賈 佳,張文君(.河南省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院,河南鄭州450008;.河南省新聞出版學(xué)校,河南鄭州450044)
以云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、IPTV為代表的新興業(yè)務(wù)和“互聯(lián)網(wǎng)+”熏陶下的新一代用戶對(duì)IP城域網(wǎng)的承載能力提出了更高的要求,雖然運(yùn)營(yíng)商采取了業(yè)務(wù)控制層設(shè)備大規(guī)模向200G/400G平臺(tái)升級(jí)替換的方案,但投資效益低、利用率不均衡和運(yùn)維復(fù)雜等問題仍然存在。由此看來(lái)傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)思路和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)越來(lái)越難以適應(yīng)這種發(fā)展變化,為解決上述問題,本文提出了一種基于vBRAS的新型IP城域網(wǎng)構(gòu)建思路,希望能夠促進(jìn)IP城域網(wǎng)的轉(zhuǎn)型升級(jí)。
IP城域網(wǎng)按垂直方向分為核心層、業(yè)務(wù)接入控制層和匯聚層。核心層由負(fù)責(zé)BRAS/SR匯聚以及省網(wǎng)對(duì)接功能的城域核心路由器CR構(gòu)成。業(yè)務(wù)接入控制層由負(fù)責(zé)二、三層數(shù)據(jù)聚合和用戶接入的MSE、BRAS和SR構(gòu)成。匯聚層由負(fù)責(zé)歸納梳理和分發(fā)接入層流量的匯聚交換機(jī)等設(shè)備構(gòu)成。
在國(guó)家“寬帶中國(guó)”“提速降費(fèi)”“三網(wǎng)融合”背景下,當(dāng)前粗放式經(jīng)營(yíng)的寬帶IP城域網(wǎng)發(fā)展面臨以下問題。
a)資源利用率低:傳統(tǒng)BRAS作為控制和轉(zhuǎn)發(fā)一體設(shè)備,雖然在交換轉(zhuǎn)發(fā)能力方面還有很大潛力,但是在控制資源方面(如CPU利用率、并發(fā)連接數(shù)、隊(duì)列數(shù)和QoS策略等)已發(fā)揮到極限了,導(dǎo)致整機(jī)資源利用率低。
b)資源分配不均衡:由于BRAS設(shè)備部署區(qū)域不同,其用戶數(shù)和流量也存在差異,而BRAS作為獨(dú)立硬件,設(shè)備之間不能靈活調(diào)配資源,造成資源分配不均衡,城域網(wǎng)出口流量調(diào)度不靈活,集約化程度不高的問題。
c)備份能力差:現(xiàn)網(wǎng)已實(shí)現(xiàn)鏈路級(jí)安全備份,但大部分無(wú)法實(shí)現(xiàn)設(shè)備級(jí)熱備,雖然廠家已有相應(yīng)的熱備解決方案,但是由于建設(shè)成本高、實(shí)施難度大,因此很少被運(yùn)營(yíng)商采納。
d)新業(yè)務(wù)部署慢:BRAS軟件和硬件高度耦合,使得運(yùn)營(yíng)商在部署新業(yè)務(wù)時(shí)不僅要修改全局?jǐn)?shù)據(jù)并進(jìn)行系統(tǒng)聯(lián)調(diào),甚至還可能涉及到硬件升級(jí)替換,時(shí)間通常達(dá)數(shù)月之久,這樣的速度很難適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。
e)運(yùn)維復(fù)雜:近年來(lái),隨著BRAS位置逐漸下沉,設(shè)備分布越來(lái)越分散,而運(yùn)維部門仍需要對(duì)所有BRAS設(shè)備進(jìn)行策略配置和運(yùn)行維護(hù)。每逢擴(kuò)容,VLAN、地址和鏈路都需要重新規(guī)劃,并且不同廠家配置也不一樣,這些都大大增加了運(yùn)維的復(fù)雜度和成本。
總體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)規(guī)劃從過去以提高網(wǎng)絡(luò)連通性為核心的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向以提高業(yè)務(wù)交付能力的數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)轉(zhuǎn)變,總體架構(gòu)分為應(yīng)用層、管理編排層、控制層以及網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層。
應(yīng)用層實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商內(nèi)部自有業(yè)務(wù)系統(tǒng)和第三方應(yīng)用的整合,支持在應(yīng)用商店快速上線交付,與業(yè)務(wù)編排層實(shí)現(xiàn)接口互通和信息共享,縮短應(yīng)用開發(fā)周期。
