)的軟件控制，并將這些端點(diǎn)之間的所有東西視為被動(dòng)背板。此外，由于ONU是響應(yīng)OLT指令的"啞"設(shè)備，這實(shí)際上可以歸結(jié)為分解OLT。
最后，由于RAN是將一組基站連接起來的包交換網(wǎng)絡(luò)(作為回傳網(wǎng)絡(luò)的overlay)，因此有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)軟件控制。這需要分解基站，正如我們將在本章后面看到的，基站在歷史上運(yùn)行多層協(xié)議棧，一旦被分解，這些組件就會(huì)分布在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，一些組件與無線電天線放在一起，一些組件與中央機(jī)房的移動(dòng)核心網(wǎng)(Mobile Core)放在一起。換句話說，最終計(jì)劃是"分割"和"分發(fā)"RAN功能。
為了更廣泛理解分解5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)所涉及的內(nèi)容，以便在軟件中實(shí)現(xiàn)，推薦以下配套書籍。
延伸閱讀:
L. Peterson and O. Sunay. 5G Mobile Networks: A Systems Approach. June 2020.
9.2 SD-PON
將SDN應(yīng)用于PON的機(jī)會(huì)在于，OLT本質(zhì)上是增強(qiáng)的L2交換機(jī)，配備了運(yùn)行在每個(gè)交換機(jī)端口上的不同的MAC層幀協(xié)議。就像可以買到基于OCP規(guī)范的裸金屬L2交換機(jī)一樣，現(xiàn)在也可以買到OLT。但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)軟件定義的PON(SD-PON)之前，還需要解決三個(gè)問題[2]。
[2] 為了與本書其他用例的命名方式一致，我們將其稱為SD-PON，但實(shí)際的ONF開源軟件項(xiàng)目被稱為SEBA: SDN-Enabled Broadband Access。
首先，為了知道網(wǎng)絡(luò)要支持什么級(jí)別的服務(wù)，PON需要將大量配置加載到每個(gè)OLT中。其次，部署到家庭中的ONU設(shè)備的能力有限，需要通過連接的上游OLT間接控制。最后，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商并不一定可以只用裸機(jī)硬件，而是必須處理各種傳統(tǒng)設(shè)備。
為了解決這些問題，出現(xiàn)了圖53中描述的SD-PON體系架構(gòu)?；谠摷軜?gòu)的生產(chǎn)網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)在已被電信公司部署到世界各地。為了簡(jiǎn)單起見，圖中只顯示一個(gè)OLT，連接到兩個(gè)fabric交換機(jī)。在實(shí)踐中，這種架構(gòu)對(duì)于聚合OLT很有必要，我們將在9.4節(jié)再解釋細(xì)節(jié)，當(dāng)前大家可以認(rèn)為這些交換機(jī)都在第7章介紹的SD-Fabric的控制之下。下面我們將介紹SD-PON架構(gòu)的其他部分。
