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【摘要】针对传统运营商IP城域网在网络效率、应用管理和业务处理等方面中存在的问题，分析了对传统IP城域网的网络、管理和业务三个层面进行云化和智能化调整的必要性。基于软件定义网络和网络功能虚拟化技术，提出了对传统IP城域网进行网络调整和重构的总体部署方法，最后针对架构中的业务控制层设备和通用交换网络这大两方面，给出了演进的方案策略。
【关键词】IP城域网；软件定义网络；网络功能虚拟化；交织矩阵
doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中图分类号：TN929.53 文献标志码：A 文章编号：1006-1010(2018)01-0000-00
引用格式：黄志军,冯铭能,刘璐. 基于SDN/NFV技术的IP城域网演进方案研究[J]. 移动通信, 2017,42(1): 00-00.
Research on the Evolution of IP MAN Based on SDN/NFV
HUANG Zhijun, FENG Mingneng, LIU Lu
(China Information Technology Design &Consulting Institute Guangdong Branch, Guangzhou 510627, China)
[Abstract] Aiming at the problems existing in traditional Carrier’s IP MAN in terms of network efficiency, application management and business processing, this paper analyzes the necessity of cloud computing and intelligent management. Based on SDN/NFV technology, it proposes a general deployment method for network adjustment and reconstruction of traditional IP MAN, and finally some evolution strategies are presented in view of the two aspects of BNG and General Exchange Network in the architecture.
[Key words] IP MAN; SDN; NFV; interleaving matrix
1 引言
随着信息时代的飞速发展，特别是5G和万物互联时代的到来，社会信息化水平不断提高，用户和业务类型数量爆炸式增长，传统的网络越来越无法适应业务发展的需求。数据处理的高速化、网络功能的虚拟化、云资源池化和网络管理的智能化是下一代网络发展的方向。IP城域网作为数据通信网络中的重要组成部分，将面临很大的挑战。
本文从运营商现有传统的IP城域网网络面临的问题和挑战出发，提出了引入软件定义网络（SDN, Software Defined Network）和网络功能虚拟化（NFV, Network Function Virtualization）技术进行网络重构的重要性，并就新型IP城域网的网络重构方法和演进策略进行了深入的研究和探讨。
2 运营商IP城域网的基本现状及问题
运营商现有的传统IP城域网网络结构一般如图1所示：
图1 传统IP城域网三层结构
现有的IP城域网普遍采用分层结构，包括核心层、业务控制层和大二层汇聚层等三层结构。核心层一般由一对功能强大的核心路由器组成，用于转发管理。业务控制层由宽带远程接入服务器（BRAS）、全业务路由器（SR）等宽带网络网关控制设备（BNG）设备组成，用于完成宽带用户或专线用户的数据接入、认证、计费及管理转发等功能。大二层汇聚层由接入交换机组成，用于接入用户，完成用户数据上传。现有的IP城域网层级架构比较清晰，但同时也面临着很多的问题，需要进行网络架构重构解决。
（1）BNG设备频繁分裂及扩容。随着5G时代和万物互联时代的到来，数据业务量及用户带宽将呈爆发式增长，可预见，现有IP城域网的设备存在着处理能力及链路带宽严重不足的问题，特别是业务控制层的BNG设备将面临着频繁和大规模地分裂及扩容。
