家庭网关功能虚拟化技术研究*

2014-09-29李浩琳沈成彬

电信科学 2014年7期

蒋铭，李浩琳，沈成彬，曹敏

（中国电信股份有限公司上海研究院上海 200122）

1 引言

随着以FTTH为代表的高速宽带接入技术的普及和各类互联网应用的发展，家庭网关已经成为宽带接入终端的重要形式。家庭网关集成了DSL/PON接入、家庭路由器、互联网业务提供平台等多种功能，并提供比较完善的远程管理能力，拓展了宽带接入终端的功能和价值。随着家庭网关部署的不断深入，现有的家庭网关架构面临着一系列挑战，主要包括复杂功能和接口要求增加了家庭网关的设备成本和运行维护成本，业务和应用对家庭网关功能和性能的依赖度导致新业务和应用的引入需要频繁地进行家庭网关的升级，家庭网关软硬件与业务的紧密耦合对家庭网关的性能不断提出新要求等。

针对上海的实际情况，西班牙电信、法国电信（FT）、葡萄牙电信（PT）的一些专家在2011年提出了一个全新的家庭网关功能上移（network located residential gateway，NLRG）的技术思路，就是通过把家庭网关的安全功能、部分L3功能和部分管理功能上移到网络侧的OLT或者BRAS（broadband remote access server，宽带远程接入服务器）/SR（service router，业务路由器）上，降低对家庭网关的功能和性能要求，通过在OLT或BRAS/SR上实现家庭网关三层与安全功能的虚拟化和集中化提高新业务引入的灵活性、降低建网成本（CAPEX）和运维成本（OPEX），并达到节能减排的效果。在OLT或BRAS/SR上实现的虚拟家庭网关被称为vRGW（virtual residential gateway）后，业界专家考虑到OLT或BRAS/SR并没有实现全部家庭网关的功能，而是通过增强一些家庭网关的三层功能实现家庭网关功能的重新分布，将家庭网关虚拟化又称为网络侧增强的家庭网关（network enhanced residentialgateway，NERG）。

这个新的思路目前受到业界的广泛关注。对于在FTTH和家庭网关部署方面走在国际前列并处于技术转型关键期的中国电信运营商来讲，需要从家庭网络和接入网技术长期演进的视角，深入研究和论证NLRG技术的可行性，为将来宽带网络的长期发展指明技术路线，规避可能的技术风险。本文对NERG技术的原理、技术和经济可行性、实现方案、关键技术问题进行了研究，探讨了其发展趋势和应用前景。

2 NERG技术原理

NERG的原理如图1所示，就是通过把用户侧家庭网关的安全功能（防火墙、防病毒、远程接入控制等）、三层网络功能（IGMP、QoS、PPPoE、NAT、DHCP 等）和部分管理功能（DLNA、性能统计、诊断、部分TR-69功能等）上移到局端OLT或者BRAS/SR上，由网络侧设备上的“虚拟家庭网关”模块实现，而在用户侧则采用简化的桥接型终端，仅需要支持业务接口功能（以太网、Wi-Fi、POTS（plain old telephone service，普通老式电话业务）语音等）、二层的网络功能（L2 QoS、L2 交换、DHCP 客户端、IGMP snooping（窥探）等）和简单的管理功能（部分TR-69功能、本地管理的图形化界面GUI、OAM/OMCI功能）。这样，在家庭网络简单化的同时提高承载网络的智能化，从而降低对家庭终端的功能和性能要求，希望借此提高新业务引入的灵活性、降低CAPEX和OPEX，提升用户的满意度，并能达到节能减排的效果。

NERG一经提出，就受到了业界的普遍关注。在技术标准方面，宽带论坛（BBF）于2012年5月正式设立PD-295项目，在2012年第4季度会上，PD-295已经转为正式项目WT-317，并命名为“Network Enhanced Residential Gateway（NERG）”，该项目计划结束时间为2014年底。欧洲电信战略规划与研究协会（EURESCOM）也启动了P2055项目开展NERG研究。同时，欧洲电信标准协会（ETSI）成立了 ISG NFV（network function virtualization），进行网络虚拟化方面的研究，其中也包括家庭网关的虚拟化。2013年，中国通信标准化协会（CCSA）也立项开始研究NERG技术及其标准。总体上看，NLRG的标准化可以在2014年完成。

3 NERG的技术实现

在网络侧，vRGW的实现方式有两种。一种是在OLT上实现vRGW的功能，又称为分布式NERG；另一种是由IP城域网边缘设备BRAS或者SR实现vRGW功能，又称为集中式NERG。表1对这两种实现方式的部署方式、设备要求、管理模式及功耗等方面进行了比较分析。

可以看出，在NERG引入初期，在流量不大的情况下，采用集中式方案相对更有利于部署和管理，也有利于控制成本；然后随着流量的增加逐步过渡到分布式部署。随着IPv6全面商用、IPv6成为主流后，IP地址将不再是瓶颈，BRAS的IP地址管理功能将弱化，地址池可以下移到OLT，vRGW 的 PPPoE、DHCP客户端和 NAT功能不再需要，BRAS功能弱化后可以下移到OLT的NERG中，网络层次进一步简化。

