基于SDN/NFV技術的IP城域網(wǎng)演進方案研究

【摘要】針對傳統(tǒng)運營商IP城域網(wǎng)在網(wǎng)絡效率、應用管理和業(yè)務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、管理和業(yè)務三個層面進行云化和智能化調(diào)整的必要性�；�于軟件定義網(wǎng)絡和網(wǎng)絡功能虛擬化技術，提出了對傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)進行網(wǎng)絡調(diào)整和重構的總體部署方法，最后針對架構中的業(yè)務控制層設備和通用交換網(wǎng)絡這大兩方面，給出了演進的方案策略。

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

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

引用格式：黃志軍,馮銘能,劉璐. 基于SDN/NFV技術的IP城域網(wǎng)演進方案研究[J]. 移動通信, 2017,42(1): 00-00.

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)務類型數(shù)量爆炸式增長，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡越來越無法適應業(yè)務發(fā)展的需求。數(shù)據(jù)處理的高速化、網(wǎng)絡功能的虛擬化、云資源池化和網(wǎng)絡管理的智能化是下一代網(wǎng)絡發(fā)展的方向。IP城域網(wǎng)作為數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡中的重要組成部分，將面臨很大的挑戰(zhàn)。

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

2 運營商IP城域網(wǎng)的基本現(xiàn)狀及問題

運營商現(xiàn)有的傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)網(wǎng)絡結構一般如圖1所示：

圖1 傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)三層結構

現(xiàn)有的IP城域網(wǎng)普遍采用分層結構，包括核心層、業(yè)務控制層和大二層匯聚層等三層結構。核心層一般由一對功能強大的核心路由器組成，用于轉(zhuǎn)發(fā)管理。業(yè)務控制層由寬帶遠程接入服務器（BRAS）、全業(yè)務路由器（SR）等寬帶網(wǎng)絡網(wǎng)關控制設備（BNG）設備組成，用于完成寬帶用戶或?qū)＞�用戶的數(shù)據(jù)接入、認證、計費及管理轉(zhuǎn)發(fā)等功能。大二層匯聚層由接入交換機組成，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)層級架構比較清晰，但同時也面臨著很多的問題，需要進行網(wǎng)絡架構重構解決。

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

（2）資源利用率低下。傳統(tǒng)的IP城域網(wǎng)內(nèi)部，如BNG業(yè)務控制路由器設備、內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（CDN）服務器等是按地市的匯聚區(qū)進行劃分和設置的。不同區(qū)域間的設備相對獨立，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)絡管理能力差。傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)的網(wǎng)絡配置自動化性能差，缺乏靈活的業(yè)務配置能力。動態(tài)網(wǎng)絡帶寬的分配能力差，無法快速地根據(jù)網(wǎng)絡情況進行鏈路帶寬的調(diào)整。網(wǎng)絡運維響應速度慢，無法快速地進行隱患診斷和網(wǎng)絡修復。

（4）投資成本高。專用的網(wǎng)絡設備擴容成本居高不小，網(wǎng)絡建設及性能提升受到成本的制約。

（5）業(yè)務處理能力不足�，F(xiàn)網(wǎng)無法很好地滿足保障不同業(yè)務在時延、帶寬和優(yōu)先級等方面的差異化需求，新業(yè)務的部署周期長，難以快速支持業(yè)務的創(chuàng)新和響應市場的發(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)絡架構及技術的限制，現(xiàn)有運營商的IP城域網(wǎng)面臨的問題日益嚴峻，急需引入新技術對原有網(wǎng)絡架構進行調(diào)整和重構，以保證健全和可持續(xù)發(fā)展的需要。

以SDN、NFV為助力，構建云化和智能化的IP城域網(wǎng)，實現(xiàn)網(wǎng)絡升級轉(zhuǎn)型，提升網(wǎng)絡服務能力和降低網(wǎng)絡運營成本，實現(xiàn)高效、彈性的業(yè)務網(wǎng)絡，是IP城域網(wǎng)發(fā)展演進的必然方向，如圖2所示：

