基于SDN/NFV技術(shù)的IP城域網(wǎng)演進(jìn)方案研究

【摘要】針對傳統(tǒng)運(yùn)營商IP城域網(wǎng)在網(wǎng)絡(luò)效率、應(yīng)用管理和業(yè)務(wù)處理等方面中存在的問題，分析了對傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)、管理和業(yè)務(wù)三個層面進(jìn)行云化和智能化調(diào)整的必要性�；�于軟件定義網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，提出了對傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整和重構(gòu)的總體部署方法，最后針對架構(gòu)中的業(yè)務(wù)控制層設(shè)備和通用交換網(wǎng)絡(luò)這大兩方面，給出了演進(jìn)的方案策略。

【關(guān)鍵詞】IP城域網(wǎng)；軟件定義網(wǎng)絡(luò)；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；交織矩陣

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.53 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00

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Research on the Evolution of IP MAN Based on SDN/NFV

HUANG Zhijun, FENG Mingneng, LIU Lu

(China Information Technology Design &Consulting Institute Guangdong Branch, Guangzhou 510627, China)

[Abstract] Aiming at the problems existing in traditional Carrier’s IP MAN in terms of network efficiency, application management and business processing, this paper analyzes the necessity of cloud computing and intelligent management. Based on SDN/NFV technology, it proposes a general deployment method for network adjustment and reconstruction of traditional IP MAN, and finally some evolution strategies are presented in view of the two aspects of BNG and General Exchange Network in the architecture.

[Key words] IP MAN; SDN; NFV; interleaving matrix

1 引言

隨著信息時代的飛速發(fā)展，特別是5G和萬物互聯(lián)時代的到來，社會信息化水平不斷提高，用戶和業(yè)務(wù)類型數(shù)量爆炸式增長，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)越來越無法適應(yīng)業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。數(shù)據(jù)處理的高速化、網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化、云資源池化和網(wǎng)絡(luò)管理的智能化是下一代網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的方向。IP城域網(wǎng)作為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)中的重要組成部分，將面臨很大的挑戰(zhàn)。

本文從運(yùn)營商現(xiàn)有傳統(tǒng)的IP城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)面臨的問題和挑戰(zhàn)出發(fā)，提出了引入軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN, Software Defined Network）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV, Network Function Virtualization）技術(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的重要性，并就新型IP城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)方法和演進(jìn)策略進(jìn)行了深入的研究和探討。

2 運(yùn)營商IP城域網(wǎng)的基本現(xiàn)狀及問題

運(yùn)營商現(xiàn)有的傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一般如圖1所示：

圖1 傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)三層結(jié)構(gòu)

現(xiàn)有的IP城域網(wǎng)普遍采用分層結(jié)構(gòu)，包括核心層、業(yè)務(wù)控制層和大二層匯聚層等三層結(jié)構(gòu)。核心層一般由一對功能強(qiáng)大的核心路由器組成，用于轉(zhuǎn)發(fā)管理。業(yè)務(wù)控制層由寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（BRAS）、全業(yè)務(wù)路由器（SR）等寬帶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)控制設(shè)備（BNG）設(shè)備組成，用于完成寬帶用戶或?qū)＞�用戶的數(shù)據(jù)接入、認(rèn)證、計費(fèi)及管理轉(zhuǎn)發(fā)等功能。大二層匯聚層由接入交換機(jī)組成，用于接入用戶，完成用戶數(shù)據(jù)上傳�，F(xiàn)有的IP城域網(wǎng)層級架構(gòu)比較清晰，但同時也面臨著很多的問題，需要進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)重構(gòu)解決。

（1）BNG設(shè)備頻繁分裂及擴(kuò)容。隨著5G時代和萬物互聯(lián)時代的到來，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)量及用戶帶寬將呈爆發(fā)式增長，可預(yù)見，現(xiàn)有IP城域網(wǎng)的設(shè)備存在著處理能力及鏈路帶寬嚴(yán)重不足的問題，特別是業(yè)務(wù)控制層的BNG設(shè)備將面臨著頻繁和大規(guī)模地分裂及擴(kuò)容。

（2）資源利用率低下。傳統(tǒng)的IP城域網(wǎng)內(nèi)部，如BNG業(yè)務(wù)控制路由器設(shè)備、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（CDN）服務(wù)器等是按地市的匯聚區(qū)進(jìn)行劃分和設(shè)置的。不同區(qū)域間的設(shè)備相對獨立，資源相對隔離。在這種模式下，不同區(qū)域的資源無法得到共享，資源利用率低下。

（3）網(wǎng)絡(luò)管理能力差。傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)配置自動化性能差，缺乏靈活的業(yè)務(wù)配置能力。動態(tài)網(wǎng)絡(luò)帶寬的分配能力差，無法快速地根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行鏈路帶寬的調(diào)整。網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維響應(yīng)速度慢，無法快速地進(jìn)行隱患診斷和網(wǎng)絡(luò)修復(fù)。

