固移網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)虛擬化融合研究

謝人超 王亞松 劉韻潔

1 北京郵電大學 北京 100876

2 中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司 北京 100033

引言

在全球信息化和寬帶大發(fā)展的背景下，全球?qū)拵Мa(chǎn)業(yè)處于高速發(fā)展階段，以光纖接入為主的固定寬帶網(wǎng)和以LTE為代表的寬帶移動通信網(wǎng)保持著快速增長的勢頭。以我國為例，據(jù)工業(yè)和信息化部統(tǒng)計，2013年1～11月我國新增光纖到戶覆蓋家庭超過6 500萬，累計達到1.6億戶;新增固定寬帶接入用戶超過1 700萬，累計達到1.88億戶;新增3G基站超過24萬，累計達到106萬個;新增3G移動電話用戶超過1.5億，累計達到3.8億戶。全球?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與普及帶來了業(yè)務(wù)流量爆發(fā)式發(fā)展，如圖1所示，據(jù)思科公司的預(yù)測[1]，2013～2018年全球移動數(shù)據(jù)流量年增長率將達到61%，預(yù)測到2018年每月產(chǎn)生的移動數(shù)據(jù)流量將達15.9EB，相比2013年將增長約10倍。

網(wǎng)絡(luò)流量的爆炸式增長以及業(yè)務(wù)類型的多樣性對未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展提出了新的需求:1)要求網(wǎng)絡(luò)在部署新業(yè)務(wù)的同時盡可能地降低網(wǎng)絡(luò)投資成本;2)為用戶提供與接入類型無關(guān)的服務(wù)質(zhì)量保障與策略控制，提升用戶體驗;3)要求新業(yè)務(wù)的部署具有更短的時間周期，降低業(yè)務(wù)部署的復(fù)雜度以及要求網(wǎng)絡(luò)運營更簡單、更靈活，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制等。面對這些新的需求，固定/移動網(wǎng)絡(luò)融合成為未來網(wǎng)絡(luò)演進的重要發(fā)展趨勢，因為通過固移網(wǎng)絡(luò)融合可以簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為運營商提供統(tǒng)一的核心網(wǎng)控制和管理平臺，為終端用戶提供統(tǒng)一的業(yè)務(wù)體驗，而不必區(qū)分訪問這項業(yè)務(wù)所用的接入技術(shù)。

圖1 業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流增長預(yù)測

面對當前網(wǎng)絡(luò)提出的新需求，業(yè)界提出了SDN技術(shù)，通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，把網(wǎng)絡(luò)上所有的控制信息都集中到核心控制器上處理，可以實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的軟件可編程控制與管理，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制。同時，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)技術(shù)的提出可以在統(tǒng)一的IT硬件基礎(chǔ)設(shè)施上廣泛采用標準化的IT虛擬化技術(shù)，采用業(yè)界標準的大容量服務(wù)器、存儲和交換機承載各種各樣的網(wǎng)絡(luò)軟件功能，實現(xiàn)軟件的靈活加載，加快網(wǎng)絡(luò)部署和調(diào)整的速度，降低業(yè)務(wù)部署的復(fù)雜度，提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一化、通用化、適配性等，最終降低網(wǎng)絡(luò)的CAPEX和OPEX;因此，利用SDN與NFV技術(shù)實現(xiàn)固移網(wǎng)絡(luò)融合可以滿足未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展需求，對運營商未來發(fā)展具有重要意義。

1 固移網(wǎng)絡(luò)融合研究現(xiàn)狀與挑戰(zhàn)