圖2 IP城域網(wǎng)云化和智能化的發(fā)展演進方向

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

架構云化：通過實現(xiàn)架構云化，能提高網(wǎng)絡資源利用率，解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡中BNG設備頻繁分裂和擴容的問題。在通用的網(wǎng)絡基礎架構上，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，虛擬化網(wǎng)絡設備，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備功能共享，提高網(wǎng)絡的靈活性，提高設備資源的利用率，減少分裂擴容BNG設備，節(jié)約網(wǎng)絡建設的投資成本。

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

管理智能化：通過實現(xiàn)管理智能化能解決網(wǎng)絡管理能力差、運維響應速度慢等問題。通過引入SDN，對網(wǎng)絡進行智能化管控，通過網(wǎng)絡設備控制面和數(shù)據(jù)面的分離、開放的北向接口，實現(xiàn)彈性的網(wǎng)絡流量管理，實現(xiàn)靈活和自動化的網(wǎng)絡控制，保障業(yè)務快速響應。

3.1 SDN/NFV的部署

越來越龐大的網(wǎng)絡規(guī)模增加了運維、管理的復雜度，給運維、管理帶來了壓力。流量方向的靈活性、業(yè)務種類的多樣性，也使得對運維的要求越來越高。通過引入SDN智能化管理系統(tǒng)，可以提升用戶的應用體驗，實現(xiàn)云化管理，提供可視化的運維功能，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的架構圖如圖3所示：

圖3 SDN架構圖

SDN架構提供了開放的北向接口，帶來創(chuàng)新環(huán)境，實現(xiàn)網(wǎng)絡軟件可定義功能；集中式的控制器可實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的虛擬化，實現(xiàn)一網(wǎng)多能，推動業(yè)務的創(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，實現(xiàn)異廠家、不同設備類型的混合組網(wǎng)。同時開放的網(wǎng)絡結構可使網(wǎng)絡設備歸一化，極大地降低網(wǎng)絡建設成本。

NFV采用虛擬化技術，將傳統(tǒng)電信設備的軟件與硬件進行解耦，基于通用計算、存儲、網(wǎng)絡設備實現(xiàn)電信網(wǎng)絡功能，提升管理和維護效率，增強系統(tǒng)靈活性，解決了現(xiàn)有專用通信設備造價昂貴、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架構體系，在通用硬件上部署虛擬寬帶網(wǎng)絡網(wǎng)關控制設備（vBGN）和虛擬內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡（vCDN）設備等產(chǎn)品，逐步實現(xiàn)設備集中化、虛擬化和池化。

通過實現(xiàn)基于SDN/NFV技術的新型IP城域網(wǎng)結構，可將傳統(tǒng)網(wǎng)絡的控制管理從設備網(wǎng)絡層面轉(zhuǎn)移到架構管理云中，實現(xiàn)了從分散管理到集中管理、從本地管理到遠程管理的轉(zhuǎn)變，并實現(xiàn)靈活的業(yè)務調(diào)度，加速新業(yè)務的開通，實現(xiàn)網(wǎng)絡能力的開放。重構后的IP城域網(wǎng)架構圖如圖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)絡部分。

圖4 重構后的新型IP城域網(wǎng)架構圖

基于SDN/NFV技術重構后的IP城域網(wǎng)有著極大的優(yōu)勢。通過實現(xiàn)業(yè)務云化、架構云化和控制智能化，可提高網(wǎng)絡資源的利用率，增強整體網(wǎng)絡的靈活性，降低建設及運維成本，實現(xiàn)網(wǎng)絡的統(tǒng)一管理和業(yè)務的快速響應和開通，實現(xiàn)IP城域網(wǎng)的重構升級。

