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《電信網(wǎng)技術(shù)雜志》2016年第9期

摘要：

對(duì)家庭場(chǎng)景網(wǎng)關(guān)功能虛擬化需求以及實(shí)體網(wǎng)關(guān)與虛擬網(wǎng)關(guān)的功能劃分、L2層隧道方案等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了深入探討，并給出了虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及未來(lái)發(fā)展方向的思考。

關(guān)鍵詞：

網(wǎng)關(guān)功能虛擬化；VCPE；S-CPE；實(shí)體網(wǎng)關(guān)；虛擬網(wǎng)關(guān)

1引言

隨著FTTH快速規(guī)模部署，網(wǎng)關(guān)已逐步成為FTTH型ONU的主流設(shè)備選型。用戶對(duì)網(wǎng)關(guān)的要求也已不限于滿足寬帶上網(wǎng)、語(yǔ)音和IPTV等基礎(chǔ)通信需求，以盡可能少的盒子提供更豐富的業(yè)務(wù)成為用戶的訴求，網(wǎng)關(guān)功能虛擬化技術(shù)使得用戶以簡(jiǎn)單的網(wǎng)關(guān)提供更加豐富業(yè)務(wù)成為可能。網(wǎng)關(guān)功能虛擬化是將部分傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能通過(guò)NFV化以通用硬件在網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)現(xiàn)，一定程度上簡(jiǎn)化了用戶側(cè)實(shí)體設(shè)備，依靠網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬設(shè)備集中且強(qiáng)大的硬件資源能力，通過(guò)虛擬設(shè)備軟件功能不斷增強(qiáng)，為用戶提供更加豐富的網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)關(guān)功能虛擬化是NFV/SDN技術(shù)的一種應(yīng)用，并有可能對(duì)寬帶接入網(wǎng)和寬帶業(yè)務(wù)提供方式造成重大影響和深刻變革。目前，網(wǎng)關(guān)功能虛擬化在國(guó)際和國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面均有一定的進(jìn)展。在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)方面，2016年7月寬帶論壇BBF已經(jīng)將WT-317白皮書轉(zhuǎn)為TR-317技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，明確了網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)由實(shí)體和虛擬網(wǎng)關(guān)組成，其中的實(shí)體網(wǎng)關(guān)為橋接設(shè)備，虛擬網(wǎng)關(guān)支持IP尋址、IPv6、NAT、ALG和DLNA增值業(yè)務(wù)等要求，實(shí)體網(wǎng)關(guān)與虛擬網(wǎng)關(guān)之間采用L2層隧道。在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)方面，中國(guó)通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)于2015年1月完成網(wǎng)關(guān)虛擬化第1部分——總體技術(shù)要求的報(bào)批稿，網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)與BBF的定義類似，但實(shí)體網(wǎng)關(guān)明確為兩種模式，一種是將三層轉(zhuǎn)發(fā)和三層以上功能上移到虛擬網(wǎng)關(guān)，在實(shí)體網(wǎng)關(guān)上僅保留二層功能和部分簡(jiǎn)單三層功能；另一種是將管理、控制功能上移到虛擬網(wǎng)關(guān)，在實(shí)體網(wǎng)關(guān)上僅保留數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)和相關(guān)的二、三層功能。雖然網(wǎng)關(guān)功能虛擬化已初步進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化制定，但目前其現(xiàn)狀是仍處于技術(shù)研究階段，現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)化要求還難以滿足運(yùn)營(yíng)商各應(yīng)用場(chǎng)景需求，網(wǎng)關(guān)功能虛擬化技術(shù)方案仍存在著較大不確定性，甚至有一種觀點(diǎn)認(rèn)為網(wǎng)關(guān)功能虛擬化架構(gòu)與智能網(wǎng)關(guān)的發(fā)展思路相互矛盾。網(wǎng)關(guān)功能虛擬化產(chǎn)業(yè)應(yīng)用尚未啟動(dòng)，僅有少數(shù)廠家針對(duì)部分應(yīng)用場(chǎng)景做過(guò)技術(shù)演示。本文立足于網(wǎng)關(guān)功能虛擬化需求，對(duì)網(wǎng)關(guān)功能虛擬化的L2隧道、實(shí)體網(wǎng)關(guān)與虛擬網(wǎng)關(guān)功能劃分、實(shí)體網(wǎng)關(guān)形態(tài)、虛擬網(wǎng)關(guān)定位等方面進(jìn)行了深入分析，探討了網(wǎng)關(guān)功能虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)方案。雖然企業(yè)網(wǎng)關(guān)功能要求相對(duì)更復(fù)雜，但網(wǎng)關(guān)功能虛擬化架構(gòu)在家庭場(chǎng)景應(yīng)用將更有規(guī)模和價(jià)值，本文重點(diǎn)探討家庭場(chǎng)景下的網(wǎng)關(guān)虛擬化需求和關(guān)鍵技術(shù)。

