趙恒 袁博 范亮

摘要：提出了一種新的承載網絡架構，其最主要的特點是控制和承載分離。還根據當前軟件定義網絡（SDN）技術發(fā)展的水平、現有寬帶網絡網關（BNG）設備的實現以及電信承載網絡自身的特點，提出了電信承載網和BNG設備向SDN架構演進的階段性發(fā)展步驟，并對其中的一些細節(jié)進行了詳細探討。SDN網絡的逐步部署必將加速互聯網技術革新的步伐，為未來電信網絡注入更多活力。

關鍵詞：軟件定義網絡；電信承載網；寬帶網絡網關

Abstract： This paper introduces a new bearer network architecture that splits controlling and bearing. We analyze current software-defined network （SDN） technology and bearer network characteristics and propose steps for migrating the bearer network and broadband network gateway （BNG） devices to SDN architecture. Gradual deployment of SDN networks will accelerate the speed of technological innovation of the Internet， and this will give more vitality to future communication networks.

Key words： SDN； bearer network； BNG

傳統的電信是封閉型網絡，這種封閉體現在電信網絡只對運營商自身開放，所有的數據報文的轉發(fā)特點由運營商自行定義，網絡對互聯網業(yè)務不可見。但是互聯網服務提供商，例如谷歌和騰訊等越來越向虛擬運營商靠攏，并且有自己的骨干網絡，寬帶用戶有可能只是借助運營商網絡接入虛擬運營商的骨干網絡，而互聯網業(yè)務往往是通過TCP/HTTP等有端到端連接特性的網絡通信協議承載的，并需要提供用戶到用戶、用戶到業(yè)務服務器之間的端到端的業(yè)務保障，因此封閉網絡不利于未來的網絡發(fā)展。

傳統的電信網絡也是一種剛性網絡，這種剛性體現在每個網絡承載設備例如寬帶網絡網關（BNG）都無法動態(tài)定義支持的功能模塊，且單個承載設備具備幾乎全部的網絡層控制面和轉發(fā)面功能。而在現網中根據部署位置及在網絡中扮演的角色不同，往往各個設備只需使用其中一部分的功能，冗余的功能占用了系統資源，限制了設備能力的最大化使用。同時，承載設備軟硬件耦合度大會導致業(yè)務創(chuàng)新速度放緩，另外互聯網業(yè)務的創(chuàng)新速度已經遠遠超越承載設備的升級速度。為支撐新的商業(yè)模式（向互聯網業(yè)務提供商提供業(yè)務保障、后向收費），軟硬件松耦合、加快承載設備軟件特性升級速度以適應互聯網業(yè)務的發(fā)展成為運營商的一種潛在需求[1]。

因此為了適應未來網絡的發(fā)展，運營商針對傳統的電信網絡和設備架構提出了虛擬化的思想，包括網絡功能虛擬化（NFV）、網絡虛擬化（NV）以及軟件定義網絡（SDN）等技術。這些思想的主要目標是為了讓電信網絡和設備承載的業(yè)務更加符合未來網絡的發(fā)展趨勢，讓運營商網絡更加開放并更具彈性。但是不論是NFV、NV還是層次化BNG，都是借鑒了 “業(yè)務控制和轉發(fā)分離”的思想，都符合SDN的架構設計思路，因此SDN可以是達成這些虛擬化技術的實現方式之一，研究電信承載網向SDN化發(fā)展則成為業(yè)界的熱門話題。BNG設備是電信承載網的核心設備之一，是連接用戶、網絡和業(yè)務的紐帶，部署的功能最為復雜，因此研究BNG向SDN架構化發(fā)展是十分重要的。

SDN技術的使用起源于數據中心交換機，其核心思想是控制和承載分離。而傳統的BNG采用的是控制和承載集中的技術，并通過設備之間的協議交互和設備的配置來進行數據報文轉發(fā)行為控制，如圖1所示。傳統的BNG設備的控制面協議處理包括基礎路由和VPN協議、用戶接入認證計費相關協議、業(yè)務層協議等，而在SDN架構中SDN控制器通常只處理基礎路由協議，上層的協議功能由SDN 應用層處理。

1 全球運營商寬帶網演進

思路

全球的一些主要運營商和廠商很早就開始對BNG設備的SDN化思路進行探討，圖2是歐盟SDN項目中德國電信提出的電信網絡及BNG設備向SDN演進的一個思路，寬帶接入服務器（BRAS）是BNG設備中和寬帶用戶接入相關的模塊。

