vCPE实现方式研究和发展趋势探讨

扶奉超+王鹏+谢元宝

【摘 要】研究如何利用SDN技术和NFV技術实现vCPE，以解决家庭网关内网问题和政企客户业务部署效率过低等问题。根据云平台部署的位置和云平台实现的业务功能的不同提出了三种不同的实现方式，并分别从应用场景和引入难度的角度对比了这三种方法。家庭用户和政企客户可以根据自身需求采取不同的方案，有效降低家庭用户操作维护难度，降低运营商运维成本以及大大加快政企业务部署速度，实现网络随选功能和丰富的增值业务。最后本文还分析了未来vCPE的发展趋势。

【关键词】宽带接入网 vCPE SDN NFV 虚拟化

Research and Discussion on vCPE Implementation andits Development Trend

[Abstract] In this paper， the implementation of vCPE based on SDN and NFV technologies was studied， and then the trouble in home subscribers and the low efficiency of government and enterprise customers services were solved. Based on the deployment location and the service function of the cloud platform， three different vCPE implementation methods were presented， which were compared with each other according to the application scenario and the introduction difficulty. The home， government and enterprise customers can adopt different vCPE methods according to their own needs. It can effectively decrease the home customers difficulty in operation and maintenance， reduce the operators OPEX （Operation Expense）， highly accelerate the deployment speed of the government and enterprise services and implement versatile network functions and value-added services. Finally， the developmental trend of vCPE in the future was analyzed.

[Key words]broadband access network vCPE SDN NFV virtualization

1 引言

SDN和NFV技术已成为业内讨论和研究的热点。SDN改变的是网络整体架构，其核心思想是将网络和设备的控制平面与转发平面相分离，并开放网络的北向接口，实现网络可编程[1]。NFV技术是将网络设备虚拟化，用通用X86服务器实现传统的专用电信设备功能，实现软硬件解耦，从而降低设备成本[2]。NFV适用于计算能力高而对转发能力要求不高的网络边缘，如城域网和接入网。SDN技术和NFV技术的快速发展为接入网终端设备CPE的虚拟化提供了基础。

CPE是用户侧网关，处于接入网的边缘，是用户网络与外部网络的接口单元[3]。CPE的功能是为用户提供三重业务，即数据、语音和视频业务。运营商的用户一般分为家庭用户和政企用户。家庭用户侧的CPE称为家庭网关，政企客户侧的CPE称为政企网关。随着互联网业务的快速发展，家庭用户和政企用户分别遇到许多问题。对家庭用户来说，运营商通过NAT（网络地址转换）为家庭网络提供IP地址，而在其后的家庭内网对运营商并不可见。在很多情况下，网络的问题可能是内网的问题，与运营商提供的网络无关。当家庭网络出现问题时，运营商需要提供上门到户的技术服务，维修成本高。政企客户一般情况下有自己的IT人员维护内网，所以内网问题相对比较少。政企客户更多的是开通专线等业务，业务开通速度慢，需要1～2个月，流程复杂，费用高，难以满足政企客户快速开通需求和网络随选（网络随选指根据客户需求，快速开通相关业务）的需求。

在接入网CPE中引入SDN技术和NFV技术进行虚拟化可以解决家庭客户和政企客户的上述问题。利用SDN技术和NFV技术实现vCPE的方式多种多样，未来vCPE该如何发展是个问题。目前业内正积极开展vCPE研究。标准化组织中最积极的是BBF组织。BBF于2016年6月份发布了TR-317标准[4]，主要规范了vCPE技术和管理方面的要求。TR-317中采用的基于NFV的vCPE方案。ETSI组织发布了标准[5-6]，简单介绍了基于NFV的vCPE的实现方案，并举了家长式管理应用的例子。本文在这两个标准的基础上，总结了三种vCPE实现方式。现有成果中还未详述过如何结合SDN和NFV技术实现vCPE，并结合整个接入网重构分析vCPE发展趋势，因此本文具有一定的创新性和前瞻性。

