IP城域网云化BRAS平滑演进方案探讨

作者:中国联合网络通信有限公司安徽省分公司 桂忠 责任编辑:甄清岚 2018.12.29 14:51 来源:通信世界全媒体

BRAS(Broadband Remote Access Server,宽带远程接入服务器)设备是IP城域网的核心。IP城域网演进的关键问题之一就是BRAS设备如何演进。

IP城域网业务控制层面临的问题

随着家庭宽带用户接入带宽的成倍提升,4K高清视频、物联网等新业务的高速发展,传统电信运营商都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。BRAS设备作为家庭宽带用户接入的核心设备,面临如下问题。

资源利用率低:传统BRAS设备既作为用户接入认证计费的网关,又作为IP网络的三层边缘,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:由于传统BRAS设备数量众多,在网络中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。

显然,对传统BRAS系统进行解构和重构,构建一种新的BRAS系统形态来满足未来网络演进的需求是非常有意义的。

目前主流云化BRAS方案比较

使用NFV理念和技术构建的新一代BRAS系统称为云化BRAS。目前,主流的云化BRAS方案分为纯虚拟化的云化BRAS和转控分离云化BRAS两种。

纯虚拟化的云化BRAS方案如图1所示,该方案的特点是将BRAS系统的控制面和转发面都虚拟化,部署在基于通用x86服务器的虚拟化层之上。

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图1  纯虚拟化的云化BRAS方案

纯虚拟化的云化BRAS方案又分为单VM(Virtual Machine)架构和多VM架构,如图2所示。单VM架构云化BRAS转发性能受限,也无法根据转发流量进行弹性扩容,同样的业务处理能力下对外呈现多个云化BRAS,网元数量多,周边配套复杂,当业务流量超过门限时,需要拉起新的网元并且重新配置才能满足业务要求,整体方案非常复杂,运维困难。相对而言,多VM架构云化BRAS方案的转发VM可以根据转发流量要求进行弹性扩容,不仅单网元的性能更强,而且网元数量少,周边配套简单,整体配套方案也相对简单得多。多VM架构云化BRAS能够满足NFV体系的各种要求,是一种真正的云化架构。

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图2  单VM架构和多VM架构

纯虚拟化的云化BRAS方案虽然早已面世,但是一直没有得到运营商的认可,关键原因在于其转发性能存在瓶颈。纯虚拟化的云化BRAS相对于物理BRAS,在转发性能上有很大的不足,根本原因在于两者采用的转发芯片不同。物理BRAS使用的NP芯片是专用的通信芯片,关注的是OSI 7层协议的L1到L4层,设计指标是数据转发能力和I/O吞吐量;纯虚拟化的云化BRAS使用x86通用芯片,关注的是L5到L7层,关键设计指标是浮点/整数计算能力。思科2016年的公开材料中给出两者芯片的转发性能大约是15:1。另外,x86体系的多级Cache机制以及通用DDR内存的访问效率问题,导致纯虚云化BRAS的转发时延会出现较大的波动,尤其是在复杂业务叠加的场景下。

转控分离云化BRAS方案借鉴了SDN技术集中管控和NFV设备云化的思路,在保留BRAS设备高转发性能的同时,将计算密集型的BRAS用户管理功能NFV化和集中化,不仅能够满足当前现网的功能、性能和可维护性需求,而且能够支持网络向SDN/NFV网络架构演进的诉求。

转控分离云化BRAS方案思路就是将多台BRAS设备上的用户管理功能抽取出来集中,并且使用NFV技术重构,形成控制面(Control Plane,CP);BRAS设备上保留路由器的控制面以及BRAS的转发面,形成转发面(User Plane,UP)。因此,CU分离BRAS由vBRAS-CP和vBRAS-UP两部分组成,架构如图3所示。

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图3  转控分离云化BRAS方案

转控分离云化BRAS系统架构具有如下特点:

(1)BRAS业务转发面、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,互不约束;

(2)控制面集中化/云化,更易于集中管控,云化有助于弹性扩缩容,简化运维;

(3)控制面采用软件实现,属于计算密集型,适用于软件实现;

(4)转发面保持本地化,本地化可以实现大流量无阻塞快速转发;

(5)转发面采用专用硬件实现,属于流量密集型,适用于高性能硬件实现。

另外值得重点强调的是,转控分离云化BRAS系统是一种现网平滑演进方案,通过升级现网BRAS到vBRAS-UP,同时只需要部署轻量级vBRAS-CP就完成整网升级。相对于纯虚云化BRAS方案要摒弃现网设备,重新构建大量DC作为NFVI的承载基础设施,转控分离云化BRAS不仅可以享受NFV技术优势,帮助现网实现运维简化降低OPEX,还能够大量节省运营商的CAPEX。

