vCPE實(shí)現(xiàn)方式研究和發(fā)展趨勢探討

扶奉超+王鵬+謝元寶

【摘 要】研究如何利用SDN技術(shù)和NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)vCPE，以解決家庭網(wǎng)關(guān)內(nèi)網(wǎng)問題和政企客戶業(yè)務(wù)部署效率過低等問題。根據(jù)云平臺部署的位置和云平臺實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)功能的不同提出了三種不同的實(shí)現(xiàn)方式，并分別從應(yīng)用場景和引入難度的角度對比了這三種方法。家庭用戶和政企客戶可以根據(jù)自身需求采取不同的方案，有效降低家庭用戶操作維護(hù)難度，降低運(yùn)營商運(yùn)維成本以及大大加快政企業(yè)務(wù)部署速度，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)隨選功能和豐富的增值業(yè)務(wù)。最后本文還分析了未來vCPE的發(fā)展趨勢。

【關(guān)鍵詞】寬帶接入網(wǎng) vCPE SDN NFV 虛擬化

Research and Discussion on vCPE Implementation andits Development Trend

[Abstract] In this paper， the implementation of vCPE based on SDN and NFV technologies was studied， and then the trouble in home subscribers and the low efficiency of government and enterprise customers services were solved. Based on the deployment location and the service function of the cloud platform， three different vCPE implementation methods were presented， which were compared with each other according to the application scenario and the introduction difficulty. The home， government and enterprise customers can adopt different vCPE methods according to their own needs. It can effectively decrease the home customers difficulty in operation and maintenance， reduce the operators OPEX （Operation Expense）， highly accelerate the deployment speed of the government and enterprise services and implement versatile network functions and value-added services. Finally， the developmental trend of vCPE in the future was analyzed.

[Key words]broadband access network vCPE SDN NFV virtualization

1 引言

SDN和NFV技術(shù)已成為業(yè)內(nèi)討論和研究的熱點(diǎn)。SDN改變的是網(wǎng)絡(luò)整體架構(gòu)，其核心思想是將網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備的控制平面與轉(zhuǎn)發(fā)平面相分離，并開放網(wǎng)絡(luò)的北向接口，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)可編程[1]。NFV技術(shù)是將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備虛擬化，用通用X86服務(wù)器實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的專用電信設(shè)備功能，實(shí)現(xiàn)軟硬件解耦，從而降低設(shè)備成本[2]。NFV適用于計算能力高而對轉(zhuǎn)發(fā)能力要求不高的網(wǎng)絡(luò)邊緣，如城域網(wǎng)和接入網(wǎng)。SDN技術(shù)和NFV技術(shù)的快速發(fā)展為接入網(wǎng)終端設(shè)備CPE的虛擬化提供了基礎(chǔ)。

CPE是用戶側(cè)網(wǎng)關(guān)，處于接入網(wǎng)的邊緣，是用戶網(wǎng)絡(luò)與外部網(wǎng)絡(luò)的接口單元[3]。CPE的功能是為用戶提供三重業(yè)務(wù)，即數(shù)據(jù)、語音和視頻業(yè)務(wù)。運(yùn)營商的用戶一般分為家庭用戶和政企用戶。家庭用戶側(cè)的CPE稱為家庭網(wǎng)關(guān)，政企客戶側(cè)的CPE稱為政企網(wǎng)關(guān)。隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，家庭用戶和政企用戶分別遇到許多問題。對家庭用戶來說，運(yùn)營商通過NAT（網(wǎng)絡(luò)地址轉(zhuǎn)換）為家庭網(wǎng)絡(luò)提供IP地址，而在其后的家庭內(nèi)網(wǎng)對運(yùn)營商并不可見。在很多情況下，網(wǎng)絡(luò)的問題可能是內(nèi)網(wǎng)的問題，與運(yùn)營商提供的網(wǎng)絡(luò)無關(guān)。當(dāng)家庭網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時，運(yùn)營商需要提供上門到戶的技術(shù)服務(wù)，維修成本高。政企客戶一般情況下有自己的IT人員維護(hù)內(nèi)網(wǎng)，所以內(nèi)網(wǎng)問題相對比較少。政企客戶更多的是開通專線等業(yè)務(wù)，業(yè)務(wù)開通速度慢，需要1～2個月，流程復(fù)雜，費(fèi)用高，難以滿足政企客戶快速開通需求和網(wǎng)絡(luò)隨選（網(wǎng)絡(luò)隨選指根據(jù)客戶需求，快速開通相關(guān)業(yè)務(wù)）的需求。