1.1 固移網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)功能分析

移動LTE(Long Term Evolution，長期演進)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由扁平的無線接入網(wǎng)(Radio Access Network，RAN)與演進的分組核心網(wǎng)(Evolved Packet Core，EPC)組成，其中LTE RAN和EPC一起被稱為演進的分組系統(tǒng)(Evolved Packet System，EPS)[2]。RAN采用只有單一節(jié)點類型eNodeB的扁平化架構(gòu)，主要負責整體網(wǎng)絡(luò)中所有無線相關(guān)功能，包括調(diào)度無線資源管理、編解碼等。EPC是由GSM(Global System for Mobile Communications，全球移動通信系統(tǒng))和WCDMA(Wideband Code-Division Multiple Access，寬帶碼分多址)系統(tǒng)中的GSM/GPRS核心網(wǎng)逐步演進而來的，它只支持接入到分組交換域，而不能接入到電路交換域。EPC包含服務(wù)網(wǎng)關(guān)(Serving Gateway，S-GW)、分組網(wǎng)關(guān)(Packet-Data Network Gateway，P-GW)、移動管理實體(Mobility Management Entity，MME)、歸屬用戶服務(wù)器(Home Subscriber Server，HSS)、策略和計費規(guī)則功能(Policy and Charging Rules Function，PCRF)等網(wǎng)元。作為LTE網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)P-GW，其主要功能包括如下幾點。1)IP地址分配:支持對IPv4、IPv6地址分配。2)會話管理:用于存儲與處理EPS承載的上下文。3)路由選擇和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā):對數(shù)據(jù)包進行封裝/解封裝，并路由。4)DPI(Deep Packet Inspection，深度包檢測):實現(xiàn)基于用戶的包過濾與檢測。5)QoS控制:支持EPS承載的QoS參數(shù)。6)DHCPv4/DHCPv6:動態(tài)IP地址分配。7)離線/在線計費:用于計費。8)PCRF選擇:對PCRF進行選擇，將不同終端的策略控制和計費(Policy Control and Charging，PCC)會話連接到正確的PCRF。9)策略及計費執(zhí)行功能(Policy and Charging Enforcement Function，PCEF):支持PCEF的功能。

固定寬帶網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)主要包括家庭網(wǎng)關(guān)、接入網(wǎng)節(jié)點(光線路終端(Optical Line Terminal，OLT)/數(shù)字用戶線路接入復(fù)用器(Digital Subscriber Line Access Multiplexer，DSLAM))、城域網(wǎng)節(jié)點(Broadband Network Gateway(BNG)/Broadband Remote Access Server/BRAS)、AAA(Authentication、Authorization、Accounting )服務(wù)器與策略控制服務(wù)器BPCF(Broadband Policy Control Function)組成[3]。其中，作為寬帶網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)接入與控制節(jié)點的BRAS設(shè)備是寬帶網(wǎng)的邊界網(wǎng)關(guān)，是實現(xiàn)寬帶接入、業(yè)務(wù)控制、用戶管理、流量調(diào)度等功能特性的重要網(wǎng)元，在寬帶網(wǎng)絡(luò)中扮演著極其重要的角色。其主要功能包括如下幾點。1)接入、認證、授權(quán)。2)防火墻:提供IP包的過濾功能。3)動態(tài)主機配置協(xié)議(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP):動態(tài)分配IP地址。4)虛擬專網(wǎng)(Virtual Private Network，VPN):提供VPN功能。5)組播:支持寬帶用戶的組播業(yè)務(wù)需求。6)計費。7)PPPoE(Point to Point Protocol over Ethernet)/IPoE (IP over Ethernet)接入。8)QoS控制:對會話數(shù)據(jù)提供層次化的QoS控制。9)IP地址分配。

通過分析P-GW與BRAS網(wǎng)關(guān)所承載的功能可知，P-GW與BRAS具有類似的功能，這為P-GW與BRAS融合提供了潛在的可能。

1.2 固移網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)融合面臨的挑戰(zhàn)

雖然由1.1節(jié)可知移動網(wǎng)關(guān)P-GW與固網(wǎng)BRAS網(wǎng)關(guān)具有許多類似功能，為邊界網(wǎng)關(guān)融合提供了潛在的可能。但是網(wǎng)關(guān)之間仍存在許多差異性，主要來自包括網(wǎng)關(guān)部署位置的差異、業(yè)務(wù)模型的差異、周邊接口的差異以及硬件結(jié)構(gòu)的差異帶來的融合挑戰(zhàn)，具體如下。

