SDN/NFV技術(shù)在寬帶IP城域網(wǎng)中的應(yīng)用

周光濤 郭愛鵬 唐雄燕

中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)技術(shù)研究院 北京 100048

引言

“寬帶中國”戰(zhàn)略加快光纖寬帶接入網(wǎng)建設(shè)和普及延伸，寬帶互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用日益繁榮，用戶對業(yè)務(wù)以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的要求不斷提升，同時，寬帶業(yè)務(wù)種類不斷豐富，高清視頻、在線游戲以及即時通信等不同的業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提出較高的需求，以體驗為主的“超寬帶”網(wǎng)絡(luò)運營時代已經(jīng)到來。

面對著日益劇增的流量需求，運營商不斷投入成本擴容，但寬帶IP城域網(wǎng)作為寬帶互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的主要承載主體仍然無法從根本上解決流量擁塞以及質(zhì)量保障的問題。如果只將網(wǎng)絡(luò)單純地做大做寬，形成透明管道，將不可避免地陷入更加嚴重的增量不增收的惡性循環(huán)境地。隨著電信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和運營市場的逐步開放，寬帶網(wǎng)絡(luò)運營的競爭更加激烈，迫切需要引入新的技術(shù)手段保障寬帶網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量和持續(xù)發(fā)展，從而適應(yīng)市場競爭帶來的新的發(fā)展形勢。

本文從新形勢下寬帶IP城域網(wǎng)面臨的挑戰(zhàn)出發(fā)，提出寬帶IP城域網(wǎng)絡(luò)需要從簡單的連接型網(wǎng)絡(luò)向智能的功能型網(wǎng)絡(luò)演進，增強網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)服務(wù)能力，通過引入SDN/NFV技術(shù)打造超寬帶、高智能、簡運維以及大開放的新型寬帶IP城域網(wǎng)，有助于解決運營商寬帶網(wǎng)絡(luò)運營的不靈活、不智能、運維復(fù)雜、業(yè)務(wù)創(chuàng)新難、業(yè)務(wù)部署慢等難題。

1 寬帶IP城域網(wǎng)面臨的問題

典型的寬帶IP城域網(wǎng)分成核心、匯聚以及接入三個層面，作為用戶接入網(wǎng)絡(luò)與核心骨干網(wǎng)絡(luò)之間的橋梁，可以用來承載寬帶、互聯(lián)網(wǎng)專線、IDC、移動互聯(lián)網(wǎng)和其他(如WLAN及網(wǎng)管)等不同的業(yè)務(wù)，典型的連接型IP城域網(wǎng)架構(gòu)如圖1所示。為應(yīng)對互聯(lián)網(wǎng)流量沖擊，長期以來采用網(wǎng)絡(luò)不斷擴容和粗放式經(jīng)營模式，通過網(wǎng)絡(luò)輕載以及扁平化建網(wǎng)策略，針對各類互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)缺乏為不同用戶/業(yè)務(wù)提供不同QoS 等級的差異化服務(wù)機制。

圖1 典型的連接型IP城域網(wǎng)架構(gòu)

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)已經(jīng)成為網(wǎng)絡(luò)流量的主體，互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)從簡單的網(wǎng)頁瀏覽，不斷豐富到高速下載、高清視頻、在線游戲、電子商務(wù)、金融交易等各色各樣，業(yè)務(wù)類型不斷細分，不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量要求差異化明顯，當(dāng)前粗放式經(jīng)營的寬帶IP城域網(wǎng)發(fā)展面臨如下問題。

1.1 寬帶接入及終端側(cè)的問題

現(xiàn)有固定寬帶業(yè)務(wù)與寬帶接入方式以及接入終端之間強耦合，不但導(dǎo)致新業(yè)務(wù)部署復(fù)雜，而且家庭網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)復(fù)雜，導(dǎo)致故障率高。不同業(yè)務(wù)終端在家庭內(nèi)部組網(wǎng)需求迫切，家庭網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為IP城域網(wǎng)絡(luò)的延伸以及家庭業(yè)務(wù)接入第一入口，現(xiàn)有橋接性網(wǎng)關(guān)已經(jīng)無法滿足智能化、開放化、虛擬化的需求。此外，F(xiàn)TTx海量的站點管理給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護帶來新的挑戰(zhàn)，迫切希望實現(xiàn)寬帶接入網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的可視、可管、可定位。