在接入網(wǎng)CPE中引入SDN技術(shù)和NFV技術(shù)進(jìn)行虛擬化可以解決家庭客戶和政企客戶的上述問題。利用SDN技術(shù)和NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)vCPE的方式多種多樣，未來vCPE該如何發(fā)展是個問題。目前業(yè)內(nèi)正積極開展vCPE研究。標(biāo)準(zhǔn)化組織中最積極的是BBF組織。BBF于2016年6月份發(fā)布了TR-317標(biāo)準(zhǔn)[4]，主要規(guī)范了vCPE技術(shù)和管理方面的要求。TR-317中采用的基于NFV的vCPE方案。ETSI組織發(fā)布了標(biāo)準(zhǔn)[5-6]，簡單介紹了基于NFV的vCPE的實(shí)現(xiàn)方案，并舉了家長式管理應(yīng)用的例子。本文在這兩個標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)了三種vCPE實(shí)現(xiàn)方式?，F(xiàn)有成果中還未詳述過如何結(jié)合SDN和NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)vCPE，并結(jié)合整個接入網(wǎng)重構(gòu)分析vCPE發(fā)展趨勢，因此本文具有一定的創(chuàng)新性和前瞻性。

本文主要研究了寬帶接入網(wǎng)中如何利用vCPE解決家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)網(wǎng)的問題以及政企用戶業(yè)務(wù)開通緩慢，價格昂貴等問題。本文總結(jié)了三種vCPE的實(shí)現(xiàn)方式，對比和探討了未來vCPE發(fā)展趨勢。

2 傳統(tǒng)CPE接入網(wǎng)模型

傳統(tǒng)CPE在接入網(wǎng)中的位置如圖1所示。一般用戶側(cè)的網(wǎng)絡(luò)有語音網(wǎng)關(guān)、機(jī)頂盒和寬帶網(wǎng)關(guān)，分別提供語音、視頻和數(shù)據(jù)三重業(yè)務(wù)。其中ITMS+（增強(qiáng)型終端綜合管理系統(tǒng)）是CPE業(yè)務(wù)的部署和控制平臺，也是CPE設(shè)備的遠(yuǎn)程管理平臺。通過TR-069協(xié)議，ITMS+既可以對CPE上的語音、視頻和數(shù)據(jù)等功能進(jìn)行部署、管理和控制，也可以實(shí)現(xiàn)對CPE的遠(yuǎn)程狀態(tài)管理、配置、故障管理和軟件升級等[7]。EMS（Element Management System，網(wǎng)元管理系統(tǒng)）負(fù)責(zé)CPE的無源光纖網(wǎng)絡(luò)（PON）接口物理層和鏈路層的配置和管理。BNG（Broadband Network Gateway，寬帶網(wǎng)絡(luò)接入網(wǎng)關(guān)）為寬帶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)，一般指BRAS（Broadband Remote Access Server，寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器）、SR（Service Router，業(yè)務(wù)路由器）、MSE（Multi-Service Edge，多業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)）設(shè)備。

3 基于SDN/NFV的vCPE實(shí)現(xiàn)方案

3.1 方法一

此種方法的思路是盡可能簡化用戶側(cè)CPE網(wǎng)關(guān)實(shí)體，使用戶側(cè)CPE支持即插即用。僅保留用戶側(cè)CPE設(shè)備原有二層的Ethernet端口、VLAN端口、Wi-Fi端口等功能，把防火墻、NAT、DPI（Deep Packet Inspection，深度包檢測技術(shù)）、DHCP、DNS等三層功能上移到云平臺。為實(shí)現(xiàn)用戶隔離，保護(hù)企業(yè)隱私和信息安全，云平臺內(nèi)為用戶獨(dú)立配置vCPE。此外，開發(fā)一個靈活的管理和控制平臺，對vCPE進(jìn)行集中管理，并與NFVO結(jié)合實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)編排和管理，從而實(shí)現(xiàn)政企客戶的網(wǎng)絡(luò)隨選功能，加快業(yè)務(wù)部署，提升運(yùn)營商運(yùn)營競爭力。vCPE實(shí)現(xiàn)方法一的示意圖如圖2所示。

3.2 方法二

方法二的核心思想是用戶側(cè)CPE保留原有二層功能和三層功能，僅將新增的增值業(yè)務(wù)功能上收至云平臺。采用此種方法，只有具有新增值業(yè)務(wù)需求的企業(yè)或用戶才需要訂購vCPE，因而可以相對平滑地演進(jìn)vCPE。升級用戶側(cè)CPE支持OpenFlow功能，將CPE的控制功能轉(zhuǎn)移至SDN控制器[8-9]，并由SDN控制器集中管理CPE。由SDN控制器與業(yè)務(wù)編排器實(shí)現(xiàn)用戶業(yè)務(wù)的邏輯路徑的配置等功能。開發(fā)一個靈活的自助業(yè)務(wù)管理和控制系統(tǒng)。用戶可以通過Portal（門戶）方式或者APP客戶端的方式訪問自助服務(wù)系統(tǒng)[10]，并直接訂購指定要求的服務(wù)。vCPE實(shí)現(xiàn)方法二示意圖如圖3所示：

