家庭網(wǎng)關(guān)功能虛擬化技術(shù)研究*

蔣 銘，李浩琳，沈成彬，曹 敏

（中國(guó)電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

隨著以FTTH為代表的高速寬帶接入技術(shù)的普及和各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，家庭網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為寬帶接入終端的重要形式。家庭網(wǎng)關(guān)集成了DSL/PON接入、家庭路由器、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供平臺(tái)等多種功能，并提供比較完善的遠(yuǎn)程管理能力，拓展了寬帶接入終端的功能和價(jià)值。隨著家庭網(wǎng)關(guān)部署的不斷深入，現(xiàn)有的家庭網(wǎng)關(guān)架構(gòu)面臨著一系列挑戰(zhàn)，主要包括復(fù)雜功能和接口要求增加了家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)備成本和運(yùn)行維護(hù)成本，業(yè)務(wù)和應(yīng)用對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)功能和性能的依賴度導(dǎo)致新業(yè)務(wù)和應(yīng)用的引入需要頻繁地進(jìn)行家庭網(wǎng)關(guān)的升級(jí)，家庭網(wǎng)關(guān)軟硬件與業(yè)務(wù)的緊密耦合對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的性能不斷提出新要求等。

針對(duì)上海的實(shí)際情況，西班牙電信、法國(guó)電信（FT）、葡萄牙電信（PT）的一些專家在2011年提出了一個(gè)全新的家庭網(wǎng)關(guān)功能上移（network located residential gateway，NLRG）的技術(shù)思路，就是通過(guò)把家庭網(wǎng)關(guān)的安全功能、部分L3功能和部分管理功能上移到網(wǎng)絡(luò)側(cè)的OLT或者BRAS（broadband remote access server，寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器）/SR（service router，業(yè)務(wù)路由器）上，降低對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)的功能和性能要求，通過(guò)在OLT或BRAS/SR上實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)三層與安全功能的虛擬化和集中化提高新業(yè)務(wù)引入的靈活性、降低建網(wǎng)成本（CAPEX）和運(yùn)維成本（OPEX），并達(dá)到節(jié)能減排的效果。在OLT或BRAS/SR上實(shí)現(xiàn)的虛擬家庭網(wǎng)關(guān)被稱為vRGW（virtual residential gateway）后，業(yè)界專家考慮到OLT或BRAS/SR并沒(méi)有實(shí)現(xiàn)全部家庭網(wǎng)關(guān)的功能，而是通過(guò)增強(qiáng)一些家庭網(wǎng)關(guān)的三層功能實(shí)現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)功能的重新分布，將家庭網(wǎng)關(guān)虛擬化又稱為網(wǎng)絡(luò)側(cè)增強(qiáng)的家庭網(wǎng)關(guān)（network enhanced residentialgateway，NERG）。

這個(gè)新的思路目前受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。對(duì)于在FTTH和家庭網(wǎng)關(guān)部署方面走在國(guó)際前列并處于技術(shù)轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期的中國(guó)電信運(yùn)營(yíng)商來(lái)講，需要從家庭網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)技術(shù)長(zhǎng)期演進(jìn)的視角，深入研究和論證NLRG技術(shù)的可行性，為將來(lái)寬帶網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)期發(fā)展指明技術(shù)路線，規(guī)避可能的技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。本文對(duì)NERG技術(shù)的原理、技術(shù)和經(jīng)濟(jì)可行性、實(shí)現(xiàn)方案、關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題進(jìn)行了研究，探討了其發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用前景。

