家庭網關功能虛擬化技術研究*

蔣 銘，李浩琳，沈成彬，曹 敏

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

1 引言

隨著以FTTH為代表的高速寬帶接入技術的普及和各類互聯網應用的發展，家庭網關已經成為寬帶接入終端的重要形式。家庭網關集成了DSL/PON接入、家庭路由器、互聯網業務提供平臺等多種功能，并提供比較完善的遠程管理能力，拓展了寬帶接入終端的功能和價值。隨著家庭網關部署的不斷深入，現有的家庭網關架構面臨著一系列挑戰，主要包括復雜功能和接口要求增加了家庭網關的設備成本和運行維護成本，業務和應用對家庭網關功能和性能的依賴度導致新業務和應用的引入需要頻繁地進行家庭網關的升級，家庭網關軟硬件與業務的緊密耦合對家庭網關的性能不斷提出新要求等。

針對上海的實際情況，西班牙電信、法國電信（FT）、葡萄牙電信（PT）的一些專家在2011年提出了一個全新的家庭網關功能上移（network located residential gateway，NLRG）的技術思路，就是通過把家庭網關的安全功能、部分L3功能和部分管理功能上移到網絡側的OLT或者BRAS（broadband remote access server，寬帶遠程接入服務器）/SR（service router，業務路由器）上，降低對家庭網關的功能和性能要求，通過在OLT或BRAS/SR上實現家庭網關三層與安全功能的虛擬化和集中化提高新業務引入的靈活性、降低建網成本（CAPEX）和運維成本（OPEX），并達到節能減排的效果。在OLT或BRAS/SR上實現的虛擬家庭網關被稱為vRGW（virtual residential gateway）后，業界專家考慮到OLT或BRAS/SR并沒有實現全部家庭網關的功能，而是通過增強一些家庭網關的三層功能實現家庭網關功能的重新分布，將家庭網關虛擬化又稱為網絡側增強的家庭網關（network enhanced residentialgateway，NERG）。

這個新的思路目前受到業界的廣泛關注。對于在FTTH和家庭網關部署方面走在國際前列并處于技術轉型關鍵期的中國電信運營商來講，需要從家庭網絡和接入網技術長期演進的視角，深入研究和論證NLRG技術的可行性，為將來寬帶網絡的長期發展指明技術路線，規避可能的技術風險。本文對NERG技術的原理、技術和經濟可行性、實現方案、關鍵技術問題進行了研究，探討了其發展趨勢和應用前景。

2 NERG技術原理

NERG的原理如圖1所示，就是通過把用戶側家庭網關的安全功能（防火墻、防病毒、遠程接入控制等）、三層網絡功能（IGMP、QoS、PPPoE、NAT、DHCP 等）和部分管理功能（DLNA、性能統計、診斷、部分TR-69功能等）上移到局端OLT或者BRAS/SR上，由網絡側設備上的“虛擬家庭網關”模塊實現，而在用戶側則采用簡化的橋接型終端，僅需要支持業務接口功能 （以太網、Wi-Fi、POTS（plain old telephone service，普通老式電話業務）語音等）、二層的網絡功能（L2 QoS、L2 交換、DHCP 客戶端、IGMP snooping（窺探）等）和簡單的管理功能 （部分TR-69功能、本地管理的圖形化界面GUI、OAM/OMCI功能）。這樣，在家庭網絡簡單化的同時提高承載網絡的智能化，從而降低對家庭終端的功能和性能要求，希望借此提高新業務引入的靈活性、降低CAPEX和OPEX，提升用戶的滿意度，并能達到節能減排的效果。