首先是硬件抽象層，稱為VOLTHA(虛擬OLT硬件抽象, Virtual OLT Hardware Abstraction) 位于網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)(例如ONOS)和單個(gè)OLT之間。VOLTHA提供北向OpenFlow接口，使ONOS能夠像任何其他SDN設(shè)備一樣控制OLT，特定供應(yīng)商的適配器在OpenFlow和OLT之間轉(zhuǎn)換。原則上，這種轉(zhuǎn)換可以在ONOS內(nèi)部處理，ONOS已經(jīng)有健壯的南向適配器框架，但VOLTHA被設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)無關(guān)的，因此復(fù)制了大部分的機(jī)制。
VOLTHA必須正確處理許多細(xì)節(jié)，但在概念上沒有什么新內(nèi)容，主要是控制狀態(tài)流(例如，為訂閱者分配特定的QoS類)和監(jiān)視狀態(tài)流(例如，識(shí)別ONU何時(shí)連接或分離)。主要的不同點(diǎn)是需要將Traffic Profile文件(圖中表示為TP)加載到OLT中。這一配置文件指定運(yùn)維人員期望PON支持的QoS類，通常在OLT啟動(dòng)時(shí)加載這這一配置狀態(tài)，原則上，也可以由ONOS通過gNMI/gNOI進(jìn)行管理。OLT目前不支持像gNMI這樣的通用API，所以通過這種一次性方式處理。
最后，也是最有趣的一點(diǎn)是，由于ONOS需要知道ONU，但不能直接使用OpenFlow或任何其他API進(jìn)行控制，因此該架構(gòu)在OLT及其相連的ONU集合上構(gòu)建了一個(gè)交換抽象層，在圖53中由外部的灰色框表示。我們可以將這種網(wǎng)絡(luò)模型看作是交換機(jī)，具有一組面向網(wǎng)絡(luò)的端口(在通信行業(yè)中稱為NNI)和一組面向用戶的端口(在通信行業(yè)中稱為UNI)。ONOS把這個(gè)聚合網(wǎng)絡(luò)當(dāng)作一個(gè)邏輯交換機(jī)，每當(dāng)用戶打開家里的ONU時(shí)，ONOS就會(huì)看到相應(yīng)的UNI上有一個(gè)"port active"事件，并采取相應(yīng)的操作，這些操作由圖中所示的SD-PON控制套件實(shí)現(xiàn)。
那么需要做什么操作呢？主要工作是將用戶安全的連接到Internet。例如，當(dāng)一個(gè)ONU上線(對(duì)應(yīng)于邏輯交換機(jī)上的一個(gè)端口變?yōu)榛顒?dòng)狀態(tài))時(shí)，將啟動(dòng)802.1X授權(quán)流程，驗(yàn)證該ONU是否是已注冊(cè)的客戶。成功授權(quán)的結(jié)果是，SD-PON程序指示ONOS通過fabric(使用規(guī)定的QoS配置文件)建立一條路徑，將用戶連接到L2網(wǎng)絡(luò)。接下來，連接到ONU的家庭路由器將發(fā)送一個(gè)DHCP請(qǐng)求，觸發(fā)IP地址分配，并觸發(fā)ONOS建立路由，將家庭路由器連接到上游BNG(以及互聯(lián)網(wǎng))。
9.3 SD-RAN
關(guān)于5G的早期宣傳主要是關(guān)于更多的帶寬，但5G的承諾主要是關(guān)于從單一接入服務(wù)(寬帶連接)擴(kuò)展到更豐富的邊緣服務(wù)和設(shè)備集合，包括支持沉浸式用戶界面(如AR/VR)、關(guān)鍵任務(wù)應(yīng)用(如公共安全、自動(dòng)駕駛汽車)和物聯(lián)網(wǎng)(IoT)。只有當(dāng)SDN原則應(yīng)用于RAN時(shí)，這些新應(yīng)用才可行，才能支持快速引入新特性。正因如此，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商正在努力實(shí)現(xiàn)軟件定義RAN(SD-RAN)。
延伸閱讀:
SD-RAN Project. Open Networking Foundation. August 2020.