管理編排層負(fù)責(zé)物理設(shè)備、虛擬化資源和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的集中管理和調(diào)度。通過分離硬件資源和業(yè)務(wù)模型,實(shí)現(xiàn)對(duì)底層跨域虛擬化資源的全局統(tǒng)一視圖與彈性調(diào)度,推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)管理向可視化、軟件化和可編程化變革。
控制層引入多個(gè)SDN控制器分別管理不同的網(wǎng)絡(luò)域,通過南向接口對(duì)各網(wǎng)元進(jìn)行管理、配置、用戶認(rèn)證以及表項(xiàng)下發(fā)。利用搭載開放式NOS的專用硬件云平臺(tái)承接最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑管理和基于策略的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化等功能,進(jìn)一步推進(jìn)集中化控制和管理。
網(wǎng)絡(luò)設(shè)施層由接入網(wǎng)、IP城域網(wǎng)和骨干網(wǎng)組成。其中接入網(wǎng)保留原有標(biāo)簽分配和二層隔離模式,實(shí)現(xiàn)用戶接入和二層轉(zhuǎn)發(fā)功能;骨干網(wǎng)承擔(dān)城域網(wǎng)間的大流量業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā);IP城域網(wǎng)中的接入控制層是寬帶網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)的重要切入點(diǎn),將對(duì)其核心設(shè)備BRAS的建設(shè)模式進(jìn)行重新定義,通過控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面軟硬件的雙解耦,催生出新型網(wǎng)絡(luò)形態(tài)vBRAS,下面將圍繞此網(wǎng)元的建設(shè)方案進(jìn)行詳細(xì)探討。
由于接入控制層在IP城域網(wǎng)絡(luò)中的重要作用,基于vBRAS的解決方案被視為寬帶網(wǎng)絡(luò)升級(jí)和演進(jìn)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。vBRAS又被稱為vBAS、vBNG或vMSE等,源于ETSI NFV參考架構(gòu),定位是以BRAS/SR的部分或全部功能為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)接入控制層虛擬化替代設(shè)備。隨著業(yè)務(wù)功能的不斷豐富,vBRAS外延逐漸擴(kuò)大,已超越ETSI NFV最初設(shè)想的模型,它的業(yè)務(wù)功能主要體現(xiàn)在以下幾方面。
a)網(wǎng)絡(luò)硬件的資源池化:通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的NFV化來(lái)組建硬件資源池,破除當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)硬件“煙囪”,增強(qiáng)網(wǎng)元通用性,降低成本,同時(shí)解決當(dāng)前專用設(shè)備利用率不均,功能升級(jí)困難、新業(yè)務(wù)上線速率慢等運(yùn)營(yíng)痛點(diǎn)。
b)面向用戶的功能延伸:vBRAS不僅面向用戶提供多種接入方式的管理功能,包括PPPOE/IPOE/靜態(tài)IP等多種認(rèn)證、授權(quán)及計(jì)費(fèi)模式,還可充當(dāng)vCPE、vPE及vLNS等角色。
c)增值業(yè)務(wù)功能的拓展:除了寬帶、組播和VPN等傳統(tǒng)業(yè)務(wù),vBRAS還可以實(shí)現(xiàn)vCGN(載波級(jí)NAT)、vCache、vNAT、vDPI和vFW等增值業(yè)務(wù)功能,滿足用戶多樣的業(yè)務(wù)選擇需求。
vBRAS采用硬件轉(zhuǎn)控分離模式,轉(zhuǎn)發(fā)面和控制面功能相互解耦,并可獨(dú)立按需部署,實(shí)現(xiàn)完全的轉(zhuǎn)控分離。
vBRAS控制面(BRAS-CP)采用X86硬件資源池專門負(fù)責(zé)提供接入控制、用戶管理、路由管理和增值業(yè)務(wù)處理相關(guān)的計(jì)算能力。接入控制負(fù)責(zé)用戶接入?yún)f(xié)議終結(jié),實(shí)現(xiàn)不同接入方式用戶?;罴跋嚓P(guān)用戶表項(xiàng)管理;用戶管理主要負(fù)責(zé)與Radius Server共同完成用戶認(rèn)證、授權(quán)、計(jì)費(fèi)和業(yè)務(wù)策略等用戶會(huì)話管理,與DHCP Server配合或使用本地地址池模式,完成用戶地址分配;路由管理負(fù)責(zé)基于IP網(wǎng)絡(luò)和MPLS網(wǎng)絡(luò)的路由計(jì)算、最優(yōu)轉(zhuǎn)發(fā)路徑管理以及基于策略的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋬?yōu)化等;增值業(yè)務(wù)功能包括vCGN、vCache、vDPI和vFW等。