如圖2所示，在歐盟SDN項目的思路中，承載網的接入匯聚層可以率先使用SDN 控制和交換機來完成網絡流量的轉發(fā)。SDN控制器作為網絡層的控制設備，包含了例如普通路由、VPN以及MPLS等轉發(fā)基礎協議的應用，并通過SDN控制器下發(fā)到 Switch 形成SDN轉發(fā)流表。但是對于BNG中負責寬帶接入的BRAS功能模塊，德國電信認為該功能只是作為SDN承載設備支持的一個功能模塊，SDN控制器無需處理寬帶接入的協議，而是由SDN 承載設備自己處理寬帶接入協議，SDN控制器僅僅是起了通過BRAS 管理控制消息在SDN承載設備開啟和關閉這個功能的作用。

在歐盟和德國電信的承載網SDN演進思路中，整個網絡須從接入匯聚網入手逐漸朝SDN化發(fā)展。SDN是新興技術，實際商用中還面臨著許多未知的問題，因此需要從對全網影響較小的接入匯聚網絡入手，逐步進行驗證和推廣。雖然中國電信網絡和德國電信的網絡結構存在著很大差異，但是德國電信的思路也同樣適用于中國電信承載網絡的發(fā)展。電信承載網SDN化的演進是一個逐步的過程[2-3]。

歐盟和德國電信認為：在BNG設備中，路由、MPLS和VPN等轉發(fā)相關的功能協議是最先可以實現SDN APP化的協議模塊。因為這些協議模塊標準化程度高、在現網中運行相對穩(wěn)定，而且實際網絡中很少出現轉發(fā)拓撲頻繁改變和大規(guī)模協議頻繁震蕩的情況，SDN控制器完全有能力進行協議處理和轉發(fā)拓撲計算。基于同樣的原因，由于BRAS功能中用戶接入上下線頻繁，單位時間內寬帶接入協議處理量巨大，如果對BRAS功能貿然進行整體剝離并形成獨立的APP交由SDN控制器統一處理，可能會帶來不可預知的問題。因此在SDN網絡中SDN控制器只負責通過BRAS 管理 APP動態(tài)開啟SDN承載設備的BRAS功能，并不對BRAS涉及到的接入協議進行處理。

歐盟和德國電信的BNG設備SDN化架構發(fā)展的要求，體現了一種謹慎的思路：BNG設備由于支持的功能復雜，因此應該先將數據轉發(fā)相關的功能協議作為SDN APP處理，而BRAS寬帶接入這種協議狀態(tài)變化頻繁的功能在SDN設備中的處理應更加謹慎。

2 電信承載網SDN化發(fā)展

思路

運營商的電信承載網絡如果需要從封閉的剛性網絡轉變?yōu)镾DN架構的彈性可定義網絡，需要根據自身的特點進行合理的演進路線規(guī)劃。承載網絡有極高的可靠性和實時性要求，同時運營商網絡中的大量網絡設備仍然是全功能的剛性網絡設備，這些特點決定了電信承載網不可能馬上轉變?yōu)橐粋€可定義的、彈性的業(yè)務驅動網絡，需要從網絡結構的轉變開始，經歷幾個必要的階段，如圖3所示。

（1）第1階段主要是利用現有網絡設備已開放的接口，構建SDN的層次化組網。在該階段，運營商的主要目標是初步構建可以通過SDN APP對承載設備進行控制的層次化網絡，從而為更多的協議和業(yè)務APP化做準備。在該階段，可以利用現有網絡承載設備已經開放和定義的業(yè)務控制接口對部分承載業(yè)務進行動態(tài)的控制。

目前，承載設備在剛性的承載網中開放的接口有限。因此在國際標準方面，寬帶論壇（BBF）和國際電信聯盟通信標準化組織（ITU-T）分別定義并開放了承載設備轉發(fā)行為相關接口。此類接口現階段針對的都是寬帶用戶的QoS策略控制功能，運營商則利用這些控制接口并根據現網智能管道的QoS應用需求，部署了類似SDN控制器的策略平臺和類似APP的開放策略控制等相關業(yè)務，來達成初步構建符合SDN網絡結構模型的目的。

