IP城域網(wǎng)的發(fā)展研究

孟照讓

【摘要】 本文對(duì)近幾年來IP城域網(wǎng)的核心節(jié)點(diǎn)、業(yè)務(wù)控制層和接入層的發(fā)展進(jìn)行分析，總結(jié)了IP城域網(wǎng)發(fā)展中存在的問題。結(jié)合大交換容量路由器、多業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)MSE、10GPON、IPv6過渡演進(jìn)及NAT44部署等技術(shù)，對(duì)今后IP城域網(wǎng)的發(fā)展進(jìn)行了論述。

【關(guān)鍵字】 IP城域網(wǎng) 業(yè)務(wù)控制層 多業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān) NAT44 IPv6

一、概述

目前，國(guó)內(nèi)寬帶業(yè)務(wù)發(fā)展迅速，互聯(lián)網(wǎng)視頻應(yīng)用呈現(xiàn)爆炸式增長(zhǎng)，網(wǎng)絡(luò)流量的增長(zhǎng)已經(jīng)成為IP城域網(wǎng)規(guī)模擴(kuò)張的主要推手。各電信運(yùn)營(yíng)商也采用核心節(jié)點(diǎn)的集群升級(jí)、中繼電路的擴(kuò)容、業(yè)務(wù)控制節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)備裂變和下沉等建設(shè)思路，通過對(duì)路由器容量的增加和傳輸帶寬的擴(kuò)容來應(yīng)對(duì)流量壓力，IP城域網(wǎng)已經(jīng)形成核心層、業(yè)務(wù)控制層和接入層三層架構(gòu)模式。

未來十年，網(wǎng)絡(luò)流量將至少增加20倍，伴隨著流量快速增長(zhǎng)的是不斷下降的用戶ARPU值，高清視頻和云計(jì)算的興起將對(duì)IP城域網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量和性能提出更高的要求。IP城域網(wǎng)未來如何演進(jìn)是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者需要思考的問題。

二、IP城域網(wǎng)現(xiàn)狀分析

2.1總體架構(gòu)

IP城域網(wǎng)主要承載普通互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)及含IPTV業(yè)務(wù)，一般寬帶運(yùn)營(yíng)商在各省均建設(shè)有一張IP城域網(wǎng)。以各省主導(dǎo)寬帶運(yùn)營(yíng)商IP城域網(wǎng)為例，典型的IP城域網(wǎng)分為三層架構(gòu)：城域核心層、業(yè)務(wù)控制層和寬帶接入層。各市IP城域網(wǎng)采用相同的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以市IP城域網(wǎng)設(shè)置不同的自治域，各市城域核心層與運(yùn)營(yíng)商的骨干網(wǎng)、省網(wǎng)以及其他專業(yè)承載網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互通。

城域核心層設(shè)備一般采用各市雙節(jié)點(diǎn)方式設(shè)置，BRAS與SR設(shè)備一般采用成對(duì)設(shè)置。

2.2城域核心的壯大

近幾年，城域核心層路由器中繼帶寬擴(kuò)容是建設(shè)的重點(diǎn)，中繼帶寬顆粒度由10G為主向40G邁進(jìn)，部分城域核心節(jié)點(diǎn)已開通100G電路，單臺(tái)路由器的槽位已不能滿足需求，路由器集群得到廣泛應(yīng)用，城域核心單節(jié)點(diǎn)設(shè)備不斷壯大，用戶規(guī)模較大的市城域核心路由器已采用集群設(shè)備，如思科CRS集群和華為NE5000E集群。隨著未來網(wǎng)絡(luò)流量的增長(zhǎng)，城域核心的中繼容量不斷增加，單節(jié)點(diǎn)規(guī)模也將不斷壯大。