要理解SD-RAN的技術(shù)基礎(chǔ)，重要的是要認(rèn)識(shí)到，組成RAN的基站是專門的分組交換機(jī)。在給定地理區(qū)域內(nèi)的一組基站相互協(xié)調(diào)，以分配和共享稀缺的無線電頻譜。它們做出切換決策，共同為給定用戶服務(wù)(可以把這看作鏈路聚合的RAN變體)，并根據(jù)連續(xù)測(cè)量的信號(hào)質(zhì)量做出包調(diào)度決策。今天這些都是純粹的局部決策，但將其轉(zhuǎn)化為全局優(yōu)化問題是SDN的專長(zhǎng)。
SD-RAN的想法是讓每個(gè)基站向SDN中央控制器報(bào)告本地收集到的關(guān)于無線電傳輸質(zhì)量的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，SDN中央控制器結(jié)合來自一組基站的信息，構(gòu)建一個(gè)關(guān)于無線電頻譜如何被利用的全局視圖。一套控制程序(例如，一個(gè)專注于切換，一個(gè)專注于鏈路聚合，一個(gè)專注于負(fù)載平衡，還有一個(gè)專注于頻率管理)可以基于這些信息做出全局最優(yōu)決策，并將控制指令推回到各個(gè)基站。這些控制指令不是在傳輸?shù)膯蝹€(gè)片段的調(diào)度粒度上(即，在每個(gè)基站上仍然有實(shí)時(shí)調(diào)度程序，就像SDN控制的以太網(wǎng)交換機(jī)仍然有本地包調(diào)度程序一樣)，但通過不到10毫秒的測(cè)量回路，確實(shí)對(duì)基站施加了接近實(shí)時(shí)的控制。
9.3.1 分離式RAN(Split RAN)
為了更好了解這是如何工作的，我們從圖54所示的關(guān)于基站包處理流水線的細(xì)粒度視圖開始。請(qǐng)注意，該圖將基站描述為流水線(從左到右對(duì)發(fā)送到UE的數(shù)據(jù)包進(jìn)行處理)，但同樣也可以將其視為協(xié)議棧。
關(guān)鍵階段如下。
- RRC(無線資源控制, Radio Resource Control): 在流水線中負(fù)責(zé)粗粒度配置以及策略相關(guān)方面。RRC運(yùn)行在RAN的控制平面上，不處理用戶平面報(bào)文。
- PDCP(分組數(shù)據(jù)聚合協(xié)議, Packet Data Convergence Protocol): 負(fù)責(zé)對(duì)IP報(bào)頭進(jìn)行壓縮解壓縮、加密和完整性保護(hù)，并做出"早期"轉(zhuǎn)發(fā)決策(即數(shù)據(jù)包是通過流水線發(fā)送到終端還是轉(zhuǎn)發(fā)到另一個(gè)基站)。
- RLC(無線鏈路控制, Radio Link Control): 負(fù)責(zé)分割和重組，通過實(shí)現(xiàn)某種形式的ARQ(自動(dòng)重復(fù)請(qǐng)求, automatic repeat request)實(shí)現(xiàn)可靠發(fā)送/接收。
- MAC(媒體訪問控制, Media Access Control): 負(fù)責(zé)緩沖、多路復(fù)用和解多路復(fù)用，包括什么時(shí)候傳輸哪些分片的實(shí)時(shí)調(diào)度決策。還能夠做出"延遲"轉(zhuǎn)發(fā)決策(即轉(zhuǎn)發(fā)到包括WiFi在內(nèi)的備選載波頻率)。
- PHY(物理層, Physical Layer): 負(fù)責(zé)編碼和調(diào)制，包括前向糾錯(cuò)(FEC)。
圖54中的最后兩個(gè)階段(D/A轉(zhuǎn)換和RF前端)不在本書范圍之內(nèi)。
下一步是理解上面概述的功能是如何在物理組件之間劃分的，從而實(shí)現(xiàn)集中和分布式部署的"分割"。歷史上主流實(shí)現(xiàn)是"不分割"，如圖54所示的整個(gè)流水線在一個(gè)基站中運(yùn)行。展望未來，3GPP標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)被擴(kuò)展到允許多個(gè)分割點(diǎn)，圖55所示的分割正在由運(yùn)營(yíng)商領(lǐng)導(dǎo)的O-RAN (Open RAN)聯(lián)盟所積極推動(dòng)，這也是本章其余部分所采用的方法。