2網(wǎng)關(guān)功能虛擬化需求

2.1以強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)側(cè)資源能力實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CPE難以部署的新業(yè)務(wù)

面向家庭場(chǎng)景的傳統(tǒng)CPE設(shè)備受限于成本因素，滿足寬帶上網(wǎng)、VoIP和IPTV等業(yè)務(wù)發(fā)展需求時(shí)，其硬件資源能力配置相對(duì)有限，目前典型的CPE硬件配置如CPU400MHz、內(nèi)存和Flash64M或128MBytes。隨著業(yè)務(wù)類型不斷豐富，特別是面向如深度包檢測(cè)、增強(qiáng)防火墻等對(duì)設(shè)備資源消耗較多的功能引入，簡(jiǎn)單地依靠增強(qiáng)CPE硬件能力增加新功能和適應(yīng)新業(yè)務(wù)的方式難以為繼。網(wǎng)關(guān)功能虛擬化以集中化且強(qiáng)大的通用硬件代替原來(lái)僅依靠CPE個(gè)體有限硬件的方式，將對(duì)設(shè)備資源占用較多的功能通過(guò)NFV在網(wǎng)絡(luò)側(cè)實(shí)現(xiàn)，這種部署方式使得對(duì)復(fù)雜DPI等新功能和業(yè)務(wù)的引入更容易且更經(jīng)濟(jì)。

2.2以虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能代替用戶側(cè)硬件設(shè)備

運(yùn)營(yíng)商在發(fā)展家庭寬帶時(shí)，會(huì)提供CPE（家庭網(wǎng)關(guān)）設(shè)備作為寬帶接入設(shè)備，也會(huì)提供機(jī)頂盒用于發(fā)展視頻業(yè)務(wù)、物聯(lián)網(wǎng)終端用于做智能家居業(yè)務(wù)、PLC終端和WLANAP用于擴(kuò)展家庭內(nèi)部通信等，每增加一個(gè)新業(yè)務(wù)都可能需要增加或替換一個(gè)新盒子。在網(wǎng)關(guān)功能虛擬化架構(gòu)中，傳統(tǒng)CPE側(cè)的功能和業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬設(shè)備以所謂的“業(yè)務(wù)鏈”實(shí)現(xiàn)。如圖1所示，現(xiàn)有模式以增加下掛設(shè)備擴(kuò)展新業(yè)務(wù)，網(wǎng)關(guān)功能虛擬化架構(gòu)則以增加軟件模塊功能擴(kuò)展新業(yè)務(wù)，如此可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速部署、硬件盒子成本降低，同時(shí)虛擬設(shè)備以開放式架構(gòu)可引入更多業(yè)務(wù)提供商，從而帶來(lái)一種全新的商務(wù)模式。

2.3為現(xiàn)網(wǎng)存量FTTH型ONU擴(kuò)展新的網(wǎng)絡(luò)功能

伴隨國(guó)內(nèi)FTTH規(guī)模發(fā)展，運(yùn)營(yíng)商已部署了大量的SFU和HGU設(shè)備，近年也開始規(guī)模部署智能網(wǎng)關(guān)，考慮到成本和業(yè)務(wù)需求，存在短期設(shè)備內(nèi)難以替換與新功能需求增加之間的矛盾。網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)應(yīng)考慮兼容現(xiàn)網(wǎng)中大量的存量FTTH型ONU設(shè)備，為存量SFU設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備提供網(wǎng)關(guān)功能、智能化功能和虛擬化的優(yōu)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)功能，為存量的HGU設(shè)備通過(guò)網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備提供智能化功能和虛擬化的優(yōu)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)功能，為存量的智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備提供虛擬化的優(yōu)勢(shì)網(wǎng)絡(luò)功能。網(wǎng)關(guān)虛擬化技術(shù)在不需要更換現(xiàn)有SFU、HGU和智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備的情況下為用戶提供更多新功能和業(yè)務(wù)提供了可能性。

3網(wǎng)關(guān)虛擬化關(guān)鍵技術(shù)

