SDN/NFV技术接入网应用

沈成彬+蒋铭+曾涛

摘要：针对宽带接入网在网络建设、运行维护、用户体验和业务经营等领域面临的困难和挑战，以降低接入网的建设成本和维护成本，提升用户体验，促进业务创新为目标，研究了基于虚拟化、集中管控、能力开放等特征的下一代宽带接入网的系统架构、主要应用场景以及所涉及的关键技术。

关键词： 软件定义网络；网络功能虚拟化；无源光网络；光接入网；能力开放

Abstract： There many challenges with broadband access networks in terms of construction， OAM， user experience， and business operation. We investigate the application of software-defined networ （SDN） and NFV technologies in broadband access networks with the goal of reducing capex and opex and promoting user experience and business innovation. We investigate system architecture， use cases， and key technologies of next-generation access networks. The key features of such networks will be virtualization， centralized control， and openness.

Key words： SDN； network function virtualization； passive optical network； optical access network； openness capability

经过多年的建设和优化，全球主流电信运营商宽带接入网的能力和运维效率都得到明显提升，但互联网产业的蓬勃发展和互联网业务形态创新驱动着网络架构的变革，推动了宽带接入网向智能化和能力开放两个维度上发展和演进。另一方面，我们也要看到，现有宽带接入宽带网还存在很多问题，还无法满足智能化和能力开放的需求。例如，现有的宽带接入网普遍存在着数字用户线（DSL）、无源光网络（PON）、Wi-Fi等多种技术和CO/DSLAM、FTTB/C/N/Dp、FTTH等多种建网模式并存如的高度异构的问题。这种高度异构性给运营商的网络架构、管理模型、运营支撑和业务经营的创新等多个方面都带来了巨大的挑战。传统光接入网存在问题如图1所示。现有技术紧耦合的网络模型、固化的业务流程和封闭的运营支持系统（OSS）导致在宽带接入网中引入新技术、新建设模式和新业务创新的周期长，在成本较高的同时也无法满足业务经营快速灵活发展的需求。同时在日常的运营支撑维护中，由于宽带接入网用户设备存在着海量、分散、环境复杂、形态多样等特征，导致运维成本不断增高和效率低下。另外在宽带接入网中如何有效利用新技术，通过灵活、差异化、全局的资源规划配置来融合承载多业务，提升业务发放效率和用户体验，也一直是运营商关注和研究的重点[1-12]。

软件定义网络（SDN）和网络功能虚拟化（NFV）这两种技术，正在逐步从理论研究阶段过渡到现网试验阶段，应用领域也从数据中心及互联逐步扩展到公用电信网的各个组成部分，包含骨干网和城域网。其中，如何运用SDN/NFV技术发展和演进以FTTx为主的宽带接入网，业界也在不断探索之中。SDN/NFV可通过将宽带接入设备的控制平面和数据平面分离，使得控制平面和数据平面可以独立发展，从而实现网络资源的集中管控，以及网络功能的虚拟化从而提升网络智能，并且通过对外提供开放接口提高接入网的开放性、灵活性，提升宽带接入网的业务创新能力和差异化经营能力。

相对于骨干网的传输技术（如传输网、IP/MPLS网络）而言，宽带接入网直接面向最终客户，与运营商IT系统高度耦合，其智能性、灵活性、开放性对运营商的业务运营具有更加重要的价值和意义，所以在宽带接入网引入SDN和NFV技术，快速提升宽带接入网的智能性对于运营商实现互联网化转型具有更大的迫切性和现实意义。

1 SDN/NFV接入网系统架构

1.1 软件定义接入网的定义

软件定义接入网（SDAN）是指采用SDN/NFV的基本理念和方法，实现接入网设备中的数据平面和控制平面分离，并结合虚拟化技术尽可能的采用标准化通用设备，提高接入网设备的统一性、通用性和适配性，降低网络异构程度；通过集中化实现对宽带接入网中的资源进行统一管理、控制和调度，通过应用编程接口（API）实现宽带接入网资源和能力的灵活配置和开放，降低业务部署的复杂度，推动业务创新以及网络的发展和演进，从而实现面向应用和客户的智能化宽带接入网。软件定义接入网包含3个核心特征：

（1）资源和功能虚拟化

对宽带接入网各设备节点中资源和功能的逻辑抽象，分离控制功能和转发功能，并利用虚拟化技术尽可能软硬件解耦，从而实现宽带接入网资源的灵活配置、调度和网络功能按需部署。NFV的虚拟化技术应用在于宽带接入设备中时，对于设备的型态、设计架构和实现会产生一定影响。但在异构程度很高的宽带接入网中，基于通信技术类型、部署环境、设备型态呈现出的多样性和复杂性，在未来一段时间内，宽带接入网预计仍将以采用专用设备为主的模式，而不意味着使用通用x86服务器来全部取代。

