IP城域网的发展研究

孟照让

【摘要】 本文对近几年来IP城域网的核心节点、业务控制层和接入层的发展进行分析，总结了IP城域网发展中存在的问题。结合大交换容量路由器、多业务网关MSE、10GPON、IPv6过渡演进及NAT44部署等技术，对今后IP城域网的发展进行了论述。

【关键字】 IP城域网 业务控制层 多业务网关 NAT44 IPv6

一、概述

目前，国内宽带业务发展迅速，互联网视频应用呈现爆炸式增长，网络流量的增长已经成为IP城域网规模扩张的主要推手。各电信运营商也采用核心节点的集群升级、中继电路的扩容、业务控制节点硬件设备裂变和下沉等建设思路，通过对路由器容量的增加和传输带宽的扩容来应对流量压力，IP城域网已经形成核心层、业务控制层和接入层三层架构模式。

未来十年，网络流量将至少增加20倍，伴随着流量快速增长的是不断下降的用户ARPU值，高清视频和云计算的兴起将对IP城域网的网络质量和性能提出更高的要求。IP城域网未来如何演进是网络建设者需要思考的问题。

二、IP城域网现状分析

2.1总体架构

IP城域网主要承载普通互联网业务及含IPTV业务，一般宽带运营商在各省均建设有一张IP城域网。以各省主导宽带运营商IP城域网为例，典型的IP城域网分为三层架构：城域核心层、业务控制层和宽带接入层。各市IP城域网采用相同的网络架构，以市IP城域网设置不同的自治域，各市城域核心层与运营商的骨干网、省网以及其他专业承载网实现互通。

城域核心层设备一般采用各市双节点方式设置，BRAS与SR设备一般采用成对设置。

2.2城域核心的壮大

近几年，城域核心层路由器中继带宽扩容是建设的重点，中继带宽颗粒度由10G为主向40G迈进，部分城域核心节点已开通100G电路，单台路由器的槽位已不能满足需求，路由器集群得到广泛应用，城域核心单节点设备不断壮大，用户规模较大的市城域核心路由器已采用集群设备，如思科CRS集群和华为NE5000E集群。随着未来网络流量的增长，城域核心的中继容量不断增加，单节点规模也将不断壮大。

2.3业务控制层的扩张

业务控制层设备主要有BRAS和SR设备，每节点设置有BRAS和SR设备。随着宽带用户数的增加，考虑到业务的安全性，单台BRAS设备的处理用户规模不宜太大，单台设备用户容量超过3万时均考虑BRAS分裂来分散承载业务。

根据现有IP城域网规模来看，BRAS和SR设备对市区和县城覆盖已比较完善，今后将逐步向郊区和重点乡镇进行覆盖。

在流量较大的节点，BRAS和SR设备大多采用10G电路上行，其余BRAS和SR设备多采用多GE电路上行，随着用户平均流量的增加，BRAS设备的万兆上行改造也是IP城域网扩容建设的重点。

2.4接入层的革新

自2011年以来，各大电信运营商均大规模展开xPON接入网建设。由于BRAS设备价格的昂贵，目前大部分OLT设备均采用二层交换机汇聚后接入BRAS设备，单BRAS节点存在多台大型二层汇聚交换设备。以PON+LAN、PON+D、FTTx等接入网建设模式逐步对现有传统DSLAM网络进行改造，其中FTTH和PON+LAN建设方式为主，运营商已停止新建PON+D网络。

2.5 IP城域网发展的困惑

（1）随着IP城域网出口中继电路扩容规模的增大，核心节点路由器设备迈向集群模式，高能耗、高承重和多机位的需求对城域核心节点宝贵的机房资源造成很大的压力。

（2）城域核心路由器设备更新较快，40G、100G平台的大型路由器已经广泛应用，400G平台在未来两年也将入网，由于平台和异厂家的兼容性问题，部分40G平台机框和板卡大量退网，一定程度上造成投资浪费。