vBRAS轉(zhuǎn)發(fā)面(BRAS-UP)采用專用NP/ASIC/X86架構(gòu)分布式高性能設(shè)備和軟硬件加速方式,實(shí)現(xiàn)流量報(bào)文分類輸入、路徑查找、協(xié)議處理和快速輸出等功能。轉(zhuǎn)發(fā)面采用軟件加速和硬件加速2種方式,大幅提升BRAS-UP的轉(zhuǎn)發(fā)性能。軟件加速包括DPDK、SR-IOV、PCI直通等加速技術(shù),通過軟件調(diào)整I/O處理模式,減少報(bào)文處理環(huán)節(jié)并提升轉(zhuǎn)發(fā)速率。硬件加速主要由ASIC普通網(wǎng)卡或智能網(wǎng)卡進(jìn)行流分類、PPPoE/IPoE終結(jié)、QoS/ACL處理、負(fù)載分擔(dān)等費(fèi)時(shí)事務(wù)卸載(Offload),以提高流量轉(zhuǎn)發(fā)性能。BRAS-UP可以作為BRAS-CP proxy,負(fù)責(zé)PPP LCP鏈路維護(hù)(包括心跳?;詈蜁?huì)話終止等),并在發(fā)生故障時(shí)報(bào)告BRAS-CP。
轉(zhuǎn)控分離模式可以使每臺(tái)機(jī)架實(shí)現(xiàn)千萬(wàn)級(jí)的用戶管理,轉(zhuǎn)發(fā)面可以專注大流量轉(zhuǎn)發(fā),單機(jī)架轉(zhuǎn)發(fā)能力可達(dá)Tbit/s,物盡其用、專注高效;控制面可以統(tǒng)一完成配置修改、設(shè)備對(duì)接等工作,簡(jiǎn)化了運(yùn)維,加快了新業(yè)務(wù)的上線速度;標(biāo)準(zhǔn)化的南北向接口更利于轉(zhuǎn)發(fā)硬件的通用化和網(wǎng)絡(luò)能力的開放化。
硬件轉(zhuǎn)控分離vBRAS外部和內(nèi)部的各種接口如圖1所示。
圖1 轉(zhuǎn)控分離vBRAS接口圖
外部接口是實(shí)現(xiàn)外部系統(tǒng)對(duì)vBRAS能力統(tǒng)一調(diào)用的接口,共有以下6種類型。
a)Cm接口:BRAS-CP與業(yè)務(wù)管理編排系統(tǒng)MANO之間的互通接口,用于VNF(Virtualised Network Function)、NS(Network Service)實(shí)例的創(chuàng)建、維護(hù)和終結(jié)。BRAS-CP管理編排系統(tǒng)間的接口遵循歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)(ETSI)關(guān)于NFV的相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)。
b)Cr接口:BRAS-CP與Radius認(rèn)證服務(wù)器的接口,通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)認(rèn)證、授權(quán)和計(jì)費(fèi)功能。
c)Cd接口:BRAS-CP與DHCP服務(wù)器的接口,通過標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議實(shí)現(xiàn)IP地址分配。
d)Ca接口:BRAS-CP與應(yīng)用系統(tǒng)的接口,主要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力開放(API Exposure)功能。
e)Ce、Ue接口:BRAS-CP/BRAS-UP與網(wǎng)管系統(tǒng)(EMS)的接口,采用標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,負(fù)責(zé)告警、配置業(yè)務(wù)下發(fā)等。
f)Ur接口:BRAS-UP與家庭網(wǎng)關(guān)RGW的接口,負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)用戶側(cè)數(shù)據(jù)和控制信息等。
內(nèi)部接口是BRAS-CP和BRAS-UP之間的接口,共有以下3種類型。
a)業(yè)務(wù)接口Is:該接口傳送的是CP/UP間的撥號(hào)協(xié)議報(bào)文。它通過將精綁定信息(設(shè)備號(hào)、槽位號(hào)、子槽位號(hào)、端口號(hào)、端口類型、S-VLAN ID及C-VLAN ID等)封裝成任意層次的VxLAN-GPE(Generic Protocol Extension VxLAN)協(xié)議報(bào)文,在BRAS-CP與BRAS-UP間的VxLAN隧道中傳遞。該協(xié)議報(bào)文包含一個(gè)采用固定長(zhǎng)度的C/U分離業(yè)務(wù)報(bào)頭(C/U Separation Service Header)(見圖2),用于傳送用戶精綁定信息。