平滑演进方案及必要性

转控分离云化BRAS方案的部署架构如图4所示。

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图4  转控分离云化BRAS方案部署架构

vBRAS-CP实现控制面集中,通常可部署在省干CR位置,管理多个vBRAS-UP。vBRAS-UP通过现网BRAS升级,CP和UP之间路由可达即可。演进目标架构如图5所示。

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图5  转控分离云化BRAS现状以及目标架构

转控分离云化BRAS对于中国的电信运营商而言,是最有利的平滑演进方案。

首先,现网BRAS设备存量大,设备硬件状态良好,其转发性能能够满足现网运行流量要求。尤其在中国联通大部分南方省份,BRAS配置以布局性为主,单台BRAS平均承载用户量不大,尚有较高的使用价值,即使将来流量增加,也可以通过更换高性能硬件的模式进行升级,而且根据前文分析,专用硬件的性能要远远优于通用CPU。因此,通过升级现网BRAS到UP,不仅可以利旧,充分发挥现网设备的作用,降低CAPEX,而且可以满足远期的带宽快速增长要求。

其次,现网BRAS网络架构稳定,业务模式成熟,采用转控分离方案,只需要新增部署少量CP节点,现网BRAS的组网完全不变,相对于纯虚云化BRAS方案需要对现网做颠覆性重构而言,可以有效地节省OPEX。

第三,现网BRAS存在大量的溯源、精绑等业务,以及最近在全国推广的警用特通业务,在转控分离云化BRAS方案中都可以全盘继承,云化转控分离的方案即便在与vBRAS-CP脱管的情况下,也能实现正常的业务控制和转发,更加有效地保证现网业务安全。

在IP城域网升级到转控分离云化BRAS后,整个城域的BRAS业务的管理,尤其是IP地址的管理可以集中化,业务运维可以在现有模式下进行升级,有效提高业务运维效率,也符合运营商整个IP网络集中控制、集中运维的演进思路。

从更加长远的IP城域演进思路考虑,城域网的固定宽带业务中,商企宽带业务正在通过SDN控制器进行集中管控,家庭宽带业务可以通过转控分离云化BRAS方案集中管理,未来两者或统一,就是基于一个控制中心对整个城域进行自动化地管理、控制和监控,而转控分离云化BRAS方案就是其中关键的一环。

近期需要开展的工作

目前,安徽联通在中国联通集团的统一部署下,已经实现了转控分离云化BRAS测试和试点,下一步的主要工作包括以下几点。

(1)AAA对接改造:转控分离云化BRAS系统中,系统的接口索引增加了UP ID,从三维升级到四维。这个需要AAA系统进行相应的改造升级。

(2)操作维护界面优化:在转控分离云化BRAS系统中,BRAS业务的布放和监控都在CP上完成,从提高现网运维效率角度出发,需要在网管上开发对应的图形化界面供网络运维人员使用。由于现网BRAS都是基于命令行进行运维的,图形化界面需要进行持续地优化以满足各种运维场景的要求。

(3)转控分离云化BRAS架构的优化和现网验证CP作为整个系统的大脑,需要提供跨DC的异地容灾保护能力。另外,在转控分离架构下,用户数据在CP上管理,在这种架构下,UP的双机热备方案相对于传统BRAS的热备方案可以做到大幅简化。因此,可以在现网进行规模部署,通过部署UP热备来提高单UP上承载的用户数,进一步提高设备利用率,降低运营商的CAPEX;

(4)转控分离云化BRAS的北向接口标准化:类比SDN方案北向开放,CP收集了全网BRAS业务的所有数据,通过北向开放,运营商可以实时获取现网BRAS业务的各种数据,进而加强业务运营能力,还可以通过CP向UP下发各种实时控制指令,实现现网BRAS业务各种参数的调整,解决传统BRAS设备只能通过逐个手工配置来调整业务模式的问题。

小结

转控分离云化BRAS方案是主流的下一代云化BRAS方案,通过现网试点,以转控分离云化BRAS实现现网设备平滑演进,可以满足现网的业务诉求,也符合IP城域演进的方向,且有效保护了既有投资。下一步,将在现网推进规模商用,以推动整个IP城域网络的演进。


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