（4）投資成本高。專用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備擴(kuò)容成本居高不小，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及性能提升受到成本的制約。

（5）業(yè)務(wù)處理能力不足�，F(xiàn)網(wǎng)無法很好地滿足保障不同業(yè)務(wù)在時延、帶寬和優(yōu)先級等方面的差異化需求，新業(yè)務(wù)的部署周期長，難以快速支持業(yè)務(wù)的創(chuàng)新和響應(yīng)市場的發(fā)展。

3 IP城域網(wǎng)的發(fā)展思路及調(diào)整策略

由于受傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及技術(shù)的限制，現(xiàn)有運(yùn)營商的IP城域網(wǎng)面臨的問題日益嚴(yán)峻，急需引入新技術(shù)對原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)行調(diào)整和重構(gòu)，以保證健全和可持續(xù)發(fā)展的需要。

以SDN、NFV為助力，構(gòu)建云化和智能化的IP城域網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)升級轉(zhuǎn)型，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力和降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營成本，實現(xiàn)高效、彈性的業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)，是IP城域網(wǎng)發(fā)展演進(jìn)的必然方向，如圖2所示：

圖2 IP城域網(wǎng)云化和智能化的發(fā)展演進(jìn)方向

部署總體思路：實現(xiàn)IP城域網(wǎng)的重構(gòu)，主要是對其架構(gòu)、業(yè)務(wù)和管理三個層面進(jìn)行云化和智能化。

架構(gòu)云化：通過實現(xiàn)架構(gòu)云化，能提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中BNG設(shè)備頻繁分裂和擴(kuò)容的問題。在通用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)上，通過引入云交換矩陣，實現(xiàn)從單一南北流量到任意方向流量的轉(zhuǎn)變，從而提高鏈路帶寬的利用率；通過引入NFV技術(shù)，虛擬化網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能共享，提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性，提高設(shè)備資源的利用率，減少分裂擴(kuò)容BNG設(shè)備，節(jié)約網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投資成本。

業(yè)務(wù)云化：通過實現(xiàn)業(yè)務(wù)云化，解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中業(yè)務(wù)處理能力不足的問題。通過提供網(wǎng)絡(luò)、IO及存儲等云計算資源，提供面向用戶業(yè)務(wù)的分布式虛擬化應(yīng)用，實現(xiàn)資源共享和動態(tài)靈活的擴(kuò)展，加快業(yè)務(wù)開通，提高效率和縮短業(yè)務(wù)部署周期。

管理智能化：通過實現(xiàn)管理智能化能解決網(wǎng)絡(luò)管理能力差、運(yùn)維響應(yīng)速度慢等問題。通過引入SDN，對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行智能化管控，通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面和數(shù)據(jù)面的分離、開放的北向接口，實現(xiàn)彈性的網(wǎng)絡(luò)流量管理，實現(xiàn)靈活和自動化的網(wǎng)絡(luò)控制，保障業(yè)務(wù)快速響應(yīng)。

3.1 SDN/NFV的部署

越來越龐大的網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增加了運(yùn)維、管理的復(fù)雜度，給運(yùn)維、管理帶來了壓力。流量方向的靈活性、業(yè)務(wù)種類的多樣性，也使得對運(yùn)維的要求越來越高。通過引入SDN智能化管理系統(tǒng)，可以提升用戶的應(yīng)用體驗，實現(xiàn)云化管理，提供可視化的運(yùn)維功能，提供智能化的管理功能，提供靈活、彈性的帶寬，保證數(shù)據(jù)的低時延和高安全性。SDN的架構(gòu)圖如圖3所示：

圖3 SDN架構(gòu)圖

SDN架構(gòu)提供了開放的北向接口，帶來創(chuàng)新環(huán)境，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)軟件可定義功能；集中式的控制器可實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化，實現(xiàn)一網(wǎng)多能，推動業(yè)務(wù)的創(chuàng)新；SDN可提供優(yōu)質(zhì)的端到端的解決方案，便于組建大型網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)異廠家、不同設(shè)備類型的混合組網(wǎng)。同時開放的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備歸一化，極大地降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

NFV采用虛擬化技術(shù)，將傳統(tǒng)電信設(shè)備的軟件與硬件進(jìn)行解耦，基于通用計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)功能，提升管理和維護(hù)效率，增強(qiáng)系統(tǒng)靈活性，解決了現(xiàn)有專用通信設(shè)備造價昂貴、效率低下、更新?lián)Q代不靈活等問題。初期考慮在IP城域網(wǎng)的匯聚層引入NFV，通過改造或引入X86架構(gòu)體系，在通用硬件上部署虛擬寬帶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)控制設(shè)備（vBGN）和虛擬內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)（vCDN）設(shè)備等產(chǎn)品，逐步實現(xiàn)設(shè)備集中化、虛擬化和池化。