結(jié)果就是產(chǎn)生了類似于圖56所示的RAN范圍的配置，有一個(gè)運(yùn)行在云上的中央單元(CU, Central Unit) 服務(wù)于多個(gè)分布式單元(DU, Distributed Unit) ，每個(gè)DU又服務(wù)于多個(gè)無線電單元(RU, Radio Unit) 。關(guān)鍵是，RRC(集中在CU中)只負(fù)責(zé)近實(shí)時(shí)的配置和控制決策，而MAC階段的調(diào)度器負(fù)責(zé)所有實(shí)時(shí)調(diào)度決策。
由于無線傳輸?shù)恼{(diào)度決策是由MAC層實(shí)時(shí)做出的，不能根據(jù)過時(shí)的信道信息做出調(diào)度決策，因此DU需要在管理的RU"附近"(在1ms時(shí)延內(nèi))，常見配置是在同一個(gè)鐵塔上部署DU和RU。但是當(dāng)一個(gè)RU對(duì)應(yīng)一個(gè)小扇區(qū)，許多RU分布在一個(gè)中等大小的地理區(qū)域(例如，商場(chǎng)、校園或工廠)，那么一個(gè)DU可能會(huì)服務(wù)于多個(gè)RU。5G毫米波技術(shù)的采用可能會(huì)使后者更加普遍。
9.3.2 RAN智能控制器(RAN Intelligent Controller)
RRC在圖54中顯示為基站的一部分，在圖55中顯示為CU的一部分，代表RAN的控制平面。因?yàn)榭刂茮Q策是集中制定的，因此CU的配置可以自然映射到SDN，但其目標(biāo)不僅僅是重新創(chuàng)建RRC功能的傳統(tǒng)集合，還想為引入額外的控制功能鋪平道路。為此，SD-RAN采用了一種與其他領(lǐng)域中使用的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)/控制應(yīng)用程序架構(gòu)相平行的設(shè)計(jì)(并在本書中進(jìn)行了描述)。
其結(jié)果是圖57所示的設(shè)計(jì)，其中RAN智能控制器(RIC, RAN Intelligent Controller) 是O-RAN架構(gòu)文檔所稱的集中式SDN控制器(因此我們?cè)诮酉聛淼挠懻撝胁捎昧诉@個(gè)術(shù)語)。"近實(shí)時(shí)"限定符表示RIC是CU中實(shí)現(xiàn)的10-100毫秒控制回路的一部分，而不是運(yùn)行在DU中的MAC調(diào)度器所需的1毫秒控制回路。
如果進(jìn)一步深入進(jìn)去，圖58顯示了基于ONOS的SD-RAN用例示例。最值得注意的是，基于ONOS的RIC支持一組特定于RAN的北向和南向接口，原則上(但不是細(xì)節(jié)上)類似于前面章節(jié)描述的接口(例如，gNMI, gNOI, OpenFlow)。我們將在下一小節(jié)討論這些接口。
基于ONOS的RIC利用了第6章中描述的拓?fù)浞?wù)，但也引入了兩個(gè)新服務(wù): Control和Telemetry。建立在Atomix鍵/值存儲(chǔ)基礎(chǔ)上的Control Service管理所有基站和用戶設(shè)備的控制狀態(tài)，包括哪個(gè)基站為每個(gè)用戶設(shè)備服務(wù)，以及可以連接設(shè)備的"潛在鏈接"集。Telemetry Service建立在時(shí)間序列數(shù)據(jù)庫(TSDB, Time Series Database) 的基礎(chǔ)上，跟蹤RAN組件報(bào)告的鏈接質(zhì)量信息。各種控制應(yīng)用程序分析這些數(shù)據(jù)，并就RAN如何才能最好的滿足其數(shù)據(jù)交付目標(biāo)做出明智決策。
圖58中的示例Control Apps (xApps)包含了一系列的可能性，但這并不是詳盡列表。這些功能(鏈路聚合控制、干擾管理、負(fù)載均衡和切換控制)目前由僅具有局部可見性的單個(gè)基站實(shí)現(xiàn)，但它們具有全局影響。SDN方案是集中收集可用的輸入數(shù)據(jù)，做出全局最優(yōu)決策，然后將各自的控制參數(shù)推回基站執(zhí)行。
O-RAN聯(lián)盟
自3G以來，一直由3GPP (3rd Generation Partnership Project)負(fù)責(zé)移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)化，O-RAN (Open-RAN Alliance)是由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商組成的聯(lián)盟，定義了基于SDN的5G實(shí)施戰(zhàn)略。