1.2 城域匯聚及業(yè)務(wù)控制側(cè)的問題

為降低各類業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的壓力，城域網(wǎng)的業(yè)務(wù)路由存在多邏輯平面和多邊緣部署方式，邊緣設(shè)備主要根據(jù)地域用戶覆蓋采用分布式部署方式，各設(shè)備獨立運行和維護，地址資源規(guī)劃復(fù)雜，存在網(wǎng)絡(luò)可靠性差、設(shè)備資源利用率低且不均衡、運維成本高等一系列問題。此外，邊緣設(shè)備多為廠家封閉式系統(tǒng)，新業(yè)務(wù)上線慢，與業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接復(fù)雜，支持新特性的設(shè)備軟件版本開發(fā)周期長，新特性的部署周期長。

為滿足網(wǎng)絡(luò)智能化運營需求以及少數(shù)特殊業(yè)務(wù)承載需求，除了傳統(tǒng)城域邊緣設(shè)備以外，還增加了包括CGN、防火墻、DPI、CDN等不同的增值業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)功能節(jié)點，這些設(shè)備功能和應(yīng)用場景局限，部署分散、性能提升較慢，價格居高不下，對運營商而言性能價格比較低。

以粗放式網(wǎng)絡(luò)帶寬出租運營為主，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與承載業(yè)務(wù)割裂，設(shè)備軟硬件耦合度很高，網(wǎng)絡(luò)能力封閉，業(yè)務(wù)升級速度慢，無法靈活有效提供寬帶增值業(yè)務(wù)以及端到端的寬帶管道精細化運營。

在中文語境下，美國研究的概念早就存在，它關(guān)注美國方方面面的研究，不是一個單一學(xué)科概念。外語專業(yè)的美國文學(xué)、政治學(xué)的美國政治、世界史的美國史、美國外交史、法學(xué)的美國法律、經(jīng)濟學(xué)的美國經(jīng)濟、藝術(shù)類專業(yè)的美國藝術(shù)等與美國有關(guān)的各種研究，都可納入美國研究范疇。美國研究分屬不同的學(xué)科，是一個非常寬泛的學(xué)科領(lǐng)域。

1.3 城域核心側(cè)的問題

云計算、大數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的發(fā)展、互聯(lián)網(wǎng)客戶需求的增加等因素將拉動城域網(wǎng)流量增長。城域網(wǎng)核心路由設(shè)備一方面對接骨干網(wǎng)業(yè)務(wù)資源，另一方面對接本地IDC業(yè)務(wù)資源，主要存在城域網(wǎng)核心路由器(CR)出口流量不均衡，大流量突發(fā)現(xiàn)象頻發(fā)，部分本地化流量繞轉(zhuǎn)到外網(wǎng)IDC訪問等問題，無法實現(xiàn)針對業(yè)務(wù)資源分布以及用戶訪問行為的智能流量調(diào)度策略。

綜上，傳統(tǒng)粗放型的寬帶IP城域網(wǎng)已經(jīng)不適宜具有豐富類型的互聯(lián)網(wǎng)以及移動互聯(lián)網(wǎng)的業(yè)務(wù)，無法滿足不同的業(yè)務(wù)在使用業(yè)務(wù)時長、業(yè)務(wù)行為、業(yè)務(wù)質(zhì)量以及用戶體驗等方面的差異化需求，缺乏對網(wǎng)絡(luò)的資源動態(tài)調(diào)整能力。雖然寬帶城域網(wǎng)架構(gòu)在不斷增加連接帶寬的同時，引入DPI、CDN等新的增強技術(shù)元素支撐網(wǎng)絡(luò)的智能化運營，但是對用戶行為缺乏全面系統(tǒng)的分析以及不同功能缺乏聯(lián)動機制，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)能力并沒有被充分利用，造成不必要的資源浪費。除此之外，僅面向公眾用戶前向接入的傳統(tǒng)的寬帶運營模式，無法滿足互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)商針對不同業(yè)務(wù)的差異化質(zhì)量保障，也缺乏拓展新型商業(yè)模式的手段[1]。

2 基于SDN/NFV的寬帶IP城域網(wǎng)架構(gòu)

