三网融合下的流量分析及承载网络建设

2012-07-10张士辉

中国现代教育装备 2012年19期

张士辉

甘肃交通职业技术学院甘肃兰州 730070

2010年，国务院颁布了《推进三网融合的总体方案》，明确了电信和广电的业务范围及不同阶段的推进步骤。广电获得了宽带、互联网增值和IP电话业务的经营权，电信则获得了IPTV、手机电视传输和分发业务的经营权。虽然由于体制、技术、资金等多种原因，三网融合的整体进展并不尽如人意，但三网融合是大势所趋，不可逆转。

按照国务院关于印发《推进三网融合总体方案通知》中的定义，三网融合是指电信网、广播电视网、互联网在向宽带通信网、数字电视网、下一代互联网演进过程中，其技术功能趋于一致，业务范围趋于相同，网络互联互通、资源共享，能为用户提供语音、数据和广播电视等多种服务(如图1所示)。

图1 三网融合的目标

1 视频流量成为网络流量的主体

按照中国电信2010年年终的统计：骨干网中互联网流量是语音的100多倍，占总带宽的99%；在所有互联网流量中，P2P流量约占70%，其中绝大部分是视音频；虽然IPTV带宽目前所占比例不高，但增长速度非常快。据预测，到2013年，视频流量将占整体流量的90%。对于广电来说，其核心业务就是提供视频服务，视频所占比例不言而喻。

随着视频技术日新月异的发展，高清视频正在走入寻常百姓家。无论是终端还是内容源，无论是数字电视、IPTV还是Internet视频，甚至是个人通信和视频监控等，都在步入高清时代。目前大部分电影和电视剧已经采用高清制作；家庭播放设备(包括电视、机顶盒、高清播放器等)由于芯片量产，成本迅速下降。我国高清电视的保有量已达到7 000万台。综合来说，不论广电还是电信，高清视频正在迅速普及，视频业务必定是未来的业务主体。

2 视频业务对网络提出的要求

既然视频业务在所有业务中占有如此重要的位置，在建设承载网(这里指IP承载网)时就要充分考虑视频流量的特点，满足现在和未来数年内的需求。视频流量对承载网提出的要求可以归结为以下几点。

2.1 网络须具备支持长时间和大带宽保证能力

在语音时代，一个通话平均只需要几分钟，只需几十千字节的带宽。但在视频时代，一个视频流通常长达一两个小时，带宽需求为2 M～8 M。以高清VOD为例，采用目前主流的H.264编码，码率约8 Mbps。假设一个50万家庭的中等城市，10%的家庭同时在线点播。简单计算可知，需要的总带宽为400 Gbps。而这还是仅考虑VOD点播业务。在实际部署中，可以采用CDN技术来降低对城域网的带宽压力，但无论如何，视频业务对带宽的需求是巨大的。

2.2 网络对视频业务必须具有高Qos保证能力

实时视频业务(如直播，VOD，轮播等)，对网络时延、丢包是非常敏感的。时延太大，对用户操作的响应就会变慢，影响用户体验；丢包的影响更为严重，因为视频业务采用运动图像压缩编码技术，在图像解码的过程中，各帧之间互相参考和依赖，一个视频报文的丢失，会影响后续多个视频帧不能正确解码，造成图像出现马赛克现象。视频的压缩效率越高，视频的码率越高，对丢包率的要求就越严格。标清视频一般丢包率不能高于10-4，而对于高清视频，根据DSLAM Forum TR的规定，要求丢包率少于10-6，否则用户就会明显感觉到图像质量的下降。

由于视频码流的突发特性，要满足如此严格的丢包率指标，对网络提出了非常高的要求。平时所说的视频码率只是一个统计意义上的平均速率，或在较大时间尺度上(如10 s)的速率。如果在更小的时间尺度上观察，就会发现视频流的数据有很大的突发：如一个平均8 M的H.264高清视频，在ms或10 ms的尺度上，最大突发流量可能达到平均速率的8～10倍。之所以考虑这样的尺度，是因为网络设备所能承载的突发就是在10 ms或亚秒级，更大时间尺度(秒以上)的突发会造成丢包。这意味着视频流的平均速率并不能反映视频对带宽的真实需求。当然，可以通过在传输视频的过程中采用特定的编码方式，如CBR(Constant Bit Rate)来减小视频流量的突发。但即使如此，仍然可能产生比平均速率大2～3倍的突发流量。本质上，这个突发是视频压缩算法决定的。在像视频会议和视频监控等对实时性要求很高的场合中，流量突发的尺度会更大。