3.3 方法三

方法三的核心思想是用戶側(cè)CPE保留二層功能，可選擇將三層功能或新增的增值業(yè)務(wù)功能放在重構(gòu)的就近的局端內(nèi)實(shí)現(xiàn)，如MDU（Multiple Dwelling Unit，多用戶居住單元）、vOLT或者vBRAS中，從而使得接入網(wǎng)業(yè)務(wù)流量處理流程與未引入vCPE時保持一致。同時，SDN控制器可以綜合管理接入網(wǎng)中CPE、OLT和BRAS等設(shè)備，與協(xié)同編排器實(shí)現(xiàn)VPN業(yè)務(wù)的邏輯路徑的配置。vCPE實(shí)現(xiàn)方法三示意圖如圖4所示：

3.4 方案對比以及發(fā)展趨勢分析

本節(jié)從應(yīng)用場景方面和引進(jìn)難度方面來對比上述三種vCPE方案。

首先是應(yīng)用場景方面。家庭用戶最重要的業(yè)務(wù)是普通的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)。一般來說，家庭用戶上網(wǎng)出現(xiàn)問題時，很大概率是因?yàn)榕c互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)強(qiáng)相關(guān)的NAT、DHCP、DNS等較為復(fù)雜的三層功能出現(xiàn)了問題，而簡單的LAN、WLAN等端口的配置一般很少出現(xiàn)問題。方法一最大的優(yōu)勢是把三層功能上移至網(wǎng)絡(luò)側(cè)，歸運(yùn)營商管理，僅保留簡單的二層Ethernet端口、VLAN端口、Wi-Fi端口，從而大大簡化用戶操作難度，減少故障概率，同時把內(nèi)網(wǎng)暴露給運(yùn)營商。因此方法一特別適用于海量操作維護(hù)能力弱的家庭用戶。政企客戶除了普通的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)外，更重要的是Site-Site（企業(yè)至分部）、Site-DC（企業(yè)至數(shù)據(jù)中心）、Site-Internet（企業(yè)至互聯(lián)網(wǎng)）等專線業(yè)務(wù)。此三種vCPE方案均可以通過SDN控制器集中管理CPE設(shè)備，也可以連接至IDC（Internet Data Center，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心）和MPLS（Multi-Protocol Label Switch，多協(xié)議標(biāo)簽交換）網(wǎng)絡(luò)等，因此都可滿足政企客戶的需求，政企客戶可以根據(jù)需求選擇三種方式。

其次是引入難度方面。在引入vCPE之前，業(yè)務(wù)的流程處理過程為CPE將用戶數(shù)據(jù)通過ODN（Optical Distribution Network，光分配網(wǎng)絡(luò)）網(wǎng)絡(luò)連接至OLT，OLT結(jié)束光路部分。OLT將用戶的數(shù)據(jù)上傳至寬帶接入服務(wù)器BRAS進(jìn)行PPPoE或IPoE認(rèn)證后，用戶數(shù)據(jù)進(jìn)入城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)等[11]。方案一和方案二中，由于實(shí)現(xiàn)vCPE的云平臺放在城域網(wǎng)的數(shù)據(jù)中心，位于BRAS之后，因此流量經(jīng)過OLT后，需要通過vXLAN等Overlay隧道先到云平臺的vCPE，然后折回來BRAS進(jìn)行認(rèn)證進(jìn)入城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)，因此對現(xiàn)有接入網(wǎng)業(yè)務(wù)流量的處理流程改變較大。方案三將三層功能或增值業(yè)務(wù)放在就近的重構(gòu)vOLT或者vBRAS中實(shí)現(xiàn)，可以保留原有的業(yè)務(wù)流量處理流程，簡化引入vCPE的難度。但方案三須隨著vOLT重構(gòu)、vBRAS重構(gòu)或者CO重構(gòu)才能得到發(fā)展，因此需要一定的時間。

總的來說，作為過渡方案和測試方案，短期內(nèi)可引入方案一和方案二。但隨著整個接入網(wǎng)的重構(gòu)和虛擬化，方案三會是未來的研究方向。

4 結(jié)束語

未來運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)將逐步借助IT化的基礎(chǔ)架構(gòu)，向軟件化、虛擬化方向演進(jìn)，電信級SDN加NFV的架構(gòu)將成為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)。作為運(yùn)營商引入SDN和NFV的嘗試，接入網(wǎng)vCPE的成功與否將為未來大規(guī)模部署SDN和NFV提供重要的借鑒意義。本文提出了三種vCPE實(shí)現(xiàn)方案。用戶可根據(jù)不同的應(yīng)用場景和需求采用不同的vCPE方案。對家庭用戶來說，由于簡化了CPE，可以降低內(nèi)網(wǎng)出現(xiàn)問題的概率，從而降低運(yùn)營商運(yùn)維成本。對政企客戶來說，可以大大加快政企業(yè)務(wù)部署速度，從以前的1～2個月縮短至1～2天。將云平臺部署在就近的重構(gòu)端局內(nèi)是vCPE未來發(fā)展的趨勢。本文所提的vCPE方案具有一定的參考意義。

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