家庭網關寬帶業務承載架構探討

馬智勇，劉文超，萬 象

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

家庭網關寬帶業務承載架構探討

馬智勇，劉文超，萬 象

（中國電信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

家庭寬帶蓬勃發展，對家庭網關業務承載提出了新的需求，基于對多業務并發、多業務網絡平面共存等趨勢的分析，為滿足業務路由和業務服務質量的需求，對家庭寬帶業務承載的4種方案進行了探討，提出了現網部署實施建議。試驗網驗證了方案的可行性和有效性。

家庭業務網絡；路由；服務質量

1 引言

根據中國互聯網絡信息中心2011年發布的統計數據，我國家庭寬帶上網網民已達3.8億人。隨著寬帶基礎設施服務能力的不斷完善，家庭寬帶上網用戶規模還將繼續攀升。寬帶運營商應未雨綢繆，為更好地服務用戶做足準備。無論運營商為用戶提供哪種寬帶接入方式（如電話線、同軸電纜、光纖等），家庭網關都是家庭寬帶接入服務的基礎設備。基于家庭網關，探討面向未來的家庭業務承載框架成為一個研究課題。

2 趨勢和需求

對家庭業務、網絡發展新趨勢的分析可以從很多緯度進行。本文側重發掘對家庭業務承載方案有影響的發展趨勢。主要可概括為應用多樣化、業務網絡多平面化、組網布線手段多樣化、多種業務單終端化。

（1）應用多樣化

當前的網絡應用發展如百花齊放，已經超越了簡單信息獲取的層面。微博、博客、網絡社區、網絡游戲、網絡音樂、網絡視頻、網絡購物等應用已成為用戶生活中不可缺少的一部分。有線/無線上網、IPTV（網絡電視）標清和高清、寬帶話音等傳統電信業務之外，可視電話、云存儲、安防監控等新業務應用也逐步走向大眾。

不同應用對網絡的服務質量提出了不同的要求，是在設計家庭業務承載方案時應考慮的因素。例如，搜索引擎、即時通信、電子郵件、微博、博客、個人空間等信息獲取類應用數據量小，對帶寬要求不高；云存儲、P2P（點對點）下載等應用具有短時、突發的特點，需要高帶寬保證；寬帶話音、可視電話、IPTV標清和高清等業務應用對傳輸的時延和抖動敏感，對業務質量保障要求較高。

（2）業務網絡多平面化

電信運營商在城域網部署的過程中會傾向于用具有不同服務能力的網絡平面承載不同的業務（如圖1所示），如通過優化的網絡平面承載IPTV業務，這主要基于以下幾個原因。

·業務數據在現有互聯網架構中進行轉發時，由于諸多不確定因素，數據的轉發路徑、傳輸帶寬、時延、抖動參數不可控，由此會導致話音質量、圖像質量和用戶操作交互響應時間不可控，直接影響用戶對寬帶話音、可視電話、IPTV等應用的業務體驗。

·出于方便運營和管理的考慮。

·出于業務系統安全性的考慮。

因此，家庭業務網絡承載架構應確保在多業務網絡平面環境中實現業務數據的正確路由。

（3）組網布線手段多樣化

家庭組網布線手段是指在家庭網絡中介于網關和用戶終端（PC、電視、手機等）之間的輔助實現網絡覆蓋的各種技術手段，包括家庭五類線布線、WLAN（無線局域網）組網、家庭同軸電纜和電力線組網等，如圖2所示。用戶家庭環境和業務使用需求千差萬別，可選擇的組網布線手段也不盡相同。WLAN設備、電力“貓”等組網布線終端在家庭業務網絡承載架構中扮演重要角色，同時也改變了數據轉發的線路環境。各種業務數據可能在某些布線組網終端上匯聚。良好的家庭業務網絡承載架構應確保組網終端配合家庭網關實現業務的區分、路由和業務服務質量的保障。

