中國(guó)移動(dòng)基于SDN和NFV的固網(wǎng)架構(gòu)演進(jìn)探討

近年來(lái)，家庭用戶接入帶寬的成倍提升，4K高清、物聯(lián)網(wǎng)等新業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商面臨著設(shè)備資源利用率低、管理維護(hù)復(fù)雜及新業(yè)務(wù)開(kāi)通緩慢等挑戰(zhàn)。伴隨SDN、NFV和云計(jì)算等新技術(shù)的逐漸成熟，業(yè)界紛紛將這些新技術(shù)應(yīng)用于電信網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型實(shí)踐，將傳統(tǒng)電信機(jī)房改造為靈活開(kāi)放的電信云，從而實(shí)現(xiàn)CT和IT的有機(jī)結(jié)合和良性互補(bǔ)。

本文將首先介紹中國(guó)移動(dòng)在固定網(wǎng)絡(luò)方面的演進(jìn)思路。其次，鑒于BRAS設(shè)備是家寬業(yè)務(wù)接入的核心網(wǎng)元，后續(xù)章節(jié)將主要圍繞BRAS進(jìn)行架構(gòu)和技術(shù)方面的論述。

固定網(wǎng)絡(luò)新思路和新架構(gòu)

在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)上，中國(guó)移動(dòng)推動(dòng)以語(yǔ)音和數(shù)據(jù)為核心的設(shè)計(jì)架構(gòu)向以內(nèi)容和流量為核心的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)改變。在該架構(gòu)下，主要包括核心TIC層和邊緣TIC層。

核心TIC層：核心TIC以控制/管理/調(diào)度職能為核心，主要承載控制面網(wǎng)元和集中化的媒體面網(wǎng)元、CDN和骨干流量轉(zhuǎn)發(fā)。

邊緣TIC層：邊緣TIC主要面向三大媒體面，以承載媒體流終結(jié)功能為主。

圖1 新型網(wǎng)絡(luò)總體架構(gòu)圖

將固定寬帶網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于以TIC為基礎(chǔ)的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，涉及到的網(wǎng)元主要包含BRAS-CP(BRAS控制面)、BRAS-UP(BRAS轉(zhuǎn)發(fā)面)、s-CPE(業(yè)務(wù)CPE)以及物理CPE。其各自的功能和定位如下。

BRAS-CP和BRAS-UP屬于BRAS的范疇：

BRAS-CP定位為用戶控制管理部件，部署于核心TIC，負(fù)責(zé)用戶接入管理、認(rèn)證計(jì)費(fèi)、用戶會(huì)話及策略管理等;

BRAS-UP定位為L(zhǎng)3網(wǎng)絡(luò)邊緣及用戶策略執(zhí)行部件，部署于邊緣TIC，負(fù)責(zé)流量轉(zhuǎn)發(fā)及用戶流量控制等。

s-CPE和物理CPE屬于CPE的范疇:

S-CPE部署于邊緣TIC，定位為用戶應(yīng)用中心，包含家庭用戶的各種業(yè)務(wù)平臺(tái)及增值服務(wù);

物理CPE部署于用戶側(cè)，定位為用戶管道中心，負(fù)責(zé)用戶流量接入運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)。

其中，BRAS-CP和BRAS-UP的概念來(lái)源于轉(zhuǎn)控分離vBRAS技術(shù)，下文將主要圍繞該技術(shù)進(jìn)行相關(guān)探討。

轉(zhuǎn)控分離vBRAS技術(shù)

傳統(tǒng)BRAS設(shè)備作為用戶接入的網(wǎng)關(guān)和IP網(wǎng)絡(luò)的邊緣，面臨著巨大挑戰(zhàn)。

傳統(tǒng)BRAS面臨的挑戰(zhàn)

資源利用率低：傳統(tǒng)BRAS既作為用戶接入認(rèn)證計(jì)費(fèi)的網(wǎng)關(guān)，又作為IP網(wǎng)絡(luò)的3層邊緣，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面緊耦合在一起，導(dǎo)致在性能處理上互相影響，無(wú)法充分發(fā)揮控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的性能極限。

管理維護(hù)復(fù)雜：由于BRAS設(shè)備數(shù)量眾多，網(wǎng)絡(luò)在部署一個(gè)全局業(yè)務(wù)策略時(shí)，需要逐一配置每臺(tái)設(shè)備。這種配置模式很難隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和新業(yè)務(wù)的引入，實(shí)現(xiàn)對(duì)業(yè)務(wù)的高效管理和對(duì)故障的快速排除。

業(yè)務(wù)開(kāi)通緩慢：由于控制平面和數(shù)據(jù)平面深度耦合，且在分布式網(wǎng)絡(luò)控制機(jī)制下，導(dǎo)致任何一個(gè)新技術(shù)的引入都嚴(yán)重依賴現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備，并且需要多個(gè)設(shè)備同步更新，使得新技術(shù)的部署周期較長(zhǎng)，嚴(yán)重制約網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)發(fā)展。

轉(zhuǎn)控分離vBRAS技術(shù)架構(gòu)

