城域網(wǎng)虛擬化方案及思路探討

楊鋒+解沖鋒+史凡

摘要：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)通過(guò)軟硬件分離、硬件標(biāo)準(zhǔn)化等方式，提升硬件資源循環(huán)使用率，降低技術(shù)門(mén)檻和開(kāi)發(fā)成本，并大幅降低運(yùn)營(yíng)商的投資成本（CAPEX）和運(yùn)營(yíng)成本（OPEX）。通過(guò)對(duì)城域網(wǎng)（MAN）網(wǎng)元的演化方案的介紹，探討了在過(guò)渡階段如何快速有效引入虛擬化的現(xiàn)網(wǎng)部署，認(rèn)為虛擬寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（vBRAS）的使用將會(huì)促進(jìn)城域網(wǎng)向網(wǎng)絡(luò)智能化、運(yùn)營(yíng)智慧化方向發(fā)展。

關(guān)鍵詞： NFV；部署方案；vBRAS

中國(guó)政府近年來(lái)積極推進(jìn)寬帶中國(guó)建設(shè)。2015年2月工信部部署實(shí)施《寬帶2015專(zhuān)項(xiàng)行動(dòng)》；2015年3月李克強(qiáng)總理在政府工作報(bào)告中提出政府制訂《“互聯(lián)網(wǎng)+”行動(dòng)計(jì)劃》，并于7月印發(fā)行動(dòng)的指導(dǎo)意見(jiàn)；2015年5月國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)文《國(guó)務(wù)院辦公廳關(guān)于加快高速寬帶網(wǎng)絡(luò)建設(shè)推進(jìn)網(wǎng)絡(luò)提速降費(fèi)的指導(dǎo)意見(jiàn)》。寬帶提速、光進(jìn)銅退、光網(wǎng)改造工程加劇了城域網(wǎng)邊緣設(shè)備的壓力，寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（BRAS）的每用戶(hù)會(huì)話(huà)數(shù)從光網(wǎng)改造前的1個(gè)，增加為光網(wǎng)改造后的3～4個(gè)。從現(xiàn)網(wǎng)數(shù)據(jù)看，現(xiàn)網(wǎng)BRAS的用戶(hù)側(cè)物理端口使用率、會(huì)話(huà)占用率不同，地區(qū)存在資源使用率的巨大差異，這導(dǎo)致資源有效使用率下降。近年來(lái)iwifi等業(yè)務(wù)創(chuàng)新，也對(duì)BRAS的部署提出了新的需求。

網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)有助于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)硬件資源優(yōu)化并實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)層面的創(chuàng)新。通過(guò)控制網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的按需創(chuàng)建，可以實(shí)現(xiàn)物理資源的均衡，并能夠減少硬件資源的閑置和浪費(fèi)。

1 NFV技術(shù)簡(jiǎn)介

2012年10月，由AT&T、BT、Deutsche Telekom、Orange、Telefonica等7家運(yùn)營(yíng)商在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）發(fā)起成立了NFV行業(yè)規(guī)范工作組（NFV ISG），該工作組致力于制訂支持NFV的硬件和軟件基礎(chǔ)設(shè)施的要求和架構(gòu)規(guī)范，以及虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的指南，并配合其他標(biāo)準(zhǔn)組織開(kāi)展相關(guān)的工作，根據(jù)情況對(duì)現(xiàn)有的虛擬化技術(shù)和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行整合（如圖1所示）。目前已發(fā)布架構(gòu)、需求、應(yīng)用案例等多個(gè)技術(shù)文稿及一系列PoC文檔[1]。

