城域網(wǎng)新探索：陜西移動(dòng)積極開展轉(zhuǎn)控分離云化BRAS部署研究

陜西移動(dòng)計(jì)劃部副經(jīng)理|常英卓

電信網(wǎng)絡(luò)IT化是未來網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)的趨勢，SDN和NFV技術(shù)作為運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)IT化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵技術(shù)正在逐漸走向成熟。BRAS設(shè)備由于兼?zhèn)銲P承載網(wǎng)的邊緣和用戶接入網(wǎng)關(guān)的雙重身份，功能復(fù)雜、數(shù)量眾多，是整個(gè)IP承載網(wǎng)向IT化轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵網(wǎng)元，也是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)體現(xiàn)智能性、開放性的核心載體。將SDN和NFV技術(shù)引入傳統(tǒng)BRAS設(shè)備，結(jié)合CT和IT技術(shù)的互補(bǔ)優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)BRAS設(shè)備控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，是解決傳統(tǒng)城域網(wǎng)絡(luò)面臨挑戰(zhàn)的必然出路。

城域網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀及云化BRAS驅(qū)動(dòng)力

傳統(tǒng)BRAS設(shè)備面臨多種問題

陜西移動(dòng)自2016年起實(shí)施“寬帶百萬”戰(zhàn)略，以“有線寬帶+家庭視頻”為基礎(chǔ)的家庭產(chǎn)品有效促進(jìn)市場大發(fā)展，寬帶用戶數(shù)由2015年底的60萬左右增長至當(dāng)前約220萬。目前城域?qū)拵ЬW(wǎng)絡(luò)主要承載WLAN、高速上網(wǎng)和IPTV等多種業(yè)務(wù)，隨著寬帶用戶數(shù)量的快速增長和視頻業(yè)務(wù)的快速發(fā)展，傳統(tǒng)BRAS設(shè)備作為CMNet網(wǎng)絡(luò)邊緣及用戶接入網(wǎng)關(guān)，正面臨巨大挑戰(zhàn)。CMNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 CMNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

● 資源利用率不充分：由于BRAS設(shè)備控制和轉(zhuǎn)發(fā)資源強(qiáng)耦合相互影響，一般單臺BRAS設(shè)備只能承載3萬以下的用戶數(shù)。此外現(xiàn)網(wǎng)IP地址采用是預(yù)分配模式，一臺BRAS設(shè)備預(yù)先分配十幾個(gè)公網(wǎng)地址供大量用戶同時(shí)使用，有時(shí)會出現(xiàn)用戶無法上線或者上線慢的問題，影響業(yè)務(wù)發(fā)展。

● 業(yè)務(wù)上線慢：BRAS設(shè)備由于分布式部署、設(shè)備數(shù)量眾多，業(yè)務(wù)開通需要經(jīng)過現(xiàn)場工勘、設(shè)備安裝、與地市溝通進(jìn)行對接、第三方施工、最終業(yè)務(wù)開通。其業(yè)務(wù)上線周期需要半年到一年的時(shí)間，無法快速響應(yīng)業(yè)務(wù)要求。

● 管理維護(hù)復(fù)雜：隨著現(xiàn)網(wǎng)BRAS數(shù)量的不斷增多，運(yùn)維效率問題逐漸浮現(xiàn)。目前一個(gè)地市人均維護(hù)約16000條配置，人均維護(hù)工作量較大，同時(shí)對維護(hù)人員的技能要求也比較高。這種模式隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模的擴(kuò)大和新業(yè)務(wù)引入，很難實(shí)現(xiàn)對業(yè)務(wù)的高效管理和對故障的快速排除。

城域網(wǎng)絡(luò)云化BRAS改造驅(qū)動(dòng)力

從整個(gè)業(yè)界來看，互聯(lián)網(wǎng)和IT技術(shù)的發(fā)展一方面給運(yùn)營商帶來了巨大挑戰(zhàn)，另一方面也帶來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇。高帶寬長時(shí)應(yīng)用（如4K、VR等）使得流量高速增長，網(wǎng)絡(luò)流量擴(kuò)容速度加快，原有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和運(yùn)營機(jī)制難以適應(yīng)，需要引入新技術(shù)改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，促進(jìn)低成本集約化運(yùn)營。傳統(tǒng)BRAS設(shè)備軟硬耦合，網(wǎng)絡(luò)引入重大功能時(shí)需要整網(wǎng)升級，網(wǎng)絡(luò)部署周期長，過于復(fù)雜難以滿足新業(yè)務(wù)上線需求，需要通過云化技術(shù)將資源集中管理、靈活調(diào)度，縮短部署周期。