（2）资源利用率低下。传统的IP城域网内部，如BNG业务控制路由器设备、内容分发网络（CDN）服务器等是按地市的汇聚区进行划分和设置的。不同区域间的设备相对独立，资源相对隔离。在这种模式下，不同区域的资源无法得到共享，资源利用率低下。
（3）网络管理能力差。传统IP城域网的网络配置自动化性能差，缺乏灵活的业务配置能力。动态网络带宽的分配能力差，无法快速地根据网络情况进行链路带宽的调整。网络运维响应速度慢，无法快速地进行隐患诊断和网络修复。
（4）投资成本高。专用的网络设备扩容成本居高不小，网络建设及性能提升受到成本的制约。
（5）业务处理能力不足。现网无法很好地满足保障不同业务在时延、带宽和优先级等方面的差异化需求，新业务的部署周期长，难以快速支持业务的创新和响应市场的发展。
3 IP城域网的发展思路及调整策略
由于受传统网络架构及技术的限制，现有运营商的IP城域网面临的问题日益严峻，急需引入新技术对原有网络架构进行调整和重构，以保证健全和可持续发展的需要。
以SDN、NFV为助力，构建云化和智能化的IP城域网，实现网络升级转型，提升网络服务能力和降低网络运营成本，实现高效、弹性的业务网络，是IP城域网发展演进的必然方向，如图2所示：
图2 IP城域网云化和智能化的发展演进方向
部署总体思路：实现IP城域网的重构，主要是对其架构、业务和管理三个层面进行云化和智能化。
架构云化：通过实现架构云化，能提高网络资源利用率，解决传统网络中BNG设备频繁分裂和扩容的问题。在通用的网络基础架构上，通过引入云交换矩阵，实现从单一南北流量到任意方向流量的转变，从而提高链路带宽的利用率；通过引入NFV技术，虚拟化网络设备，实现网络设备功能共享，提高网络的灵活性，提高设备资源的利用率，减少分裂扩容BNG设备，节约网络建设的投资成本。
业务云化：通过实现业务云化，解决传统网络中业务处理能力不足的问题。通过提供网络、IO及存储等云计算资源，提供面向用户业务的分布式虚拟化应用，实现资源共享和动态灵活的扩展，加快业务开通，提高效率和缩短业务部署周期。
管理智能化：通过实现管理智能化能解决网络管理能力差、运维响应速度慢等问题。通过引入SDN，对网络进行智能化管控，通过网络设备控制面和数据面的分离、开放的北向接口，实现弹性的网络流量管理，实现灵活和自动化的网络控制，保障业务快速响应。
3.1 SDN/NFV的部署
越来越庞大的网络规模增加了运维、管理的复杂度，给运维、管理带来了压力。流量方向的灵活性、业务种类的多样性，也使得对运维的要求越来越高。通过引入SDN智能化管理系统，可以提升用户的应用体验，实现云化管理，提供可视化的运维功能，提供智能化的管理功能，提供灵活、弹性的带宽，保证数据的低时延和高安全性。SDN的架构图如图3所示：
图3 SDN架构图
SDN架构提供了开放的北向接口，带来创新环境，实现网络软件可定义功能；集中式的控制器可实现网络功能的虚拟化，实现一网多能，推动业务的创新；SDN可提供优质的端到端的解决方案，便于组建大型网络，实现异厂家、不同设备类型的混合组网。同时开放的网络结构可使网络设备归一化，极大地降低网络建设成本。
NFV采用虚拟化技术，将传统电信设备的软件与硬件进行解耦，基于通用计算、存储、网络设备实现电信网络功能，提升管理和维护效率，增强系统灵活性，解决了现有专用通信设备造价昂贵、效率低下、更新换代不灵活等问题。初期考虑在IP城域网的汇聚层引入NFV，通过改造或引入X86架构体系，在通用硬件上部署虚拟宽带网络网关控制设备（vBGN）和虚拟内容分发网络（vCDN）设备等产品，逐步实现设备集中化、虚拟化和池化。
通过实现基于SDN/NFV技术的新型IP城域网结构，可将传统网络的控制管理从设备网络层面转移到架构管理云中，实现了从分散管理到集中管理、从本地管理到远程管理的转变，并实现灵活的业务调度，加速新业务的开通，实现网络能力的开放。重构后的IP城域网架构图如图4所示，包括三大部分：SDN控制部分，云化资源池部分及通用交换网络部分。
图4 重构后的新型IP城域网架构图
基于SDN/NFV技术重构后的IP城域网有着极大的优势。通过实现业务云化、架构云化和控制智能化，可提高网络资源的利用率，增强整体网络的灵活性，降低建设及运维成本，实现网络的统一管理和业务的快速响应和开通，实现IP城域网的重构升级。
3.2 网络的演进策略
（1）vBRAS的演进策略
传统的IP城域网中，BRAS设备存在造价昂贵、资源利用率低、无法复用和更新换代慢等问题。对BRAS设备进行虚拟化，使用X86服务器实现BRAS设备网络功能，可以降本增效，实现资源灵活复用。
