固移网络边界网关虚拟化融合研究

谢人超 王亚松 刘韵洁

1 北京邮电大学 北京 100876

2 中国联合网络通信有限公司 北京 100033

引言

在全球信息化和宽带大发展的背景下，全球宽带产业处于高速发展阶段，以光纤接入为主的固定宽带网和以LTE为代表的宽带移动通信网保持着快速增长的势头。以我国为例，据工业和信息化部统计，2013年1～11月我国新增光纤到户覆盖家庭超过6 500万，累计达到1.6亿户;新增固定宽带接入用户超过1 700万，累计达到1.88亿户;新增3G基站超过24万，累计达到106万个;新增3G移动电话用户超过1.5亿，累计达到3.8亿户。全球宽带网络的发展与普及带来了业务流量爆发式发展，如图1所示，据思科公司的预测[1]，2013～2018年全球移动数据流量年增长率将达到61%，预测到2018年每月产生的移动数据流量将达15.9EB，相比2013年将增长约10倍。

网络流量的爆炸式增长以及业务类型的多样性对未来网络发展提出了新的需求:1)要求网络在部署新业务的同时尽可能地降低网络投资成本;2)为用户提供与接入类型无关的服务质量保障与策略控制，提升用户体验;3)要求新业务的部署具有更短的时间周期，降低业务部署的复杂度以及要求网络运营更简单、更灵活，实现对网络流量的灵活控制等。面对这些新的需求，固定/移动网络融合成为未来网络演进的重要发展趋势，因为通过固移网络融合可以简化网络结构，为运营商提供统一的核心网控制和管理平台，为终端用户提供统一的业务体验，而不必区分访问这项业务所用的接入技术。

图1 业务数据流增长预测

面对当前网络提出的新需求，业界提出了SDN技术，通过将网络设备控制平面与数据平面分离，把网络上所有的控制信息都集中到核心控制器上处理，可以实现对网络的软件可编程控制与管理，从而实现对网络流量的灵活控制。同时，网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)技术的提出可以在统一的IT硬件基础设施上广泛采用标准化的IT虚拟化技术，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能，实现软件的灵活加载，加快网络部署和调整的速度，降低业务部署的复杂度，提高网络设备的统一化、通用化、适配性等，最终降低网络的CAPEX和OPEX;因此，利用SDN与NFV技术实现固移网络融合可以满足未来网络发展需求，对运营商未来发展具有重要意义。

1 固移网络融合研究现状与挑战

1.1 固移网络边界网关功能分析

移动LTE(Long Term Evolution，长期演进)网络架构由扁平的无线接入网(Radio Access Network，RAN)与演进的分组核心网(Evolved Packet Core，EPC)组成，其中LTE RAN和EPC一起被称为演进的分组系统(Evolved Packet System，EPS)[2]。RAN采用只有单一节点类型eNodeB的扁平化架构，主要负责整体网络中所有无线相关功能，包括调度无线资源管理、编解码等。EPC是由GSM(Global System for Mobile Communications，全球移动通信系统)和WCDMA(Wideband Code-Division Multiple Access，宽带码分多址)系统中的GSM/GPRS核心网逐步演进而来的，它只支持接入到分组交换域，而不能接入到电路交换域。EPC包含服务网关(Serving Gateway，S-GW)、分组网关(Packet-Data Network Gateway，P-GW)、移动管理实体(Mobility Management Entity，MME)、归属用户服务器(Home Subscriber Server，HSS)、策略和计费规则功能(Policy and Charging Rules Function，PCRF)等网元。作为LTE网络边界网关P-GW，其主要功能包括如下几点。1)IP地址分配:支持对IPv4、IPv6地址分配。2)会话管理:用于存储与处理EPS承载的上下文。3)路由选择和数据转发:对数据包进行封装/解封装，并路由。4)DPI(Deep Packet Inspection，深度包检测):实现基于用户的包过滤与检测。5)QoS控制:支持EPS承载的QoS参数。6)DHCPv4/DHCPv6:动态IP地址分配。7)离线/在线计费:用于计费。8)PCRF选择:对PCRF进行选择，将不同终端的策略控制和计费(Policy Control and Charging，PCC)会话连接到正确的PCRF。9)策略及计费执行功能(Policy and Charging Enforcement Function，PCEF):支持PCEF的功能。