b)控制接口Ic:該接口傳遞CP/UP間的轉(zhuǎn)發(fā)表和相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息。轉(zhuǎn)發(fā)表采用基于OpenFlow的Experiment報(bào)文封裝,其標(biāo)準(zhǔn)報(bào)文格式如圖3所示,涵蓋的用戶標(biāo)識(shí)信息有IP地址、物理地址、接入類型、Session ID、外層VLAN、內(nèi)層VLAN、地址段下發(fā)信息(地址段、掩碼及VRF名稱)、QoS信息(出入方向優(yōu)先級(jí)、出入方向CarCir/CarPir/CarCbs/CarPbs和出入方向Policy)等。相關(guān)統(tǒng)計(jì)信息包括字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)包數(shù)、設(shè)備編號(hào)、槽位編號(hào)、端口MAC地址以及端口類型編號(hào)等。
c)管理接口Im:該接口使用基于XML的Netconf網(wǎng)絡(luò)配置協(xié)議來(lái)傳遞BRAS-CP和BRAS-UP間的配置信息,實(shí)現(xiàn)對(duì)vBRAS轉(zhuǎn)發(fā)面的統(tǒng)一自動(dòng)化配置。
基于轉(zhuǎn)控分離vBRAS的IP城域網(wǎng)業(yè)務(wù)流程如圖4所示。首先,BRAS-UP/CP間建立通信通道,包括業(yè)務(wù)通道、控制通道和管理通道。用戶終端向轉(zhuǎn)發(fā)面BRAS-UP發(fā)送PPPoE/L2TP/PPP/IPoE等協(xié)議報(bào)文,通過業(yè)務(wù)通道轉(zhuǎn)發(fā)給控制面BRAS-CP,BRAS-CP完成報(bào)文處理和會(huì)話管理后,再通過業(yè)務(wù)通道返回給用戶終端??刂泼鍮RAS-CP生成路由表和轉(zhuǎn)發(fā)表來(lái)指導(dǎo)數(shù)據(jù)流量轉(zhuǎn)發(fā),并實(shí)時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)庫(kù)同步。BRAS-UP通過控制通道接收到轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)和路由信息后,生成并發(fā)布網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)到用戶側(cè)。后續(xù)用戶終端上線后的數(shù)據(jù)報(bào)文到達(dá)BRAS-UP后,直接根據(jù)BRAS-UP上的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)表項(xiàng)來(lái)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。用戶和BRAS-UP之間通過PPPoE ECHO報(bào)文來(lái)監(jiān)測(cè)鏈路狀態(tài),如果出現(xiàn)鏈路故障,BRAS-UP將通過控制通道通知BRAS-CP更改轉(zhuǎn)發(fā)路徑。
圖2 C/U分離業(yè)務(wù)報(bào)頭格式
圖3 Experiment報(bào)文格式
圖4 轉(zhuǎn)控分離vBRAS業(yè)務(wù)流程圖
硬件轉(zhuǎn)控分離vBRAS部署方案和流量走向規(guī)劃如圖5所示。
BRAS-CP采用通用X86服務(wù)器資源池方式部署在城域網(wǎng)核心機(jī)房,通過互聯(lián)網(wǎng)關(guān)與BRAS-UP、CR、AAA、EMS、DHCP Server等網(wǎng)元統(tǒng)一對(duì)接,負(fù)責(zé)接入控制、用戶管理及認(rèn)證計(jì)費(fèi)等功能。
BRAS-UP采用通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和專用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備相結(jié)合的方式進(jìn)行部署。基于X86服務(wù)器的通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備集中虛擬化部署于核心機(jī)房,用于處理大session、小流量、時(shí)延不敏感的業(yè)務(wù)(如WLAN/RM/STR069/VoIP等)?;贜P的高性能專用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備分布式部署于匯聚機(jī)房,用于處理大流量、轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延敏感的業(yè)務(wù)(如HIS/IPTV/VR/5G等)。BRAS-CP和BRAS-UP之間的控制通道可采用光纖直連、PTN專線和VPN專線3種連接方式。