NERG一經提出，就受到了業界的普遍關注。在技術標準方面，寬帶論壇 （BBF）于2012年5月正式設立PD-295項目，在2012年第4季度會上，PD-295已經轉為正式項目WT-317，并命名為“Network Enhanced Residential Gateway（NERG）”，該項目計劃結束時間為2014年底。歐洲電信戰略規劃與研究協會（EURESCOM）也啟動了P2055項目開展NERG研究。同時，歐洲電信標準協會（ETSI）成立了 ISG NFV（network function virtualization），進行網絡虛擬化方面的研究，其中也包括家庭網關的虛擬化。2013年，中國通信標準化協會（CCSA）也立項開始研究NERG技術及其標準。總體上看，NLRG的標準化可以在2014年完成。

3 NERG的技術實現

在網絡側，vRGW的實現方式有兩種。一種是在OLT上實現vRGW的功能，又稱為分布式NERG；另一種是由IP城域網邊緣設備BRAS或者SR實現vRGW功能，又稱為集中式NERG。表1對這兩種實現方式的部署方式、設備要求、管理模式及功耗等方面進行了比較分析。

可以看出，在NERG引入初期，在流量不大的情況下，采用集中式方案相對更有利于部署和管理，也有利于控制成本；然后隨著流量的增加逐步過渡到分布式部署。隨著IPv6全面商用、IPv6成為主流后，IP地址將不再是瓶頸，BRAS的IP地址管理功能將弱化，地址池可以下移到OLT，vRGW 的 PPPoE、DHCP客戶端和 NAT功能不再需要，BRAS功能弱化后可以下移到OLT的NERG中，網絡層次進一步簡化。

在用戶側，相對于現有的PON上行家庭網關而言，采用NERG技術后簡化型的用戶終端基本采用橋接方式，保留了現有家庭網關的各種硬件接口、二層交換功能和必要的業務模塊 （主要涉及與語音、IPTV等業務關系密切的VoIP、多播、業務隔離與QoS保障問題），簡化取消三層功能（路由、安全及TR69管理的范圍等），降低了對CPU處理能力、存儲空間的要求，也降低了軟件的復雜度；簡化后的家庭網關終端主要采用橋接方式，基本不會存在性能方面的瓶頸，可支持今后較長時期的業務需求而不必升級。

引入NERG會對網絡設備、接入網架構以及家庭網絡產生較大影響，也會導致網絡建設模式、運行維護手段與模式、業務與應用發放等各方面的改變。從技術角度看，NERG還需要解決一系列的關鍵技術問題。

首先，PON層面OLT與ONU之間無法傳輸模擬語音信號，因此如果需要承接已有的POTS語音設備，則必須由ONU實現VoIP功能，即保持與現有家庭網關相同的處理方式，由終端設備內置VoIP。從這個意義來講，NERG還無法實現家庭語音功能的上移。考慮到承載效率和業務體驗，NERG系統中的簡化終端也需要支持IGMP snooping功能。另外，在PON層面仍需采用VLAN進行業務隔離，簡化終端需支持VLAN功能，并支持二層優先級QoS及簡單安全功能。

NLRG的引入需要OSS周邊系統做相關改造（如虛擬網關網管系統、業務發放系統、運維系統等）。針對NLRG的配置及功能管理（如上網賬號、端口配置、功能配置、安全配置等），NLRG需要與原有OSS/PON/ITMS等管理平臺或系統進行接口互通且流程需作一定的改變。

根據已有NERG思路，家庭內部互聯（如打印、文件/視頻共享等）均需通過虛擬網關的處理，因此相關流量均需經OLT/BRAS上的vRGW模塊進行轉接，這就導致只有網關設備上電且至局側網絡鏈路正常時才能實現家庭內部聯網，當網絡側出現故障時則無法進行家庭內部聯網，不符合現有的業務模式和用戶使用習慣，影響用戶感知，也會帶來家庭內部互聯的速率受限于簡化終端與局側虛擬網關間的網絡速率（尤其是上行速率）的問題，可能對用戶感知帶來影響。當然，這些問題均有相應的解決方案，但還不成熟且沒有實現標準化，所以還需要研究探索。