SDN(Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò))的設(shè)計理念是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面進行分離，邏輯上集中的控制層面能夠支持網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度，靈活的開放接口能夠支持網(wǎng)絡(luò)能力的按需調(diào)用，并實現(xiàn)可編程化控制。SDN不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對包轉(zhuǎn)發(fā)的靈活控制，而且能夠使更多的網(wǎng)絡(luò)控制和策略方便地加載在IP城域邊緣控制網(wǎng)絡(luò)之上，使網(wǎng)絡(luò)具有更高的智能和靈活性。SDN技術(shù)為城域網(wǎng)邊緣匯聚層的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)和組網(wǎng)架構(gòu)提供了新的思路[2]，如控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離、虛擬化、能力開放、動態(tài)重構(gòu)以及集中管控的技術(shù)特點，使得邊緣網(wǎng)絡(luò)設(shè)備從傳統(tǒng)依賴于單臺設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)和控制能力提供接入服務(wù)，逐漸過渡到由多臺邊緣設(shè)備聯(lián)合組網(wǎng)協(xié)同提供服務(wù)，解決了網(wǎng)絡(luò)可靠性差、設(shè)備資源利用率低且不均衡、運維成本高等一系列問題。

NFV(Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化)技術(shù)理念是通過將目前網(wǎng)上種類繁多的通信設(shè)備的硬件統(tǒng)一，以降低成本，而將多業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)、CGN、防火墻、DPI等設(shè)備網(wǎng)絡(luò)的功能通過軟件虛擬化到通用硬件平臺上，從而提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性，解決當(dāng)前增值業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)功能擴展瓶頸、部署分散、能力不足、業(yè)務(wù)單一、業(yè)務(wù)升級速度慢以及成本高等一系列問題。

綜上，SDN技術(shù)為網(wǎng)絡(luò)集中管控和調(diào)度提供了基礎(chǔ)，同時NFV技術(shù)為增值功能網(wǎng)關(guān)的虛擬化實現(xiàn)提供了保障，通過引入SDN和NFV等，寬帶IP城域網(wǎng)具有更高計算能力和更標(biāo)準(zhǔn)靈活的硬件架構(gòu)，設(shè)備能力與業(yè)務(wù)需求匹配，使得用戶接入控制更加靈活擴展，網(wǎng)絡(luò)流量調(diào)度更加高效準(zhǔn)確，網(wǎng)絡(luò)增值服務(wù)功能更加豐富多彩，這些都為智能化功能型IP城域網(wǎng)的架構(gòu)實現(xiàn)提供了堅實的基礎(chǔ)。新型寬帶IP城域網(wǎng)邏輯功能架構(gòu)模型如圖2所示。

圖2 新型寬帶IP城域網(wǎng)邏輯功能架構(gòu)模型

基于SDN/NFV的新型寬帶IP城域網(wǎng)絡(luò)具備以下幾點特征。1)超寬帶。以下一代互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)的“超寬帶”網(wǎng)絡(luò)，支持高速的光纖接入，實現(xiàn)局所多業(yè)務(wù)大容量(大容量融合BNG)的邊緣接入控制(大容量融合BNG)以及大容量的核心路由轉(zhuǎn)發(fā)能力(100G/400G集群)。2)高智能。適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)體驗保障的城域邊緣“智能化”優(yōu)化，匹配智能管道發(fā)展 ，增強網(wǎng)絡(luò)能力，通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)提供豐富的可擴展寬帶服務(wù)能力，提升寬帶價值[3]。3)簡運維。 采用節(jié)點融合以及集中遠程配置手段，用戶相關(guān)的業(yè)務(wù)屬性由集中化的網(wǎng)絡(luò)控制平面(SDN)進行端對端的配置和管理，實現(xiàn)統(tǒng)一配置、業(yè)務(wù)開通和軟件升級，進一步提高網(wǎng)絡(luò)效率。4)大開放。引入網(wǎng)絡(luò)協(xié)同和開放平臺，實現(xiàn)對城域網(wǎng)各種資源以及網(wǎng)絡(luò)能力的抽象和封裝，為業(yè)務(wù)的開發(fā)提供開放的API接口，隨著網(wǎng)絡(luò)功能的豐富化，業(yè)務(wù)創(chuàng)新靈活性將極大地增加。

3 SDN/NFV在城域網(wǎng)的應(yīng)用場景

基于SDN/NFV技術(shù)，寬帶IP城域網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展模式正在由提供單一開放性業(yè)務(wù)承載向提供滿足質(zhì)量需求差異化的多業(yè)務(wù)承載方向發(fā)展，正在由粗放型向細分市場、可運營、可管理、多業(yè)務(wù)的經(jīng)營方向發(fā)展，正在由資源匹配方式向資源優(yōu)化利用和協(xié)同方式的方向發(fā)展，正在從垂直分散向水平集中的建設(shè)、運維和服務(wù)方向發(fā)展，正在從簡單骨干網(wǎng)延伸連接服務(wù)向面向用戶和業(yè)務(wù)的信息交換服務(wù)方向發(fā)展。基于SDN/NFV的寬帶IP城域網(wǎng)演進無法一蹴而就，必須選擇合適的場景逐步實施。