（4）多種業務單終端化

運營商以往的業務提供方式都是單終端、單業務的，業務網絡也相對簡單。時尚與科技的結合使終端的發展日新月異，Pad類平板電腦、智能手機、互聯網電視、智能機頂盒等新型終端集可視電話、上網、網絡視頻等業務功能于一身，將逐步成為市場主流。當多種業務在終端共存且由不同的城域網平面承載時，需通過家庭網絡承載架構保證多個業務均能正常使用。

3 承載方案探討

基于上述對家庭業務、網絡新趨勢的分析，筆者認為，良好的家庭網絡承載架構應能夠在多種業務、多業務網絡平面共存的情況下，滿足業務路由正確、服務質量有保障的要求，便于現網部署，同時盡可能兼顧終端融合多業務的發展趨勢。在此基礎上，本文對幾種家庭網絡承載方案進一步探討。

3.1 家庭網關端口綁定方案

家庭網關端口綁定方案是在網關內部建立業務與特定端口的綁定關系。例如，固定一個LAN（局域網）口給IPTV業務專用，上網PC則連接到網關其他LAN端口。網關按照綁定的上網通道或IPTV通道分別對LAN口數據進行業務數據轉發，為IPTV數據配置高優先級轉發策略。

網關有兩種數據轉發模式：路由模式和橋接模式。前者工作在OSI（開放系統互連）參考模型第3層（網絡層），后者工作在第2層（鏈路層）。在相同的硬件條件下，后者在大數據量快速轉發方面能實現更高的性能。因而本方案中對網關的一種合理配置是：上網業務通道工作在路由模式，IPTV通道工作在橋接模式。按照這個配置，上網PC的IP地址是網關分配的私網地址，IPTV機頂盒的IP地址是經過橋接方式由業務網絡分配的專網地址。家庭網關端口綁定方案如圖3所示。

因此本方案能符合多業務路由與質量保障的要求，具有網關硬件要求低、施工部署簡單快捷的優點。但本方案也有局限性，如會導致LAN側端口資源緊張。考慮如下使用場景：用戶訂購了兩路IPTV服務 （1路標清+1路高清），有3個房間需要PC有線上網。按照家庭網關端口綁定業務的方法，兩路IPTV各綁定一個LAN口，3個房間各分配一個LAN口，總計需占用5個LAN口。但國內運營商的家庭網關通常只提供4個LAN口。可以預見，伴隨寬帶提速和用戶需求的提高，這種端口綁定導致的LAN口資源瓶頸在現網部署中將經常發生。

3.2 網關單端口承載混合業務

網關單端口承載混合業務是指家庭網關的任意一個LAN口可提供混合業務。混合業務可以包括上網和IPTV等多種數據業務。

網關單端口承載混合業務允許業務數據在到達網關之前完成匯聚，節省了對網關LAN口的占用，提升了可并發訪問網絡的終端數量，減少了線路投資，簡化了網絡拓撲。例如，當用戶在一個房間內同時使用上網和IPTV業務時，若按照端口綁定方案，需要占用網關的兩個LAN口，需向該房間平行布設兩根五類線，分別承載上網和IPTV業務；若網關單端口承載混合業務，則僅占用網關一個LAN口，僅需布放一根網線到該房間，再通過布線終端分別連接PC和機頂盒即可。對比之下，單端口承載混合業務可以節省網關端口資源，降低五類線布線的投資。

再考慮如下使用場景：用戶家中五類線布線不充分，不希望重新裝修布線，準備使用G.hn設備（通過電力線、同軸線、電話線實現家庭聯網的產品）在臥室和書房實現IPTV和上網業務。此時上網數據和IPTV數據在電力線上共享傳輸介質，物理上不再隔離。若按照端口綁定方案，用戶需要至少4個G.hn設備，至少劃分兩個G.hn域才能確保上網數據和IPTV數據互不干擾。若網關能夠以單端口承載混合業務，則僅使用2個（至多3個）G.hn設備，僅需劃分1個G.hn域就可以正常使用業務，因而家庭組網拓撲大為簡化。