（2）第2階段主要是將電信承載網部分功能SDN APP化。在這個階段，運營商的電信承載網進一步分層化發(fā)展，把更多的業(yè)務抽象出來作為SDN APP，電信承載網則向更多的互聯網業(yè)務開放除去QoS以外的承載相關的控制接口。此時運營商已經開始試商用虛擬化網絡的一些技術，因此在這個階段，承載設備的部分功能和軟件模塊已經可以定制，運營商承載網絡為互聯網絡提供更多的差異化服務，并且依據這些服務對互聯網業(yè)務和運營商本身業(yè)務提供更多的接口。但是在這個階段，網絡設備并沒有做到控制與承載完全分離。基于對高可靠性的要求，部分交互頻繁業(yè)務仍然是融合在承載設備上，對于部分與整網拓撲相關或者使用程度不頻繁的業(yè)務，可以先從承載設備中剝離出來、以獨立的SDN APP的形式作為整網共享的業(yè)務功能。這個階段類似于德國電信提出的那種網絡結構。

（3） 第3階段主要是使電信承載網完全SDN架構化。在德國電信的SDN網絡架構中，BNG的BRAS業(yè)務模塊由SDN承載設備本身處理。但是BRAS功能提取作為SDN APP，有利于運營商整體通過單獨的BRAS APP服務器服務于多個SDN承載設備，有利于節(jié)約運營商的投資，并且更符合SDN控制和承載分離的要求。

運營商的電信承載網最終完全做到了向控制和轉分離的架構轉變，包括BRAS在內各類網絡業(yè)務分別以獨立的APP的方式從承載設備中剝離出來，并通過運營商統一的SDN控制器來實現對承載網絡業(yè)務的集中控制。

在這個階段，運營商承載網絡既做到業(yè)務控制和承載分離，又要支持某些業(yè)務的按需定制。SDN APP可以通過業(yè)務定制來明確不同承載設備需要支持的業(yè)務類型，并且通過開放程度的不同來允許互聯網運營商的APP對承載設備做出有條件的管道化定制。

3 BNG設備SDN化發(fā)展思路

根據運營商網絡演進的階段不同，BNG設備向SDN架構的演進并非可以一蹴而就，BNG設備也分3個階段完成SDN化的過程。

（1）第1階段可以實現BNG初步支持SDN框架。在這個階段，BNG路由設備使用現有的QoS策略接口支持對承載的控制，而BNG設備和運營商的SDN控制器（此時應該僅僅是QoS策略平臺對接）之間使用比較成熟的南向接口協議，例如Radius協議或者Diameter協議；北向接口對互聯網可以觸發(fā)策略更改的APP開放，方便需要互聯網業(yè)務的需求修改管道的帶寬，如圖4所示。

由于該階段BNG利用的是現有接口來完成一種SDN架構的控制雛形，路由器本身的軟件和硬件架構不做任何改進，因此BNG本身已經實現該階段所需要支持的功能。BNG需要完善的是：根據相應的標準更全面地支持QoS的策略接口，并且把對策略和計費支持更完善的Diameter作為統一南向接口協議。

同時在這個階段路由器廠商嘗試初步支持SDN使用最廣泛的OpenFlow協議，以此來改變簡單的轉發(fā)面行為。雖然OpenFlow協議本身對路由器支持不夠完善，并且路由器現有的硬件架構并不統一，但是在這個階段可以使用OpenFlow已完善的簡單路由功能，并可以通過路由器增加墊層來對OpenFlow協議解析。這時路由器的架構是混合結構，OpenFlow只改變路由器NP處理的某個簡單的處理過程。

在圖4中，SDN控制器分為支持基礎SDN控制器功能的網絡管理子層和支持對業(yè)務進行編排計算等處理的業(yè)務編排子層。業(yè)務編排子層的資源管理用來管理BNG上的資源，而策略管理生成策略庫，策略庫的內容再映射到APP以實現APP對于策略的選擇?；ヂ摼WAPP可以通過策略觸發(fā)APP來選擇策略管理庫的內容，從而對BNG承載接入的寬帶用戶進行策略控制[4]。

