城域網新探索：陜西移動積極開展轉控分離云化BRAS部署研究

陜西移動計劃部副經理|常英卓

電信網絡IT化是未來網絡演進的趨勢，SDN和NFV技術作為運營商網絡IT化轉型的關鍵技術正在逐漸走向成熟。BRAS設備由于兼備IP承載網的邊緣和用戶接入網關的雙重身份，功能復雜、數量眾多，是整個IP承載網向IT化轉型的關鍵網元，也是整個網絡體現智能性、開放性的核心載體。將SDN和NFV技術引入傳統BRAS設備，結合CT和IT技術的互補優勢，實現BRAS設備控制面和轉發面的分離，是解決傳統城域網絡面臨挑戰的必然出路。

城域網絡現狀及云化BRAS驅動力

傳統BRAS設備面臨多種問題

陜西移動自2016年起實施“寬帶百萬”戰略，以“有線寬帶+家庭視頻”為基礎的家庭產品有效促進市場大發展，寬帶用戶數由2015年底的60萬左右增長至當前約220萬。目前城域寬帶網絡主要承載WLAN、高速上網和IPTV等多種業務，隨著寬帶用戶數量的快速增長和視頻業務的快速發展，傳統BRAS設備作為CMNet網絡邊緣及用戶接入網關，正面臨巨大挑戰。CMNet網絡結構如圖1所示。

圖1 CMNet網絡結構

● 資源利用率不充分：由于BRAS設備控制和轉發資源強耦合相互影響，一般單臺BRAS設備只能承載3萬以下的用戶數。此外現網IP地址采用是預分配模式，一臺BRAS設備預先分配十幾個公網地址供大量用戶同時使用，有時會出現用戶無法上線或者上線慢的問題，影響業務發展。

● 業務上線慢：BRAS設備由于分布式部署、設備數量眾多，業務開通需要經過現場工勘、設備安裝、與地市溝通進行對接、第三方施工、最終業務開通。其業務上線周期需要半年到一年的時間，無法快速響應業務要求。

● 管理維護復雜：隨著現網BRAS數量的不斷增多，運維效率問題逐漸浮現。目前一個地市人均維護約16000條配置，人均維護工作量較大，同時對維護人員的技能要求也比較高。這種模式隨著網絡規模的擴大和新業務引入，很難實現對業務的高效管理和對故障的快速排除。

城域網絡云化BRAS改造驅動力

從整個業界來看，互聯網和IT技術的發展一方面給運營商帶來了巨大挑戰，另一方面也帶來了前所未有的發展機遇。高帶寬長時應用（如4K、VR等）使得流量高速增長，網絡流量擴容速度加快，原有網絡架構和運營機制難以適應，需要引入新技術改進網絡架構，促進低成本集約化運營。傳統BRAS設備軟硬耦合，網絡引入重大功能時需要整網升級，網絡部署周期長，過于復雜難以滿足新業務上線需求，需要通過云化技術將資源集中管理、靈活調度，縮短部署周期。

圖2 中國移動下一代革新網絡NovoNet

中國移動在2015年提出了下一代革新網絡NovoNet（如圖2所示）的理念。NovoNet的核心思想是“新架構、新運營、新服務”，采用SDN/NFV作為核心技術，構建一張可以實現網絡功能軟件化、資源共享化、網絡可編程的面向未來的新一代網絡。

NovoNet核心架構是以TIC電信云為基礎組件的數據中心互聯網絡。TIC電信云是NovoNet的基本組件，是標準化的、微模塊構建的、滿足運營商品質要求的關鍵基礎設施，可以承載各類虛擬化的電信類軟件應用。它以核心TIC和邊緣TIC兩層數據中心組成，核心TIC集中部署以實現控制功能集中和更靈活的網絡調度，邊緣TIC分布化部署，以實現流量快速卸載，優化流量和用戶體驗，提高網絡效率。

基于NovoNet網絡架構，陜西移動提出了城域網絡向轉控分離架構演進的目標，如圖3所示。

● 高帶寬：BRAS設備需提供高帶寬、高體驗感知，新建BRAS優先采用大容量200G平臺設備，上行以10G鏈路為主，提升城域網邊緣寬帶、語音、視頻、物聯網等多業務接入能力。