（2）集中管控

通过对海量接入设备的集中管理和控制，提供宽带接入网资源统一调度和网络功能的集中管理，实现业务能力抽象和业务自动编排，并支持与IP城域网、传送网和运营管理系统等外部网络的跨域、跨层的端到端协同，从而提升网络运维效率。

（3）能力开放

通过不同层次对外开放的API接口，支持网络功能可编程，并将抽象后的网络能力开放给应用和内外部客户，促进宽带接入网的业务创新，从而实现管道增值。例如，基础网络运营商可以通过能力开放实现接入带宽批发业务，也可以为增值业务服务提供商提供带宽、QoS、定位等多种能力的调用，从而促进业务创新。

1.2 软件定义接入网的网络架构和

功能

软件定义接入网是公用电信网利用SDN/NFV技术向前演进的过程中不可缺少的重要组成部分，其在整个SDN/NFV电信网中的位置如图2所示。

软件定义接入网的具体网络架构和功能组成如图3所示，包括协同层、控制层和数据平面3个层次。

数据平面由宽带接入网各节点设备如光线路终端（OLT）、多住户单元（MDU）、单个家庭用户单元（SFU）、家庭网关单元（HGU）、光配线网络（ODN）等网元设备和相关基础设施组成，完成网络中报文的传送、调度、感知、监测，实现接入线路媒体访问控制（MAC）层功能、二层以太转发功能以及本地维护控制功能。数据平面中的各节点设备具备较强的可编程能力，以支持网络资源的灵活部署和网络功能的可扩展。数据平面在支持控制与转发分离的前提下，同时要保证控制器软件的升级不影响数据平面已有的业务转发。另外控制和转发分离并不一定指在接入网数据平面的设备中完全剥离控制功能。接入技术的底层控制协议功能，以及设备中需要实时处理或者大流量处理的控制协议，目前仍建议在数据平面完成。未来随着SDN/NFV技术的不断发展和设备形态的演进，可以考虑这部分功能的适当迁移。

控制层主要提供网络资源、功能的抽象、虚拟化和集中管控的能力。对于控制层而言，应管控宽带接入网络的整体资源和拓扑构造，而不局限于单个网元信息。控制层通过南向接口去控制数据平面的接入网络设备和设施，并且基于宽带接入设备呈现出的多样性和异构性，南向接口上应具备兼容多厂家、多协议的能力，并应能灵活扩展支持不断发展的接入技术、不断演进的设备形态和建设模式。通过北向接口控制层为协同层甚至应用层提供网络拓扑、状态和虚拟资源管理等基本的网络服务，因此应支持抽象网络的资源和功能，并通过标准化的接口向上开放，使上层应用在不感知物理网络的前提下能方便快速地调用网络资源和能力，并快速引入新业务。

协同层主要提供业务能力抽象及跨域协同，具体功能包含业务发放的自动化、业务保障的自动化，业务可视化和端到端的资源管理及跨域跨层协同，实现按需的业务自动编排和维护。并通过开放API支持网络能力开放以及快速的应用创新。

2 软件定义接入网的标准化

进展

2.1 软件定义接入网的需求和网络

架构标准化进展

针对宽带接入网的SDN/NFV技术应用和演进，全球多个标准组织都在进行积极的探索和研究。宽带论坛（BBF）在2012的会议中，首次提出了基于软件定义的接入网未来架构，并确定为其未来重点研究工作方向之一。随后BBF于2013年开始启动了多项SDN/NFV应用于宽带接入网的研究课题，以推动相关技术的发展。例如，在BBFWT-317 Network Enhanced Residential Gateway 中重点研究了家庭网关虚拟化，通过将家庭网关的3层以及应用层的功能上移到OLT甚至宽带远程接入服务器（BRAS）上，从而简化业务发放，降低维护成本（OPEX）。BBF WT-328 Virtual Business Gateway则研究企业网关虚拟化技术。BBF SD-313 High Level Requirements and Framework for SDN in Telecommunication Broadband Networks则研究宽带网络的SDN的总体框架和需求，其中也包含了软件定义接入网的应用场景和系统架构。BBF SD-340 Stage 1 for introduction of NFV in MSBN则分析NFV在固定宽带接入网络中的应用场景。BBF WT-345 Migrating to NFV in the context of WT-178研究了基于WT-178技术的数据面NFV演进。2015年初，BBF新立项了WT-351 Fiber Access Network Sharing项目，主要目标是研究基于虚拟化的接入网基础设施共享技术。