圖2 中國移動(dòng)下一代革新網(wǎng)絡(luò)NovoNet

中國移動(dòng)在2015年提出了下一代革新網(wǎng)絡(luò)NovoNet（如圖2所示）的理念。NovoNet的核心思想是“新架構(gòu)、新運(yùn)營、新服務(wù)”，采用SDN/NFV作為核心技術(shù)，構(gòu)建一張可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能軟件化、資源共享化、網(wǎng)絡(luò)可編程的面向未來的新一代網(wǎng)絡(luò)。

NovoNet核心架構(gòu)是以TIC電信云為基礎(chǔ)組件的數(shù)據(jù)中心互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。TIC電信云是NovoNet的基本組件，是標(biāo)準(zhǔn)化的、微模塊構(gòu)建的、滿足運(yùn)營商品質(zhì)要求的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，可以承載各類虛擬化的電信類軟件應(yīng)用。它以核心TIC和邊緣TIC兩層數(shù)據(jù)中心組成，核心TIC集中部署以實(shí)現(xiàn)控制功能集中和更靈活的網(wǎng)絡(luò)調(diào)度，邊緣TIC分布化部署，以實(shí)現(xiàn)流量快速卸載，優(yōu)化流量和用戶體驗(yàn)，提高網(wǎng)絡(luò)效率。

基于NovoNet網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，陜西移動(dòng)提出了城域網(wǎng)絡(luò)向轉(zhuǎn)控分離架構(gòu)演進(jìn)的目標(biāo)，如圖3所示。

● 高帶寬：BRAS設(shè)備需提供高帶寬、高體驗(yàn)感知，新建BRAS優(yōu)先采用大容量200G平臺設(shè)備，上行以10G鏈路為主，提升城域網(wǎng)邊緣寬帶、語音、視頻、物聯(lián)網(wǎng)等多業(yè)務(wù)接入能力。

● 廣覆蓋：BRAS下沉到匯聚機(jī)房，增加業(yè)務(wù)控制點(diǎn)數(shù)量，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)扁平化，同時(shí)擴(kuò)大縣級業(yè)務(wù)控制點(diǎn)覆蓋，擴(kuò)容上聯(lián)帶寬；OLT“雙路由、雙節(jié)點(diǎn)”方式上聯(lián)BRAS以保證其高可靠性。

● 轉(zhuǎn)控分離：實(shí)現(xiàn)BRAS設(shè)備控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面分離，BRAS-CP控制面集中部署到核心機(jī)房，云化可彈性擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)集中管理簡化運(yùn)維，單一對外接口簡化配置；BRAS-UP面具備高性能低時(shí)延轉(zhuǎn)發(fā)能力，實(shí)現(xiàn)大流量本地卸載；控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面之間互不影響，可以根據(jù)需要，分別進(jìn)行靈活擴(kuò)展。

圖3 城域網(wǎng)絡(luò)向轉(zhuǎn)控分離架構(gòu)演進(jìn)

轉(zhuǎn)控分離云化BRAS系統(tǒng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

轉(zhuǎn)控分離系統(tǒng)架構(gòu)

云化BRAS CU分離方案遵循以TIC為核心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)思想，采取控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面完全分離的方式?？刂破矫婊贜FV技術(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)面采用高性能轉(zhuǎn)發(fā)硬件。系統(tǒng)由控制面vBRAS-CP和轉(zhuǎn)發(fā)面vBRAS-UP以及控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面之間的接口組成。轉(zhuǎn)控分離系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

vBRAS-CP負(fù)責(zé)用戶的控制與管理，vBRAS-UP負(fù)責(zé)用戶數(shù)據(jù)報(bào)文的轉(zhuǎn)發(fā)，執(zhí)行傳統(tǒng)BRAS設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)面的功能，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面之間的接口包括業(yè)務(wù)接口、管理接口、控制接口。業(yè)務(wù)接口傳遞PPPoE、IPoE、L2TP等協(xié)議報(bào)文，管理接口實(shí)現(xiàn)vBRAS-CP對vBRAS-UP的配置下發(fā)，控制接口實(shí)現(xiàn)vBRAS-CP向vBRAS-UP下發(fā)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)以及vBRAS-UP向vBRAS-CP上報(bào)業(yè)務(wù)事件。

該架構(gòu)的優(yōu)勢在于轉(zhuǎn)發(fā)和控制完全分離、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，而采用高性能硬件的轉(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)。

該架構(gòu)具有以下特點(diǎn)：

第一，轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面完全分離的架構(gòu)破除了軟硬件的緊耦合，可以分別靈活擴(kuò)容、互相不為約束；

第二，控制面集中云化便于集中管控簡化運(yùn)維，云化架構(gòu)可以彈性擴(kuò)縮容，轉(zhuǎn)發(fā)面本地化可以實(shí)現(xiàn)大流量本地卸載；