網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)能夠發(fā)揮網(wǎng)絡(luò)側(cè)資源能力優(yōu)勢(shì)，以NFV實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)快速部署，同時(shí)可增強(qiáng)存量設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能，值得產(chǎn)業(yè)各方深入研究和推動(dòng)應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)，需明確其實(shí)體設(shè)備與虛擬設(shè)備功能劃分、L2隧道等關(guān)鍵技術(shù)方案。

3.1實(shí)體網(wǎng)關(guān)與虛擬網(wǎng)關(guān)功能劃分探討

實(shí)體網(wǎng)關(guān)P-CPE與虛擬網(wǎng)關(guān)S-CPE的功能劃分結(jié)果將決定網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)和業(yè)務(wù)流程流向。面向各類家庭應(yīng)用場(chǎng)景，P-CPE與S-CPE的功能劃分建議如表1所示。對(duì)于存量SFU應(yīng)用場(chǎng)景，S-CPE應(yīng)支持三層轉(zhuǎn)發(fā)、NAT、DHCP、基于IP地址的QoS等網(wǎng)關(guān)功能，配合現(xiàn)有SFU設(shè)備在不更換用戶設(shè)備的情況下實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能增強(qiáng)，同時(shí)S-CPE應(yīng)在網(wǎng)絡(luò)側(cè)基于云架構(gòu)實(shí)現(xiàn)SFU的智能化功能增強(qiáng)。對(duì)于存量HGU應(yīng)用場(chǎng)景，S-CPE應(yīng)支持智能化功能并配合現(xiàn)有HGU滿足用戶業(yè)務(wù)擴(kuò)展需求。該場(chǎng)景下有兩種應(yīng)用模式，一是將部分網(wǎng)關(guān)功能上移至S-CPE實(shí)現(xiàn)，此時(shí)HGU可采用橋接工作模式；二是S-CPE不支持傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能，該部分功能由HGU支持，建議優(yōu)選該方式。對(duì)于智能網(wǎng)關(guān)應(yīng)用場(chǎng)景，S-CPE應(yīng)支持智能網(wǎng)關(guān)僅靠用戶側(cè)設(shè)備難以實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)，關(guān)于網(wǎng)關(guān)功能部分的兩種應(yīng)用模式與HGU類似。不考慮兼容運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)網(wǎng)已有設(shè)備，面向理想的網(wǎng)關(guān)功能虛擬化架構(gòu)，應(yīng)設(shè)置P-CPE與S-CPE更加合理的功能劃分，此應(yīng)用場(chǎng)景可能需要一種在SFU設(shè)備基礎(chǔ)上增強(qiáng)功能同時(shí)又融合智能網(wǎng)關(guān)智能化理念的一種新的P-CPE設(shè)備形態(tài)。

3.2L2隧道方案

P-CPE與S-CPE之間建立L2隧道，可以直接將去往S-CPE的業(yè)務(wù)穿通三層網(wǎng)絡(luò)送到S-CPE。L2隧道技術(shù)涉及到的兩個(gè)主要問(wèn)題：一是L2隧道在哪些設(shè)備之間建立；二是是否所有業(yè)務(wù)流都要送往S-CPE。從用戶側(cè)到網(wǎng)絡(luò)側(cè)的上行方向考慮，S-CPE為L(zhǎng)2隧道的終點(diǎn)，以隧道起點(diǎn)不同的角度進(jìn)行區(qū)分，隧道建立有3種可行的方案：P-CPE與S-CPE之間建立隧道，OLT與S-CPE之間建立隧道，BRAS與S-CPE之間建立隧道（見圖2）。對(duì)于P-CPE支持隧道的方案，由于現(xiàn)有SFU、HGU和智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備多數(shù)不支持，需定義一種新形態(tài)的P-CPE設(shè)備；對(duì)于OLT支持隧道的方案，通常作為L(zhǎng)2層設(shè)備的OLT支持部分三層和隧道功能還需要進(jìn)行驗(yàn)證，現(xiàn)網(wǎng)OLT設(shè)備需要進(jìn)行升級(jí)或改造；BRAS支持隧道的方案，對(duì)現(xiàn)有接入網(wǎng)沒(méi)有改變，現(xiàn)網(wǎng)BRAS設(shè)備已支持隧道功能（如VxLAN）。建議BRAS與S-CPE之間建立隧道，現(xiàn)有SFU、HGU和智能網(wǎng)關(guān)設(shè)備不需要額外要求即可滿足網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)，由BRAS設(shè)備進(jìn)行VLAN和隧道標(biāo)識(shí)（如VxLAN）之間的轉(zhuǎn)換，PON接入網(wǎng)設(shè)備仍可維持現(xiàn)有的VLAN規(guī)劃方式。S-CPE作為邊緣數(shù)據(jù)中心的一部分，部署位置一般比BRAS更高。網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)一方面可發(fā)揮S-CPE的業(yè)務(wù)處理優(yōu)勢(shì)，另一方面也應(yīng)避免沒(méi)有處理價(jià)值的業(yè)務(wù)進(jìn)入S-CPE并消耗其資源，也就是說(shuō)并非所有業(yè)務(wù)都要送往S-CPE。對(duì)應(yīng)于L2隧道方案，在BRAS設(shè)備建立L2隧道之前，由BRAS設(shè)備先完成業(yè)務(wù)分流，將可帶來(lái)增值價(jià)值的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)、自有業(yè)務(wù)或第三方業(yè)務(wù)等通過(guò)流分類進(jìn)入L2隧道并由S-CPE進(jìn)行處理，VoIP、IPTV或互聯(lián)網(wǎng)視頻業(yè)務(wù)等難以增值的業(yè)務(wù)通過(guò)流分類不進(jìn)入L2隧道。對(duì)于是否需要進(jìn)入S-CPE的業(yè)務(wù)在BRAS設(shè)備進(jìn)行流分類之前，建議由P-CPE以VLAN進(jìn)行業(yè)務(wù)標(biāo)識(shí)，可采用物理端口、MAC或IP地址等方式進(jìn)行區(qū)分。