2.3業(yè)務(wù)控制層的擴(kuò)張

業(yè)務(wù)控制層設(shè)備主要有BRAS和SR設(shè)備，每節(jié)點(diǎn)設(shè)置有BRAS和SR設(shè)備。隨著寬帶用戶數(shù)的增加，考慮到業(yè)務(wù)的安全性，單臺(tái)BRAS設(shè)備的處理用戶規(guī)模不宜太大，單臺(tái)設(shè)備用戶容量超過3萬時(shí)均考慮BRAS分裂來分散承載業(yè)務(wù)。

根據(jù)現(xiàn)有IP城域網(wǎng)規(guī)模來看，BRAS和SR設(shè)備對(duì)市區(qū)和縣城覆蓋已比較完善，今后將逐步向郊區(qū)和重點(diǎn)鄉(xiāng)鎮(zhèn)進(jìn)行覆蓋。

在流量較大的節(jié)點(diǎn)，BRAS和SR設(shè)備大多采用10G電路上行，其余BRAS和SR設(shè)備多采用多GE電路上行，隨著用戶平均流量的增加，BRAS設(shè)備的萬兆上行改造也是IP城域網(wǎng)擴(kuò)容建設(shè)的重點(diǎn)。

2.4接入層的革新

自2011年以來，各大電信運(yùn)營(yíng)商均大規(guī)模展開xPON接入網(wǎng)建設(shè)。由于BRAS設(shè)備價(jià)格的昂貴，目前大部分OLT設(shè)備均采用二層交換機(jī)匯聚后接入BRAS設(shè)備，單BRAS節(jié)點(diǎn)存在多臺(tái)大型二層匯聚交換設(shè)備。以PON+LAN、PON+D、FTTx等接入網(wǎng)建設(shè)模式逐步對(duì)現(xiàn)有傳統(tǒng)DSLAM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改造，其中FTTH和PON+LAN建設(shè)方式為主，運(yùn)營(yíng)商已停止新建PON+D網(wǎng)絡(luò)。

2.5 IP城域網(wǎng)發(fā)展的困惑

（1）隨著IP城域網(wǎng)出口中繼電路擴(kuò)容規(guī)模的增大，核心節(jié)點(diǎn)路由器設(shè)備邁向集群模式，高能耗、高承重和多機(jī)位的需求對(duì)城域核心節(jié)點(diǎn)寶貴的機(jī)房資源造成很大的壓力。

（2）城域核心路由器設(shè)備更新較快，40G、100G平臺(tái)的大型路由器已經(jīng)廣泛應(yīng)用，400G平臺(tái)在未來兩年也將入網(wǎng)，由于平臺(tái)和異廠家的兼容性問題，部分40G平臺(tái)機(jī)框和板卡大量退網(wǎng)，一定程度上造成投資浪費(fèi)。

（3）核心路由器設(shè)備價(jià)格昂貴，IP城域網(wǎng)核心路由器投資占比達(dá)到50%以上，而業(yè)務(wù)壓力較大的業(yè)務(wù)控制層設(shè)備投資占比小。

（4）隨著城市規(guī)模不斷擴(kuò)張以及農(nóng)村光改速度加快，城市郊區(qū)和鄉(xiāng)鎮(zhèn)寬帶業(yè)務(wù)也進(jìn)入快速發(fā)展期，業(yè)務(wù)流量增長(zhǎng)較快，BRAS設(shè)備逐漸實(shí)施下沉覆蓋，近兩年，BRAS設(shè)備大規(guī)模進(jìn)行萬兆電路上行改造也對(duì)城域核心路由器造成電路擴(kuò)容壓力；部分節(jié)點(diǎn)BRAS用戶壓力較大，進(jìn)行BRAS設(shè)備裂變建設(shè)，部分節(jié)點(diǎn)已達(dá)到3-4臺(tái)BRAS設(shè)備，單節(jié)點(diǎn)BRAS設(shè)備整體的槽位和端口利用率較低，且未實(shí)施熱備機(jī)制，多臺(tái)設(shè)備配置也對(duì)機(jī)房配套造成較大壓力。

