IP城域網的發展研究

孟照讓

【摘要】 本文對近幾年來IP城域網的核心節點、業務控制層和接入層的發展進行分析，總結了IP城域網發展中存在的問題。結合大交換容量路由器、多業務網關MSE、10GPON、IPv6過渡演進及NAT44部署等技術，對今后IP城域網的發展進行了論述。

【關鍵字】 IP城域網 業務控制層 多業務網關 NAT44 IPv6

一、概述

目前，國內寬帶業務發展迅速，互聯網視頻應用呈現爆炸式增長，網絡流量的增長已經成為IP城域網規模擴張的主要推手。各電信運營商也采用核心節點的集群升級、中繼電路的擴容、業務控制節點硬件設備裂變和下沉等建設思路，通過對路由器容量的增加和傳輸帶寬的擴容來應對流量壓力，IP城域網已經形成核心層、業務控制層和接入層三層架構模式。

未來十年，網絡流量將至少增加20倍，伴隨著流量快速增長的是不斷下降的用戶ARPU值，高清視頻和云計算的興起將對IP城域網的網絡質量和性能提出更高的要求。IP城域網未來如何演進是網絡建設者需要思考的問題。

二、IP城域網現狀分析

2.1總體架構

IP城域網主要承載普通互聯網業務及含IPTV業務，一般寬帶運營商在各省均建設有一張IP城域網。以各省主導寬帶運營商IP城域網為例，典型的IP城域網分為三層架構：城域核心層、業務控制層和寬帶接入層。各市IP城域網采用相同的網絡架構，以市IP城域網設置不同的自治域，各市城域核心層與運營商的骨干網、省網以及其他專業承載網實現互通。

城域核心層設備一般采用各市雙節點方式設置，BRAS與SR設備一般采用成對設置。

2.2城域核心的壯大

近幾年，城域核心層路由器中繼帶寬擴容是建設的重點，中繼帶寬顆粒度由10G為主向40G邁進，部分城域核心節點已開通100G電路，單臺路由器的槽位已不能滿足需求，路由器集群得到廣泛應用，城域核心單節點設備不斷壯大，用戶規模較大的市城域核心路由器已采用集群設備，如思科CRS集群和華為NE5000E集群。隨著未來網絡流量的增長，城域核心的中繼容量不斷增加，單節點規模也將不斷壯大。

2.3業務控制層的擴張

業務控制層設備主要有BRAS和SR設備，每節點設置有BRAS和SR設備。隨著寬帶用戶數的增加，考慮到業務的安全性，單臺BRAS設備的處理用戶規模不宜太大，單臺設備用戶容量超過3萬時均考慮BRAS分裂來分散承載業務。

根據現有IP城域網規模來看，BRAS和SR設備對市區和縣城覆蓋已比較完善，今后將逐步向郊區和重點鄉鎮進行覆蓋。

在流量較大的節點，BRAS和SR設備大多采用10G電路上行，其余BRAS和SR設備多采用多GE電路上行，隨著用戶平均流量的增加，BRAS設備的萬兆上行改造也是IP城域網擴容建設的重點。

2.4接入層的革新

自2011年以來，各大電信運營商均大規模展開xPON接入網建設。由于BRAS設備價格的昂貴，目前大部分OLT設備均采用二層交換機匯聚后接入BRAS設備，單BRAS節點存在多臺大型二層匯聚交換設備。以PON+LAN、PON+D、FTTx等接入網建設模式逐步對現有傳統DSLAM網絡進行改造，其中FTTH和PON+LAN建設方式為主，運營商已停止新建PON+D網絡。

2.5 IP城域網發展的困惑

（1）隨著IP城域網出口中繼電路擴容規模的增大，核心節點路由器設備邁向集群模式，高能耗、高承重和多機位的需求對城域核心節點寶貴的機房資源造成很大的壓力。

（2）城域核心路由器設備更新較快，40G、100G平臺的大型路由器已經廣泛應用，400G平臺在未來兩年也將入網，由于平臺和異廠家的兼容性問題，部分40G平臺機框和板卡大量退網，一定程度上造成投資浪費。