在用户侧，相对于现有的PON上行家庭网关而言，采用NERG技术后简化型的用户终端基本采用桥接方式，保留了现有家庭网关的各种硬件接口、二层交换功能和必要的业务模块（主要涉及与语音、IPTV等业务关系密切的VoIP、多播、业务隔离与QoS保障问题），简化取消三层功能（路由、安全及TR69管理的范围等），降低了对CPU处理能力、存储空间的要求，也降低了软件的复杂度；简化后的家庭网关终端主要采用桥接方式，基本不会存在性能方面的瓶颈，可支持今后较长时期的业务需求而不必升级。

引入NERG会对网络设备、接入网架构以及家庭网络产生较大影响，也会导致网络建设模式、运行维护手段与模式、业务与应用发放等各方面的改变。从技术角度看，NERG还需要解决一系列的关键技术问题。

首先，PON层面OLT与ONU之间无法传输模拟语音信号，因此如果需要承接已有的POTS语音设备，则必须由ONU实现VoIP功能，即保持与现有家庭网关相同的处理方式，由终端设备内置VoIP。从这个意义来讲，NERG还无法实现家庭语音功能的上移。考虑到承载效率和业务体验，NERG系统中的简化终端也需要支持IGMP snooping功能。另外，在PON层面仍需采用VLAN进行业务隔离，简化终端需支持VLAN功能，并支持二层优先级QoS及简单安全功能。

NLRG的引入需要OSS周边系统做相关改造（如虚拟网关网管系统、业务发放系统、运维系统等）。针对NLRG的配置及功能管理（如上网账号、端口配置、功能配置、安全配置等），NLRG需要与原有OSS/PON/ITMS等管理平台或系统进行接口互通且流程需作一定的改变。

根据已有NERG思路，家庭内部互联（如打印、文件/视频共享等）均需通过虚拟网关的处理，因此相关流量均需经OLT/BRAS上的vRGW模块进行转接，这就导致只有网关设备上电且至局侧网络链路正常时才能实现家庭内部联网，当网络侧出现故障时则无法进行家庭内部联网，不符合现有的业务模式和用户使用习惯，影响用户感知，也会带来家庭内部互联的速率受限于简化终端与局侧虚拟网关间的网络速率（尤其是上行速率）的问题，可能对用户感知带来影响。当然，这些问题均有相应的解决方案，但还不成熟且没有实现标准化，所以还需要研究探索。

在NERG产品实现方面，目前有部分厂商开发了原型产品，一般是在OLT平台上开发相关板卡。相关产品从技术上验证了NERG技术可行性。但受到标准化、应用模式与应用策略不明确的影响，相关厂商尚无商用版本NERG设备。目前，终端侧目前没有针对NLRG优化的专用SOC芯片（网络侧可采用通用处理器芯片），终端芯片厂商对NLRG态度亦不明朗，相关产业发展还有待观察。

表1 分布式NERG和集中式NERG的比较

4 NERG的经济性分析

结合国内的运营商的实际情况，根据不同业务流量模型对NLRG架构下的OPEX、CAPEX进行了分析，并与现有家庭网关模式下的CAPEX和OPEX进行比较。

就OPEX而言，NERG可以简化新业务部署，而且由于用户终端功能相比原有家庭网关简单，相对故障率较低，有利于减少用户报障，总体上降低维护人员上门修障的次数，从而一定程度降低了运维成本。分析表明，采用NERG后预计可降低OPEX约1/3，提高装维效率，虽然没有达到西班牙电信所预期的80%OPEX降幅，但也比较明显。

就CAPEX而言，考虑到目前家庭网关终端芯片与桥接型ONU芯片价格相差不大，采用NERG技术的终端侧其成本降低比较有限（5%左右）。但另一方面，由于用户侧设备因简化后使用年限的延长，可以大幅度节约设备更换的成本，因此总体上节约终端侧CAPEX约1/3左右。同时，尽管网络侧设备需要增加虚拟网关软硬件，但由于三层功能集中化，局端增加的成本将远少于用户端节约的成本。因此，NERG技术能够明显降低运营商的设备投资。

此外，相比传统的家庭网关部署方式，家庭网关终端功能的上移可以降低一定的总体能耗（约20%），有利于节能减排。简化型桥接终端的寿命更长，也可以避免终端频繁更换带来的污染和回收问题。

5 NERG技术发展趋势

目前，国内运营商的光网建设和家庭网关部署迅速，我国的FTTH覆盖用户数已经超过1.5亿户，建成了全球最大的FTTH宽带网。家庭网关部署量也达到数千万台，已经率先形成了比较完善的光网建设维护体系。短期内全面引入NERG技术进行接入网的升级改造会带来大量的成本浪费，考虑到NERG技术亦不足够成熟，所以短期内并不具备规模部署NERG技术的可行性。

但另一方面，国内宽带上网带宽迅速提升（部分省市已经推出100 Mbit/s和超100 Mbit/s的业务），业务种类越来越丰富，传统的家庭网关终端面临着满足高带宽、高灵活性的业务提供能力要求的压力，传统的运营商承担全部终端成本的模式也给运营商带来了巨大的成本，传统的终端部署模式能否延续成为一个现实的问题。而NLRG通过在局端虚拟化，以可接受的成本满足未来宽带业务对灵活性、经济性和运营维护的要求。随着BBF、ITU-T等国际标准化组织对NERG技术标准化的推进，相信相关标准将很快完成，并推动产业界NERG相关产品的研发和部署，尽快解决NERG面临的关键的技术问题。法国电信、西班牙电信等欧洲主流运营商的积极推动也将加快NERG的发展和成熟。我国的宽带接入产业应高度关注NERG的进展并参与到NERG技术发展和产品开发的进程中。