（3）核心路由器设备价格昂贵，IP城域网核心路由器投资占比达到50%以上，而业务压力较大的业务控制层设备投资占比小。

（4）随着城市规模不断扩张以及农村光改速度加快，城市郊区和乡镇宽带业务也进入快速发展期，业务流量增长较快，BRAS设备逐渐实施下沉覆盖，近两年，BRAS设备大规模进行万兆电路上行改造也对城域核心路由器造成电路扩容压力；部分节点BRAS用户压力较大，进行BRAS设备裂变建设，部分节点已达到3-4台BRAS设备，单节点BRAS设备整体的槽位和端口利用率较低，且未实施热备机制，多台设备配置也对机房配套造成较大压力。

（5）老型号BRAS和SR设备不支持IPV6和NAT444，BRAS设备和SR设备仍采用成对设置，尚未实现BRAS和SR业务网关融合。

（6）由于县乡光缆资源的不足，均存在多级二层汇聚设备，造成网络层级过多，且大规模FTTH建设和10GPON的应用将导致二层汇聚网络大规模扩容，二层汇聚网络过大将成为流量和业务的瓶颈。

（7）公网IP地址资源已经耗尽，IP地址的短缺严重影响业务的发展，各电信运营商已开始建设IPV6试商用网络，但NAT444在短时间内将作为补充手段进行建设，IP城域网及周边系统需要进行调整建设。

三、IP城域网的演进

3.1 IP城域核心节点演进

（1）扩容省内互联电路，开通市间核心节点直达电路。以现在IP城域网架构，城域出口流量均通过运营商国干节点转发，随着城域网流量的快速增长，骨干网络设备的容量必将成为发展的潜在瓶颈，流量的多层次穿越也将造成网络的整体投资明显增加。随着网络流量急剧增加。城域间采用传输直达链路疏导流量成为必然的解决方案。通过逐步开通省内互访流量较大的市IP城域网核心之间直达电路，以减轻骨干节点扩容压力。（图1）

（2）提升市核心节点平台容量，合理安排设备利旧。大型IP城域网核心节点的扩容压力越来越大，目前100G交换平台路由器已入网应用，400G交换平台路由器预计2-3年内可入网应用，大型IP城域核心节点逐步由100G交换平台向 400G平台过度，100G交换平台逐步利旧至中小型城域网，大型城域核心节点上行中继采用100G中继电路，中小型IP城域网逐步利旧40G中继电路。通过充分利旧设备板卡减轻投资压力。

3.2业务控制层发展演进

（1）推进集成MSE发展。IPTV、互联网视频、云计算的流量将占到IP城域网全部流量的80%以上，这部分业务提供现在集中在IDC内部，而IDC一般集中设置在骨干网络和城域核心位置，各运营商大部分采用省集中设置，城域内穿越流量较大。将视频业务和云计算业务提供由骨干向边缘转移，向用户侧转移，能够有效降低网络的穿越流量。

未来IP城域网的建设将采取BRAS与SR合设向集成MSE（Multi Service Edge）发展，MSE将具备视频推送能力、CDN能力、计算能力、存储能力、网络连接能力、用户管理能力等。通过业务提供边缘化，超过50%的流量将终结在MSE，城域骨干和骨干网络的流量将大大减少，流量分布的变化带来单位带宽的投资明显下降，同时还具备了CDN、IPTV、互联网视频、手机视频、IaaS云计算的业务提供能力，带来收入的增长。

（2）业务控制层云化发展。利用100G平台设备，将业务控制网关设备进行池组化，整个业务控制层设备虚拟成一个或多个业务提供池，形成云网关，为下层用户提供本网络层应提供的业务，为上层网络提供集中、简化、汇聚后的业务数据。

云化的业务控制层体现了少局所大容量的建设思路，增强了业务控制层的安全性、灵活性，并大大提高设备端口利用率，通过云池设备流量的高效收敛，减少对IP城域网核心节点的电路扩容压力，同时业务能力的边缘化也极大的提升了用户业务体验。