固定宽带网络架构主要包括家庭网关、接入网节点(光线路终端(Optical Line Terminal，OLT)/数字用户线路接入复用器(Digital Subscriber Line Access Multiplexer，DSLAM))、城域网节点(Broadband Network Gateway(BNG)/Broadband Remote Access Server/BRAS)、AAA(Authentication、Authorization、Accounting )服务器与策略控制服务器BPCF(Broadband Policy Control Function)组成[3]。其中，作为宽带网络的业务接入与控制节点的BRAS设备是宽带网的边界网关，是实现宽带接入、业务控制、用户管理、流量调度等功能特性的重要网元，在宽带网络中扮演着极其重要的角色。其主要功能包括如下几点。1)接入、认证、授权。2)防火墙:提供IP包的过滤功能。3)动态主机配置协议(Dynamic Host Configuration Protocol，DHCP):动态分配IP地址。4)虚拟专网(Virtual Private Network，VPN):提供VPN功能。5)组播:支持宽带用户的组播业务需求。6)计费。7)PPPoE(Point to Point Protocol over Ethernet)/IPoE (IP over Ethernet)接入。8)QoS控制:对会话数据提供层次化的QoS控制。9)IP地址分配。

通过分析P-GW与BRAS网关所承载的功能可知，P-GW与BRAS具有类似的功能，这为P-GW与BRAS融合提供了潜在的可能。

1.2 固移网络边界网关融合面临的挑战

虽然由1.1节可知移动网关P-GW与固网BRAS网关具有许多类似功能，为边界网关融合提供了潜在的可能。但是网关之间仍存在许多差异性，主要来自包括网关部署位置的差异、业务模型的差异、周边接口的差异以及硬件结构的差异带来的融合挑战，具体如下。

1)边界网关节点部署位置的差异。如图2所示，当前边界网关P-GW与固网BRAS网关相比处于高置位置，这相比固定于固定宽带网络，用户流量需要两次经过核心带宽，移动流量封装开销大，至少占用双倍的核心带宽和结点容量。而随着移动技术的发展与智能终端的普及，移动流量呈现了爆发式增长的趋势，为避免移动流量增长给核心带宽带来的压力，未来移动网关可能呈现逐步下移分布式部署的趋势，从而避免两次占用核心带宽。对于移动网关下移，将可以带来诸多优势。①使得业务在区域PoP点弹出后，避免两次经过核心带宽，还可以就近访问数据中心或内容分发网络(Content Delivery Network，CDN)，原有高置的移动网关可以用于高价值的运营商自营业务。②与固网BRAS部署位置、流量模型也一致，使得移动和固网网关位置重叠和业务趋同增加了FMC网关融合的可能性。

但是移动网关下移也带来了挑战，网关下移和移动性要求使得横向流量大幅增加，即跨eNodeB移动的横向流量只发生在切换期间，且跨网关移动发生率极大增加。而为了应对这些挑战，池组化方式部署可以大大减少横向流量，另一个方法是部署移动 IP协议。

2)固移网络P-GW/BRAS网关节点软硬件架构的差异。如图3所示，当前固定网络边界网关BRAS节点更多关注基本转发能力，而移动网关P-GW/GGSN要求更高的控制面和复杂业务能力，这导致在融合网关架构设计时，可能会顾此失彼。BRAS通常采用“主控板+线卡(即CPU+传统网络处理器(Network Processor，NP))”的架构，CPU能力要求较低，而NP能力要求较高，以满足高数据吞吐量需求。移动网关对控制面和复杂业务要求较高，由于传统NP在编程灵活性和微码空间上的限制，这两部分业务一般部署在CPU上，这使得移动网关对CPU能力要求较高。

3)边界网关节点周边接口的差异。如图3所示，虽然固定网络和移动网络在接入、用户鉴权、计费、策略等方面功能类似，但实现协议却不相同，固网采用的协议主要为Radius协议，周边的接口为BPCF;而移动网采用的协议包括GTP(GPRS Tunnelling Protocol)与Diameter协议等，因此，融合不仅体现在固定网关和移动网关在这些接口上的差异，还会涉及两张网络的业务控制体系。

图2 固移网络现状与发展趋势

图3 固移网络P-GW/BRAS网关设备差异

4)业务模型/性能的差异。由图3所示，当前固定网关信令负荷低，数据吞吐量高，复杂业务需求较低;而移动网关信令负荷高，数据吞吐量较低，复杂业务需求更高。但随着无线带宽增长和分组域业务发展，移动网关的数据吞吐量将大大提升，而固定网关对复杂业务的需求也将增大，这方面的差异将缩小。

由上可知，虽然固移网络P-GW/BRAS网关存在类似的功能，这为其融合提供了潜在可能，但是由于其存在的差异性使得网关间融合仍面临许多挑战，尤其是网关周边接口的不同，这使得边界网关融合不可能是简单的融合;因此，要实现固移网络P-GW/BRAS网关的融合就必须对整个网络进行融合，这将决定融合是逐步进行的。