1)邊界網(wǎng)關(guān)節(jié)點部署位置的差異。如圖2所示，當前邊界網(wǎng)關(guān)P-GW與固網(wǎng)BRAS網(wǎng)關(guān)相比處于高置位置，這相比固定于固定寬帶網(wǎng)絡(luò)，用戶流量需要兩次經(jīng)過核心帶寬，移動流量封裝開銷大，至少占用雙倍的核心帶寬和結(jié)點容量。而隨著移動技術(shù)的發(fā)展與智能終端的普及，移動流量呈現(xiàn)了爆發(fā)式增長的趨勢，為避免移動流量增長給核心帶寬帶來的壓力，未來移動網(wǎng)關(guān)可能呈現(xiàn)逐步下移分布式部署的趨勢，從而避免兩次占用核心帶寬。對于移動網(wǎng)關(guān)下移，將可以帶來諸多優(yōu)勢。①使得業(yè)務(wù)在區(qū)域PoP點彈出后，避免兩次經(jīng)過核心帶寬，還可以就近訪問數(shù)據(jù)中心或內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(luò)(Content Delivery Network，CDN)，原有高置的移動網(wǎng)關(guān)可以用于高價值的運營商自營業(yè)務(wù)。②與固網(wǎng)BRAS部署位置、流量模型也一致，使得移動和固網(wǎng)網(wǎng)關(guān)位置重疊和業(yè)務(wù)趨同增加了FMC網(wǎng)關(guān)融合的可能性。

但是移動網(wǎng)關(guān)下移也帶來了挑戰(zhàn)，網(wǎng)關(guān)下移和移動性要求使得橫向流量大幅增加，即跨eNodeB移動的橫向流量只發(fā)生在切換期間，且跨網(wǎng)關(guān)移動發(fā)生率極大增加。而為了應(yīng)對這些挑戰(zhàn)，池組化方式部署可以大大減少橫向流量，另一個方法是部署移動 IP協(xié)議。

2)固移網(wǎng)絡(luò)P-GW/BRAS網(wǎng)關(guān)節(jié)點軟硬件架構(gòu)的差異。如圖3所示，當前固定網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)BRAS節(jié)點更多關(guān)注基本轉(zhuǎn)發(fā)能力，而移動網(wǎng)關(guān)P-GW/GGSN要求更高的控制面和復(fù)雜業(yè)務(wù)能力，這導(dǎo)致在融合網(wǎng)關(guān)架構(gòu)設(shè)計時，可能會顧此失彼。BRAS通常采用“主控板+線卡(即CPU+傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)處理器(Network Processor，NP))”的架構(gòu)，CPU能力要求較低，而NP能力要求較高，以滿足高數(shù)據(jù)吞吐量需求。移動網(wǎng)關(guān)對控制面和復(fù)雜業(yè)務(wù)要求較高，由于傳統(tǒng)NP在編程靈活性和微碼空間上的限制，這兩部分業(yè)務(wù)一般部署在CPU上，這使得移動網(wǎng)關(guān)對CPU能力要求較高。

3)邊界網(wǎng)關(guān)節(jié)點周邊接口的差異。如圖3所示，雖然固定網(wǎng)絡(luò)和移動網(wǎng)絡(luò)在接入、用戶鑒權(quán)、計費、策略等方面功能類似，但實現(xiàn)協(xié)議卻不相同，固網(wǎng)采用的協(xié)議主要為Radius協(xié)議，周邊的接口為BPCF;而移動網(wǎng)采用的協(xié)議包括GTP(GPRS Tunnelling Protocol)與Diameter協(xié)議等，因此，融合不僅體現(xiàn)在固定網(wǎng)關(guān)和移動網(wǎng)關(guān)在這些接口上的差異，還會涉及兩張網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)控制體系。