2 NERG技術(shù)原理

NERG的原理如圖1所示，就是通過(guò)把用戶側(cè)家庭網(wǎng)關(guān)的安全功能（防火墻、防病毒、遠(yuǎn)程接入控制等）、三層網(wǎng)絡(luò)功能（IGMP、QoS、PPPoE、NAT、DHCP 等）和部分管理功能（DLNA、性能統(tǒng)計(jì)、診斷、部分TR-69功能等）上移到局端OLT或者BRAS/SR上，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備上的“虛擬家庭網(wǎng)關(guān)”模塊實(shí)現(xiàn)，而在用戶側(cè)則采用簡(jiǎn)化的橋接型終端，僅需要支持業(yè)務(wù)接口功能 （以太網(wǎng)、Wi-Fi、POTS（plain old telephone service，普通老式電話業(yè)務(wù)）語(yǔ)音等）、二層的網(wǎng)絡(luò)功能（L2 QoS、L2 交換、DHCP 客戶端、IGMP snooping（窺探）等）和簡(jiǎn)單的管理功能 （部分TR-69功能、本地管理的圖形化界面GUI、OAM/OMCI功能）。這樣，在家庭網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)單化的同時(shí)提高承載網(wǎng)絡(luò)的智能化，從而降低對(duì)家庭終端的功能和性能要求，希望借此提高新業(yè)務(wù)引入的靈活性、降低CAPEX和OPEX，提升用戶的滿意度，并能達(dá)到節(jié)能減排的效果。

NERG一經(jīng)提出，就受到了業(yè)界的普遍關(guān)注。在技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)方面，寬帶論壇 （BBF）于2012年5月正式設(shè)立PD-295項(xiàng)目，在2012年第4季度會(huì)上，PD-295已經(jīng)轉(zhuǎn)為正式項(xiàng)目WT-317，并命名為“Network Enhanced Residential Gateway（NERG）”，該項(xiàng)目計(jì)劃結(jié)束時(shí)間為2014年底。歐洲電信戰(zhàn)略規(guī)劃與研究協(xié)會(huì)（EURESCOM）也啟動(dòng)了P2055項(xiàng)目開(kāi)展NERG研究。同時(shí)，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）成立了 ISG NFV（network function virtualization），進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)虛擬化方面的研究，其中也包括家庭網(wǎng)關(guān)的虛擬化。2013年，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（CCSA）也立項(xiàng)開(kāi)始研究NERG技術(shù)及其標(biāo)準(zhǔn)。總體上看，NLRG的標(biāo)準(zhǔn)化可以在2014年完成。

3 NERG的技術(shù)實(shí)現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，vRGW的實(shí)現(xiàn)方式有兩種。一種是在OLT上實(shí)現(xiàn)vRGW的功能，又稱為分布式NERG；另一種是由IP城域網(wǎng)邊緣設(shè)備BRAS或者SR實(shí)現(xiàn)vRGW功能，又稱為集中式NERG。表1對(duì)這兩種實(shí)現(xiàn)方式的部署方式、設(shè)備要求、管理模式及功耗等方面進(jìn)行了比較分析。

可以看出，在NERG引入初期，在流量不大的情況下，采用集中式方案相對(duì)更有利于部署和管理，也有利于控制成本；然后隨著流量的增加逐步過(guò)渡到分布式部署。隨著IPv6全面商用、IPv6成為主流后，IP地址將不再是瓶頸，BRAS的IP地址管理功能將弱化，地址池可以下移到OLT，vRGW 的 PPPoE、DHCP客戶端和 NAT功能不再需要，BRAS功能弱化后可以下移到OLT的NERG中，網(wǎng)絡(luò)層次進(jìn)一步簡(jiǎn)化。

在用戶側(cè)，相對(duì)于現(xiàn)有的PON上行家庭網(wǎng)關(guān)而言，采用NERG技術(shù)后簡(jiǎn)化型的用戶終端基本采用橋接方式，保留了現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)的各種硬件接口、二層交換功能和必要的業(yè)務(wù)模塊 （主要涉及與語(yǔ)音、IPTV等業(yè)務(wù)關(guān)系密切的VoIP、多播、業(yè)務(wù)隔離與QoS保障問(wèn)題），簡(jiǎn)化取消三層功能（路由、安全及TR69管理的范圍等），降低了對(duì)CPU處理能力、存儲(chǔ)空間的要求，也降低了軟件的復(fù)雜度；簡(jiǎn)化后的家庭網(wǎng)關(guān)終端主要采用橋接方式，基本不會(huì)存在性能方面的瓶頸，可支持今后較長(zhǎng)時(shí)期的業(yè)務(wù)需求而不必升級(jí)。

引入NERG會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接入網(wǎng)架構(gòu)以及家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大影響，也會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式、運(yùn)行維護(hù)手段與模式、業(yè)務(wù)與應(yīng)用發(fā)放等各方面的改變。從技術(shù)角度看，NERG還需要解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。

