蔣 銘，李浩琳，沈成彬，曹 敏

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

隨著以FTTH為代表的高速寬帶接入技術(shù)的普及和各類互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的發(fā)展，家庭網(wǎng)關(guān)已經(jīng)成為寬帶接入終端的重要形式。家庭網(wǎng)關(guān)集成了DSL/PON接入、家庭路由器、互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)提供平臺等多種功能，并提供比較完善的遠程管理能力，拓展了寬帶接入終端的功能和價值。隨著家庭網(wǎng)關(guān)部署的不斷深入，現(xiàn)有的家庭網(wǎng)關(guān)架構(gòu)面臨著一系列挑戰(zhàn)，主要包括復(fù)雜功能和接口要求增加了家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)備成本和運行維護成本，業(yè)務(wù)和應(yīng)用對家庭網(wǎng)關(guān)功能和性能的依賴度導(dǎo)致新業(yè)務(wù)和應(yīng)用的引入需要頻繁地進行家庭網(wǎng)關(guān)的升級，家庭網(wǎng)關(guān)軟硬件與業(yè)務(wù)的緊密耦合對家庭網(wǎng)關(guān)的性能不斷提出新要求等。

針對上海的實際情況，西班牙電信、法國電信（FT）、葡萄牙電信（PT）的一些專家在2011年提出了一個全新的家庭網(wǎng)關(guān)功能上移（network located residential gateway，NLRG）的技術(shù)思路，就是通過把家庭網(wǎng)關(guān)的安全功能、部分L3功能和部分管理功能上移到網(wǎng)絡(luò)側(cè)的OLT或者BRAS（broadband remote access server，寬帶遠程接入服務(wù)器）/SR（service router，業(yè)務(wù)路由器）上，降低對家庭網(wǎng)關(guān)的功能和性能要求，通過在OLT或BRAS/SR上實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)三層與安全功能的虛擬化和集中化提高新業(yè)務(wù)引入的靈活性、降低建網(wǎng)成本（CAPEX）和運維成本（OPEX），并達到節(jié)能減排的效果。在OLT或BRAS/SR上實現(xiàn)的虛擬家庭網(wǎng)關(guān)被稱為vRGW（virtual residential gateway）后，業(yè)界專家考慮到OLT或BRAS/SR并沒有實現(xiàn)全部家庭網(wǎng)關(guān)的功能，而是通過增強一些家庭網(wǎng)關(guān)的三層功能實現(xiàn)家庭網(wǎng)關(guān)功能的重新分布，將家庭網(wǎng)關(guān)虛擬化又稱為網(wǎng)絡(luò)側(cè)增強的家庭網(wǎng)關(guān)（network enhanced residentialgateway，NERG）。

這個新的思路目前受到業(yè)界的廣泛關(guān)注。對于在FTTH和家庭網(wǎng)關(guān)部署方面走在國際前列并處于技術(shù)轉(zhuǎn)型關(guān)鍵期的中國電信運營商來講，需要從家庭網(wǎng)絡(luò)和接入網(wǎng)技術(shù)長期演進的視角，深入研究和論證NLRG技術(shù)的可行性，為將來寬帶網(wǎng)絡(luò)的長期發(fā)展指明技術(shù)路線，規(guī)避可能的技術(shù)風險。本文對NERG技術(shù)的原理、技術(shù)和經(jīng)濟可行性、實現(xiàn)方案、關(guān)鍵技術(shù)問題進行了研究，探討了其發(fā)展趨勢和應(yīng)用前景。