為全面應(yīng)對(duì)傳統(tǒng)BRAS面臨的挑戰(zhàn)，中國(guó)移動(dòng)率先提出了控制轉(zhuǎn)發(fā)徹底分離的全新vBRAS架構(gòu)(如圖2)，BRAS控制面集中部署且采用虛擬化/云化技術(shù)實(shí)現(xiàn)，BRAS轉(zhuǎn)發(fā)面分布式部署且采用高性能硬件，實(shí)現(xiàn)BRAS轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面的徹底分離和解耦。在轉(zhuǎn)發(fā)面的設(shè)備形態(tài)選擇上，初期重點(diǎn)考慮高性能，所以主要采用基于NP的硬件設(shè)備，下一步存在多種選擇，一是推動(dòng)實(shí)現(xiàn)通用化的轉(zhuǎn)發(fā)硬件設(shè)備，二是提升x86虛擬化轉(zhuǎn)發(fā)面的性能。

圖2 控制轉(zhuǎn)發(fā)分離vBRAS架構(gòu)圖

這種控制轉(zhuǎn)發(fā)分離的vBRAS架構(gòu)有如下特點(diǎn)：

轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面完全分離，破除轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面的緊耦合，有利于分別靈活擴(kuò)容，互相不為約束。

對(duì)控制面進(jìn)行集中化/云化，更易于集中管控，云化有助于彈性擴(kuò)縮容，簡(jiǎn)化運(yùn)維。

對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)面進(jìn)行本地化，轉(zhuǎn)發(fā)面流量大，本地化可以實(shí)現(xiàn)大流量本地卸載。

控制面采用軟件實(shí)現(xiàn)，控制面屬于計(jì)算密集型，適用于軟件實(shí)現(xiàn)。

轉(zhuǎn)發(fā)面可采用硬件實(shí)現(xiàn)，轉(zhuǎn)發(fā)面屬于流量密集型，適用于高性能硬件實(shí)現(xiàn)。其中，對(duì)于大session小流量場(chǎng)景可以采用虛擬化實(shí)現(xiàn)。

控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，推動(dòng)高性能轉(zhuǎn)發(fā)面的標(biāo)準(zhǔn)化、通用化。

該架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)明顯，轉(zhuǎn)發(fā)控制完全分離，徹底解耦，靈活性高。其中的x86(控制面)專注于計(jì)算密集型的表項(xiàng)管理，而采用專用硬件的轉(zhuǎn)發(fā)面專注于大流量轉(zhuǎn)發(fā)，物盡其用、專注高效，可以徹底解決傳統(tǒng)BRAS面臨的各種挑戰(zhàn)。

轉(zhuǎn)控分離vBRAS功能劃分

從功能上看，控制轉(zhuǎn)發(fā)分離vBRAS主要包括控制面(BRAS-CP)和轉(zhuǎn)發(fā)面(BRAS-UP)兩個(gè)部分。

其中，控制面(BRAS-CP)定位為用戶控制管理部件，主要包含用戶控制管理(UCM)、用戶接入控制、用戶認(rèn)證授權(quán)計(jì)費(fèi)、地址管理(AM)、配置管理(CM)等功能模塊。

轉(zhuǎn)發(fā)面(BRAS-UP)定位為3層網(wǎng)絡(luò)邊緣及用戶策略執(zhí)行部件，主要包含流量轉(zhuǎn)發(fā)、QoS、流量統(tǒng)計(jì)等純轉(zhuǎn)發(fā)面功能，以及單播路由協(xié)議、組播路由協(xié)議、MPLS(LDP/TE)等管道類控制面功能。把單播、組播、路由等管道類控制面功能保留在BRAS-UP，主要原因是當(dāng)前BRAS層面流量不均衡問(wèn)題并不明顯，不需要移入控制層面然后利用SDN技術(shù)解決流量不均衡問(wèn)題;另外，如果只考慮BRAS的虛擬化和SDN化，無(wú)法有效解決城域網(wǎng)流量均衡問(wèn)題。將來(lái)針對(duì)流量均衡問(wèn)題的解決，需要將BRAS、SR、CR等網(wǎng)元的控制面都納入SDN Controller統(tǒng)籌考慮，才能進(jìn)行流量的全局調(diào)度從而實(shí)現(xiàn)均衡(如圖3)。

圖3 控制轉(zhuǎn)發(fā)分離vBRAS功能劃分

轉(zhuǎn)控分離vBRAS接口

對(duì)于控制轉(zhuǎn)發(fā)分離vBRAS架構(gòu)的接口，主要包含控制面(BRAS-CP)向上的北向接口以及控制面(BRAS-CP)和轉(zhuǎn)發(fā)面(BRAS-UP)之間的南向接口。

其中，控制面(BRAS-CP)和轉(zhuǎn)發(fā)面(BRAS-UP)之間的南向接口共有3種類型：

報(bào)文上送接口：建議采用VxLAN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)BRAS-CP和BRAS-UP之間PPPoE接入控制報(bào)文以及Radius認(rèn)證授權(quán)計(jì)費(fèi)報(bào)文的上送和下發(fā);