本文主要研究了宽带接入网中如何利用vCPE解决家庭网络内网的问题以及政企用户业务开通缓慢，价格昂贵等问题。本文总结了三种vCPE的实现方式，对比和探讨了未来vCPE发展趋势。

2 传统CPE接入网模型

传统CPE在接入网中的位置如图1所示。一般用户侧的网络有语音网关、机顶盒和宽带网关，分别提供语音、视频和数据三重业务。其中ITMS+（增强型终端综合管理系统）是CPE业务的部署和控制平台，也是CPE设备的远程管理平台。通过TR-069协议，ITMS+既可以对CPE上的语音、视频和数据等功能进行部署、管理和控制，也可以实现对CPE的远程状态管理、配置、故障管理和软件升级等[7]。EMS（Element Management System，网元管理系统）负责CPE的无源光纤网络（PON）接口物理层和链路层的配置和管理。BNG（Broadband Network Gateway，宽带网络接入网关）为宽带网络网关，一般指BRAS（Broadband Remote Access Server，宽带远程接入服务器）、SR（Service Router，业务路由器）、MSE（Multi-Service Edge，多业务网关）设备。

3 基于SDN/NFV的vCPE实现方案

3.1 方法一

此种方法的思路是尽可能简化用户侧CPE网关实体，使用户侧CPE支持即插即用。仅保留用户侧CPE设备原有二层的Ethernet端口、VLAN端口、Wi-Fi端口等功能，把防火墙、NAT、DPI（Deep Packet Inspection，深度包检测技术）、DHCP、DNS等三层功能上移到云平台。为实现用户隔离，保护企业隐私和信息安全，云平台内为用户独立配置vCPE。此外，开发一个灵活的管理和控制平台，对vCPE进行集中管理，并与NFVO结合实现业务编排和管理，从而实现政企客户的网络随选功能，加快业务部署，提升运营商运营竞争力。vCPE实现方法一的示意图如图2所示。

3.2 方法二

方法二的核心思想是用户侧CPE保留原有二层功能和三层功能，仅将新增的增值业务功能上收至云平台。采用此种方法，只有具有新增值业务需求的企业或用户才需要订购vCPE，因而可以相对平滑地演进vCPE。升级用户侧CPE支持OpenFlow功能，将CPE的控制功能转移至SDN控制器[8-9]，并由SDN控制器集中管理CPE。由SDN控制器与业务编排器实现用户业务的逻辑路径的配置等功能。开发一个灵活的自助业务管理和控制系统。用户可以通过Portal（门户）方式或者APP客户端的方式访问自助服务系统[10]，并直接订购指定要求的服务。vCPE实现方法二示意图如图3所示：

3.3 方法三

方法三的核心思想是用户侧CPE保留二层功能，可选择将三层功能或新增的增值业务功能放在重构的就近的局端内实现，如MDU（Multiple Dwelling Unit，多用户居住单元）、vOLT或者vBRAS中，从而使得接入网业务流量处理流程与未引入vCPE时保持一致。同时，SDN控制器可以综合管理接入网中CPE、OLT和BRAS等设备，与协同编排器实现VPN业务的逻辑路径的配置。vCPE实现方法三示意图如图4所示：

3.4 方案对比以及发展趋势分析

本节从应用场景方面和引进难度方面来对比上述三种vCPE方案。

首先是应用场景方面。家庭用户最重要的业务是普通的互联网业务。一般来说，家庭用户上网出现问题时，很大概率是因为与互联网业务强相关的NAT、DHCP、DNS等较为复杂的三层功能出现了问题，而简单的LAN、WLAN等端口的配置一般很少出现问题。方法一最大的优势是把三层功能上移至网络侧，归运营商管理，仅保留简单的二层Ethernet端口、VLAN端口、Wi-Fi端口，从而大大简化用户操作难度，减少故障概率，同时把内网暴露给运营商。因此方法一特别适用于海量操作维护能力弱的家庭用户。政企客户除了普通的互联网业务外，更重要的是Site-Site（企业至分部）、Site-DC（企业至数据中心）、Site-Internet（企业至互联网）等专线业务。此三种vCPE方案均可以通过SDN控制器集中管理CPE设备，也可以连接至IDC（Internet Data Center，互联网数据中心）和MPLS（Multi-Protocol Label Switch，多协议标签交换）网络等，因此都可满足政企客户的需求，政企客户可以根据需求选择三种方式。