首先，PON層面OLT與ONU之間無(wú)法傳輸模擬語(yǔ)音信號(hào)，因此如果需要承接已有的POTS語(yǔ)音設(shè)備，則必須由ONU實(shí)現(xiàn)VoIP功能，即保持與現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)相同的處理方式，由終端設(shè)備內(nèi)置VoIP。從這個(gè)意義來(lái)講，NERG還無(wú)法實(shí)現(xiàn)家庭語(yǔ)音功能的上移。考慮到承載效率和業(yè)務(wù)體驗(yàn)，NERG系統(tǒng)中的簡(jiǎn)化終端也需要支持IGMP snooping功能。另外，在PON層面仍需采用VLAN進(jìn)行業(yè)務(wù)隔離，簡(jiǎn)化終端需支持VLAN功能，并支持二層優(yōu)先級(jí)QoS及簡(jiǎn)單安全功能。

NLRG的引入需要OSS周邊系統(tǒng)做相關(guān)改造（如虛擬網(wǎng)關(guān)網(wǎng)管系統(tǒng)、業(yè)務(wù)發(fā)放系統(tǒng)、運(yùn)維系統(tǒng)等）。針對(duì)NLRG的配置及功能管理（如上網(wǎng)賬號(hào)、端口配置、功能配置、安全配置等），NLRG需要與原有OSS/PON/ITMS等管理平臺(tái)或系統(tǒng)進(jìn)行接口互通且流程需作一定的改變。

根據(jù)已有NERG思路，家庭內(nèi)部互聯(lián)（如打印、文件/視頻共享等）均需通過(guò)虛擬網(wǎng)關(guān)的處理，因此相關(guān)流量均需經(jīng)OLT/BRAS上的vRGW模塊進(jìn)行轉(zhuǎn)接，這就導(dǎo)致只有網(wǎng)關(guān)設(shè)備上電且至局側(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路正常時(shí)才能實(shí)現(xiàn)家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)側(cè)出現(xiàn)故障時(shí)則無(wú)法進(jìn)行家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，不符合現(xiàn)有的業(yè)務(wù)模式和用戶使用習(xí)慣，影響用戶感知，也會(huì)帶來(lái)家庭內(nèi)部互聯(lián)的速率受限于簡(jiǎn)化終端與局側(cè)虛擬網(wǎng)關(guān)間的網(wǎng)絡(luò)速率（尤其是上行速率）的問(wèn)題，可能對(duì)用戶感知帶來(lái)影響。當(dāng)然，這些問(wèn)題均有相應(yīng)的解決方案，但還不成熟且沒(méi)有實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，所以還需要研究探索。

在NERG產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)方面，目前有部分廠商開(kāi)發(fā)了原型產(chǎn)品，一般是在OLT平臺(tái)上開(kāi)發(fā)相關(guān)板卡。相關(guān)產(chǎn)品從技術(shù)上驗(yàn)證了NERG技術(shù)可行性。但受到標(biāo)準(zhǔn)化、應(yīng)用模式與應(yīng)用策略不明確的影響，相關(guān)廠商尚無(wú)商用版本NERG設(shè)備。目前，終端側(cè)目前沒(méi)有針對(duì)NLRG優(yōu)化的專用SOC芯片 （網(wǎng)絡(luò)側(cè)可采用通用處理器芯片），終端芯片廠商對(duì)NLRG態(tài)度亦不明朗，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有待觀察。

表1 分布式NERG和集中式NERG的比較

4 NERG的經(jīng)濟(jì)性分析

結(jié)合國(guó)內(nèi)的運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際情況，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流量模型對(duì)NLRG架構(gòu)下的OPEX、CAPEX進(jìn)行了分析，并與現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)模式下的CAPEX和OPEX進(jìn)行比較。

就OPEX而言，NERG可以簡(jiǎn)化新業(yè)務(wù)部署，而且由于用戶終端功能相比原有家庭網(wǎng)關(guān)簡(jiǎn)單，相對(duì)故障率較低，有利于減少用戶報(bào)障，總體上降低維護(hù)人員上門修障的次數(shù)，從而一定程度降低了運(yùn)維成本。分析表明，采用NERG后預(yù)計(jì)可降低OPEX約1/3，提高裝維效率，雖然沒(méi)有達(dá)到西班牙電信所預(yù)期的80%OPEX降幅，但也比較明顯。