2 NERG技術(shù)原理

NERG的原理如圖1所示，就是通過把用戶側(cè)家庭網(wǎng)關(guān)的安全功能（防火墻、防病毒、遠程接入控制等）、三層網(wǎng)絡(luò)功能（IGMP、QoS、PPPoE、NAT、DHCP 等）和部分管理功能（DLNA、性能統(tǒng)計、診斷、部分TR-69功能等）上移到局端OLT或者BRAS/SR上，由網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備上的“虛擬家庭網(wǎng)關(guān)”模塊實現(xiàn)，而在用戶側(cè)則采用簡化的橋接型終端，僅需要支持業(yè)務(wù)接口功能 （以太網(wǎng)、Wi-Fi、POTS（plain old telephone service，普通老式電話業(yè)務(wù)）語音等）、二層的網(wǎng)絡(luò)功能（L2 QoS、L2 交換、DHCP 客戶端、IGMP snooping（窺探）等）和簡單的管理功能 （部分TR-69功能、本地管理的圖形化界面GUI、OAM/OMCI功能）。這樣，在家庭網(wǎng)絡(luò)簡單化的同時提高承載網(wǎng)絡(luò)的智能化，從而降低對家庭終端的功能和性能要求，希望借此提高新業(yè)務(wù)引入的靈活性、降低CAPEX和OPEX，提升用戶的滿意度，并能達到節(jié)能減排的效果。

NERG一經(jīng)提出，就受到了業(yè)界的普遍關(guān)注。在技術(shù)標準方面，寬帶論壇 （BBF）于2012年5月正式設(shè)立PD-295項目，在2012年第4季度會上，PD-295已經(jīng)轉(zhuǎn)為正式項目WT-317，并命名為“Network Enhanced Residential Gateway（NERG）”，該項目計劃結(jié)束時間為2014年底。歐洲電信戰(zhàn)略規(guī)劃與研究協(xié)會（EURESCOM）也啟動了P2055項目開展NERG研究。同時，歐洲電信標準協(xié)會（ETSI）成立了 ISG NFV（network function virtualization），進行網(wǎng)絡(luò)虛擬化方面的研究，其中也包括家庭網(wǎng)關(guān)的虛擬化。2013年，中國通信標準化協(xié)會（CCSA）也立項開始研究NERG技術(shù)及其標準。總體上看，NLRG的標準化可以在2014年完成。

3 NERG的技術(shù)實現(xiàn)

在網(wǎng)絡(luò)側(cè)，vRGW的實現(xiàn)方式有兩種。一種是在OLT上實現(xiàn)vRGW的功能，又稱為分布式NERG；另一種是由IP城域網(wǎng)邊緣設(shè)備BRAS或者SR實現(xiàn)vRGW功能，又稱為集中式NERG。表1對這兩種實現(xiàn)方式的部署方式、設(shè)備要求、管理模式及功耗等方面進行了比較分析。

可以看出，在NERG引入初期，在流量不大的情況下，采用集中式方案相對更有利于部署和管理，也有利于控制成本；然后隨著流量的增加逐步過渡到分布式部署。隨著IPv6全面商用、IPv6成為主流后，IP地址將不再是瓶頸，BRAS的IP地址管理功能將弱化，地址池可以下移到OLT，vRGW 的 PPPoE、DHCP客戶端和 NAT功能不再需要，BRAS功能弱化后可以下移到OLT的NERG中，網(wǎng)絡(luò)層次進一步簡化。

在用戶側(cè)，相對于現(xiàn)有的PON上行家庭網(wǎng)關(guān)而言，采用NERG技術(shù)后簡化型的用戶終端基本采用橋接方式，保留了現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)的各種硬件接口、二層交換功能和必要的業(yè)務(wù)模塊 （主要涉及與語音、IPTV等業(yè)務(wù)關(guān)系密切的VoIP、多播、業(yè)務(wù)隔離與QoS保障問題），簡化取消三層功能（路由、安全及TR69管理的范圍等），降低了對CPU處理能力、存儲空間的要求，也降低了軟件的復(fù)雜度；簡化后的家庭網(wǎng)關(guān)終端主要采用橋接方式，基本不會存在性能方面的瓶頸，可支持今后較長時期的業(yè)務(wù)需求而不必升級。

引入NERG會對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接入網(wǎng)架構(gòu)以及家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大影響，也會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)建設(shè)模式、運行維護手段與模式、業(yè)務(wù)與應(yīng)用發(fā)放等各方面的改變。從技術(shù)角度看，NERG還需要解決一系列的關(guān)鍵技術(shù)問題。