通過實現(xiàn)基于SDN/NFV技術(shù)的新型IP城域網(wǎng)結(jié)構(gòu)，可將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的控制管理從設(shè)備網(wǎng)絡(luò)層面轉(zhuǎn)移到架構(gòu)管理云中，實現(xiàn)了從分散管理到集中管理、從本地管理到遠(yuǎn)程管理的轉(zhuǎn)變，并實現(xiàn)靈活的業(yè)務(wù)調(diào)度，加速新業(yè)務(wù)的開通，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力的開放。重構(gòu)后的IP城域網(wǎng)架構(gòu)圖如圖4所示，包括三大部分：SDN控制部分，云化資源池部分及通用交換網(wǎng)絡(luò)部分。

圖4 重構(gòu)后的新型IP城域網(wǎng)架構(gòu)圖

基于SDN/NFV技術(shù)重構(gòu)后的IP城域網(wǎng)有著極大的優(yōu)勢。通過實現(xiàn)業(yè)務(wù)云化、架構(gòu)云化和控制智能化，可提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用率，增強(qiáng)整體網(wǎng)絡(luò)的靈活性，降低建設(shè)及運(yùn)維成本，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理和業(yè)務(wù)的快速響應(yīng)和開通，實現(xiàn)IP城域網(wǎng)的重構(gòu)升級。

3.2 網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)策略

（1）vBRAS的演進(jìn)策略

傳統(tǒng)的IP城域網(wǎng)中，BRAS設(shè)備存在造價昂貴、資源利用率低、無法復(fù)用和更新?lián)Q代慢等問題。對BRAS設(shè)備進(jìn)行虛擬化，使用X86服務(wù)器實現(xiàn)BRAS設(shè)備網(wǎng)絡(luò)功能，可以降本增效，實現(xiàn)資源靈活復(fù)用。

傳統(tǒng)的BRAS主要可通過2種方式實現(xiàn)虛擬化：轉(zhuǎn)發(fā)與控制統(tǒng)一方式；轉(zhuǎn)發(fā)與控制分離方式。如圖5所示。

圖5 BNG兩種演進(jìn)方式

第一種方式采用標(biāo)準(zhǔn)x86服務(wù)器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，轉(zhuǎn)發(fā)與控制面均集中部署在通用x86服務(wù)器上，將vBRAS作為一個整體。該方式已經(jīng)過較為成熟的驗證，操作易于實現(xiàn)，但這種方式存在的難點是x86服務(wù)器中的轉(zhuǎn)發(fā)性能不足。

第二種方式采用標(biāo)準(zhǔn)x86服務(wù)器實現(xiàn)控制面功能，轉(zhuǎn)發(fā)面根據(jù)采用的設(shè)備類型不同，又分為專用轉(zhuǎn)發(fā)面和通用轉(zhuǎn)發(fā)面2條路線。在專用轉(zhuǎn)發(fā)面下，現(xiàn)有的BRAS設(shè)備可改造用于構(gòu)建通用交換網(wǎng)絡(luò)。通用轉(zhuǎn)發(fā)面則使用通用轉(zhuǎn)發(fā)硬件如x86服務(wù)器進(jìn)行構(gòu)建，這種方式可完成精細(xì)化的業(yè)務(wù)及流量控制。

在運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)里面，vBRAS控制面定位為用戶控制管理部件，負(fù)責(zé)用戶接入管理、認(rèn)證計費(fèi)、用戶會話及策略管理等，建議全省集中部署。將BRAS控制面集中后，安全性和穩(wěn)定性要求更高，建議通過部署容災(zāi)備份提升網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性。vBRAS的轉(zhuǎn)發(fā)面定位為網(wǎng)絡(luò)邊緣及用戶策略執(zhí)行部件，負(fù)責(zé)流量轉(zhuǎn)發(fā)及用戶流量控制等，建議部署在地市的核心或匯聚機(jī)房。如圖6所示：

圖6 運(yùn)營商vBRAS部署思路及架構(gòu)

（2）通用交換網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)策略

傳統(tǒng)的IP城域網(wǎng)中，每條從接入點到核心層CR的鏈路都是獨立的，接入點之間沒有任何關(guān)系。這種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)適用于互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)業(yè)務(wù)，這種業(yè)務(wù)是單一獨立的南北向流量。由于存在業(yè)務(wù)的多樣性、網(wǎng)絡(luò)資源的復(fù)用需求和資源池間互聯(lián)等需求，業(yè)務(wù)流量將從傳統(tǒng)的南北向流量往東西向流量轉(zhuǎn)變。為滿足該需求，在云化IP城域網(wǎng)架構(gòu)中引入通用交換網(wǎng)絡(luò)是必然。