NFV技術(shù)將極大地改變基礎(chǔ)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、運(yùn)維、管理和業(yè)務(wù)創(chuàng)新模式。在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方面，NFV利用通用化硬件構(gòu)建統(tǒng)一的資源池，在大幅降低硬件成本的同時(shí)，還可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的動(dòng)態(tài)按需分配，從而實(shí)現(xiàn)資源共享和資源利用率的顯著提升。在研發(fā)和運(yùn)維方面，NFV采用的自動(dòng)化集中管理模式，將推動(dòng)硬件單元管理自動(dòng)化、應(yīng)用的生命周期管理自動(dòng)化，以及網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的自動(dòng)化，使運(yùn)維、研發(fā)一體化（DevOps）成為可能。在企業(yè)管理方面，為了應(yīng)對(duì)NFV對(duì)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)的一系列變化，基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的組織關(guān)系、企業(yè)文化等都有可能需要變革，運(yùn)營(yíng)商的企業(yè)文化在NFV引入之后將加速向軟件文化轉(zhuǎn)變。在業(yè)務(wù)創(chuàng)新方面，基于NFV架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)中，業(yè)務(wù)部署只需申請(qǐng)?jiān)苹Y源（計(jì)算/存儲(chǔ)/網(wǎng)絡(luò)），加載軟件即可，網(wǎng)絡(luò)部署和業(yè)務(wù)創(chuàng)新則會(huì)變得更加簡(jiǎn)單。

2 vBRAS實(shí)現(xiàn)方案

智能邊緣BRAS是城域網(wǎng)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，是用戶(hù)接入終結(jié)點(diǎn)及基礎(chǔ)服務(wù)提供點(diǎn)。專(zhuān)業(yè)一體化設(shè)備在實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能與硬件強(qiáng)相關(guān)，給新業(yè)務(wù)部署方面帶來(lái)很大難題。目前，不同的業(yè)務(wù)對(duì)BRAS的帶寬和會(huì)話(huà)需求差異較大，給規(guī)劃帶來(lái)了較大的困難，無(wú)法充分利用BRAS的硬件能力。虛擬BRAS（vBRAS）是實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)虛擬化的代表技術(shù)，其每個(gè)模塊可按需在虛擬機(jī)上部署，且可基于通用服務(wù)器的虛擬化資源提供能力，從而實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)展。目前vBRAS主要還在試驗(yàn)或現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)階段。從各個(gè)廠商，目前vBRAS主要有3種方案[2-4]。

2.1 vBRAS控制和實(shí)體BRAS轉(zhuǎn)發(fā)方案

該方案優(yōu)先實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)控制分離，控制平面采用vBRAS方式部署在通用x86服務(wù)器，轉(zhuǎn)發(fā)平面采用專(zhuān)用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，如圖2所示。該方案的典型特點(diǎn)是將傳統(tǒng)的BRAS設(shè)備控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離，即控制面基于NFV架構(gòu)實(shí)現(xiàn)虛擬化；轉(zhuǎn)發(fā)面基于專(zhuān)用的物理轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備進(jìn)行相關(guān)的業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)。就設(shè)備形態(tài)而言，控制面是基于通用服務(wù)器安裝的vBRAS控制面的應(yīng)用程序（APP），轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備就是支持BRAS特性的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）流轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。該方案的具備以下優(yōu)勢(shì)：

（1）充分利用現(xiàn)有資源。轉(zhuǎn)發(fā)面可利用現(xiàn)有的BRAS設(shè)備，保護(hù)投資。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)性能強(qiáng)。因?yàn)檗D(zhuǎn)發(fā)設(shè)備采用傳統(tǒng)的物理BRAS設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)性能強(qiáng)。

該方案也有如下局限：

（1）硬件平臺(tái)不通用，需要專(zhuān)用的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備做轉(zhuǎn)發(fā)，系統(tǒng)封閉。

（2）轉(zhuǎn)發(fā)面虛擬化程度不高。因是專(zhuān)用的硬件平臺(tái)，很難納入云平臺(tái)的統(tǒng)一控制，從而很難在NFV統(tǒng)一架構(gòu)下實(shí)現(xiàn)虛擬化。

如上所述，該方案無(wú)法體現(xiàn)出NFV技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，只是將現(xiàn)有的控制平面分離出來(lái)。目前實(shí)體BRAS存在的會(huì)話(huà)和帶寬不匹配問(wèn)題無(wú)法得到根本解決（板卡64K SESSION限制）。該方案只適用于對(duì)現(xiàn)有的硬件BRAS進(jìn)行改造，以滿(mǎn)足基于現(xiàn)有功能的業(yè)務(wù)創(chuàng)新和統(tǒng)一管理需求。