考慮到3GPP已經(jīng)是負(fù)責(zé)全球蜂窩網(wǎng)絡(luò)互操作性的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，為什么還會(huì)有O-RAN聯(lián)盟？答案是，隨著時(shí)間的推移，3GPP已經(jīng)成為由供應(yīng)商主導(dǎo)的組織。O-RAN是由網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商創(chuàng)立的(AT&T和中國(guó)移動(dòng)是創(chuàng)始成員)，其目標(biāo)是推動(dòng)基于軟件的實(shí)現(xiàn)，以打破當(dāng)今市場(chǎng)供應(yīng)商的壟斷。
更具體來說，3GPP定義了可能的RAN解耦點(diǎn)，而O-RAN指定(并編纂)相應(yīng)的接口。特別是E2接口，是圍繞支持不同服務(wù)模型的思想構(gòu)建的，是這個(gè)策略的核心。運(yùn)營(yíng)商是否能成功實(shí)現(xiàn)最終目標(biāo)還有待觀察。
9.3.3 RIC接口
回到圖58中提到的三個(gè)接口，每個(gè)接口的用途都類似于前面章節(jié)中描述的接口。前兩個(gè)，A1和E2，正朝著O-RAN標(biāo)準(zhǔn)化的方向發(fā)展。第三種是圖58中所示的xApp SDK，盡管O-RAN的長(zhǎng)期目標(biāo)是聚合在統(tǒng)一的API(和相應(yīng)的SDK)上，但當(dāng)前是基于ONOS實(shí)現(xiàn)的(概念上類似于Flow Objectives)。
A1接口為移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的管理平面(通常被稱為OSS/BSS(運(yùn)營(yíng)支持系統(tǒng)/業(yè)務(wù)支持系統(tǒng)))提供了配置RAN的方法。到目前為止，我們還沒有討論通信OSS/BSS，但可以肯定的是，這樣的組件位于任何通信軟件棧的頂部，是操作網(wǎng)絡(luò)所需的所有配置設(shè)置和業(yè)務(wù)邏輯的源頭，可以把它看作是gNMI/gNOI在RAN中的對(duì)應(yīng)組件。
Near-RT RIC使用E2接口來控制底層的RAN組件(包括CU、DU和RU)，可以將它看作OpenFlow在RAN中的對(duì)應(yīng)組件。E2接口的要求是能夠?qū)ear-RT RIC連接不同供應(yīng)商的不同類型的RAN組件。這個(gè)要求反映在圍繞服務(wù)模型(Service Model) 抽象的API中，其思想是每個(gè)RAN組件都發(fā)布一個(gè)服務(wù)模型，定義該組件能夠支持的RAN功能集，RIC對(duì)這個(gè)服務(wù)模型發(fā)出以下四種操作的組合。
- 報(bào)告(Report): RIC要求組件報(bào)告特定功能的配置值。
- 插入(Insert): RIC指示組件激活某個(gè)用戶平面功能。
- 控制(Control): RIC指示組件激活某個(gè)控制平面功能。
- 策略(Policy): RIC設(shè)置某個(gè)已激活功能的策略參數(shù)。
當(dāng)然，可以被激活的相關(guān)功能、可以報(bào)告的變量以及可以設(shè)置的測(cè)量都是RAN組件通過其發(fā)布的服務(wù)模型定義的。
綜上所述，A1和E2接口完成了RAN的三個(gè)主要控制回路中的兩個(gè): 外部(非實(shí)時(shí))回路以Non-RT RIC為控制點(diǎn)，中間(近實(shí)時(shí))回路以Near-RT RIC為控制點(diǎn)。第三個(gè)(內(nèi)部)控制回路，在圖58中沒有顯示，它運(yùn)行在DU內(nèi)部，包括實(shí)時(shí)調(diào)度器，嵌入在RAN流水線的MAC階段。兩個(gè)外控制回路大概的時(shí)間邊界分別為>> 1s和>10 ms，并假設(shè)實(shí)時(shí)控制回路<1 ms。
Near-RT RIC打開了引入基于策略的RAN控制的可能性，因此，如果運(yùn)營(yíng)商定義的策略發(fā)生了中斷(異常)，表明需要外部回路的參與。例如，可以想象開發(fā)基于學(xué)習(xí)的控件，這些控件的推理引擎將作為應(yīng)用程序運(yùn)行在Near-RT RIC，而非實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)引擎可以在其他地方運(yùn)行。然后，Non-RT RIC與Near-RT RIC交互，通過A1接口從管理平面向Near-RT RIC交付相關(guān)操作策略。
