1、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
2、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
3、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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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(Se
9、gment 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
10、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
11、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，
12、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
13、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
14、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
15、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(
16、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