● 廣覆蓋：BRAS下沉到匯聚機房，增加業務控制點數量，實現網絡扁平化，同時擴大縣級業務控制點覆蓋，擴容上聯帶寬；OLT“雙路由、雙節點”方式上聯BRAS以保證其高可靠性。

● 轉控分離：實現BRAS設備控制面和轉發面分離，BRAS-CP控制面集中部署到核心機房，云化可彈性擴展，實現業務集中管理簡化運維，單一對外接口簡化配置；BRAS-UP面具備高性能低時延轉發能力，實現大流量本地卸載；控制面與轉發面之間互不影響，可以根據需要，分別進行靈活擴展。

圖3 城域網絡向轉控分離架構演進

轉控分離云化BRAS系統架構與關鍵技術

轉控分離系統架構

云化BRAS CU分離方案遵循以TIC為核心的網絡架構思想，采取控制平面和轉發平面完全分離的方式。控制平面基于NFV技術，轉發面采用高性能轉發硬件。系統由控制面vBRAS-CP和轉發面vBRAS-UP以及控制面和轉發面之間的接口組成。轉控分離系統架構如圖4所示。

vBRAS-CP負責用戶的控制與管理，vBRAS-UP負責用戶數據報文的轉發，執行傳統BRAS設備轉發面的功能，控制面和轉發面之間的接口包括業務接口、管理接口、控制接口。業務接口傳遞PPPoE、IPoE、L2TP等協議報文，管理接口實現vBRAS-CP對vBRAS-UP的配置下發，控制接口實現vBRAS-CP向vBRAS-UP下發轉發表項以及vBRAS-UP向vBRAS-CP上報業務事件。

該架構的優勢在于轉發和控制完全分離、徹底解耦、靈活性高。其中的x86(控制面)專注于計算密集型的表項管理，而采用高性能硬件的轉發面專注于大流量轉發，物盡其用、專注高效，可以徹底解決傳統BRAS面臨的各種挑戰。

該架構具有以下特點：

第一，轉發面、控制面完全分離的架構破除了軟硬件的緊耦合，可以分別靈活擴容、互相不為約束；

第二，控制面集中云化便于集中管控簡化運維，云化架構可以彈性擴縮容，轉發面本地化可以實現大流量本地卸載；

第三，BRAS業務控制面屬于計算密集型功能，適用于軟件實現；轉發面是流量密集型功能，適用于高性能專用硬件實現；

第四，控制面與轉發面之間采用標準接口，有利于推動高性能轉發面的標準化。

圖4 轉控分離系統架構

轉控分離設備關鍵技術

1.vBRAS-CP千萬級用戶支持

vBRAS-CP采用分布式架構，用戶管理支持多實例，使用負載均衡將上線用戶散列在不同實例上，實例的數量將隨著用戶數的增加彈性擴展，從而實現千萬級上線用戶規模。

2.vBRAS-CP異地容災

vBRAS-UP將同時接入主vBRASCP和備vBRAS-CP。用戶在主vBRAS-CP上線后，主vBRAS-CP將通過異地容災模塊，將用戶上線信息同步到備vBRASCP上，備vBRAS-CP上將生成相應的用戶轉發表項。當主vBRAS-CP故障時，備vBRAS-CP升主，接管vBRAS-UP及用戶管理。

3.表項下發速度提升

vBRAS-CP與vBRAS-UP之間采用TCP下發表項。為提升下發表項速率，vBRAS-CP采用單IP多TCP Session技術。vBRAS-CP采用分布式架構，使用專門的VM部署IO/LB模塊與vBRAS-UP進行通信。IO/LB模塊采用SR-IOV等硬件加速技術，并支持多實例，保證控制面與轉發面之間的IP轉發速率。vBRAS-CP使用vBRAS-UP管理模塊與vBRAS-UP建立TCP Session。vBRAS-UP管理模塊支持多實例，一個vBRAS-UP管理實例負責與指定的vBRAS-UP進行通信，從而實現用戶表項的高速下發。

4.vBRAS-UP的未來演進技術

隨著vB R A S-C P的集中云化，vBRAS-UP設備形態必然會發生一定程度的變化。按照目前的技術發展，vBRAS-UP主要有兩種技術演進方向：其一是基于高性能硬件的設備形態，包括NP、ASIC等；其二是基于x86平臺的VNF設備。