（5）老型號(hào)BRAS和SR設(shè)備不支持IPV6和NAT444，BRAS設(shè)備和SR設(shè)備仍采用成對(duì)設(shè)置，尚未實(shí)現(xiàn)BRAS和SR業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)融合。

（6）由于縣鄉(xiāng)光纜資源的不足，均存在多級(jí)二層匯聚設(shè)備，造成網(wǎng)絡(luò)層級(jí)過多，且大規(guī)模FTTH建設(shè)和10GPON的應(yīng)用將導(dǎo)致二層匯聚網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模擴(kuò)容，二層匯聚網(wǎng)絡(luò)過大將成為流量和業(yè)務(wù)的瓶頸。

（7）公網(wǎng)IP地址資源已經(jīng)耗盡，IP地址的短缺嚴(yán)重影響業(yè)務(wù)的發(fā)展，各電信運(yùn)營(yíng)商已開始建設(shè)IPV6試商用網(wǎng)絡(luò)，但NAT444在短時(shí)間內(nèi)將作為補(bǔ)充手段進(jìn)行建設(shè)，IP城域網(wǎng)及周邊系統(tǒng)需要進(jìn)行調(diào)整建設(shè)。

三、IP城域網(wǎng)的演進(jìn)

3.1 IP城域核心節(jié)點(diǎn)演進(jìn)

（1）擴(kuò)容省內(nèi)互聯(lián)電路，開通市間核心節(jié)點(diǎn)直達(dá)電路。以現(xiàn)在IP城域網(wǎng)架構(gòu)，城域出口流量均通過運(yùn)營(yíng)商國(guó)干節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，隨著城域網(wǎng)流量的快速增長(zhǎng)，骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的容量必將成為發(fā)展的潛在瓶頸，流量的多層次穿越也將造成網(wǎng)絡(luò)的整體投資明顯增加。隨著網(wǎng)絡(luò)流量急劇增加。城域間采用傳輸直達(dá)鏈路疏導(dǎo)流量成為必然的解決方案。通過逐步開通省內(nèi)互訪流量較大的市IP城域網(wǎng)核心之間直達(dá)電路，以減輕骨干節(jié)點(diǎn)擴(kuò)容壓力。（圖1）

（2）提升市核心節(jié)點(diǎn)平臺(tái)容量，合理安排設(shè)備利舊。大型IP城域網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)容壓力越來越大，目前100G交換平臺(tái)路由器已入網(wǎng)應(yīng)用，400G交換平臺(tái)路由器預(yù)計(jì)2-3年內(nèi)可入網(wǎng)應(yīng)用，大型IP城域核心節(jié)點(diǎn)逐步由100G交換平臺(tái)向 400G平臺(tái)過度，100G交換平臺(tái)逐步利舊至中小型城域網(wǎng)，大型城域核心節(jié)點(diǎn)上行中繼采用100G中繼電路，中小型IP城域網(wǎng)逐步利舊40G中繼電路。通過充分利舊設(shè)備板卡減輕投資壓力。

3.2業(yè)務(wù)控制層發(fā)展演進(jìn)

（1）推進(jìn)集成MSE發(fā)展。IPTV、互聯(lián)網(wǎng)視頻、云計(jì)算的流量將占到IP城域網(wǎng)全部流量的80%以上，這部分業(yè)務(wù)提供現(xiàn)在集中在IDC內(nèi)部，而IDC一般集中設(shè)置在骨干網(wǎng)絡(luò)和城域核心位置，各運(yùn)營(yíng)商大部分采用省集中設(shè)置，城域內(nèi)穿越流量較大。將視頻業(yè)務(wù)和云計(jì)算業(yè)務(wù)提供由骨干向邊緣轉(zhuǎn)移，向用戶側(cè)轉(zhuǎn)移，能夠有效降低網(wǎng)絡(luò)的穿越流量。