2 固移网络边界网关虚拟化融合解决方案

针对网关融合面临的挑战，本节通过利用SDN与网络功能虚拟化的思想，探讨固移网络虚拟化融合的解决方案，从而为后续运营商实现固移网络融合、简化网络结构提供解决思路。

SDN的核心思想是通过将网络设备控制平面与数据平面分离，把网络上所有的控制信息都集中到核心控制器上处理，实现对网络的软件可编程控制与管理，从而实现对网络流量的灵活控制，为核心网络及应用创新提供一个良好的平台。网络功能虚拟化的目标主要是希望通过广泛采用标准化的IT虚拟化技术，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能，实现软件的灵活加载，实现在数据中心、网络节点和用户端等各个位置灵活地部署配置，从而加快网络部署和调整的速度，降低业务部署的复杂度，提高网络设备的统一化、通用化、适配性等，最终降低网络的CAPEX和OPEX;因此，借助SDN与NFV，为实现固移网络虚拟化融合提供了一种潜在的实现方式[4-5]。

根据第1节分析可知，由于固移网络边界网关周边接口与软硬件架构的不同，使得融合需要设计一个设备形态归一、统一的融合架构，且注定无法实现简单地对网关设备的融合，而是要对整个网络融合，因此，可能的固移网络边界网关虚拟化融合实现结构图如图4所示。该方案的实现思路是采用通用硬件架构(如X86架构)，将固移网络的边界网关功能包括DPI、防火墙、网络地址转换(Network Address Translation，NAT)等融合在一起形成一个超级网关，该网关具有基于用户统一的DPI/QoS/策略控制等能力，以及能够实现会话的无缝切换，然后在此网关基础上在终端侧将用户标识进行统一，同时，实现控制面的统一及业务平台的统一，并通过利用SDN技术对统一的控制面实现灵活控制。

图4 网络融合实现结构图

基于图4的网络融合实现结构图，具体的虚拟化融合实现参考模型可以采用如图5所示的模型，该参考模型包括承载控制平面与承载数据面。控制平面主要负责用户的会话管理、策略控制以及统一认证、授权、计费等;数据平面根据控制平面下发的控制策略为用户提供灵活接入、差异化服务保障以及路由策略等。在该实现模型中，融合的网络应解决的关键技术问题包括4个方面。

图5 虚拟化融合实现参考模型

1)灵活接入能力。传统移动网络中，移动网络采用SIM卡认证方式对其用户终端设备进行认证，以动态分配载频的方式提供接入服务，而固定网络则为用户分配接入端口，配置单个用户的接入参数，以便为其提供接入。在虚拟化融合方案中，为了对不同位置或不同终端提供固定移动方式的灵活接入，需要对用户进行统一标识，以保证用户终端可唯一标识，同时基于用户唯一标识，需要实现终端的统一认证与计费，保证精细化计费。2)会话管理。在传统的固移网络中，移动网络采用动态建立会话的方式，且由专门的控制网元MME负责认证、加密、建立会话，而固定网络则采用BRAS控制PPPoE或者IPoE进行会话。在虚拟化融合方案中，当用户采用统一的标识并进行统一的认证与计费后，融合的网络则将对接入的用户进行统一的会话建立、管理、删除。3)多维感知能力。为了收集用户、业务和网络感知信息进行离线分析，并作为资源指配的业务输入，在融合的网络中可以通过利用DPI设备对经过的数据包进行深度检测分析，将分析数据反馈到控制面的多维感知系统进行判决，从而将判决结果提供给策略控制功能模块，以便执行相应策略的下发。4)策略控制动态下发与指配。根据多维感知分析结果，策略控制模块进行策略规则的下发，为不同价值业务的体验调配不同的资源，从而保证业务的体验。

3 结束语与展望

本文借助网络功能虚拟化与软件定义网络技术，研究了固移网络边界网关虚拟化融合解决方案，该方案可简化网络结构、降低网络资本支出和运营成本。但本文提出的固移网络融合的虚拟化解决方案，其试验验证仍未实现，因此，下一步工作的重点将是对虚拟化融合方案进行试验验证。

[1]思科.Cisco visual networking index:Global mobile data traf fi c forecast update2013-2018[R/OL].[2014-09-28].http://www.cisco.com/en/US/solutions/collateral/ns341/ns525/ns537/ns705/ns827/white_paper_c11-520862.html

[2]3GPP TS 23.401.General Packet Radio Service(GPRS)enhancements for Evolved Universal Terrestrial Radio Access Network (E-UTRAN)access[S]

[3]BBF标准工作组.Technical Report,TR-144,Broadband Multi-Service Architecture & Framework Requirements[R].2007

[4]陈婉,穆佳,张卓筠,等.固网移动网统一策略控制方案探讨[J].电信交换,2013(5):88-92

[5]薛淼,符刚.基于SDN的固移网关融合演进研究[J].邮电设计技术,2014(5):1-5