圖5 轉控分離云化BRAS系統的部署方式

城域網云化BRAS部署驗證

為了推動城域網云化轉型，陜西移動積極承接移動集團轉控分離云化BRAS創新試點，完成了該方案的首個現網試點，推動了方案功能完善與產業鏈成熟。試點圍繞轉控分離的云化BRAS架構、PPPoE/IPoE業務接入、CGN、QoS、組播及可靠性等網絡能力驗證以及產品性能等幾個方面展開。

云化BRAS部署方式

轉控分離云化BRAS系統的部署方式如圖5所示，vBRAS-UP和現有BRAS類似，仍舊保留在現有匯聚機房的位置（邊緣TIC），采用高性能硬件的形態。而虛擬化vBRAS-CP部署在核心機房位置（核心TIC），對各個匯聚的vBRAS-UP進行統一控制。該部署場景適用于目前運營商作為主流場景的大流量業務場景。

云化BRAS試點驗證

通過本次試點，陜西移動驗證了轉控分離云化BRAS架構可以基于現網設備進行平滑演進，無縫對接現網業務，同時新方案試點應用也取得了以下成果。

1.資源池化，提升利用率

轉控分離部署可實現IP地址資源和會話資源集中管理和實時監測，減少資源碎片化的浪費。以IP地址資源為例，當前家庭寬帶是通過分布式NAT上公網，多用戶共享幾個公網IP，當某個BRAS公網IP資源耗盡時，用戶上網會出現失敗或上網慢等體驗差問題，從而引發投訴，而靠人工管理IP地址資源，效率低下。在公網IP地址資源集中在vBRAS-CP面統一管理后，vBRAS-UP按需申請地址，使用后還可以自動化回收，試點小規模部署場景下，公網IP資源利用率預計提升30%。

對BRAS業務的用戶會話資源而言，傳統模式下設備控制面與轉發面緊耦合，轉發面物理設備的用戶規格受到主控板能力限制，控制面集中云化管理后，會話資源形成資源池，利用云的強計算能力，控制面可管理千萬級用戶。轉發面設備在同硬件條件下支撐用戶規格也可以大幅提升，單臺BRAS設備用戶規格提升為單板規格的總和，轉發面硬件利用更加高效、可減少擴容。

2.網絡靈活管理，縮短新業務開通周期

傳統模式下，每臺新增BRAS設備部署需與周邊業務系統配置對接，增加一臺設備安裝上電時間可能只需兩天，但與周邊業務系統對接、流程協調等工作可能需兩周，導致業務開通速度很慢。在轉控分離模式下，新vBRAS-UP上線只需新增轉發面設備基本配置，不再需要與周邊系統對接，業務上線速度從幾周變為幾天。同時，控制面云化后，控制面的軟件功能可以進行IT式的獨立開發，很多新業務只需要升級控制面軟件就可以開通。

3.集中管理簡化運維，重復配置工作減少75%

傳統BRAS設備管理模式下，地市運維人員人均需維護16000行配置，要負責開戶、現場設備配置、光纖布放和設備處理等一系列維護工作。每臺BRAS設備都需要現場配置，包括IP地址池、域、QoS型等全局業務配置，大多數配置工作都屬于重復配置。轉控分離架構通過集中管理，業務全局配置在控制面統一配置多次復用，可以有效減少重復配置工作量，從而提升維護效率，使得運維人員的重復配置工作量減少了75%。

云化城域網展望

通過本次現網試點，轉控分離方案的價值可以總結為通過集中控制實現業務的靈活快速部署、資源池化提高利用率以及分布轉發實現高性能流量疏導，從而有效實現網絡轉型目標。

面對未來，運營商流量主體將以大顆粒視頻類業務為主，對網絡帶寬需求顯著提高，同時連接數量和連接種類將發生大規模井噴式發展，現有的網絡難以支撐。數據流量的爆炸式增長及新型業務要求將驅動城域網絡向云化架構轉型，從而提高網絡的靈活性和效率，而以TIC為核心的網絡架構能夠更好地面對未來網絡的不確定性。陜西移動在寬帶及數字化業務大發展背景下，將繼續積極通過云化、SDN/NFV等信息化技術探索城域云化新架構，提升網絡的自調整和自學習能力，從而支撐業務的數字化、精細化運營。