（2）第2階段可以實現BNG支持混合式SDN架構。在現有的BNG軟硬件架構中，主要業(yè)務協議的處理位于主控單元，數據轉發(fā)單元和部分業(yè)務協議的處理功能位于接入業(yè)務的線卡上。在向SDN架構的BNG演進過程中，較為理想的情況是取消原有主控和線卡上的業(yè)務協議處理模塊，統一定義為SDN APP。但實際上由于BNG功能模塊十分復雜，而且SDN化APP必須要考慮電信網絡本身具有的一些特點，因此在沒有解決所有可能出現的問題前，在SDN技術應用的初期，可以將現有路由器所有功能模塊統一剝離作為獨立與承載設備的SDN APP，但這種方式存在3個方面的風險。

（a） 傳統架構的電信網絡設備主控和線卡之間的通信控制消息，不但包括對轉發(fā)面的控制，也包括協議處理模塊之間的交互。因此如果要APP化現有SDN的業(yè)務協議處理的功能，不但要支持轉發(fā)流表的下發(fā)，還需要解決和定義業(yè)務協議處理模塊之間的進程間通信的問題。出于對實時性和可靠性的考慮，這種進程間的通信不能通過SDN控制器來轉接，否則會增加進程間消息交互時延并增加了故障點。同時這種進程間通信業(yè)不應該是設備商私有的，應該定義統一的流程和格式。

（b） 在傳統的承載設備在設計實現上，沒有采用將所有的業(yè)務協議處理模塊一同放置于主控板卡的設計思路。這主要是因為部分協議比較復雜，并具有一定并發(fā)規(guī)模和性能處理要求。

采用分布式處理則更加滿足希望業(yè)務的處理性能要求，很典型的例子是BNG的PPPoE撥號接入功能。PPPoE協議的處理功能必須在線卡中才能保證同時處理大規(guī)模并發(fā)的PPPoE用戶撥號請求，如果所有線卡對寬帶用戶的PPPoE請求處理都位于主控的話，同一個主控需要處理多個線卡的協議，這樣以來必定會產生性能瓶頸。同樣，在這類協議模塊被剝離并實現SDN APP化后，這類“協議APP”需要并發(fā)處理多個承載設備的PPPoE協議。這對APP的性能要求非常高，需要首先進行驗證確保達到可用后，才能夠APP化該類協議的模塊。

（c） 傳統BNG設備中用于保證電信網絡50 ms的、高可靠性的協議處理也位于線卡。如果這類協議處理位于主控的話，協議報文在線卡和主控之間的往返必然帶來較大的時延，從而影響設備的高可靠性。例如在承載網絡中保證鏈路和節(jié)點可靠性的雙向轉發(fā)檢測（BFD）協議，必須處于線卡處理才能保證其實時性。如果SDN APP化這類協議，那么處理過程就會由SDN承載設備直接交互變?yōu)樵黾雍蚐DN控制器的中轉，這不滿足50 ms可靠性處理要求。

由于上述原因，在第2階段BNG開始逐步向SDN架構演化時，BNG考慮分離原有的軟件架構中的部分協議處理模塊，把部分業(yè)務的處理從原有集中式的BNG路由器架構中分離，其余的業(yè)務仍然在BNG保留原有的分布式處理方式。因此，在第2階段應該首先區(qū)分BNG哪些業(yè)務可以率先SDN APP化，如圖5所示。

根據現網業(yè)務部署的規(guī)律，專家建議將不發(fā)生經常性業(yè)務震蕩的協議模塊率先實現APP化，如路由協議、VPN業(yè)務等類似的拓撲學習功能，在網絡部署初期的拓撲學習完成之后，不會發(fā)生經常性的拓撲變化進而導致路由震蕩，在新增業(yè)務或新設備新入網時拓撲發(fā)生變化時也只需要進行按需的一次性通告。該類業(yè)務在SDN APP化后可以管理全網拓撲，減少路由協議在承載設備之間的交互，同時也可以加快該SDN控制器下掛所有SDN承載設備的路由收斂，當遠端發(fā)生路由震蕩事件時，可以通過SDN控制器迅速通知該SDN控制器管理下的所有設備。

其次，某些業(yè)務模塊與其他軟件處理模塊的耦合度也不高，現網使用率低或者不存在大量業(yè)務同時并發(fā)，此類業(yè)務可以率先APP化，例如系統管理、配置管理等網絡中的其他使用頻率不高的業(yè)務。對于此類業(yè)務，可以把相應的控制層面的內容作為SDN APP，并通過APP和SDN控制器來觸發(fā)轉發(fā)面的臨時改變。