首先，PON層面OLT與ONU之間無法傳輸模擬語音信號，因此如果需要承接已有的POTS語音設(shè)備，則必須由ONU實現(xiàn)VoIP功能，即保持與現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)相同的處理方式，由終端設(shè)備內(nèi)置VoIP。從這個意義來講，NERG還無法實現(xiàn)家庭語音功能的上移?？紤]到承載效率和業(yè)務(wù)體驗，NERG系統(tǒng)中的簡化終端也需要支持IGMP snooping功能。另外，在PON層面仍需采用VLAN進行業(yè)務(wù)隔離，簡化終端需支持VLAN功能，并支持二層優(yōu)先級QoS及簡單安全功能。

NLRG的引入需要OSS周邊系統(tǒng)做相關(guān)改造（如虛擬網(wǎng)關(guān)網(wǎng)管系統(tǒng)、業(yè)務(wù)發(fā)放系統(tǒng)、運維系統(tǒng)等）。針對NLRG的配置及功能管理（如上網(wǎng)賬號、端口配置、功能配置、安全配置等），NLRG需要與原有OSS/PON/ITMS等管理平臺或系統(tǒng)進行接口互通且流程需作一定的改變。

根據(jù)已有NERG思路，家庭內(nèi)部互聯(lián)（如打印、文件/視頻共享等）均需通過虛擬網(wǎng)關(guān)的處理，因此相關(guān)流量均需經(jīng)OLT/BRAS上的vRGW模塊進行轉(zhuǎn)接，這就導(dǎo)致只有網(wǎng)關(guān)設(shè)備上電且至局側(cè)網(wǎng)絡(luò)鏈路正常時才能實現(xiàn)家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，當網(wǎng)絡(luò)側(cè)出現(xiàn)故障時則無法進行家庭內(nèi)部聯(lián)網(wǎng)，不符合現(xiàn)有的業(yè)務(wù)模式和用戶使用習慣，影響用戶感知，也會帶來家庭內(nèi)部互聯(lián)的速率受限于簡化終端與局側(cè)虛擬網(wǎng)關(guān)間的網(wǎng)絡(luò)速率（尤其是上行速率）的問題，可能對用戶感知帶來影響。當然，這些問題均有相應(yīng)的解決方案，但還不成熟且沒有實現(xiàn)標準化，所以還需要研究探索。

在NERG產(chǎn)品實現(xiàn)方面，目前有部分廠商開發(fā)了原型產(chǎn)品，一般是在OLT平臺上開發(fā)相關(guān)板卡。相關(guān)產(chǎn)品從技術(shù)上驗證了NERG技術(shù)可行性。但受到標準化、應(yīng)用模式與應(yīng)用策略不明確的影響，相關(guān)廠商尚無商用版本NERG設(shè)備。目前，終端側(cè)目前沒有針對NLRG優(yōu)化的專用SOC芯片 （網(wǎng)絡(luò)側(cè)可采用通用處理器芯片），終端芯片廠商對NLRG態(tài)度亦不明朗，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展還有待觀察。

表1 分布式NERG和集中式NERG的比較

4 NERG的經(jīng)濟性分析

結(jié)合國內(nèi)的運營商的實際情況，根據(jù)不同業(yè)務(wù)流量模型對NLRG架構(gòu)下的OPEX、CAPEX進行了分析，并與現(xiàn)有家庭網(wǎng)關(guān)模式下的CAPEX和OPEX進行比較。

就OPEX而言，NERG可以簡化新業(yè)務(wù)部署，而且由于用戶終端功能相比原有家庭網(wǎng)關(guān)簡單，相對故障率較低，有利于減少用戶報障，總體上降低維護人員上門修障的次數(shù)，從而一定程度降低了運維成本。分析表明，采用NERG后預(yù)計可降低OPEX約1/3，提高裝維效率，雖然沒有達到西班牙電信所預(yù)期的80%OPEX降幅，但也比較明顯。