第三，BRAS業(yè)務(wù)控制面屬于計(jì)算密集型功能，適用于軟件實(shí)現(xiàn)；轉(zhuǎn)發(fā)面是流量密集型功能，適用于高性能專用硬件實(shí)現(xiàn)；

第四，控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口，有利于推動(dòng)高性能轉(zhuǎn)發(fā)面的標(biāo)準(zhǔn)化。

圖4 轉(zhuǎn)控分離系統(tǒng)架構(gòu)

轉(zhuǎn)控分離設(shè)備關(guān)鍵技術(shù)

1.vBRAS-CP千萬級用戶支持

vBRAS-CP采用分布式架構(gòu)，用戶管理支持多實(shí)例，使用負(fù)載均衡將上線用戶散列在不同實(shí)例上，實(shí)例的數(shù)量將隨著用戶數(shù)的增加彈性擴(kuò)展，從而實(shí)現(xiàn)千萬級上線用戶規(guī)模。

2.vBRAS-CP異地容災(zāi)

vBRAS-UP將同時(shí)接入主vBRASCP和備vBRAS-CP。用戶在主vBRAS-CP上線后，主vBRAS-CP將通過異地容災(zāi)模塊，將用戶上線信息同步到備vBRASCP上，備vBRAS-CP上將生成相應(yīng)的用戶轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)。當(dāng)主vBRAS-CP故障時(shí)，備vBRAS-CP升主，接管vBRAS-UP及用戶管理。

3.表項(xiàng)下發(fā)速度提升

vBRAS-CP與vBRAS-UP之間采用TCP下發(fā)表項(xiàng)。為提升下發(fā)表項(xiàng)速率，vBRAS-CP采用單IP多TCP Session技術(shù)。vBRAS-CP采用分布式架構(gòu)，使用專門的VM部署IO/LB模塊與vBRAS-UP進(jìn)行通信。IO/LB模塊采用SR-IOV等硬件加速技術(shù)，并支持多實(shí)例，保證控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面之間的IP轉(zhuǎn)發(fā)速率。vBRAS-CP使用vBRAS-UP管理模塊與vBRAS-UP建立TCP Session。vBRAS-UP管理模塊支持多實(shí)例，一個(gè)vBRAS-UP管理實(shí)例負(fù)責(zé)與指定的vBRAS-UP進(jìn)行通信，從而實(shí)現(xiàn)用戶表項(xiàng)的高速下發(fā)。

4.vBRAS-UP的未來演進(jìn)技術(shù)

隨著vB R A S-C P的集中云化，vBRAS-UP設(shè)備形態(tài)必然會發(fā)生一定程度的變化。按照目前的技術(shù)發(fā)展，vBRAS-UP主要有兩種技術(shù)演進(jìn)方向：其一是基于高性能硬件的設(shè)備形態(tài)，包括NP、ASIC等；其二是基于x86平臺的VNF設(shè)備。

圖5 轉(zhuǎn)控分離云化BRAS系統(tǒng)的部署方式

城域網(wǎng)云化BRAS部署驗(yàn)證

為了推動(dòng)城域網(wǎng)云化轉(zhuǎn)型，陜西移動(dòng)積極承接移動(dòng)集團(tuán)轉(zhuǎn)控分離云化BRAS創(chuàng)新試點(diǎn)，完成了該方案的首個(gè)現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)，推動(dòng)了方案功能完善與產(chǎn)業(yè)鏈成熟。試點(diǎn)圍繞轉(zhuǎn)控分離的云化BRAS架構(gòu)、PPPoE/IPoE業(yè)務(wù)接入、CGN、QoS、組播及可靠性等網(wǎng)絡(luò)能力驗(yàn)證以及產(chǎn)品性能等幾個(gè)方面展開。

云化BRAS部署方式

轉(zhuǎn)控分離云化BRAS系統(tǒng)的部署方式如圖5所示，vBRAS-UP和現(xiàn)有BRAS類似，仍舊保留在現(xiàn)有匯聚機(jī)房的位置（邊緣TIC），采用高性能硬件的形態(tài)。而虛擬化vBRAS-CP部署在核心機(jī)房位置（核心TIC），對各個(gè)匯聚的vBRAS-UP進(jìn)行統(tǒng)一控制。該部署場景適用于目前運(yùn)營商作為主流場景的大流量業(yè)務(wù)場景。

云化BRAS試點(diǎn)驗(yàn)證

通過本次試點(diǎn)，陜西移動(dòng)驗(yàn)證了轉(zhuǎn)控分離云化BRAS架構(gòu)可以基于現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備進(jìn)行平滑演進(jìn)，無縫對接現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務(wù)，同時(shí)新方案試點(diǎn)應(yīng)用也取得了以下成果。