3.3網(wǎng)關(guān)虛擬化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)由用戶側(cè)的實(shí)體網(wǎng)關(guān)P-CPE和網(wǎng)絡(luò)側(cè)的虛擬網(wǎng)關(guān)S-CPE組成，P-CPE與S-CPE共同配合完成網(wǎng)關(guān)的整體功能（見圖3）。在BBFTR-317標(biāo)準(zhǔn)中定義了網(wǎng)絡(luò)增強(qiáng)家庭網(wǎng)關(guān)，由用戶側(cè)橋接型CPE、網(wǎng)絡(luò)側(cè)的虛擬化網(wǎng)關(guān)以及位于兩者之間的邏輯用戶鏈路組成。LSL需穿通L3層網(wǎng)絡(luò)的要求，并建議CPE須支持VxLAN等隧道技術(shù)，但實(shí)際上現(xiàn)有CPE設(shè)備要么不支持VxLAN隧道，要么支持但對(duì)設(shè)備資源消耗較大，為此需要定制新型CPE芯片，即P-CPE是一種不同于SFU和HGU等已有設(shè)備的新設(shè)備形態(tài)。與此理念不同的是，我們認(rèn)為P-CPE可以是一種全新的設(shè)備形態(tài)，也可以是SFU、HGU和智能網(wǎng)關(guān)等存量設(shè)備形態(tài)，短時(shí)間內(nèi)更重要的是解決運(yùn)營(yíng)商大量存量設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能增強(qiáng)問(wèn)題。網(wǎng)關(guān)功能虛擬化架構(gòu)中的虛擬設(shè)備S-CPE建立在通用硬件之上，S-CPE中存在一個(gè)邏輯模塊與P-CPE形成一對(duì)一或一對(duì)多的關(guān)系。S-CPE應(yīng)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)CPE的部分功能虛擬化，例如NAT、DHCP等功能；同時(shí)，應(yīng)增強(qiáng)傳統(tǒng)CPE的部分功能，例如防火墻、家長(zhǎng)控制等功能。S-CPE不應(yīng)只實(shí)現(xiàn)單純的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，更重要的是和P-CPE協(xié)同實(shí)現(xiàn)與業(yè)務(wù)緊密結(jié)合的功能。S-CPE應(yīng)實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)有待進(jìn)一步深入研究，目前看家長(zhǎng)控制和家庭安防業(yè)務(wù)是明確的業(yè)務(wù)需求。S-CPE的功能宜進(jìn)行合理設(shè)置并以不同的NFV單元實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)家庭場(chǎng)景下S-CPE對(duì)用戶的各類業(yè)務(wù)經(jīng)過(guò)不同NFV單元的靈活處理，以及S-CPE與SFU、HGU、智能網(wǎng)關(guān)、新設(shè)備形態(tài)等各類不同P-CPE配合實(shí)現(xiàn)相似的網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)處理。總體上說(shuō)，S-CPE應(yīng)更側(cè)重于業(yè)務(wù)提供能力實(shí)現(xiàn)，這也是我們把網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)中網(wǎng)絡(luò)側(cè)虛擬設(shè)備稱為S-CPE的主要原因。在網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)中，BBFTR-317定義P-CPE設(shè)備為橋接設(shè)備。實(shí)際上，由于要考慮兼容已有HGU、智能網(wǎng)關(guān)等網(wǎng)關(guān)類設(shè)備的存量應(yīng)用，P-CPE設(shè)備類型已經(jīng)不全是純橋接設(shè)備，此時(shí)的問(wèn)題是網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)中的P-CPE是否只能工作在橋接模式下。P-CPE在橋接模式下的優(yōu)點(diǎn)是可將P-CPELAN側(cè)呈現(xiàn)給網(wǎng)絡(luò)側(cè)S-CPE，S-CPE可識(shí)別到用戶家庭中每個(gè)終端的MAC地址，從而可以在網(wǎng)絡(luò)側(cè)為用戶區(qū)分終端提供更有針對(duì)性的業(yè)務(wù)。首先，可以明確的是并不是為用戶提供的所有業(yè)務(wù)都需要區(qū)分家庭終端，例如用戶行為分析、防火墻等；其次，對(duì)于家長(zhǎng)控制等需要區(qū)分用戶家庭終端的業(yè)務(wù)，S-CPE依靠MAC地址識(shí)別用戶家庭終端的方法并不會(huì)總有效，當(dāng)用戶家庭終端通過(guò)用戶自己部署的無(wú)線路由器等L3層設(shè)備接入到P-CPE時(shí)，S-CPE將無(wú)法看到家庭終端MAC地址；最后，即使P-CPE工作在路由模式下，S-CPE還可通過(guò)應(yīng)用層識(shí)別用戶家庭終端，這種方式不會(huì)因用戶家庭內(nèi)組網(wǎng)而造成應(yīng)用受限。因此，在網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)中，P-CPE可以為橋接類設(shè)備也可以為路由類設(shè)備。