3.1 基于軟件定義(SDN)的寬帶智能提速

寬帶智能提速是指按照用戶以及業(yè)務(wù)的需要動態(tài)調(diào)整接入帶寬的服務(wù)能力，主要包括動態(tài)的寬帶策略控制功能以及網(wǎng)絡(luò)能力開放功能，通過能力開放平臺接收來自用戶以及互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供商關(guān)于動態(tài)提速的請求，由策略控制平臺動態(tài)生成匹配的配置策略下發(fā)到城域網(wǎng)設(shè)備中執(zhí)行(見圖3)。

圖3 基于軟件定義的寬帶智能提速

3.2 基于SDN的城域流量優(yōu)化調(diào)度

流量優(yōu)化調(diào)度需要基于對業(yè)務(wù)、用戶以及網(wǎng)絡(luò)狀況的深度感知及精確掌控基礎(chǔ)上，對網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理和分析，形成整體性的流量調(diào)度策略，主要包括實現(xiàn)對地址資源的統(tǒng)一分配和管理、本地化智能緩存以及流量引導(dǎo)、傳輸和IP層鏈路資源協(xié)同分配及調(diào)整等內(nèi)容。

在SDN的技術(shù)架構(gòu)下，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只負責(zé)單純的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可以采用通用的硬件，由基于獨立的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)的SDN控制器完成流量調(diào)度，不同資源的控制器可以通過協(xié)同控制平面進行聯(lián)合執(zhí)行。SDN控制器可以提供更靈活準(zhǔn)確及動態(tài)的流量調(diào)度手段，基于流量特征的不同，動態(tài)調(diào)度不同的業(yè)務(wù)流走不同的路徑，極大地提高網(wǎng)絡(luò)資源使用效率，有效地減輕網(wǎng)絡(luò)設(shè)備負載，增強網(wǎng)絡(luò)可擴展性和靈活性?；赟DN的城域網(wǎng)流量調(diào)度架構(gòu)如圖4所示。

圖4 基于SDN的城域網(wǎng)流量調(diào)度

3.3 基于SDN/NFV的Service chain服務(wù)

Service chain是將地址轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)、防火墻、深度包檢測、流量清洗以及病毒檢測等各種寬帶增值服務(wù)功能進行串接，可按照用戶對功能選擇的不同，依次進行流量處理。

通過NFV技術(shù)將各種網(wǎng)絡(luò)功能在通用服務(wù)器群上進行虛擬化部署，并通過基于SDN控制的交換機進行承載，對于來自于不同用戶或不同應(yīng)用的流量，通過SDN控制器可以靈活動態(tài)地配置業(yè)務(wù)流所走的路徑，有序進入不同的虛擬化功能服務(wù)實體中，并且依據(jù)網(wǎng)絡(luò)狀況和用戶的選擇動態(tài)以及靈活及時地作出反應(yīng)，從而改變目前靜態(tài)配置業(yè)務(wù)鏈或業(yè)務(wù)擴展性受限、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的低效以及擴展性難題，極大豐富了寬帶增值服務(wù)內(nèi)容和方式?；赟DN的業(yè)務(wù)鏈實現(xiàn)架構(gòu)如圖5所示。

圖5 基于SDN的業(yè)務(wù)鏈實現(xiàn)

4 結(jié)束語

SDN/NFV技術(shù)已經(jīng)得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注和認可，將會成為未來網(wǎng)絡(luò)演進過程中的重要元素，同時，SDN/NFV也作為一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和架構(gòu)，被引入到寬帶IP城域網(wǎng)中將有效促進寬帶運營向新的業(yè)務(wù)模式演進，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的部署、更便利的維護、更快速的靈活滿足業(yè)務(wù)變更需求和動態(tài)的資源調(diào)整。隨著后續(xù)寬帶應(yīng)用場景的不斷豐富以及關(guān)鍵問題的逐步解決，將以新技術(shù)、新網(wǎng)絡(luò)以及新模式打造全新的運營網(wǎng)絡(luò)。

參考文獻

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