3.2 網(wǎng)絡的演進策略

（1）vBRAS的演進策略

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

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兩種演進方式

第一種方式采用標準x86服務器實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，轉(zhuǎn)發(fā)與控制面均集中部署在通用x86服務器上，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服務器中的轉(zhuǎn)發(fā)性能不足。

第二種方式采用標準x86服務器實現(xiàn)控制面功能，轉(zhuǎn)發(fā)面根據(jù)采用的設備類型不同，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設備可改造用于構建通用交換網(wǎng)絡。通用轉(zhuǎn)發(fā)面則使用通用轉(zhuǎn)發(fā)硬件如x86服務器進行構建，這種方式可完成精細化的業(yè)務及流量控制。

在運營商的網(wǎng)絡里面，vBRAS控制面定位為用戶控制管理部件，負責用戶接入管理、認證計費、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，建議通過部署容災備份提升網(wǎng)絡穩(wěn)定性。vBRAS的轉(zhuǎn)發(fā)面定位為網(wǎng)絡邊緣及用戶策略執(zhí)行部件，負責流量轉(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房。如圖6所示：

圖6 運營商vBRAS部署思路及架構

（2）通用交換網(wǎng)絡的演進策略

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系。這種傳統(tǒng)的網(wǎng)絡結構適用于互聯(lián)網(wǎng)上網(wǎng)業(yè)務，這種業(yè)務是單一獨立的南北向流量。由于存在業(yè)務的多樣性、網(wǎng)絡資源的復用需求和資源池間互聯(lián)等需求，業(yè)務流量將從傳統(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)架構中引入通用交換網(wǎng)絡是必然。

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

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

圖7 交織網(wǎng)絡架構

在交織矩陣網(wǎng)絡架構下，所有節(jié)點全互聯(lián)或分層互聯(lián)。分層結構下節(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)。在這種架構下，網(wǎng)絡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)絡的吞吐量。扁平的網(wǎng)絡結構保證了任意節(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)絡結構將網(wǎng)絡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)務服務器可通過接入到該網(wǎng)絡架構中，成為云化資源池的一部分。

重構后IP城域網(wǎng)的通用交換網(wǎng)絡優(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)絡建設成本，提高網(wǎng)絡管理運維的效率。傳統(tǒng)結構下，流量是南北流向的，對業(yè)務節(jié)點及控制路由器的接入有位置要求。在新的網(wǎng)絡結構下，交織矩陣結構將網(wǎng)絡做成了一個功能強大的轉(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。在這個架構下，服務器可靈活接入轉(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，搭建通用交換網(wǎng)絡，初期階段可充分考慮利用城域網(wǎng)的BRAS、大二層交換機以及傳輸網(wǎng)的分組傳送網(wǎng)絡（UTN）設備和MSTP設備等，后期逐漸向通用轉(zhuǎn)發(fā)設備過渡。

4 結束語

SDN/NFV技術已被驗證為新型數(shù)據(jù)網(wǎng)絡的技術基礎，基于SDN/NFV技術對IP城域網(wǎng)進行重構的意義非常重大。本文提出了對傳統(tǒng)IP城域網(wǎng)進行網(wǎng)絡調(diào)整和重構的總體部署方法，并針對架構中的業(yè)務控制層設備和通用交換網(wǎng)絡這大兩方面，給出了演進的方案策略。分析表明，通過架構云化、業(yè)務云化和控制智能化能實現(xiàn)高效智能的網(wǎng)絡，更有利于網(wǎng)絡維護、降本增效、靈活快速地響應及引入新業(yè)務。這是一種全新的網(wǎng)絡技術和架構，能很好地解決傳統(tǒng)運營商所遇到的問題。構建新型IP城域網(wǎng)網(wǎng)絡架構已成為未來網(wǎng)絡發(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)絡結構進行研究和實踐。

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作者簡介

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

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

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

作者：黃志軍 馮銘能 劉璐 來源：《移動通信》2018年1月