2.2 一體化vBRAS方案

該方案主要將BRAS的業(yè)務(wù)整體功能運(yùn)行在一個(gè)服務(wù)器虛擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)虛擬化，從而實(shí)現(xiàn)BRAS設(shè)備網(wǎng)元級(jí)的虛擬化，如圖3所示。該方案的典型特點(diǎn)是BRAS的控制與轉(zhuǎn)發(fā)都基于NFV架構(gòu)實(shí)現(xiàn)虛擬化，但是控制和轉(zhuǎn)發(fā)面并未實(shí)現(xiàn)分離，運(yùn)行在同一臺(tái)虛擬機(jī)上。

該方案優(yōu)點(diǎn)是虛擬化程度高，具有彈性伸縮能力，部署更加靈活[5]。

然而，該方案也有如下局限性：

（1）控制和轉(zhuǎn)發(fā)面未實(shí)現(xiàn)分離，無(wú)法靈活配置控制和轉(zhuǎn)發(fā)資源。

（2）設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)性能相對(duì)較差，尤其在多業(yè)務(wù)疊加環(huán)境中，性能則會(huì)下降明顯。

該方案基本實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化。vBRAS基本能夠?qū)崿F(xiàn)根據(jù)需求靈活調(diào)配、動(dòng)態(tài)調(diào)整、業(yè)務(wù)的快速開(kāi)通和業(yè)務(wù)模式的創(chuàng)新，但因轉(zhuǎn)發(fā)和控制尚未分離，仍無(wú)法發(fā)揮資源的最大有效利用率。

2.3 vBRAS的控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離方案

該方案主要將BRAS的控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面解耦，vBRAS_C和vBRAS_U分別作為NFV實(shí)體運(yùn)行在不同服務(wù)器虛擬機(jī)上，如圖4所示。該方案的典型特點(diǎn)是BRAS的控制與轉(zhuǎn)發(fā)都基于NFV架構(gòu)實(shí)現(xiàn)虛擬化，并實(shí)現(xiàn)了控制和轉(zhuǎn)發(fā)面分離。未來(lái)可基于軟件功能分集，每個(gè)功能作為單獨(dú)的虛擬機(jī)，從而能夠?qū)崿F(xiàn)BRAS業(yè)務(wù)組件級(jí)虛擬化。

該方案優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分別實(shí)現(xiàn)了虛擬化，虛擬化程度高，可按需彈性伸縮部署控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，部署更加靈活。

然而，該方案也有局限性，如設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)性能相對(duì)較差，尤其在多業(yè)務(wù)疊加環(huán)境中，性能下降明顯；尚未實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)組件虛擬化，無(wú)法實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)組件級(jí)的定制。

該方案為下一步向業(yè)務(wù)組件級(jí)虛擬化過(guò)渡奠定了基礎(chǔ)。該方案基本上實(shí)現(xiàn)了NFV的靈活擴(kuò)展和業(yè)務(wù)創(chuàng)新的需求。適用于開(kāi)通新業(yè)務(wù)、進(jìn)行新業(yè)務(wù)創(chuàng)新的應(yīng)用場(chǎng)景。

3 vBRAS基于業(yè)務(wù)部署方案

中國(guó)電信城域網(wǎng)主要為二級(jí)架構(gòu)，即城域網(wǎng)核心層和業(yè)務(wù)接入層（如圖5所示）。BRAS是城域網(wǎng)主要的智能邊緣設(shè)備，承載寬帶用戶(hù)的接入。目前中國(guó)電信有數(shù)千臺(tái)BRAS在線(xiàn)運(yùn)行，在承載業(yè)務(wù)中存在如下一些問(wèn)題：

（1）設(shè)備硬件升級(jí)換代快，設(shè)備為軟硬件一體化設(shè)備，投資可能得不到保障。

（2）設(shè)備是封閉系統(tǒng)，新增功能較為困難，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，部分功能還需要更換或增加硬件支持。