未來IP城域網(wǎng)的建設(shè)將采取BRAS與SR合設(shè)向集成MSE（Multi Service Edge）發(fā)展，MSE將具備視頻推送能力、CDN能力、計(jì)算能力、存儲(chǔ)能力、網(wǎng)絡(luò)連接能力、用戶管理能力等。通過業(yè)務(wù)提供邊緣化，超過50%的流量將終結(jié)在MSE，城域骨干和骨干網(wǎng)絡(luò)的流量將大大減少，流量分布的變化帶來單位帶寬的投資明顯下降，同時(shí)還具備了CDN、IPTV、互聯(lián)網(wǎng)視頻、手機(jī)視頻、IaaS云計(jì)算的業(yè)務(wù)提供能力，帶來收入的增長(zhǎng)。

（2）業(yè)務(wù)控制層云化發(fā)展。利用100G平臺(tái)設(shè)備，將業(yè)務(wù)控制網(wǎng)關(guān)設(shè)備進(jìn)行池組化，整個(gè)業(yè)務(wù)控制層設(shè)備虛擬成一個(gè)或多個(gè)業(yè)務(wù)提供池，形成云網(wǎng)關(guān)，為下層用戶提供本網(wǎng)絡(luò)層應(yīng)提供的業(yè)務(wù)，為上層網(wǎng)絡(luò)提供集中、簡(jiǎn)化、匯聚后的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。

云化的業(yè)務(wù)控制層體現(xiàn)了少局所大容量的建設(shè)思路，增強(qiáng)了業(yè)務(wù)控制層的安全性、靈活性，并大大提高設(shè)備端口利用率，通過云池設(shè)備流量的高效收斂，減少對(duì)IP城域網(wǎng)核心節(jié)點(diǎn)的電路擴(kuò)容壓力，同時(shí)業(yè)務(wù)能力的邊緣化也極大的提升了用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

3.3接入層的發(fā)展趨勢(shì)

（1）推進(jìn)10GPON應(yīng)用，優(yōu)化接入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。xPON技術(shù)的廣泛應(yīng)用使接入網(wǎng)的覆蓋半徑由2-3公里擴(kuò)展到5-10公里，融合及云化的業(yè)務(wù)控制層將催生10萬用戶級(jí)的MSE節(jié)點(diǎn)，未來T級(jí)別的MSE設(shè)備將成為主流，大容量，少局所的建設(shè)模式將得到進(jìn)一步的發(fā)展。接入網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)向FTTH發(fā)展，當(dāng)OLT上行超過4G時(shí)，OLT直接上聯(lián)BRAS的成本更低，10GPON得到廣泛應(yīng)用。網(wǎng)絡(luò)層次由現(xiàn)在的BRAS/SR—匯聚交換機(jī)—OLT---ONU--家庭網(wǎng)關(guān)5個(gè)層次，演進(jìn)到MSE—OLT—OUN/家庭網(wǎng)關(guān)三個(gè)層次，接入網(wǎng)絡(luò)逐步向扁平化方向發(fā)展。（圖3）

3.4城域網(wǎng)向IPV6過渡演進(jìn)

IPv4與IPv6將在很長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)共存。如何實(shí)現(xiàn)共存期的應(yīng)用互訪和平滑演進(jìn)，是實(shí)現(xiàn)IPv4向IPv6成功過渡的基礎(chǔ)。目前IPv4向IPv6過渡演進(jìn)技術(shù)眾多，包括雙棧、隧道、翻譯等。建議現(xiàn)階段建議采用方式有雙?；螂p棧+NAT444方案，在演進(jìn)后期采用DS-LITE方案。

（1）在城域網(wǎng)各層設(shè)備開啟雙棧協(xié)議，同時(shí)支持IPv4和IPv6流量的上下行轉(zhuǎn)發(fā)。根據(jù)城域網(wǎng)設(shè)備情況，升級(jí)或新建BRAS、CR等設(shè)備開啟IPv4和IPv6雙棧，同時(shí)將AAA、DNS等相關(guān)支撐系統(tǒng)升級(jí)支持IPv6。由于BRAS設(shè)備數(shù)量較多，在實(shí)際部署時(shí)，可根據(jù)用戶及業(yè)務(wù)發(fā)展需求，逐步開啟IPv4和IPv6雙棧，以驗(yàn)證開啟雙棧對(duì)設(shè)備的影響，在保障網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定可靠運(yùn)行的情況下實(shí)現(xiàn)對(duì)雙棧的支持。（圖4）