（3）核心路由器設備價格昂貴，IP城域網核心路由器投資占比達到50%以上，而業務壓力較大的業務控制層設備投資占比小。

（4）隨著城市規模不斷擴張以及農村光改速度加快，城市郊區和鄉鎮寬帶業務也進入快速發展期，業務流量增長較快，BRAS設備逐漸實施下沉覆蓋，近兩年，BRAS設備大規模進行萬兆電路上行改造也對城域核心路由器造成電路擴容壓力；部分節點BRAS用戶壓力較大，進行BRAS設備裂變建設，部分節點已達到3-4臺BRAS設備，單節點BRAS設備整體的槽位和端口利用率較低，且未實施熱備機制，多臺設備配置也對機房配套造成較大壓力。

（5）老型號BRAS和SR設備不支持IPV6和NAT444，BRAS設備和SR設備仍采用成對設置，尚未實現BRAS和SR業務網關融合。

（6）由于縣鄉光纜資源的不足，均存在多級二層匯聚設備，造成網絡層級過多，且大規模FTTH建設和10GPON的應用將導致二層匯聚網絡大規模擴容，二層匯聚網絡過大將成為流量和業務的瓶頸。

（7）公網IP地址資源已經耗盡，IP地址的短缺嚴重影響業務的發展，各電信運營商已開始建設IPV6試商用網絡，但NAT444在短時間內將作為補充手段進行建設，IP城域網及周邊系統需要進行調整建設。

三、IP城域網的演進

3.1 IP城域核心節點演進

（1）擴容省內互聯電路，開通市間核心節點直達電路。以現在IP城域網架構，城域出口流量均通過運營商國干節點轉發，隨著城域網流量的快速增長，骨干網絡設備的容量必將成為發展的潛在瓶頸，流量的多層次穿越也將造成網絡的整體投資明顯增加。隨著網絡流量急劇增加。城域間采用傳輸直達鏈路疏導流量成為必然的解決方案。通過逐步開通省內互訪流量較大的市IP城域網核心之間直達電路，以減輕骨干節點擴容壓力。（圖1）

（2）提升市核心節點平臺容量，合理安排設備利舊。大型IP城域網核心節點的擴容壓力越來越大，目前100G交換平臺路由器已入網應用，400G交換平臺路由器預計2-3年內可入網應用，大型IP城域核心節點逐步由100G交換平臺向 400G平臺過度，100G交換平臺逐步利舊至中小型城域網，大型城域核心節點上行中繼采用100G中繼電路，中小型IP城域網逐步利舊40G中繼電路。通過充分利舊設備板卡減輕投資壓力。

3.2業務控制層發展演進

（1）推進集成MSE發展。IPTV、互聯網視頻、云計算的流量將占到IP城域網全部流量的80%以上，這部分業務提供現在集中在IDC內部，而IDC一般集中設置在骨干網絡和城域核心位置，各運營商大部分采用省集中設置，城域內穿越流量較大。將視頻業務和云計算業務提供由骨干向邊緣轉移，向用戶側轉移，能夠有效降低網絡的穿越流量。

未來IP城域網的建設將采取BRAS與SR合設向集成MSE（Multi Service Edge）發展，MSE將具備視頻推送能力、CDN能力、計算能力、存儲能力、網絡連接能力、用戶管理能力等。通過業務提供邊緣化，超過50%的流量將終結在MSE，城域骨干和骨干網絡的流量將大大減少，流量分布的變化帶來單位帶寬的投資明顯下降，同時還具備了CDN、IPTV、互聯網視頻、手機視頻、IaaS云計算的業務提供能力，帶來收入的增長。

（2）業務控制層云化發展。利用100G平臺設備，將業務控制網關設備進行池組化，整個業務控制層設備虛擬成一個或多個業務提供池，形成云網關，為下層用戶提供本網絡層應提供的業務，為上層網絡提供集中、簡化、匯聚后的業務數據。

云化的業務控制層體現了少局所大容量的建設思路，增強了業務控制層的安全性、靈活性，并大大提高設備端口利用率，通過云池設備流量的高效收斂，減少對IP城域網核心節點的電路擴容壓力，同時業務能力的邊緣化也極大的提升了用戶業務體驗。