传统的BRAS主要可通过2种方式实现虚拟化：转发与控制统一方式；转发与控制分离方式。如图5所示。
图5 BNG两种演进方式
第一种方式采用标准x86服务器实现网络功能，转发与控制面均集中部署在通用x86服务器上，将vBRAS作为一个整体。该方式已经过较为成熟的验证，操作易于实现，但这种方式存在的难点是x86服务器中的转发性能不足。
第二种方式采用标准x86服务器实现控制面功能，转发面根据采用的设备类型不同，又分为专用转发面和通用转发面2条路线。在专用转发面下，现有的BRAS设备可改造用于构建通用交换网络。通用转发面则使用通用转发硬件如x86服务器进行构建，这种方式可完成精细化的业务及流量控制。
在运营商的网络里面，vBRAS控制面定位为用户控制管理部件，负责用户接入管理、认证计费、用户会话及策略管理等，建议全省集中部署。将BRAS控制面集中后，安全性和稳定性要求更高，建议通过部署容灾备份提升网络稳定性。vBRAS的转发面定位为网络边缘及用户策略执行部件，负责流量转发及用户流量控制等，建议部署在地市的核心或汇聚机房。如图6所示：
图6 运营商vBRAS部署思路及架构
（2）通用交换网络的演进策略
传统的IP城域网中，每条从接入点到核心层CR的链路都是独立的，接入点之间没有任何关系。这种传统的网络结构适用于互联网上网业务，这种业务是单一独立的南北向流量。由于存在业务的多样性、网络资源的复用需求和资源池间互联等需求，业务流量将从传统的南北向流量往东西向流量转变。为满足该需求，在云化IP城域网架构中引入通用交换网络是必然。
在基于SDN/NFV技术重构后的IP城域网中，将通用交换网络定位为一整张大网，网络中的设备只用做转发，简化了设备的功能，降低了设备的造价。通用交换网络有更高的可达性要求，交织矩阵（Interleaving Matrix）的网络架构为建设通用交换网络提供了一个重要的思路。
交织矩阵网络架构内部链路纵横交错，可通过网络节点间分层互联（或全互联）的方式，提供所有接入网络各类节点间的无差异互访。交织网络架构如图7所示：
图7 交织网络架构
在交织矩阵网络架构下，所有节点全互联或分层互联。分层结构下节点包含骨干节点和边界节点，骨干节点与边界节点间全连接，骨干节点仅用作转发。在这种架构下，网络交织形成的大量等价路径既保证了链路的冗余可靠，又提高了整个网络的吞吐量。扁平的网络结构保证了任意节点间较高的连接速率，同时对任意类型流量均拥有极低的时延。
交织矩阵网络结构将网络做成了一个大的交换资源池，实现了交换能力的共享。不同区域的虚拟化的业务服务器可通过接入到该网络架构中，成为云化资源池的一部分。
重构后IP城域网的通用交换网络优点非常明显，可以实现高速转发，提高链路的利用率，大幅降低网络建设成本，提高网络管理运维的效率。传统结构下，流量是南北流向的，对业务节点及控制路由器的接入有位置要求。在新的网络结构下，交织矩阵结构将网络做成了一个功能强大的转发资源池，在这个池子里面不再局限于南北流量，可以有任意方向的流量。在这个架构下，服务器可灵活接入转发资源池，并可被灵活地利用。
为实现新型IP城域网架构，搭建通用交换网络，初期阶段可充分考虑利用城域网的BRAS、大二层交换机以及传输网的分组传送网络（UTN）设备和MSTP设备等，后期逐渐向通用转发设备过渡。
4 结束语
SDN/NFV技术已被验证为新型数据网络的技术基础，基于SDN/NFV技术对IP城域网进行重构的意义非常重大。本文提出了对传统IP城域网进行网络调整和重构的总体部署方法，并针对架构中的业务控制层设备和通用交换网络这大两方面，给出了演进的方案策略。分析表明，通过架构云化、业务云化和控制智能化能实现高效智能的网络，更有利于网络维护、降本增效、灵活快速地响应及引入新业务。这是一种全新的网络技术和架构，能很好地解决传统运营商所遇到的问题。构建新型IP城域网网络架构已成为未来网络发展的重要趋势，但同样也面临着许多挑战，下一阶段，将继续对如何实现这种新型网络结构进行研究和实践。
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作者简介
黄志军：工程师，硕士毕业于中山大学，现任职于中讯邮电咨询设计院广东分公司，从事数据网络的相关咨询设计工作。
冯铭能：高级工程师，博士毕业于华南理工大学，现任职于中讯邮电咨询设计院广东分公司，从事数据网络的相关咨询设计工作。
刘璐：工程师，硕士毕业于暨南大学，现任职于中讯邮电咨询设计院广东分公司，从事数据网络的相关咨询设计工作。 
作者：黄志军 冯铭能 刘璐 来源：《移动通信》2018年1月
