【摘要】針對傳統運營商IP城域網在網絡效率、應用管理和業務處理等方面中存在的問題，分析了對傳統IP城域網的網絡、管理和業務三個層面進行云化和智能化調整的必要性。基于軟件定義網絡和網絡功能虛擬化技術，提出了對傳統IP城域網進行網絡調整和重構的總體部署方法，最后針對架構中的業務控制層設備和通用交換網絡這大兩方面，給出了演進的方案策略。
【關鍵詞】IP城域網；軟件定義網絡；網絡功能虛擬化；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展，特別是5G和萬物互聯時代的到來，社會信息化水平不斷提高，用戶和業務類型數量爆炸式增長，傳統的網絡越來越無法適應業務發展的需求。數據處理的高速化、網絡功能的虛擬化、云資源池化和網絡管理的智能化是下一代網絡發展的方向。IP城域網作為數據通信網絡中的重要組成部分，將面臨很大的挑戰。
本文從運營商現有傳統的IP城域網網絡面臨的問題和挑戰出發，提出了引入軟件定義網絡（SDN, Software Defined Network）和網絡功能虛擬化（NFV, Network Function Virtualization）技術進行網絡重構的重要性，并就新型IP城域網的網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城域網的基本現狀及問題
運營商現有的傳統IP城域網網絡結構一般如圖1所示：
圖1 傳統IP城域網三層結構
現有的IP城域網普遍采用分層結構，包括核心層、業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，用于轉發管理。業務控制層由寬帶遠程接入服務器（BRAS）、全業務路由器（SR）等寬帶網絡網關控制設備（BNG）設備組成，用于完成寬帶用戶或專線用戶的數據接入、認證、計費及管理轉發等功能。大二層匯聚層由接入交換機組成，用于接入用戶，完成用戶數據上傳。現有的IP城域網層級架構比較清晰，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時代和萬物互聯時代的到來，數據業務量及用戶帶寬將呈爆發式增長，可預見，現有IP城域網的設備存在著處理能力及鏈路帶寬嚴重不足的問題，特別是業務控制層的BNG設備將面臨著頻繁和大規模地分裂及擴容。
（2）資源利用率低下。傳統的IP城域網內部，如BNG業務控制路由器設備、內容分發網絡（CDN）服務器等是按地市的匯聚區進行劃分和設置的。不同區域間的設備相對獨立，資源相對隔離。在這種模式下，不同區域的資源無法得到共享，資源利用率低下。
（3）網絡管理能力差。傳統IP城域網的網絡配置自動化性能差，缺乏靈活的業務配置能力。動態網絡帶寬的分配能力差，無法快速地根據網絡情況進行鏈路帶寬的調整。網絡運維響應速度慢，無法快速地進行隱患診斷和網絡修復。
（4）投資成本高。專用的網絡設備擴容成本居高不小，網絡建設及性能提升受到成本的制約。
（5）業務處理能力不足。現網無法很好地滿足保障不同業務在時延、帶寬和優先級等方面的差異化需求，新業務的部署周期長，難以快速支持業務的創新和響應市場的發展。
3 IP城域網的發展思路及調整策略
由于受傳統網絡架構及技術的限制，現有運營商的IP城域網面臨的問題日益嚴峻，急需引入新技術對原有網絡架構進行調整和重構，以保證健全和可持續發展的需要。
以SDN、NFV為助力，構建云化和智能化的IP城域網，實現網絡升級轉型，提升網絡服務能力和降低網絡運營成本，實現高效、彈性的業務網絡，是IP城域網發展演進的必然方向，如圖2所示：
圖2 IP城域網云化和智能化的發展演進方向
部署總體思路：實現IP城域網的重構，主要是對其架構、業務和管理三個層面進行云化和智能化。
架構云化：通過實現架構云化，能提高網絡資源利用率，解決傳統網絡中BNG設備頻繁分裂和擴容的問題。在通用的網絡基礎架構上，通過引入云交換矩陣，實現從單一南北流量到任意方向流量的轉變，從而提高鏈路帶寬的利用率；通過引入NFV技術，虛擬化網絡設備，實現網絡設備功能共享，提高網絡的靈活性，提高設備資源的利用率，減少分裂擴容BNG設備，節約網絡建設的投資成本。
業務云化：通過實現業務云化，解決傳統網絡中業務處理能力不足的問題。通過提供網絡、IO及存儲等云計算資源，提供面向用戶業務的分布式虛擬化應用，實現資源共享和動態靈活的擴展，加快業務開通，提高效率和縮短業務部署周期。
管理智能化：通過實現管理智能化能解決網絡管理能力差、運維響應速度慢等問題。通過引入SDN，對網絡進行智能化管控，通過網絡設備控制面和數據面的分離、開放的北向接口，實現彈性的網絡流量管理，實現靈活和自動化的網絡控制，保障業務快速響應。
3.1 SDN/NFV的部署
越來越龐大的網絡規模增加了運維、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，可以提升用戶的應用體驗，實現云化管理，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，保證數據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，帶來創新環境，實現網絡軟件可定義功能；集中式的控制器可實現網絡功能的虛擬化，實現一網多能，推動業務的創新；SDN可提供優質的端到端的解決方案，便于組建大型網絡，實現異廠家、不同設備類型的混合組網。同時開放的網絡結構可使網絡設備歸一化，極大地降低網絡建設成本。
NFV采用虛擬化技術，將傳統電信設備的軟件與硬件進行解耦，基于通用計算、存儲、網絡設備實現電信網絡功能，提升管理和維護效率，增強系統靈活性，解決了現有專用通信設備造價昂貴、效率低下、更新換代不靈活等問題。初期考慮在IP城域網的匯聚層引入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絡網關控制設備（vBGN）和虛擬內容分發網絡（vCDN）設備等產品，逐步實現設備集中化、虛擬化和池化。