最后，xApp SDK原則上是Flow Objectives在RAN中的對(duì)應(yīng)組件，是基于ONOS實(shí)現(xiàn)的，目前僅僅作為E2接口的"透?jìng)?，這意味著xApps必須知道可用的服務(wù)模型。這是有問題的，因?yàn)殡[式的將應(yīng)用程序與設(shè)備耦合了起來，但定義與設(shè)備無關(guān)的版本還在進(jìn)行中。
9.4 SD-Fabric的角色
正如本章前面所概述的那樣，PON和RAN都配有IP網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)增強(qiáng)了特定的接入特性。位于運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)邊緣的網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)對(duì)用戶訪問進(jìn)行授權(quán)，區(qū)分向用戶提供的服務(wù)級(jí)別，并向用戶收費(fèi)。當(dāng)用戶從一個(gè)基站移動(dòng)到另一個(gè)基站時(shí)，移動(dòng)核心網(wǎng)還承擔(dān)了跟蹤移動(dòng)性的額外責(zé)任。
這些附加功能大部分運(yùn)行在控制平面(甚至管理平面)中，數(shù)據(jù)平面的行為與任何其他L3網(wǎng)絡(luò)非常相似，這意味著數(shù)據(jù)平面可以通過前面章節(jié)中看到的機(jī)制實(shí)現(xiàn)，或者更具體的說，通過第7章中描述的SD-Fabric解決方案實(shí)現(xiàn)，但需要考慮這兩種特定接入技術(shù)，以及對(duì)SD-Fabric的影響。
將PON連接到Internet的BNG有供應(yīng)商定義的控制/管理平面，因此不需要行業(yè)范圍的標(biāo)準(zhǔn)。數(shù)據(jù)平面需要支持Q-in-Q標(biāo)簽作為區(qū)分訂戶服務(wù)的機(jī)制，這是SD-Fabric提供此功能的原因之一。這意味著圖53中所示的fabric交換機(jī)與圖13(來自第2章)和圖39(來自第7章)中所示的fabric交換機(jī)完全相同。換句話說，SD-Fabric既將OLT連接到互聯(lián)網(wǎng)，又將一組承載BNG控制和管理功能(以及運(yùn)營(yíng)商希望在邊緣運(yùn)行的任何其他VNF)的服務(wù)器連接起來。
將RAN連接到互聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)核心網(wǎng)是由3GPP標(biāo)準(zhǔn)化的，這使它成為了定義良好的示例(只在高層架構(gòu)討論，完整的3GPP規(guī)范遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了本書范圍)。圖59給出了架構(gòu)概述，確定了組成5G移動(dòng)核心網(wǎng)的功能塊。
從這個(gè)圖中可以看到，UPF(用戶平面功能, User Plane Function) 實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)平面(3GPP稱之為用戶平面)。其他所有功能都是控制平面功能，其中AMF負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理，SMF負(fù)責(zé)會(huì)話管理，AUSF負(fù)責(zé)身份驗(yàn)證。所有其他功能塊都對(duì)應(yīng)于低級(jí)流程，AMF、SMF和AUSF調(diào)用這些流程來完成工作，但就我們的目的而言，可以將整個(gè)功能塊視為運(yùn)行在商業(yè)服務(wù)器上的微服務(wù)。關(guān)于移動(dòng)核心網(wǎng)控制平面的更多細(xì)節(jié)，以及具體實(shí)現(xiàn)選擇的示例，我們推薦Magma和SD-Core開源項(xiàng)目。
延伸閱讀:
Magma Core Project. Linux Foundation. 2021.