（2）IP城域網(wǎng)NAT44部署選擇。NAT44技術(shù)本身已較為成熟，NAT44在城域網(wǎng)中的部署可分為集中式和分布式兩種方案。集中式是將CGN設(shè)備部署在IP城域網(wǎng)的核心CR節(jié)點(diǎn)，分布式是在各分散的BRAS節(jié)點(diǎn)部署CGN板卡。NAT44部署方案選擇應(yīng)結(jié)合IP城域網(wǎng)規(guī)模大小進(jìn)行合理選擇。

表1 IP城域網(wǎng)NAT44部署分析表

城域網(wǎng) 集中式部署 分布式

小型城域網(wǎng)：城域出口流量80G以下或用戶規(guī)模在20萬以下 在CR節(jié)點(diǎn)采用插卡集中式部署，2-3年內(nèi)不會(huì)引起大規(guī)模CGN擴(kuò)容，可一次性替換較多IP地址 后期根據(jù)流量壓力，可分布式部署部分BRAS節(jié)點(diǎn)

中型城域網(wǎng)：城域出口流量80G-160G，或用戶規(guī)模在20萬-50萬之間 集中式和分布式混合部署，可先試點(diǎn)后逐步推廣

大型城域網(wǎng)：城域出口流量大于160G或用戶規(guī)模大于50萬 集中部署CGN設(shè)備投資較大，對(duì)城域核心設(shè)備壓力較大 逐步在用戶量較大的BRAS節(jié)點(diǎn)分布式部署，投資較小，對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響較小

在采取分布式部署方案時(shí)應(yīng)注意如下原則：1、該節(jié)點(diǎn)并發(fā)用戶量大于2萬；2、該節(jié)點(diǎn)BRAS設(shè)備所帶專線用戶較少，且專線用戶地址段較集中；3、預(yù)計(jì)可替換IP地址數(shù)不少于1.2萬；4、該節(jié)點(diǎn)高校等大客戶比較集中。部署CGN目的是為了盡可能多的替換IP地址，如采取粗放的建設(shè)方式將會(huì)增大投資，且地址替換效果不明顯。

四、結(jié)束語

IP城域網(wǎng)是未來IP業(yè)務(wù)發(fā)展的關(guān)鍵，是云管道的基礎(chǔ)。為了迎接超寬帶、高體驗(yàn)、高可靠IP城域網(wǎng)時(shí)代的來臨，如何把握IP城域網(wǎng)的發(fā)展方向，將有限的資金合理的投入到IP城域網(wǎng)建設(shè)，是值得各電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)者思考的問題。建設(shè)一個(gè)靈活、高效的IP城域網(wǎng)是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，運(yùn)營(yíng)商應(yīng)通過合適的技術(shù)構(gòu)建超寬帶、低成本、電信級(jí)、綠色環(huán)保等面向未來的全業(yè)務(wù)城域網(wǎng)，充分滿足未來業(yè)務(wù)發(fā)展的需求。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] http：//news.cisco-club.com.cn/2011/0613/1308.shtml，思科中文技術(shù)社區(qū)；

[2] http：//www.enet.com.cn/article/2011/0429/A20110429853451_2.shtml 硅谷動(dòng)力；

[3] http：//www.chanyezixun.com/news/itytx/hlw/2012/0504/2040.html中國(guó)產(chǎn)業(yè)咨詢網(wǎng)；

[4]王賓. 《IP城域網(wǎng)NAT444部署方案探討》[J].互聯(lián)網(wǎng)天地.2014。