在基于SDN/NFV技術(shù)重構(gòu)后的IP城域網(wǎng)中，將通用交換網(wǎng)絡(luò)定位為一整張大網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備只用做轉(zhuǎn)發(fā)，簡化了設(shè)備的功能，降低了設(shè)備的造價。通用交換網(wǎng)絡(luò)有更高的可達(dá)性要求，交織矩陣（Interleaving Matrix）的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為建設(shè)通用交換網(wǎng)絡(luò)提供了一個重要的思路。

交織矩陣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)內(nèi)部鏈路縱橫交錯，可通過網(wǎng)絡(luò)節(jié)點間分層互聯(lián)（或全互聯(lián)）的方式，提供所有接入網(wǎng)絡(luò)各類節(jié)點間的無差異互訪。交織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖7所示：

圖7 交織網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

在交織矩陣網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，所有節(jié)點全互聯(lián)或分層互聯(lián)。分層結(jié)構(gòu)下節(jié)點包含骨干節(jié)點和邊界節(jié)點，骨干節(jié)點與邊界節(jié)點間全連接，骨干節(jié)點僅用作轉(zhuǎn)發(fā)。在這種架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)交織形成的大量等價路徑既保證了鏈路的冗余可靠，又提高了整個網(wǎng)絡(luò)的吞吐量。扁平的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)保證了任意節(jié)點間較高的連接速率，同時對任意類型流量均擁有極低的時延。

交織矩陣網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)做成了一個大的交換資源池，實現(xiàn)了交換能力的共享。不同區(qū)域的虛擬化的業(yè)務(wù)服務(wù)器可通過接入到該網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，成為云化資源池的一部分。

重構(gòu)后IP城域網(wǎng)的通用交換網(wǎng)絡(luò)優(yōu)點非常明顯，可以實現(xiàn)高速轉(zhuǎn)發(fā)，提高鏈路的利用率，大幅降低網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本，提高網(wǎng)絡(luò)管理運(yùn)維的效率。傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)下，流量是南北流向的，對業(yè)務(wù)節(jié)點及控制路由器的接入有位置要求。在新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)下，交織矩陣結(jié)構(gòu)將網(wǎng)絡(luò)做成了一個功能強(qiáng)大的轉(zhuǎn)發(fā)資源池，在這個池子里面不再局限于南北流量，可以有任意方向的流量。在這個架構(gòu)下，服務(wù)器可靈活接入轉(zhuǎn)發(fā)資源池，并可被靈活地利用。

為實現(xiàn)新型IP城域網(wǎng)架構(gòu)，搭建通用交換網(wǎng)絡(luò)，初期階段可充分考慮利用城域網(wǎng)的BRAS、大二層交換機(jī)以及傳輸網(wǎng)的分組傳送網(wǎng)絡(luò)（UTN）設(shè)備和MSTP設(shè)備等，后期逐漸向通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備過渡。

4 結(jié)束語

SDN/NFV技術(shù)已被驗證為新型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)基礎(chǔ)，基于SDN/NFV技術(shù)對IP城域網(wǎng)進(jìn)行重構(gòu)的意義非常重大。本文提出了對傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)調(diào)整和重構(gòu)的總體部署方法，并針對架構(gòu)中的業(yè)務(wù)控制層設(shè)備和通用交換網(wǎng)絡(luò)這大兩方面，給出了演進(jìn)的方案策略。分析表明，通過架構(gòu)云化、業(yè)務(wù)云化和控制智能化能實現(xiàn)高效智能的網(wǎng)絡(luò)，更有利于網(wǎng)絡(luò)維護(hù)、降本增效、靈活快速地響應(yīng)及引入新業(yè)務(wù)。這是一種全新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和架構(gòu)，能很好地解決傳統(tǒng)運(yùn)營商所遇到的問題。構(gòu)建新型IP城域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已成為未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的重要趨勢，但同樣也面臨著許多挑戰(zhàn)，下一階段，將繼續(xù)對如何實現(xiàn)這種新型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究和實踐。

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作者簡介

黃志軍：工程師，碩士畢業(yè)于中山大學(xué)，現(xiàn)任職于中訊郵電咨詢設(shè)計院廣東分公司，從事數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)咨詢設(shè)計工作。

馮銘能：高級工程師，博士畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)任職于中訊郵電咨詢設(shè)計院廣東分公司，從事數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)咨詢設(shè)計工作。

劉璐：工程師，碩士畢業(yè)于暨南大學(xué)，現(xiàn)任職于中訊郵電咨詢設(shè)計院廣東分公司，從事數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)咨詢設(shè)計工作。

作者：黃志軍 馮銘能 劉璐 來源：《移動通信》2018年1月