就CAPEX而言，考慮到目前家庭網(wǎng)關(guān)終端芯片與橋接型ONU芯片價(jià)格相差不大，采用NERG技術(shù)的終端側(cè)其成本降低比較有限（5%左右）。但另一方面，由于用戶側(cè)設(shè)備因簡(jiǎn)化后使用年限的延長(zhǎng)，可以大幅度節(jié)約設(shè)備更換的成本，因此總體上節(jié)約終端側(cè)CAPEX約1/3左右。同時(shí)，盡管網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備需要增加虛擬網(wǎng)關(guān)軟硬件，但由于三層功能集中化，局端增加的成本將遠(yuǎn)少于用戶端節(jié)約的成本。因此，NERG技術(shù)能夠明顯降低運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備投資。

此外，相比傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)部署方式，家庭網(wǎng)關(guān)終端功能的上移可以降低一定的總體能耗（約20%），有利于節(jié)能減排。簡(jiǎn)化型橋接終端的壽命更長(zhǎng)，也可以避免終端頻繁更換帶來(lái)的污染和回收問(wèn)題。

5 NERG技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

目前，國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)商的光網(wǎng)建設(shè)和家庭網(wǎng)關(guān)部署迅速，我國(guó)的FTTH覆蓋用戶數(shù)已經(jīng)超過(guò)1.5億戶，建成了全球最大的FTTH寬帶網(wǎng)。家庭網(wǎng)關(guān)部署量也達(dá)到數(shù)千萬(wàn)臺(tái)，已經(jīng)率先形成了比較完善的光網(wǎng)建設(shè)維護(hù)體系。短期內(nèi)全面引入NERG技術(shù)進(jìn)行接入網(wǎng)的升級(jí)改造會(huì)帶來(lái)大量的成本浪費(fèi)，考慮到NERG技術(shù)亦不足夠成熟，所以短期內(nèi)并不具備規(guī)模部署NERG技術(shù)的可行性。

但另一方面，國(guó)內(nèi)寬帶上網(wǎng)帶寬迅速提升（部分省市已經(jīng)推出100 Mbit/s和超100 Mbit/s的業(yè)務(wù)），業(yè)務(wù)種類越來(lái)越豐富，傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)終端面臨著滿足高帶寬、高靈活性的業(yè)務(wù)提供能力要求的壓力，傳統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)商承擔(dān)全部終端成本的模式也給運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)了巨大的成本，傳統(tǒng)的終端部署模式能否延續(xù)成為一個(gè)現(xiàn)實(shí)的問(wèn)題。而NLRG通過(guò)在局端虛擬化，以可接受的成本滿足未來(lái)寬帶業(yè)務(wù)對(duì)靈活性、經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)營(yíng)維護(hù)的要求。隨著B(niǎo)BF、ITU-T等國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織對(duì)NERG技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化的推進(jìn)，相信相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)將很快完成，并推動(dòng)產(chǎn)業(yè)界NERG相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和部署，盡快解決NERG面臨的關(guān)鍵的技術(shù)問(wèn)題。法國(guó)電信、西班牙電信等歐洲主流運(yùn)營(yíng)商的積極推動(dòng)也將加快NERG的發(fā)展和成熟。我國(guó)的寬帶接入產(chǎn)業(yè)應(yīng)高度關(guān)注NERG的進(jìn)展并參與到NERG技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的進(jìn)程中。

6 結(jié)束語(yǔ)

NERG通過(guò)對(duì)家庭網(wǎng)關(guān)功能虛擬化，實(shí)現(xiàn)用戶側(cè)終端功能簡(jiǎn)化，使用壽命延長(zhǎng)，并實(shí)現(xiàn)局端網(wǎng)關(guān)功能虛擬化集中部署，有利于降低CAPEX和OPEX，提高業(yè)務(wù)發(fā)放效率，并實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，受到了全球主要運(yùn)營(yíng)商的高度重視。

引入NERG會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接入網(wǎng)架構(gòu)以及家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大影響，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化工作正在快速推進(jìn)，原型產(chǎn)品也已出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展過(guò)程中，具有比較好的發(fā)展前途。

1 BBF WT-317.Network Enhanced Residential Gateway(NERG),2013