4結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)關(guān)功能虛擬化并不僅僅局限于對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)功能的虛擬化，借助于網(wǎng)絡(luò)側(cè)S-CPE強(qiáng)大的資源能力在提供傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)難以實(shí)現(xiàn)的功能的同時(shí)，還應(yīng)具備豐富的業(yè)務(wù)提供能力；網(wǎng)關(guān)功能虛擬化并不僅僅局限于設(shè)計(jì)新技術(shù)架構(gòu)和引入新設(shè)備，還應(yīng)考慮兼容現(xiàn)網(wǎng)已部署的SFU、HGU和智能網(wǎng)關(guān)等存量設(shè)備；網(wǎng)關(guān)功能虛擬化并不僅僅局限于如何實(shí)現(xiàn)相對(duì)固定的網(wǎng)關(guān)功能，還應(yīng)引入智能網(wǎng)關(guān)的理念實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)功能虛擬化和智能化融合發(fā)展。網(wǎng)關(guān)功能虛擬化能夠延長(zhǎng)用戶側(cè)設(shè)備使用壽命，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)側(cè)S-CPE功能增強(qiáng)以提供新功能和新業(yè)務(wù)，實(shí)現(xiàn)快速引入業(yè)務(wù)并縮短業(yè)務(wù)提供時(shí)間，通過(guò)向用戶和第三方開放網(wǎng)絡(luò)能力催生新的商務(wù)模式，網(wǎng)關(guān)功能虛擬化具有明顯優(yōu)勢(shì)的實(shí)用價(jià)值。目前，網(wǎng)關(guān)功能虛擬化標(biāo)準(zhǔn)化已取得初步進(jìn)展，產(chǎn)業(yè)及應(yīng)用也處于萌芽階段，運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商和標(biāo)準(zhǔn)化組織仍然需要密切合作和深入研究，明確并解決網(wǎng)關(guān)虛擬化架構(gòu)中其他更多且具體的問(wèn)題，共同推進(jìn)網(wǎng)關(guān)虛擬化技術(shù)驗(yàn)證和商用推廣。

參考文獻(xiàn)：

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作者:王世光 張德朝 王磊 李晗 單位:中國(guó)移動(dòng)通信研究院 中國(guó)移動(dòng)通信研究院 中國(guó)移動(dòng)通信研究院 中國(guó)移動(dòng)通信研究院