就CAPEX而言，考慮到目前家庭網(wǎng)關(guān)終端芯片與橋接型ONU芯片價格相差不大，采用NERG技術(shù)的終端側(cè)其成本降低比較有限（5%左右）。但另一方面，由于用戶側(cè)設(shè)備因簡化后使用年限的延長，可以大幅度節(jié)約設(shè)備更換的成本，因此總體上節(jié)約終端側(cè)CAPEX約1/3左右。同時，盡管網(wǎng)絡(luò)側(cè)設(shè)備需要增加虛擬網(wǎng)關(guān)軟硬件，但由于三層功能集中化，局端增加的成本將遠少于用戶端節(jié)約的成本。因此，NERG技術(shù)能夠明顯降低運營商的設(shè)備投資。

此外，相比傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)部署方式，家庭網(wǎng)關(guān)終端功能的上移可以降低一定的總體能耗（約20%），有利于節(jié)能減排。簡化型橋接終端的壽命更長，也可以避免終端頻繁更換帶來的污染和回收問題。

5 NERG技術(shù)發(fā)展趨勢

目前，國內(nèi)運營商的光網(wǎng)建設(shè)和家庭網(wǎng)關(guān)部署迅速，我國的FTTH覆蓋用戶數(shù)已經(jīng)超過1.5億戶，建成了全球最大的FTTH寬帶網(wǎng)。家庭網(wǎng)關(guān)部署量也達到數(shù)千萬臺，已經(jīng)率先形成了比較完善的光網(wǎng)建設(shè)維護體系。短期內(nèi)全面引入NERG技術(shù)進行接入網(wǎng)的升級改造會帶來大量的成本浪費，考慮到NERG技術(shù)亦不足夠成熟，所以短期內(nèi)并不具備規(guī)模部署NERG技術(shù)的可行性。

但另一方面，國內(nèi)寬帶上網(wǎng)帶寬迅速提升（部分省市已經(jīng)推出100 Mbit/s和超100 Mbit/s的業(yè)務(wù)），業(yè)務(wù)種類越來越豐富，傳統(tǒng)的家庭網(wǎng)關(guān)終端面臨著滿足高帶寬、高靈活性的業(yè)務(wù)提供能力要求的壓力，傳統(tǒng)的運營商承擔全部終端成本的模式也給運營商帶來了巨大的成本，傳統(tǒng)的終端部署模式能否延續(xù)成為一個現(xiàn)實的問題。而NLRG通過在局端虛擬化，以可接受的成本滿足未來寬帶業(yè)務(wù)對靈活性、經(jīng)濟性和運營維護的要求。隨著BBF、ITU-T等國際標準化組織對NERG技術(shù)標準化的推進，相信相關(guān)標準將很快完成，并推動產(chǎn)業(yè)界NERG相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和部署，盡快解決NERG面臨的關(guān)鍵的技術(shù)問題。法國電信、西班牙電信等歐洲主流運營商的積極推動也將加快NERG的發(fā)展和成熟。我國的寬帶接入產(chǎn)業(yè)應(yīng)高度關(guān)注NERG的進展并參與到NERG技術(shù)發(fā)展和產(chǎn)品開發(fā)的進程中。

6 結(jié)束語

NERG通過對家庭網(wǎng)關(guān)功能虛擬化，實現(xiàn)用戶側(cè)終端功能簡化，使用壽命延長，并實現(xiàn)局端網(wǎng)關(guān)功能虛擬化集中部署，有利于降低CAPEX和OPEX，提高業(yè)務(wù)發(fā)放效率，并實現(xiàn)節(jié)能減排，受到了全球主要運營商的高度重視。

引入NERG會對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備、接入網(wǎng)架構(gòu)以及家庭網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生較大影響，相關(guān)標準化工作正在快速推進，原型產(chǎn)品也已出現(xiàn)，相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)業(yè)正在快速發(fā)展過程中，具有比較好的發(fā)展前途。

1 BBF WT-317.Network Enhanced Residential Gateway(NERG),2013