SD-Core Project. Open Networking Foundation. 2021.
對(duì)于我們的討論來說，重要的是UPF也可以作為服務(wù)器托管的微服務(wù)來實(shí)現(xiàn)，就像任何基于軟件的路由器一樣。由于可以訪問可編程交換網(wǎng)絡(luò)，可以將該功能轉(zhuǎn)移到交換機(jī)上。這正是7.4節(jié)中fabric.p4的upf擴(kuò)展所做的事情。
但除了轉(zhuǎn)發(fā)IP數(shù)據(jù)包之外，還有什么額外的功能呢？UPF執(zhí)行三個(gè)額外的任務(wù)。首先，封裝/解封裝和基站之間通信的數(shù)據(jù)包，這些是GTP-over-UDP/IP封裝的數(shù)據(jù)包。其次，根據(jù)運(yùn)營(yíng)商希望提供的不同QoS級(jí)別對(duì)數(shù)據(jù)包進(jìn)行排隊(duì)。這兩項(xiàng)任務(wù)都可以在P4和底層可編程交換機(jī)中直接實(shí)現(xiàn)。第三個(gè)任務(wù)是"保存"發(fā)送到最近發(fā)生移動(dòng)的終端的數(shù)據(jù)包，以便在相應(yīng)的會(huì)話狀態(tài)轉(zhuǎn)換期間沒有數(shù)據(jù)包被丟棄。這不是現(xiàn)在P4交換機(jī)所能支持的。因此，交換機(jī)會(huì)臨時(shí)將這些數(shù)據(jù)包重定向到服務(wù)器上進(jìn)行保存和重放，或者重定向到連接到這些服務(wù)器的SmartNIC上。MacDavid和他的同事介紹了更詳細(xì)的機(jī)制。
延伸閱讀:
R. MacDavid, et al. A P4-based 5G User Plane Function. ACM SOSR. September 2021.
從討論中我們得到的主要結(jié)論是，接入網(wǎng)和交換網(wǎng)是SDN的互補(bǔ)用例，可以協(xié)同工作。交換網(wǎng)不僅將承載接入網(wǎng)控制平面功能的服務(wù)器(包括RIC和xApps)連接起來，而且還代表接入網(wǎng)運(yùn)行某些數(shù)據(jù)平面功能。當(dāng)所有這些用例結(jié)合起來時(shí)，最終的結(jié)果是邊緣接入云(access-edge cloud) :一個(gè)中等大小的由商用服務(wù)器和交換機(jī)構(gòu)建的集群，部署在企業(yè)和其他邊緣站點(diǎn)中，能夠承載接入網(wǎng)工作負(fù)載和邊緣服務(wù)工作負(fù)載。Aether就是這種邊緣云的開源示例，它將SD-Fabric、SD-RAN和SD-Core組合在自包含的包中，可以在企業(yè)中部署，并作為云服務(wù)進(jìn)行管理。
延伸閱讀:
Aether: 5G-Connected Edge. Open Networking Foundation. 2021.
你好，我是俞凡，在Motorola做過研發(fā)，現(xiàn)在在Mavenir做技術(shù)工作，對(duì)通信、網(wǎng)絡(luò)、后端架構(gòu)、云原生、DevOps、CICD、區(qū)塊鏈、AI等技術(shù)始終保持著濃厚的興趣，平時(shí)喜歡閱讀、思考，相信持續(xù)學(xué)習(xí)、終身成長(zhǎng)，歡迎一起交流學(xué)習(xí)。
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