在国际电信联盟（ITU-T）中，首先在ITU-T SG11全面启动了SDN的标准研究，启动新的标准项目，研究宽带接入网引入SDN时的需求、架构、以及相关接口的定义，并开展宽带接入服务器设备上实现SDN的研究，以及宽带接入网（SBAN）应用场景和信令需求（Q.SBAN）的标准制订工作。

中国通信标准化协会（CCSA）也由传送与接入技术委员会（TC6）于2014年启动开展《基于SDN的宽带接入网的应用场景及需求》行标、《基于SDN的宽带接入网接口协议研究》研究课题、《基于公用电信网的宽带客户网关虚拟化》等一系列的相关研究和标准化工作。

2.2 软件定义接入网的接口标准化

进展

SDN网络技术研究中，控制层和转发平面之间的接口标准化工作极其重要。在这个领域，ONF主导了技术标准制订权，在2009年发布了第一版的Openflow协议，并于2015年04月更新到1.5.1版本。ONF在标准化研究过程中，基于不同网络向SDN演进中的差异化特征和需求，从Openflow协议1.3.5版本开始支持非TCP传送通道的承载。对于软件定义接入网来说，采用标准化的Openflow协议作为南向接口加以针对性的扩展，并利用PON技术本身所提供的维护管理通道在OLT和ONU之间传送，是业界比较认同的技术选择。国际标准组织ITU-T SG15组也已经开展Openflow Over OMCI的技术研究，并将其纳入到ITU-T G.988 OMCI的标准化工作。

3 软件定义接入网的应用

场景

基于宽带接入网在发展中的难点，结合SDN/NFV技术，软件定义接入网可以在下列几种应用场景中尝试进行转发和控制分离，业务编排统一调度，以形成完整解决方案。

3.1 接入设备虚拟化，远端节点聚合

管理

随着用户带宽的不断提速，接入设备距离用户也越来越近，远端接入设备数量不断增长，再加上用户接入地点和接入介质的复杂多变以及接入设备厂家的多样化，让运营商在网络规划部署和运营维护网络中的海量接入节点和型态各异的设备型态时不仅需要多部门之间的协调沟通导致耗费时间，而且基于现有的人工逐网点配置模式在业务发放时会形成巨大的工作量并导致出错率高和效率低下。

设备虚拟化情况下远端节点聚合管理应用场景如图4所示。利用SDN及NFV的技术，将不同FTTx场景下的远端节点MDU、SFU和HGU等设备虚拟化，部分控制功能上移，在OLT上则屏蔽差异化的不同远端节点设备，通过网管或协同层的调度来支持上层和OLT的直接对接，实现聚合管理和整体规划；通过控制面中接入控制器的抽象、虚拟等关键技术功能实现业务自动发放、业务升级以及性能数据的采集代理功能，支持运维自动化；支持自动发现拓扑结构以及远端接入设备节点的即插即用。

3.2 物理网络虚拟化，资源虚拟化

并灵活开放

随着互联网的发展，并应对带宽价值不断持续下降的现状，电信运营商希望能针对零售服务供应商（RSP）价值客户出售差异化的网络资源和业务，弥补收支差和鼓励业务创新。但电信运营商目前经营模式以带宽出租为主，收入模式单一。RSP无法有效自主业务运营和创新，其新业务上线依然要依赖于电信运营商的配合，业务需求从申请到生效的周期比较长，并且只能获得提供简单差异化的带宽，而无法获得进一步差异化的网络服务，尤其不利于其业务发展。

物理网络虚拟化情况下资源虚拟化并灵活开放应用场景如图5所示。基于SDN/NFV技术，基础物理网络在逻辑上构造多个资源和功能虚拟化的虚拟逻辑网络。不同租户可以独享虚拟逻辑网络，利用电信运营商提供的开放API，自主快速的进行业务创新，并按需配置资源。同时电信运营商可以保障不同逻辑虚拟网络之间的资源相互隔离，从而实现不用租户间的业务运营安全。

3.3 业务隔离，提升用户感知

电信运营商的网络环境中，多种业务共存，如移动业务、专线业务和家客业务等。在业务规划、配置和运行过程中，往往会相互干扰影响，引发资源的冲突和协调，致使用户感知差、业务运维复杂且效率低。