解决视频突发带来的影响，有两种途径。最容易想到的一种方法是配置足够的带宽来满足突发要求。如要承载100路8 Mbps的高清视频，按平均速率800 Mbps的带宽。现在把带宽配制成8 Gbps，这样即使有10倍的突发也完全可以不丢包。当然，代价也极大，此时带宽利用率只有10%，性价比极低。另一种思路是网络设备可以对突发流量进行适当地缓存。因为突发虽然速率高，但毕竟是瞬时的，短暂的，一般在1/100秒以下，其余大部分时间的速率则接近平均速率或者在平均速率以下。理论上，如果给网络设备配置“足够大”的缓存，则GE的链路可以保证承载125条8 Mbps的视频流，且不丢包。抛开技术和成本的原因，太大的缓存会造成时延的加大，降低用户的体验。理论和实践表明，缓存的大小在亚秒级是比较合适的选择。如对于GE接口来说，每端口缓存大小达到20 MB，对于万兆接口，每端口缓存大小达到200 M。在这样的配置下，设备就具备了对接口流量近200 ms的缓存能力，较好地满足了突发和时延的要求。

2.3 网络具备良好的扩展性

业务和网络的规划一般是建设前一次性完成的，实际的建设则往往根据用户和业务的发展分期实施，这就要求网络具备良好的扩展性。视频流量长时间和大宽带的性质使其对宽带、处理能力的要求随着用户量上升而迅速提高，更要求相应的承载网络具有极高的可扩展性。

可扩展性一般包括接入能力扩展、网络处理能力扩展、宽带扩展和平滑扩展等。接入能力是指对下一级网络设备或用户的汇聚能力，接入能力的扩展主要体现在端口能力的扩展上，通过利用级联技术，增加端口数目。处理能力扩展体现在设备转发性能的提升上，该要求主要体现在网络的汇聚层或核心层，小规模扩容时可通过增加机架式设备的插卡或更换处理引擎等方式进行，较大规模的扩容可利用堆叠或集群技术通过增加设备来实现。带宽扩展较为简单，一般通过链路的捆绑或链路聚合来完成。当然，在宽带扩展时，首先要保证设备足够的处理能力(线速转发)。以上所有的扩展都需要具备的一个前提—平滑扩展能力。平滑升级主要体现在两个方面：一方面是对现网用户的影响尽量小，原有设备配置不改动或少改动；另一方面是能够保护原有设备的投资，不造成浪费。网络的平滑升级主要靠合理的网络、业务规划及堆叠、集群等关键技术的使用。

3 承载网的建设思路

三网融合的承载网建设在大方向上存在两种不同的思路：一种思路是采用统一的网络承载平面，将个人宽带、视频点播、语音和大客户接入等各种不同业务统一承载在一个网络平面上，不同业务之间通过VLAN，QinQ，MPLS VPN等高级技术进行隔离，并通过在网络各个层面部署Qos策略保证不同业务的服务质量；另一种思路是把视频业务和其他业务分开，采用视频承载平面加数据平面的双平面架构。当然，这里的双平面是指网络的核心和汇聚层面，接入网一般还是统一在一起的。

从技术上说，把所有业务统一承载在一个网络上是可行的。如可以通过在网络的核心或汇聚节点部署高端路由器，并通过MPLS-TE/Diff-Serv/MPLS VPN等高级技术实现不同业务的安全隔离和服务质量保证。这样做的不利之处也是明显的：由于不同业务对网络要求差异极大，为了把所有业务承载在一张网络上而使用的高级技术会提高网络的建设成本和运营维护成本(增加配置、维护的复杂性)。

由于视频业务的特殊性(长时间、大宽带、高Qos)，在规模运营时，把视频业务作为一个独立的平面来建设是更为合理的选择。其他个人业务无论是宽带还是语音，对宽带的需求和视频业务都不在一个数量级上，而大客户业务由于其用户数量至少比个人用户小两个数量级，对宽带的消耗也无法和视频相比。

在实际建设中，运营商网络往往也采用分离建网的模式。如电信在开展IPTV业务时，一般采用交换机建设独立的视频分发网。甚至同样是数据业务，中国电信的个人宽带和大客户VPN业务也分别承载在ChinaNet(163/169)和CN2两个平面上。广电DTV业务承载在HFC网络上，个人宽带和大客户业务一般统一承载在IP技术的承载网络，在大规模部署业务时，则采用CDN技术来缓解城域网和骨干网的压力，这也意味着广电一般是通过HFC+IP两张网来综合承载视频业务(如图2所示)。