（3）資源使用率低，會(huì)話(huà)和帶寬在不同場(chǎng)景下的不同需求無(wú)法得到靈活的適配。

vBRAS作為城域網(wǎng)虛擬化的主要技術(shù)手段，將會(huì)解決目前硬件BRAS存在的問(wèn)題，并在業(yè)務(wù)模式創(chuàng)新等方面展現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)。在現(xiàn)有實(shí)體BRAS運(yùn)行的情況下，vBRAS只能按照業(yè)務(wù)需求逐步引入，待技術(shù)發(fā)展成熟逐步替換的策略。

現(xiàn)有的城域網(wǎng)的寬帶接入主要是PUPSPV方式，在不改變現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的情況下，可以根據(jù)新業(yè)務(wù)的開(kāi)通需求同步引入vBRAS。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)，分為不同的vBRAS云資源池，如上網(wǎng)資源池、交互式網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）資源池、網(wǎng)絡(luò)電話(huà)（VoIP）資源池、終端綜合管理系統(tǒng)（ITMS）資源池等。不同的vBRAS資源池按業(yè)務(wù)類(lèi)型決定部署在邊緣數(shù)據(jù)中心（DC）或核心DC，譬如對(duì)于ITMS業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)流量較小，適合統(tǒng)一管理，則部署在核心DC機(jī)房比較合適；對(duì)于大流量業(yè)務(wù)，譬如IPTV等，流量較大，部署在邊緣DC機(jī)房，則更能保證用戶(hù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)。圖6為引入vBRAS后城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖。vBRAS部署分流層實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的分流。

根據(jù)vBRAS的部署位置，將對(duì)應(yīng)的業(yè)務(wù)通過(guò)VxLAN隧道二層連通對(duì)應(yīng)的vBRAS。根據(jù)VxLAN的特點(diǎn)，可采用PSW-PS-PVxLAN或POLT-PS-PVxLAN的方式。如圖7所示為PSW-PS-PVxLAN模式，高速互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)（HIS）、IPTV、VoIP、ITMS等業(yè)務(wù)都有不同的虛擬局域網(wǎng)（VLAN）或QinQ（堆疊VLAN）標(biāo)識(shí)。根據(jù)不同的標(biāo)識(shí)連接到不同的匯聚交換機(jī)（HJSW），然后在HJSW上根據(jù)不同業(yè)務(wù)進(jìn)入VxLAN隧道，連通對(duì)應(yīng)的vBRAS。圖8所示為POLT-PS-PVxLAN模式，在HJSW上每個(gè)光線(xiàn)路終端（OLT）來(lái)的流量根據(jù)不同的業(yè)務(wù)進(jìn)入不同的VXLAN隧道，連通對(duì)應(yīng)的vBRAS[6]。

利用VXLAN+NFV技術(shù)，通過(guò)業(yè)務(wù)導(dǎo)流，首先將城域網(wǎng)新上線(xiàn)業(yè)務(wù)部署在vBRAS資源池中；后續(xù)將現(xiàn)有城域網(wǎng)部分業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)移到vBAS資源池當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)逐步地向NFV系統(tǒng)中遷移。

4 結(jié)束語(yǔ)

NFV技術(shù)將有效提升BRAS硬件擴(kuò)展性差，資源使用率低下，新增功能困難等問(wèn)題。BRAS作為城域網(wǎng)主要的業(yè)務(wù)接入設(shè)備，其設(shè)備虛擬化將會(huì)大大促進(jìn)城域網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速開(kāi)通，靈活部署，基礎(chǔ)設(shè)施資源共享并降低運(yùn)營(yíng)成本。vBRAS將會(huì)促進(jìn)城域網(wǎng)向網(wǎng)絡(luò)智能化、運(yùn)營(yíng)智慧化方向發(fā)展。雖然近年來(lái)NFV技術(shù)發(fā)展十分迅速，但仍處于發(fā)展初期，城域網(wǎng)虛擬化方案的規(guī)模部署還需要進(jìn)一步的細(xì)化和驗(yàn)證。

參考文獻(xiàn)

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