基于SDN/NFV的城域网演进方案
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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