1.資源池化，提升利用率

轉(zhuǎn)控分離部署可實(shí)現(xiàn)IP地址資源和會話資源集中管理和實(shí)時(shí)監(jiān)測，減少資源碎片化的浪費(fèi)。以IP地址資源為例，當(dāng)前家庭寬帶是通過分布式NAT上公網(wǎng)，多用戶共享幾個(gè)公網(wǎng)IP，當(dāng)某個(gè)BRAS公網(wǎng)IP資源耗盡時(shí)，用戶上網(wǎng)會出現(xiàn)失敗或上網(wǎng)慢等體驗(yàn)差問題，從而引發(fā)投訴，而靠人工管理IP地址資源，效率低下。在公網(wǎng)IP地址資源集中在vBRAS-CP面統(tǒng)一管理后，vBRAS-UP按需申請地址，使用后還可以自動(dòng)化回收，試點(diǎn)小規(guī)模部署場景下，公網(wǎng)IP資源利用率預(yù)計(jì)提升30%。

對BRAS業(yè)務(wù)的用戶會話資源而言，傳統(tǒng)模式下設(shè)備控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面緊耦合，轉(zhuǎn)發(fā)面物理設(shè)備的用戶規(guī)格受到主控板能力限制，控制面集中云化管理后，會話資源形成資源池，利用云的強(qiáng)計(jì)算能力，控制面可管理千萬級用戶。轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備在同硬件條件下支撐用戶規(guī)格也可以大幅提升，單臺BRAS設(shè)備用戶規(guī)格提升為單板規(guī)格的總和，轉(zhuǎn)發(fā)面硬件利用更加高效、可減少擴(kuò)容。

2.網(wǎng)絡(luò)靈活管理，縮短新業(yè)務(wù)開通周期

傳統(tǒng)模式下，每臺新增BRAS設(shè)備部署需與周邊業(yè)務(wù)系統(tǒng)配置對接，增加一臺設(shè)備安裝上電時(shí)間可能只需兩天，但與周邊業(yè)務(wù)系統(tǒng)對接、流程協(xié)調(diào)等工作可能需兩周，導(dǎo)致業(yè)務(wù)開通速度很慢。在轉(zhuǎn)控分離模式下，新vBRAS-UP上線只需新增轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備基本配置，不再需要與周邊系統(tǒng)對接，業(yè)務(wù)上線速度從幾周變?yōu)閹滋?。同時(shí)，控制面云化后，控制面的軟件功能可以進(jìn)行IT式的獨(dú)立開發(fā)，很多新業(yè)務(wù)只需要升級控制面軟件就可以開通。

3.集中管理簡化運(yùn)維，重復(fù)配置工作減少75%

傳統(tǒng)BRAS設(shè)備管理模式下，地市運(yùn)維人員人均需維護(hù)16000行配置，要負(fù)責(zé)開戶、現(xiàn)場設(shè)備配置、光纖布放和設(shè)備處理等一系列維護(hù)工作。每臺BRAS設(shè)備都需要現(xiàn)場配置，包括IP地址池、域、QoS型等全局業(yè)務(wù)配置，大多數(shù)配置工作都屬于重復(fù)配置。轉(zhuǎn)控分離架構(gòu)通過集中管理，業(yè)務(wù)全局配置在控制面統(tǒng)一配置多次復(fù)用，可以有效減少重復(fù)配置工作量，從而提升維護(hù)效率，使得運(yùn)維人員的重復(fù)配置工作量減少了75%。

云化城域網(wǎng)展望

通過本次現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)，轉(zhuǎn)控分離方案的價(jià)值可以總結(jié)為通過集中控制實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的靈活快速部署、資源池化提高利用率以及分布轉(zhuǎn)發(fā)實(shí)現(xiàn)高性能流量疏導(dǎo)，從而有效實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型目標(biāo)。

面對未來，運(yùn)營商流量主體將以大顆粒視頻類業(yè)務(wù)為主，對網(wǎng)絡(luò)帶寬需求顯著提高，同時(shí)連接數(shù)量和連接種類將發(fā)生大規(guī)模井噴式發(fā)展，現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)難以支撐。數(shù)據(jù)流量的爆炸式增長及新型業(yè)務(wù)要求將驅(qū)動(dòng)城域網(wǎng)絡(luò)向云化架構(gòu)轉(zhuǎn)型，從而提高網(wǎng)絡(luò)的靈活性和效率，而以TIC為核心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠更好地面對未來網(wǎng)絡(luò)的不確定性。陜西移動(dòng)在寬帶及數(shù)字化業(yè)務(wù)大發(fā)展背景下，將繼續(xù)積極通過云化、SDN/NFV等信息化技術(shù)探索城域云化新架構(gòu)，提升網(wǎng)絡(luò)的自調(diào)整和自學(xué)習(xí)能力，從而支撐業(yè)務(wù)的數(shù)字化、精細(xì)化運(yùn)營。