中国移动基于SDN和NFV的固网架构演进探讨
近年来，家庭用户接入带宽的成倍提升，4K高清、物联网等新业务的高速发展，传统电信运营商面临着设备资源利用率低、管理维护复杂及新业务开通缓慢等挑战。伴随SDN、NFV和云计算等新技术的逐渐成熟，业界纷纷将这些新技术应用于电信网络的转型实践，将传统电信机房改造为灵活开放的电信云，从而实现CT和IT的有机结合和良性互补。
本文将首先介绍中国移动在固定网络方面的演进思路。其次，鉴于BRAS设备是家宽业务接入的核心网元，后续章节将主要围绕BRAS进行架构和技术方面的论述。
固定网络新思路和新架构
在网络架构设计上，中国移动推动以语音和数据为核心的设计架构向以内容和流量为核心的数据中心网络架构改变。在该架构下，主要包括核心TIC层和边缘TIC层。
核心TIC层：核心TIC以控制/管理/调度职能为核心，主要承载控制面网元和集中化的媒体面网元、CDN和骨干流量转发。
边缘TIC层：边缘TIC主要面向三大媒体面，以承载媒体流终结功能为主。
将固定宽带网络应用于以TIC为基础的新型网络架构中，涉及到的网元主要包含BRAS-CP(BRAS控制面)、BRAS-UP(BRAS转发面)、s-CPE(业务CPE)以及物理CPE。其各自的功能和定位如下。
BRAS-CP和BRAS-UP属于BRAS的范畴：
- BRAS-CP定位为用户控制管理部件，部署于核心TIC，负责用户接入管理、认证计费、用户会话及策略管理等;
- BRAS-UP定位为L3网络边缘及用户策略执行部件，部署于边缘TIC，负责流量转发及用户流量控制等。
s-CPE和物理CPE属于CPE的范畴:
- S-CPE部署于边缘TIC，定位为用户应用中心，包含家庭用户的各种业务平台及增值服务;
- 物理CPE部署于用户侧，定位为用户管道中心，负责用户流量接入运营商网络。
其中，BRAS-CP和BRAS-UP的概念来源于转控分离vBRAS技术，下文将主要围绕该技术进行相关探讨。
转控分离vBRAS技术
传统BRAS设备作为用户接入的网关和IP网络的边缘，面临着巨大挑战。
传统BRAS面临的挑战
资源利用率低：传统BRAS既作为用户接入认证计费的网关，又作为IP网络的3层边缘，控制面和转发面紧耦合在一起，导致在性能处理上互相影响，无法充分发挥控制面和转发面的性能极限。
管理维护复杂：由于BRAS设备数量众多，网络在部署一个全局业务策略时，需要逐一配置每台设备。这种配置模式很难随着网络规模的扩大和新业务的引入，实现对业务的高效管理和对故障的快速排除。
业务开通缓慢：由于控制平面和数据平面深度耦合，且在分布式网络控制机制下，导致任何一个新技术的引入都严重依赖现网设备，并且需要多个设备同步更新，使得新技术的部署周期较长，严重制约网络的演进发展。
转控分离vBRAS技术架构
为全面应对传统BRAS面临的挑战，中国移动率先提出了控制转发彻底分离的全新vBRAS架构(如图2)，BRAS控制面集中部署且采用虚拟化/云化技术实现，BRAS转发面分布式部署且采用高性能硬件，实现BRAS转发面、控制面的彻底分离和解耦。在转发面的设备形态选择上，初期重点考虑高性能，所以主要采用基于NP的硬件设备，下一步存在多种选择，一是推动实现通用化的转发硬件设备，二是提升x86虚拟化转发面的性能。
图2 控制转发分离vBRAS架构图这种控制转发分离的vBRAS架构有如下特点：
- 转发面、控制面完全分离，破除转发面和控制面的紧耦合，有利于分别灵活扩容，互相不为约束。
- 对控制面进行集中化/云化，更易于集中管控，云化有助于弹性扩缩容，简化运维。
- 对转发面进行本地化，转发面流量大，本地化可以实现大流量本地卸载。
- 控制面采用软件实现，控制面属于计算密集型，适用于软件实现。
- 转发面可采用硬件实现，转发面属于流量密集型，适用于高性能硬件实现。其中，对于大session小流量场景可以采用虚拟化实现。
- 控制面与转发面之间采用标准接口，推动高性能转发面的标准化、通用化。
- 该架构的优势明显，转发控制完全分离，彻底解耦，灵活性高。其中的x86(控制面)专注于计算密集型的表项管理，而采用专用硬件的转发面专注于大流量转发，物尽其用、专注高效，可以彻底解决传统BRAS面临的各种挑战。
转控分离vBRAS功能划分
从功能上看，控制转发分离vBRAS主要包括控制面(BRAS-CP)和转发面(BRAS-UP)两个部分。