其次是引入难度方面。在引入vCPE之前，业务的流程处理过程为CPE将用户数据通过ODN（Optical Distribution Network，光分配网络）网络连接至OLT，OLT结束光路部分。OLT将用户的数据上传至宽带接入服务器BRAS进行PPPoE或IPoE认证后，用户数据进入城域网和骨干网等[11]。方案一和方案二中，由于实现vCPE的云平台放在城域网的数据中心，位于BRAS之后，因此流量经过OLT后，需要通过vXLAN等Overlay隧道先到云平台的vCPE，然后折回来BRAS进行认证进入城域网和骨干网，因此对现有接入网业务流量的处理流程改变较大。方案三将三层功能或增值业务放在就近的重构vOLT或者vBRAS中实现，可以保留原有的业务流量处理流程，简化引入vCPE的难度。但方案三须随着vOLT重构、vBRAS重构或者CO重构才能得到发展，因此需要一定的时间。

总的来说，作为过渡方案和测试方案，短期内可引入方案一和方案二。但随着整个接入网的重构和虚拟化，方案三会是未来的研究方向。

4 结束语

未来运营商网络将逐步借助IT化的基础架构，向软件化、虚拟化方向演进，电信级SDN加NFV的架构将成为运营商网络的基础技术。作为运营商引入SDN和NFV的尝试，接入网vCPE的成功与否将为未来大规模部署SDN和NFV提供重要的借鉴意义。本文提出了三种vCPE实现方案。用户可根据不同的应用场景和需求采用不同的vCPE方案。对家庭用户来说，由于简化了CPE，可以降低内网出现问题的概率，从而降低运营商运维成本。对政企客户来说，可以大大加快政企业务部署速度，从以前的1～2个月缩短至1～2天。将云平台部署在就近的重构端局内是vCPE未来发展的趋势。本文所提的vCPE方案具有一定的参考意义。

参考文献：

[1] OPEN NETWORKING FOUNDATION. Framework and Architecture for the Application of SDN to Carrier Networks[Z]. 2015.

[2] ETSI GS NFV-MAN 001 V1.1.1. Network Functions Virtualization （NFV）： Management and Orchestration[S]. 2014.

[3] P Cota， J Sabec. CPE Virtualization by Unifying NFV， SDN and Cloud Technologies[A]. 2016 39th International Convention on Information and Communication Technology， Electronics and Microelectronics （MIPRO）[C]. Opatija， 2016： 553-558.

[4] BBF TR-317. Network Enhanced Residential Gateway Issue 01[S]. 2016.

[5] ETSI GS NFV-EVE 005 V1.1.1. Network Functions Virtualisation （NFV）； Ecosystem； Report on SDN Usage in NFV Architectural Framework[S]. 2015.

[6] ETSI GS NFV-EVE 003 V1.1.1. Network Functions Virtualisation （NFV）； Ecosystem； Report on NFVI Node Physical Architecture Guidelines for Multi-Vendor Environment[S]. 2016.

[7] 中國电信股份有限公司. Q CT2603-2015中国电信智能家庭网关技术规范[Z]. 2015.

[8] 郑毅，华一强，何晓峰. SDN的特征、发展现状及趋势[J]. 电信科学， 2013（7）： 84-88.

[9] 卢泉，林同. SDN/NFV技术及运营商应用趋势[J]. 移动通信， 2016（10）： 40-45.

[10] 左青云，陈鸣，赵广松，等. 基于OpenFlow的SDN技术研究[J]. 软件学报， 2013（5）： 1078-1097.

[11] 蒋铭，沈成彬，王作强，等. 面向下一代互联网的接入网演进策略[J]. 电信科学， 2010（8）： 8-13.