通過實現基于SDN/NFV技術的新型IP城域網結構，可將傳統網絡的控制管理從設備網絡層面轉移到架構管理云中，實現了從分散管理到集中管理、從本地管理到遠程管理的轉變，并實現靈活的業務調度，加速新業務的開通，實現網絡能力的開放。重構后的IP城域網架構圖如圖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絡部分。
圖4 重構后的新型IP城域網架構圖
基于SDN/NFV技術重構后的IP城域網有著極大的優勢。通過實現業務云化、架構云化和控制智能化，可提高網絡資源的利用率，增強整體網絡的靈活性，降低建設及運維成本，實現網絡的統一管理和業務的快速響應和開通，實現IP城域網的重構升級。
3.2 網絡的演進策略
（1）vBRAS的演進策略
傳統的IP城域網中，BRAS設備存在造價昂貴、資源利用率低、無法復用和更新換代慢等問題。對BRAS設備進行虛擬化，使用X86服務器實現BRAS設備網絡功能，可以降本增效，實現資源靈活復用。
傳統的BRAS主要可通過2種方式實現虛擬化：轉發與控制統一方式；轉發與控制分離方式。如圖5所示。
圖5 BNG兩種演進方式
第一種方式采用標準x86服務器實現網絡功能，轉發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。該方式已經過較為成熟的驗證，操作易于實現，但這種方式存在的難點是x86服務器中的轉發性能不足。
第二種方式采用標準x86服務器實現控制面功能，轉發面根據采用的設備類型不同，又分為專用轉發面和通用轉發面2條路線。在專用轉發面下，現有的BRAS設備可改造用于構建通用交換網絡。通用轉發面則使用通用轉發硬件如x86服務器進行構建，這種方式可完成精細化的業務及流量控制。
在運營商的網絡里面，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，安全性和穩定性要求更高，建議通過部署容災備份提升網絡穩定性。vBRAS的轉發面定位為網絡邊緣及用戶策略執行部件，負責流量轉發及用戶流量控制等，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）通用交換網絡的演進策略
傳統的IP城域網中，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。這種傳統的網絡結構適用于互聯網上網業務，這種業務是單一獨立的南北向流量。由于存在業務的多樣性、網絡資源的復用需求和資源池間互聯等需求，業務流量將從傳統的南北向流量往東西向流量轉變。為滿足該需求，在云化IP城域網架構中引入通用交換網絡是必然。
在基于SDN/NFV技術重構后的IP城域網中，將通用交換網絡定位為一整張大網，網絡中的設備只用做轉發，簡化了設備的功能，降低了設備的造價。通用交換網絡有更高的可達性要求，交織矩陣（Interleaving Matrix）的網絡架構為建設通用交換網絡提供了一個重要的思路。
交織矩陣網絡架構內部鏈路縱橫交錯，可通過網絡節點間分層互聯（或全互聯）的方式，提供所有接入網絡各類節點間的無差異互訪。交織網絡架構如圖7所示：
圖7 交織網絡架構
在交織矩陣網絡架構下，所有節點全互聯或分層互聯。分層結構下節點包含骨干節點和邊界節點，骨干節點與邊界節點間全連接，骨干節點僅用作轉發。在這種架構下，網絡交織形成的大量等價路徑既保證了鏈路的冗余可靠，又提高了整個網絡的吞吐量。扁平的網絡結構保證了任意節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。
交織矩陣網絡結構將網絡做成了一個大的交換資源池，實現了交換能力的共享。不同區域的虛擬化的業務服務器可通過接入到該網絡架構中，成為云化資源池的一部分。
重構后IP城域網的通用交換網絡優點非常明顯，可以實現高速轉發，提高鏈路的利用率，大幅降低網絡建設成本，提高網絡管理運維的效率。傳統結構下，流量是南北流向的，對業務節點及控制路由器的接入有位置要求。在新的網絡結構下，交織矩陣結構將網絡做成了一個功能強大的轉發資源池，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發資源池，并可被靈活地利用。
為實現新型IP城域網架構，搭建通用交換網絡，初期階段可充分考慮利用城域網的BRAS、大二層交換機以及傳輸網的分組傳送網絡（UTN）設備和MSTP設備等，后期逐漸向通用轉發設備過渡。
4 結束語
SDN/NFV技術已被驗證為新型數據網絡的技術基礎，基于SDN/NFV技術對IP城域網進行重構的意義非常重大。本文提出了對傳統IP城域網進行網絡調整和重構的總體部署方法，并針對架構中的業務控制層設備和通用交換網絡這大兩方面，給出了演進的方案策略。分析表明，通過架構云化、業務云化和控制智能化能實現高效智能的網絡，更有利于網絡維護、降本增效、靈活快速地響應及引入新業務。這是一種全新的網絡技術和架構，能很好地解決傳統運營商所遇到的問題。構建新型IP城域網網絡架構已成為未來網絡發展的重要趨勢，但同樣也面臨著許多挑戰，下一階段，將繼續對如何實現這種新型網絡結構進行研究和實踐。
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作者簡介
黃志軍：工程師，碩士畢業于中山大學，現任職于中訊郵電咨詢設計院廣東分公司，從事數據網絡的相關咨詢設計工作。
馮銘能：高級工程師，博士畢業于華南理工大學，現任職于中訊郵電咨詢設計院廣東分公司，從事數據網絡的相關咨詢設計工作。
劉璐：工程師，碩士畢業于暨南大學，現任職于中訊郵電咨詢設計院廣東分公司，從事數據網絡的相關咨詢設計工作。