配置下發(fā)接口：建議采用Netconf協(xié)議，實(shí)現(xiàn)集中化BRAS-CP對(duì)眾多BRAS-UP的統(tǒng)一自動(dòng)化配置;

表項(xiàng)下發(fā)接口：建議對(duì)OpenFlow協(xié)議進(jìn)行擴(kuò)展，從而滿足BRAS-CP對(duì)BRAS-UP的用戶表項(xiàng)下發(fā)的需求，實(shí)現(xiàn)BRAS-CP對(duì)BRAS-UP行為的統(tǒng)一管控。

控制面(BRAS-CP)向上的北向接口，作為整個(gè)控制轉(zhuǎn)發(fā)分離vBRAS系統(tǒng)的統(tǒng)一對(duì)外接口，主要用于完成與業(yè)務(wù)系統(tǒng)以及EMS等系統(tǒng)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)系統(tǒng)對(duì)vBRAS能力的統(tǒng)一調(diào)用。

中國(guó)移動(dòng)將會(huì)以BRAS-CP為核心，推動(dòng)接口標(biāo)準(zhǔn)化，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面的徹底解耦、促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)能力開(kāi)放(如圖4)。

圖4 控制轉(zhuǎn)發(fā)分離vBRAS接口劃分

轉(zhuǎn)控分離vBRAS用戶接入流程

轉(zhuǎn)控分離vBRAS系統(tǒng)支持用戶PPPoE&IPoE動(dòng)態(tài)接入，以PPPoE流程為例，具體流程如圖5。

圖5 PPPoE用戶接入流程

在PPPoE流程開(kāi)始前，首先需要打通BRAS-CP和BRAS-UP之間的配置通道,可以通過(guò)EMS直接對(duì)BRAS-CP和BRAS-UP進(jìn)行配置來(lái)實(shí)現(xiàn)配置通道的打通。配置通道打通后，BRAS-CP可通過(guò)該通道來(lái)配置報(bào)文上送通道和表項(xiàng)下發(fā)通道。BRAS-CP可實(shí)現(xiàn)對(duì)其所管理的所有BRAS-UP的統(tǒng)一配置，包括BRAS接口的相關(guān)配置以及QOS模板的配置等。

BRAS-UP接收到用戶PPPoE接入報(bào)文，BRAS-UP通過(guò)報(bào)文上送通道上送到BRAS-CP。BRAS-CP處理PPPoE狀態(tài)機(jī)，觸發(fā)AAA認(rèn)證及地址分配，通過(guò)報(bào)文上送通道下發(fā)回應(yīng)報(bào)文到BRAS-UP，BRAS-UP將響應(yīng)報(bào)文發(fā)送回用戶。

BRAS-CP創(chuàng)建用戶轉(zhuǎn)發(fā)表，并同步到用戶表數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)表項(xiàng)下發(fā)通道，BRAS-CP將用戶轉(zhuǎn)發(fā)表、用戶地址路由信息下發(fā)到給BRAS-UP，BRAS-UP運(yùn)行路由協(xié)議，生成網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)，并將用戶路由發(fā)布到網(wǎng)絡(luò)側(cè)，使得下行流量直接回到BRAS-UP。BRAS-UP收集用戶上下行流量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)、計(jì)費(fèi)信息、告警信息并通過(guò)表項(xiàng)下發(fā)通道定期上送給BRAS-CP。

轉(zhuǎn)控分離vBRAS架構(gòu)實(shí)現(xiàn)難點(diǎn)和指標(biāo)要求

1)BRAS-CP和BRAS-UP之間接口

主要接口有報(bào)文上送接口(可選擇方案為vxlan)、配置下發(fā)接口(Netconf協(xié)議或openflow協(xié)議)、表項(xiàng)下發(fā)接口(OpenFlow協(xié)議)，其中與性能相關(guān)的主要是BRAS-CP可承載的并發(fā)會(huì)話數(shù)以及用戶上線速率。對(duì)于并發(fā)會(huì)話數(shù)要求BRAS-CP可承載1000萬(wàn)以上，對(duì)于用戶上線速率要求達(dá)到10k/秒以上。

2)熱備/冗災(zāi)備份

a.完成從傳統(tǒng)的電信化的容災(zāi)備份向IT化的容災(zāi)備份的過(guò)渡，實(shí)現(xiàn)N：1的熱備;

b.備份完成倒換后，表項(xiàng)的同步時(shí)間和速率，需要進(jìn)行關(guān)注，應(yīng)優(yōu)于傳統(tǒng)BRAS設(shè)備的故障重啟時(shí)間。

總結(jié)和展望

推動(dòng)固網(wǎng)結(jié)構(gòu)向新型網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)變是業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢(shì)，新型的轉(zhuǎn)發(fā)控制分離架構(gòu)和NFV/SDN技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的轉(zhuǎn)變打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)，通過(guò)分階段逐步推進(jìn)固定網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)、控制面功能原子化及轉(zhuǎn)發(fā)面通用化，一定能夠打造出面向業(yè)務(wù)和用戶高效靈活的下一代電信網(wǎng)絡(luò)。