在NERG產品實現方面，目前有部分廠商開發了原型產品，一般是在OLT平臺上開發相關板卡。相關產品從技術上驗證了NERG技術可行性。但受到標準化、應用模式與應用策略不明確的影響，相關廠商尚無商用版本NERG設備。目前，終端側目前沒有針對NLRG優化的專用SOC芯片 （網絡側可采用通用處理器芯片），終端芯片廠商對NLRG態度亦不明朗，相關產業發展還有待觀察。

表1 分布式NERG和集中式NERG的比較

4 NERG的經濟性分析

結合國內的運營商的實際情況，根據不同業務流量模型對NLRG架構下的OPEX、CAPEX進行了分析，并與現有家庭網關模式下的CAPEX和OPEX進行比較。

就OPEX而言，NERG可以簡化新業務部署，而且由于用戶終端功能相比原有家庭網關簡單，相對故障率較低，有利于減少用戶報障，總體上降低維護人員上門修障的次數，從而一定程度降低了運維成本。分析表明，采用NERG后預計可降低OPEX約1/3，提高裝維效率，雖然沒有達到西班牙電信所預期的80%OPEX降幅，但也比較明顯。

就CAPEX而言，考慮到目前家庭網關終端芯片與橋接型ONU芯片價格相差不大，采用NERG技術的終端側其成本降低比較有限（5%左右）。但另一方面，由于用戶側設備因簡化后使用年限的延長，可以大幅度節約設備更換的成本，因此總體上節約終端側CAPEX約1/3左右。同時，盡管網絡側設備需要增加虛擬網關軟硬件，但由于三層功能集中化，局端增加的成本將遠少于用戶端節約的成本。因此，NERG技術能夠明顯降低運營商的設備投資。

此外，相比傳統的家庭網關部署方式，家庭網關終端功能的上移可以降低一定的總體能耗（約20%），有利于節能減排。簡化型橋接終端的壽命更長，也可以避免終端頻繁更換帶來的污染和回收問題。

5 NERG技術發展趨勢

目前，國內運營商的光網建設和家庭網關部署迅速，我國的FTTH覆蓋用戶數已經超過1.5億戶，建成了全球最大的FTTH寬帶網。家庭網關部署量也達到數千萬臺，已經率先形成了比較完善的光網建設維護體系。短期內全面引入NERG技術進行接入網的升級改造會帶來大量的成本浪費，考慮到NERG技術亦不足夠成熟，所以短期內并不具備規模部署NERG技術的可行性。

但另一方面，國內寬帶上網帶寬迅速提升（部分省市已經推出100 Mbit/s和超100 Mbit/s的業務），業務種類越來越豐富，傳統的家庭網關終端面臨著滿足高帶寬、高靈活性的業務提供能力要求的壓力，傳統的運營商承擔全部終端成本的模式也給運營商帶來了巨大的成本，傳統的終端部署模式能否延續成為一個現實的問題。而NLRG通過在局端虛擬化，以可接受的成本滿足未來寬帶業務對靈活性、經濟性和運營維護的要求。隨著BBF、ITU-T等國際標準化組織對NERG技術標準化的推進，相信相關標準將很快完成，并推動產業界NERG相關產品的研發和部署，盡快解決NERG面臨的關鍵的技術問題。法國電信、西班牙電信等歐洲主流運營商的積極推動也將加快NERG的發展和成熟。我國的寬帶接入產業應高度關注NERG的進展并參與到NERG技術發展和產品開發的進程中。

6 結束語

NERG通過對家庭網關功能虛擬化，實現用戶側終端功能簡化，使用壽命延長，并實現局端網關功能虛擬化集中部署，有利于降低CAPEX和OPEX，提高業務發放效率，并實現節能減排，受到了全球主要運營商的高度重視。

引入NERG會對網絡設備、接入網架構以及家庭網絡產生較大影響，相關標準化工作正在快速推進，原型產品也已出現，相關技術和產業正在快速發展過程中，具有比較好的發展前途。

1 BBF WT-317.Network Enhanced Residential Gateway(NERG),2013