圖2 固移網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

圖3 固移網(wǎng)絡(luò)P-GW/BRAS網(wǎng)關(guān)設(shè)備差異

4)業(yè)務(wù)模型/性能的差異。由圖3所示，當前固定網(wǎng)關(guān)信令負荷低，數(shù)據(jù)吞吐量高，復(fù)雜業(yè)務(wù)需求較低;而移動網(wǎng)關(guān)信令負荷高，數(shù)據(jù)吞吐量較低，復(fù)雜業(yè)務(wù)需求更高。但隨著無線帶寬增長和分組域業(yè)務(wù)發(fā)展，移動網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)吞吐量將大大提升，而固定網(wǎng)關(guān)對復(fù)雜業(yè)務(wù)的需求也將增大，這方面的差異將縮小。

由上可知，雖然固移網(wǎng)絡(luò)P-GW/BRAS網(wǎng)關(guān)存在類似的功能，這為其融合提供了潛在可能，但是由于其存在的差異性使得網(wǎng)關(guān)間融合仍面臨許多挑戰(zhàn)，尤其是網(wǎng)關(guān)周邊接口的不同，這使得邊界網(wǎng)關(guān)融合不可能是簡單的融合;因此，要實現(xiàn)固移網(wǎng)絡(luò)P-GW/BRAS網(wǎng)關(guān)的融合就必須對整個網(wǎng)絡(luò)進行融合，這將決定融合是逐步進行的。

2 固移網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)虛擬化融合解決方案

針對網(wǎng)關(guān)融合面臨的挑戰(zhàn)，本節(jié)通過利用SDN與網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的思想，探討固移網(wǎng)絡(luò)虛擬化融合的解決方案，從而為后續(xù)運營商實現(xiàn)固移網(wǎng)絡(luò)融合、簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)提供解決思路。

SDN的核心思想是通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制平面與數(shù)據(jù)平面分離，把網(wǎng)絡(luò)上所有的控制信息都集中到核心控制器上處理，實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)的軟件可編程控制與管理，從而實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)流量的靈活控制，為核心網(wǎng)絡(luò)及應(yīng)用創(chuàng)新提供一個良好的平臺。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的目標主要是希望通過廣泛采用標準化的IT虛擬化技術(shù)，采用業(yè)界標準的大容量服務(wù)器、存儲和交換機承載各種各樣的網(wǎng)絡(luò)軟件功能，實現(xiàn)軟件的靈活加載，實現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶端等各個位置靈活地部署配置，從而加快網(wǎng)絡(luò)部署和調(diào)整的速度，降低業(yè)務(wù)部署的復(fù)雜度，提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的統(tǒng)一化、通用化、適配性等，最終降低網(wǎng)絡(luò)的CAPEX和OPEX;因此，借助SDN與NFV，為實現(xiàn)固移網(wǎng)絡(luò)虛擬化融合提供了一種潛在的實現(xiàn)方式[4-5]。

根據(jù)第1節(jié)分析可知，由于固移網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)周邊接口與軟硬件架構(gòu)的不同，使得融合需要設(shè)計一個設(shè)備形態(tài)歸一、統(tǒng)一的融合架構(gòu)，且注定無法實現(xiàn)簡單地對網(wǎng)關(guān)設(shè)備的融合，而是要對整個網(wǎng)絡(luò)融合，因此，可能的固移網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)虛擬化融合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。該方案的實現(xiàn)思路是采用通用硬件架構(gòu)(如X86架構(gòu))，將固移網(wǎng)絡(luò)的邊界網(wǎng)關(guān)功能包括DPI、防火墻、網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換(Network Address Translation，NAT)等融合在一起形成一個超級網(wǎng)關(guān)，該網(wǎng)關(guān)具有基于用戶統(tǒng)一的DPI/QoS/策略控制等能力，以及能夠?qū)崿F(xiàn)會話的無縫切換，然后在此網(wǎng)關(guān)基礎(chǔ)上在終端側(cè)將用戶標識進行統(tǒng)一，同時，實現(xiàn)控制面的統(tǒng)一及業(yè)務(wù)平臺的統(tǒng)一，并通過利用SDN技術(shù)對統(tǒng)一的控制面實現(xiàn)靈活控制。