同時，在這個階段，對于BNG設備上原有的可以通過License控制或動態(tài)加載，或是原有的類似熱補丁的業(yè)務，也應該全部剝離后上移成為SDN APP，這樣可以更好地將對應的功能進行整體動態(tài)控制，從而節(jié)約大量的人力。

第2階段的模型如圖6所示，可見路由和VPN管理、網絡管理、業(yè)務定制功能已經上移到SDN APP層，因此相應的SDN控制器的業(yè)務編排子層增加了對應業(yè)務編排的功能。業(yè)務編排子層的作用是類似于傳統BNG中和具體協議無關的某類業(yè)務統一管理的功能，例如路由和VPN拓撲管理、全局用戶管理等。APP應該對SDN承載設備進行區(qū)分，但是業(yè)務編排子層的業(yè)務控制，需要根據APP的類型來區(qū)分哪些是整網全局的，哪些是和不同SDN承載設備有關的。例如路由拓撲的業(yè)務編排是與全局相關的，但是對于寬帶用戶接入的APP和用戶管理的業(yè)務編排，則需要區(qū)分其具體對應于哪個承載設備。

在這個階段中，SDN APP和SDN控制器需要合理分配自身的資源，并且一個SDN控制器可以下掛很多SDN承載設備，因此SDN APP所在的服務器以及SDN控制器本身對于處理資源的分配就成為了這個階段研究的重點之一。SDN APP所在的服務器及SDN控制器不但需要協調不同類型的APP間的資源分配，也需要協調不同SDN承載設備的資源分配。

同時，SDN控制器需要重點解決路由和VPN協議的拓撲收斂問題，現有集中式架構的路由器，路由協議的收斂是通過路由鄰居逐次傳遞，而在路由協議SDN化的階段由于路由APP已經抽象并上移，因此可以通過相同路由協議的SDN APP內部通信，或通過SDN控制器的路由和VPN的拓撲管理來加快收斂過程。

（3）第3階段中BNG可以采用完全的SDN架構。在這個階段，SDN已經完全解決了SDN APP和SDN承載設備之間的可靠性問題，可以支持大規(guī)模業(yè)務的并發(fā)，滿足現網頻繁業(yè)務震蕩的要求。同時，APP之間的通信機制得到了完善和統一，具有耦合性的各個獨立APP之間的消息通道的高可靠性得到提升，能夠滿足實際業(yè)務的需求，此時的結構如圖7所示。

在這個階段，SDN的承載設備保留了硬件相關的管理上報功能，以及網絡節(jié)點鏈路可靠性的相關功能。網絡節(jié)點和鏈路毫秒級可靠性的處理（例如主備鏈路）由SDN承載設備直接處理，并根據處理結果通知SDN轉發(fā)面。

由于APP之間的通信已經規(guī)范化，例如PPPoE和認證模塊可以直接進行消息交互，這種方式比通過SDN控制器進行消息交互更具效率。同時由于APP的處理性能得到保障，SDN APP也可以支持同一SDN控制器下的多個承載設備的大規(guī)模協議處理。這種形態(tài)應該是BNG 基于SDN結構化的一種最終形態(tài)。

4 結束語

文章提出了BNG向SDN架構演進的階段化發(fā)展思路。基于BNG設備本身的特點和運營商的電信承載網的特定要求，文章提出了運營商網絡在向SDN化發(fā)展的每個階段的設備架構模型。這套架構演進模型對SDN技術在電信承載網的部署、推動BNG設備最終實現理想化的控制和轉發(fā)分離架構都有指導性作用。同時，文章針對BNG在SDN化發(fā)展過程中可能遇到的問題做出了探討和分析，有利于后續(xù)基于SDN架構的BNG設備的開發(fā)和商用。

參考文獻

[1] Open Network Foundation. Software-Defined Networking： TheNewNormforNetworks[R]. 2012.

[2] D.Stiliadis，et. Software Driven Networks： Use Cases and Framework[EB/OL]. http：//www.amazon.com/SDN-Software-Networks， 2011.

[3] 林闖，賈子驍，孟坤. 自適應的未來網絡體系架構[J]. 計算機學報. 2012，35（06）： 1077.

[4] 趙慧玲，馮明，史凡. SDN——未來網絡演進的重要趨勢[J]. 電信科學. 2012，28（11）：1-5.