其中，控制面(BRAS-CP)定位为用户控制管理部件，主要包含用户控制管理(UCM)、用户接入控制、用户认证授权计费、地址管理(AM)、配置管理(CM)等功能模块。
转发面(BRAS-UP)定位为3层网络边缘及用户策略执行部件，主要包含流量转发、QoS、流量统计等纯转发面功能，以及单播路由协议、组播路由协议、MPLS(LDP/TE)等管道类控制面功能。把单播、组播、路由等管道类控制面功能保留在BRAS-UP，主要原因是当前BRAS层面流量不均衡问题并不明显，不需要移入控制层面然后利用SDN技术解决流量不均衡问题;另外，如果只考虑BRAS的虚拟化和SDN化，无法有效解决城域网流量均衡问题。将来针对流量均衡问题的解决，需要将BRAS、SR、CR等网元的控制面都纳入SDN Controller统筹考虑，才能进行流量的全局调度从而实现均衡(如图3)。
图3 控制转发分离vBRAS功能划分
转控分离vBRAS接口
对于控制转发分离vBRAS架构的接口，主要包含控制面(BRAS-CP)向上的北向接口以及控制面(BRAS-CP)和转发面(BRAS-UP)之间的南向接口。
其中，控制面(BRAS-CP)和转发面(BRAS-UP)之间的南向接口共有3种类型：
- 报文上送接口：建议采用VxLAN技术，实现BRAS-CP和BRAS-UP之间PPPoE接入控制报文以及Radius认证授权计费报文的上送和下发;
- 配置下发接口：建议采用Netconf协议，实现集中化BRAS-CP对众多BRAS-UP的统一自动化配置;
- 表项下发接口：建议对OpenFlow协议进行扩展，从而满足BRAS-CP对BRAS-UP的用户表项下发的需求，实现BRAS-CP对BRAS-UP行为的统一管控。
控制面(BRAS-CP)向上的北向接口，作为整个控制转发分离vBRAS系统的统一对外接口，主要用于完成与业务系统以及EMS等系统的对接，实现业务系统对vBRAS能力的统一调用。
中国移动将会以BRAS-CP为核心，推动接口标准化，实现转发面和控制面的彻底解耦、促进网络能力开放(如图4)。
转控分离vBRAS用户接入流程
转控分离vBRAS系统支持用户PPPoE&IPoE动态接入，以PPPoE流程为例，具体流程如图5。
在PPPoE流程开始前，首先需要打通BRAS-CP和BRAS-UP之间的配置通道,可以通过EMS直接对BRAS-CP和BRAS-UP进行配置来实现配置通道的打通。配置通道打通后，BRAS-CP可通过该通道来配置报文上送通道和表项下发通道。BRAS-CP可实现对其所管理的所有BRAS-UP的统一配置，包括BRAS接口的相关配置以及QOS模板的配置等。
BRAS-UP接收到用户PPPoE接入报文，BRAS-UP通过报文上送通道上送到BRAS-CP。BRAS-CP处理PPPoE状态机，触发AAA认证及地址分配，通过报文上送通道下发回应报文到BRAS-UP，BRAS-UP将响应报文发送回用户。
BRAS-CP创建用户转发表，并同步到用户表数据库。通过表项下发通道，BRAS-CP将用户转发表、用户地址路由信息下发到给BRAS-UP，BRAS-UP运行路由协议，生成网络转发表项，并将用户路由发布到网络侧，使得下行流量直接回到BRAS-UP。BRAS-UP收集用户上下行流量统计数据、计费信息、告警信息并通过表项下发通道定期上送给BRAS-CP。
转控分离vBRAS架构实现难点和指标要求
1)BRAS-CP和BRAS-UP之间接口
主要接口有报文上送接口(可选择方案为vxlan)、配置下发接口(Netconf协议或openflow协议)、表项下发接口(OpenFlow协议)，其中与性能相关的主要是BRAS-CP可承载的并发会话数以及用户上线速率。对于并发会话数要求BRAS-CP可承载1000万以上，对于用户上线速率要求达到10k/秒以上。
2)热备/冗灾备份
- a.完成从传统的电信化的容灾备份向IT化的容灾备份的过渡，实现N：1的热备;
- b.备份完成倒换后，表项的同步时间和速率，需要进行关注，应优于传统BRAS设备的故障重启时间。
总结和展望
推动固网结构向新型网络转变是业务和网络发展的必然趋势，新型的转发控制分离架构和NFV/SDN技术为网络架构的转变打下了坚实的技术基础，通过分阶段逐步推进固定网络的重构、控制面功能原子化及转发面通用化，一定能够打造出面向业务和用户高效灵活的下一代电信网络。
作者：胡淑军、黄璐、韩瑞波
来源：51CTO