圖4 網(wǎng)絡(luò)融合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖

基于圖4的網(wǎng)絡(luò)融合實現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖，具體的虛擬化融合實現(xiàn)參考模型可以采用如圖5所示的模型，該參考模型包括承載控制平面與承載數(shù)據(jù)面?？刂破矫嬷饕撠熡脩舻臅捁芾?、策略控制以及統(tǒng)一認證、授權(quán)、計費等;數(shù)據(jù)平面根據(jù)控制平面下發(fā)的控制策略為用戶提供靈活接入、差異化服務(wù)保障以及路由策略等。在該實現(xiàn)模型中，融合的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題包括4個方面。

圖5 虛擬化融合實現(xiàn)參考模型

1)靈活接入能力。傳統(tǒng)移動網(wǎng)絡(luò)中，移動網(wǎng)絡(luò)采用SIM卡認證方式對其用戶終端設(shè)備進行認證，以動態(tài)分配載頻的方式提供接入服務(wù)，而固定網(wǎng)絡(luò)則為用戶分配接入端口，配置單個用戶的接入?yún)?shù)，以便為其提供接入。在虛擬化融合方案中，為了對不同位置或不同終端提供固定移動方式的靈活接入，需要對用戶進行統(tǒng)一標識，以保證用戶終端可唯一標識，同時基于用戶唯一標識，需要實現(xiàn)終端的統(tǒng)一認證與計費，保證精細化計費。2)會話管理。在傳統(tǒng)的固移網(wǎng)絡(luò)中，移動網(wǎng)絡(luò)采用動態(tài)建立會話的方式，且由專門的控制網(wǎng)元MME負責認證、加密、建立會話，而固定網(wǎng)絡(luò)則采用BRAS控制PPPoE或者IPoE進行會話。在虛擬化融合方案中，當用戶采用統(tǒng)一的標識并進行統(tǒng)一的認證與計費后，融合的網(wǎng)絡(luò)則將對接入的用戶進行統(tǒng)一的會話建立、管理、刪除。3)多維感知能力。為了收集用戶、業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)感知信息進行離線分析，并作為資源指配的業(yè)務(wù)輸入，在融合的網(wǎng)絡(luò)中可以通過利用DPI設(shè)備對經(jīng)過的數(shù)據(jù)包進行深度檢測分析，將分析數(shù)據(jù)反饋到控制面的多維感知系統(tǒng)進行判決，從而將判決結(jié)果提供給策略控制功能模塊，以便執(zhí)行相應(yīng)策略的下發(fā)。4)策略控制動態(tài)下發(fā)與指配。根據(jù)多維感知分析結(jié)果，策略控制模塊進行策略規(guī)則的下發(fā)，為不同價值業(yè)務(wù)的體驗調(diào)配不同的資源，從而保證業(yè)務(wù)的體驗。

3 結(jié)束語與展望

本文借助網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與軟件定義網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，研究了固移網(wǎng)絡(luò)邊界網(wǎng)關(guān)虛擬化融合解決方案，該方案可簡化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、降低網(wǎng)絡(luò)資本支出和運營成本。但本文提出的固移網(wǎng)絡(luò)融合的虛擬化解決方案，其試驗驗證仍未實現(xiàn)，因此，下一步工作的重點將是對虛擬化融合方案進行試驗驗證。

[1]思科.Cisco visual networking index:Global mobile data traf fi c forecast update2013-2018[R/OL].[2014-09-28].http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11-520862.html

[2]3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service(GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)access[S]

[3]BBF標準工作組.Technical Report,TR-144,Broadband Multi-Service Architecture & Framework Requirements[R].2007

[4]陳婉,穆佳,張卓筠,等.固網(wǎng)移動網(wǎng)統(tǒng)一策略控制方案探討[J].電信交換,2013(5):88-92

[5]薛淼,符剛.基于SDN的固移網(wǎng)關(guān)融合演進研究[J].郵電設(shè)計技術(shù),2014(5):1-5