3.3接入層的發展趨勢

（1）推進10GPON應用，優化接入網絡結構。xPON技術的廣泛應用使接入網的覆蓋半徑由2-3公里擴展到5-10公里，融合及云化的業務控制層將催生10萬用戶級的MSE節點，未來T級別的MSE設備將成為主流，大容量，少局所的建設模式將得到進一步的發展。接入網絡的架構向FTTH發展，當OLT上行超過4G時，OLT直接上聯BRAS的成本更低，10GPON得到廣泛應用。網絡層次由現在的BRAS/SR—匯聚交換機—OLT---ONU--家庭網關5個層次，演進到MSE—OLT—OUN/家庭網關三個層次，接入網絡逐步向扁平化方向發展。（圖3）

3.4城域網向IPV6過渡演進

IPv4與IPv6將在很長時間內共存。如何實現共存期的應用互訪和平滑演進，是實現IPv4向IPv6成功過渡的基礎。目前IPv4向IPv6過渡演進技術眾多，包括雙棧、隧道、翻譯等。建議現階段建議采用方式有雙棧或雙棧+NAT444方案，在演進后期采用DS-LITE方案。

（1）在城域網各層設備開啟雙棧協議，同時支持IPv4和IPv6流量的上下行轉發。根據城域網設備情況，升級或新建BRAS、CR等設備開啟IPv4和IPv6雙棧，同時將AAA、DNS等相關支撐系統升級支持IPv6。由于BRAS設備數量較多，在實際部署時，可根據用戶及業務發展需求，逐步開啟IPv4和IPv6雙棧，以驗證開啟雙棧對設備的影響，在保障網絡穩定可靠運行的情況下實現對雙棧的支持。（圖4）

（2）IP城域網NAT44部署選擇。NAT44技術本身已較為成熟，NAT44在城域網中的部署可分為集中式和分布式兩種方案。集中式是將CGN設備部署在IP城域網的核心CR節點，分布式是在各分散的BRAS節點部署CGN板卡。NAT44部署方案選擇應結合IP城域網規模大小進行合理選擇。

表1 IP城域網NAT44部署分析表

城域網 集中式部署 分布式

小型城域網：城域出口流量80G以下或用戶規模在20萬以下 在CR節點采用插卡集中式部署，2-3年內不會引起大規模CGN擴容，可一次性替換較多IP地址 后期根據流量壓力，可分布式部署部分BRAS節點

中型城域網：城域出口流量80G-160G，或用戶規模在20萬-50萬之間 集中式和分布式混合部署，可先試點后逐步推廣

大型城域網：城域出口流量大于160G或用戶規模大于50萬 集中部署CGN設備投資較大，對城域核心設備壓力較大 逐步在用戶量較大的BRAS節點分布式部署，投資較小，對網絡影響較小

在采取分布式部署方案時應注意如下原則：1、該節點并發用戶量大于2萬；2、該節點BRAS設備所帶專線用戶較少，且專線用戶地址段較集中；3、預計可替換IP地址數不少于1.2萬；4、該節點高校等大客戶比較集中。部署CGN目的是為了盡可能多的替換IP地址，如采取粗放的建設方式將會增大投資，且地址替換效果不明顯。

四、結束語

IP城域網是未來IP業務發展的關鍵，是云管道的基礎。為了迎接超寬帶、高體驗、高可靠IP城域網時代的來臨，如何把握IP城域網的發展方向，將有限的資金合理的投入到IP城域網建設，是值得各電信運營商網絡建設者思考的問題。建設一個靈活、高效的IP城域網是網絡規劃和設計的重點，運營商應通過合適的技術構建超寬帶、低成本、電信級、綠色環保等面向未來的全業務城域網，充分滿足未來業務發展的需求。

參 考 文 獻

[1] http：//news.cisco-club.com.cn/2011/0613/1308.shtml，思科中文技術社區；

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

[3] http：//www.chanyezixun.com/news/itytx/hlw/2012/0504/2040.html中國產業咨詢網；

[4]王賓. 《IP城域網NAT444部署方案探討》[J].互聯網天地.2014。