3.3接入层的发展趋势

（1）推进10GPON应用，优化接入网络结构。xPON技术的广泛应用使接入网的覆盖半径由2-3公里扩展到5-10公里，融合及云化的业务控制层将催生10万用户级的MSE节点，未来T级别的MSE设备将成为主流，大容量，少局所的建设模式将得到进一步的发展。接入网络的架构向FTTH发展，当OLT上行超过4G时，OLT直接上联BRAS的成本更低，10GPON得到广泛应用。网络层次由现在的BRAS/SR—汇聚交换机—OLT---ONU--家庭网关5个层次，演进到MSE—OLT—OUN/家庭网关三个层次，接入网络逐步向扁平化方向发展。（图3）

3.4城域网向IPV6过渡演进

IPv4与IPv6将在很长时间内共存。如何实现共存期的应用互访和平滑演进，是实现IPv4向IPv6成功过渡的基础。目前IPv4向IPv6过渡演进技术众多，包括双栈、隧道、翻译等。建议现阶段建议采用方式有双栈或双栈+NAT444方案，在演进后期采用DS-LITE方案。

（1）在城域网各层设备开启双栈协议，同时支持IPv4和IPv6流量的上下行转发。根据城域网设备情况，升级或新建BRAS、CR等设备开启IPv4和IPv6双栈，同时将AAA、DNS等相关支撑系统升级支持IPv6。由于BRAS设备数量较多，在实际部署时，可根据用户及业务发展需求，逐步开启IPv4和IPv6双栈，以验证开启双栈对设备的影响，在保障网络稳定可靠运行的情况下实现对双栈的支持。（图4）

（2）IP城域网NAT44部署选择。NAT44技术本身已较为成熟，NAT44在城域网中的部署可分为集中式和分布式两种方案。集中式是将CGN设备部署在IP城域网的核心CR节点，分布式是在各分散的BRAS节点部署CGN板卡。NAT44部署方案选择应结合IP城域网规模大小进行合理选择。

表1 IP城域网NAT44部署分析表

城域网 集中式部署 分布式

小型城域网：城域出口流量80G以下或用户规模在20万以下 在CR节点采用插卡集中式部署，2-3年内不会引起大规模CGN扩容，可一次性替换较多IP地址 后期根据流量压力，可分布式部署部分BRAS节点

中型城域网：城域出口流量80G-160G，或用户规模在20万-50万之间 集中式和分布式混合部署，可先试点后逐步推广

大型城域网：城域出口流量大于160G或用户规模大于50万 集中部署CGN设备投资较大，对城域核心设备压力较大 逐步在用户量较大的BRAS节点分布式部署，投资较小，对网络影响较小

在采取分布式部署方案时应注意如下原则：1、该节点并发用户量大于2万；2、该节点BRAS设备所带专线用户较少，且专线用户地址段较集中；3、预计可替换IP地址数不少于1.2万；4、该节点高校等大客户比较集中。部署CGN目的是为了尽可能多的替换IP地址，如采取粗放的建设方式将会增大投资，且地址替换效果不明显。

四、结束语

IP城域网是未来IP业务发展的关键，是云管道的基础。为了迎接超宽带、高体验、高可靠IP城域网时代的来临，如何把握IP城域网的发展方向，将有限的资金合理的投入到IP城域网建设，是值得各电信运营商网络建设者思考的问题。建设一个灵活、高效的IP城域网是网络规划和设计的重点，运营商应通过合适的技术构建超宽带、低成本、电信级、绿色环保等面向未来的全业务城域网，充分满足未来业务发展的需求。

参 考 文 献

[1] http：//news.cisco-club.com.cn/2011/0613/1308.shtml，思科中文技术社区；

[2] http：//www.enet.com.cn/article/2011/0429/A20110429853451_2.shtml 硅谷动力；

[3] http：//www.chanyezixun.com/news/itytx/hlw/2012/0504/2040.html中国产业咨询网；

[4]王宾. 《IP城域网NAT444部署方案探讨》[J].互联网天地.2014。