业务隔离情况下提升用户感知应用场景如图6所示。可以利用SDN/NFV技术，根据不同的用户和业务构建不同的虚拟网络（比如将单一的物理设备逻辑划分为多个承载不同业务的虚拟设备，每种业务对应一个虚拟接入网），管理权限按域划分，资源按需分配，从而实现在多业务场景下业务间相互独立、相互隔离、互不影响的目标，提升用户的业务体验，简化网络部署，降低运维成本。比如小基站回传部署中，可以利用SDN/NFV的虚拟化和集中控制技术，实现端到端的动态资源配置调整，保障业务QoS。

4 软件定义接入网应用的

关键技术

目前，SDN/NFV技术在接入网应用还处于发展的初期，还有很多关键技术问题需要解决。根据上述技术架构和应用场景的分析，可以看出其主要包括如下几个关键技术：

（1）系统模型的建立和细化。系统模型研究主要是在宽带接入网融入整体SDN/NFV战略的前提下，通过对接入网络中各个设备的功能和资源按照不同层次和粒度进行细分抽象，并建立各功能和资源抽象之间的关系模型，从而实现基础网络与上层业务之间的协同（即业务编排功能）。该关系模型需要能适应当前的业务需求，并可灵活扩展以支持未来的业务发展。该关系模型也需要能同步协调支持城域网络、运维支撑网络等相邻网络的发展演进。最后该关系模型必须是一种能支持多种技术、多个厂商，并可以适应多样化部署场景的开放、适应未来并后向兼容的模型。

（2）演进路线。SDN/NFV在宽带接入网的引入是一个逐步演进和发展的过程。由于接入网是电信网络资产占比最大的部分，这个演进过程应该基于现有的接入网和OSS系统的现实，确保网络的平滑演进和具有可实施性。这个演进的路线需要重点关注设备层功能模型的渐进重构和OSS系统与集中控制器在功能上的重新分配。

（3）设备硬件架构设计。接入网引入虚拟化后和集中控制机制后，接入网的硬件架构甚至核心芯片、光模块的功能都需要重新设计。比如，现有的“强线卡、弱主控”的硬件设计就无法满足OLT功能虚拟化的需要，需要加强主控板卡的CPU的运算能力、流量管理能力，甚至需要较强的存储能力，形成“强主控、弱线卡”的新型架构。另外，强化的流量管理功能需要OLT甚至MDU的主交换板都要支持基于流表的转发控制，这需要采用新型的交换芯片。为了满足一些场景对物理层虚拟化和自适应的需求，需要光模块具有发射波长和功率可调的特性。

（4）控制器的设计与实现。软件定义接入网的应用场景和业务需求远比传输网、IP网络复杂，其控制器的设计要基于演进过程中不同阶段的功能要求和抽象出来的功能、资源以及建立的关系模型，确定数据转发平面、控制层和协同层的功能划分、资源处理、虚拟化程度，以及相应的设备平台类型和系统架构设计等。例如，对抽象后网络功能和资源进行逻辑分片或虚拟出多实例。另外，对于控制器和协同层的功能划分，需要在考虑到宽带接入网固有特点的前提下结合不同阶段网络技术及业务需求的实际情况来研究分析，同时尤其要考虑和其他网络之间的跨域跨层对应关系。例如，对于高度异构的接入网的终端虚拟化，可由控制器屏蔽一些接入技术和设备形态上的差异，提供归一化的业务属性和接口。

（5）南北向接口的标准化。就是依据上述提到的系统架构、设备平台和关系模型，进行不同层次的软硬件配置、各功能模块之间以及和不同网络领域之间的协议及接口标准化。

5 结束语

SDN/NFV利用虚拟化、集中管控、能力开放等特征和技术，划分出数据平面、控制层和协同层3个层次，构建出新形态的智能、灵活、可管、可控的软件定义接入网，从而实现业务的自动编排和跨域协同，并逐步融入到电信公用网的整体SDN/NFV规划部署中，最终打破传统网络的限制，完成向软件定义接入网的灵活转型。其中涉及到系统模型和演进路线、设备硬件架构设计、控制器的设计与实现及标准化的协议接口等关键技术。

SDN/NFV是网络发展演进的新方向，同时也是一个循序渐进的过程。在实际发展和演进过程中需结合不同阶段的业务需求及网络技术实际情况，分阶段地完成部署和改造，从而使宽带接入网在向智能、开放、灵活演进的同时，达到降低宽带接入网的建设成本（CAPEX）和维护成本（OPEX），提升用户体验，促进业务创新的目的。

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