考慮到運(yùn)營(yíng)商傳統(tǒng)BRAS數(shù)量較多,改造周期較長(zhǎng),保護(hù)現(xiàn)有投資等因素,在BRAS-UP部署初期,建議與傳統(tǒng)BRAS共存一段時(shí)間。當(dāng)BRAS-UP發(fā)生故障或停機(jī)時(shí),可以重新啟用OLT到傳統(tǒng)BRAS鏈路,恢復(fù)流量轉(zhuǎn)發(fā)。在BRAS-UP大規(guī)模部署后,可逐漸將傳統(tǒng)BRAS設(shè)備退網(wǎng)或者軟件升級(jí)為BRAS-UP。
圖5 轉(zhuǎn)控分離vBRAS部署方案示意圖
核心機(jī)房的基于X86服務(wù)器的集中式BRAS-CP和BRAS-UP可按功能模塊進(jìn)行分機(jī)柜安裝??刂乒褙?fù)責(zé)承載BRAS-CP服務(wù)器、MANO服務(wù)器、VIM(Virtualized Infrastructure Manager)服 務(wù) 器 、TOR(Top of Rank)交換機(jī)、存儲(chǔ)設(shè)備等;轉(zhuǎn)發(fā)柜負(fù)責(zé)承載BRAS-UP服務(wù)器,可采用Offloading技術(shù)提升整體轉(zhuǎn)發(fā)性能;增值業(yè)務(wù)柜負(fù)責(zé)承載VAS(Value Added Service)服務(wù)器,可采用數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件(DPDK)處理vCGN、vCache和vDPI等增值業(yè)務(wù);擴(kuò)展柜負(fù)責(zé)承載轉(zhuǎn)發(fā)面和增值業(yè)務(wù)的擴(kuò)容設(shè)備,并統(tǒng)一接受控制柜中的MANO、VIM和BRAS-CP的管理。
BRAS-CP服務(wù)器、MANO服務(wù)器、VIM服務(wù)器、BRAS-UP服務(wù)器和VAS服務(wù)器的基本配置如表1所示。
表1 vBRAS通用服務(wù)器基本配置表
本文研究探討的基于vBRAS的新型IP城域網(wǎng)在以下方面具有明顯的優(yōu)越性。
a)用戶數(shù)及上線速率大幅提升。單臺(tái)BRAS設(shè)備可支持千萬(wàn)級(jí)用戶數(shù),同時(shí)用戶上線速度達(dá)到10 000用戶/s。
b)資源利用率大幅提高。采用集中統(tǒng)一的動(dòng)態(tài)資源分配方式可使網(wǎng)絡(luò)資源利用率提升50%以上,IP地址資源節(jié)約40%以上。
c)設(shè)備可靠性提高。通過采用硬件資源池實(shí)現(xiàn)N∶N熱備與負(fù)荷分擔(dān)保護(hù)模式,設(shè)備可靠性顯著提高。
d)業(yè)務(wù)上線效率提升。新業(yè)務(wù)上線只需修改BRAS-CP,無(wú)需修改BRAS-UP,新業(yè)務(wù)上線周期明顯縮短。
e)管理運(yùn)維簡(jiǎn)化。BRAS-CP作為一個(gè)整體與業(yè)務(wù)系統(tǒng)、BRAS-UP設(shè)備對(duì)接,實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一配置和集中控制,大大提高了管理和運(yùn)維的效率。
當(dāng)然,這只是邁出了IP城域網(wǎng)重構(gòu)的第一步,今后還可以從以下幾方面加快演進(jìn)步伐。
a)BRAS-CP原子化:可借助SDN控制器開放架構(gòu)推進(jìn)實(shí)現(xiàn)BRAS-CP原子化,將1個(gè)VNF拆分為多個(gè)VNFc,如AAA服務(wù)功能可進(jìn)一步拆分為計(jì)費(fèi)VNFc、授權(quán)VNFc和認(rèn)證VNFc,原子化后的vBRAS可為用戶提供精細(xì)化的定制服務(wù),滿足未來(lái)業(yè)務(wù)多樣化和快速靈活加載的需求。
b)BRAS-UP通用化:高性能轉(zhuǎn)發(fā)面向標(biāo)準(zhǔn)化、白盒化的方向演進(jìn),將推進(jìn)ASIC、P4、X86/ARM等設(shè)備形態(tài)的成熟和發(fā)展。
c)接口標(biāo)準(zhǔn)化:加強(qiáng)控制面、轉(zhuǎn)發(fā)面、管理面的相關(guān)數(shù)據(jù)和互連接口的標(biāo)準(zhǔn)化,以實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接。
d)能力開放:推進(jìn)vBRAS應(yīng)用場(chǎng)景納入ONAP(Open Network Automation Platform),為用戶提供定制化服務(wù),滿足自我創(chuàng)新需求。
e)固移融合:推動(dòng)移動(dòng)BRAS-CP/UP與固網(wǎng)BRAS-CP/UP的融合,打造通用化、一體化的固移融合網(wǎng)絡(luò)(FMC),有力支撐全業(yè)務(wù)和融合業(yè)務(wù)經(jīng)營(yíng)模式。