為了實現單端口承載混合業務，有如下3個方案可供選擇。

3.2.1 網關全路由方案

如前所述，當業務在城域網內由不同的網絡平面承載時，網關需支持業務數據向不同網絡平面的路由轉發。在網關全路由方案中，網關基于源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口、傳輸協議、業務應用等信息維護一個路由表，對每個數據報文進行路由查找和數據轉發，如圖4所示。

這種方案與家庭網關端口綁定方案的不同在于：機頂盒IP地址是由網關分配的私網地址，IPTV數據由2層處理變為3層處理，并且需要進行NAT（網絡地址轉換）處理。相關處理過程會顯著提高網關處理器負載，并超出了當前家庭網關的處理能力，無法滿足IPTV業務低時延、低抖動的傳輸要求。當用戶訂購2路以上IPTV時，視頻業務質量下降的問題將更為嚴重。升級網關處理能力是唯一的解決辦法，但勢必抬高終端價格，增加運營成本壓力。因此，短期內網關全路由方案尚難成為主流解決方案。

3.2.2 業務終端VLAN方案

在家庭網絡內使用VLAN標識對各種業務進行分類。業務終端對自身產生的不同業務流標識不同的VLAN標識，家庭網關根據VLAN標識對接收到的數據流進行路由處理。需要說明的是，這里的VLAN作用域僅限于家庭網絡，上行到網關截止，與城域網VLAN無關。

以同時支持上網和IPTV業務的智能機頂盒為例，機頂盒發出的IPTV報文攜帶約定的VLAN標識，而上網數據報文不攜帶VLAN標識。網關接收數據后根據VLAN影射即可分離出IPTV數據并轉發到IPTV網絡平面；對上網數據則將繼續進行路由尋址并轉發到上網業務平面。業務終端VLAN方案如圖5所示。

VLAN機制工作在OSI參考模型的第2層，與網關端口綁定方案中的橋接工作模式處理工作量相當，因此不會顯著增加現有網關處理器的負載，僅需對現有家庭網關進行相應配置修改即可。同時，網關還可基于IEEE 802.1p、IEEE 802.1q實現業務服務質量控制，此處不再贅述。目前的業務終端多數尚不支持VLAN功能，所以本方案部署前需要進行業務終端軟件的升級修改。

3.2.3 組網布線終端VLAN方案

延續3.2.2節方案中家庭網關根據VLAN標識對數據流進行路由處理的思路，由介于網關和業務終端之間的組網設備（如家用WLAN、電力線聯網設備等），而不是業務終端，對業務數據進行VLAN標識。本方案中VLAN作用域被限定在網關并直接連接到組網布線終端之間的家庭網絡，上行到網關截止，與城域網VLAN無關。

以電力線組網布線終端為例進一步說明。電力線聯網設備在延伸家庭業務網絡覆蓋的同時，為來自IPTV機頂盒向電力線接口轉發的數據添加VLAN標識，為從電力線接口向IPTV機頂盒轉發的數據刪除VLAN標識。組網布線終端VLAN方案如圖6所示。

與業務終端VLAN方案相同，本方案對網關處理能力要求低。組網終端通常工作于OSI參考模型的第2層，處理同為第2層的VLAN標識并不困難。本方案無需業務終端支持VLAN功能，可兼顧已部署的現網業務終端。

4 現網部署建議

（1）綜合應用家庭網絡承載方案

4種家庭網絡承載方案各具特點，在現網部署中如何取舍是需繼續探討的問題。筆者建議，可發揮各自優勢，綜合利用上述4種方案。

網關端口綁定方案終端成本低、轉發效率高、部署方便，但存在LAN端口資源瓶頸的問題，因此較適合并發上網終端少、IPTV訂購數量低、中小戶型的用戶。網關全路由方案終端成本高，具有單LAN端口混合業務承載優勢，可突破LAN端口資源瓶頸并發支持多路IPTV、多終端上網，較適合高端用戶業務部署。組網布線終端VLAN方案和業務終端VLAN方案是通過布線終端或業務終端與網關的配合，實現單端口混合業務承載、完成業務路由和服務質量的保障工作，無需網關硬件升級，實現成本較低，可結合實際情況靈活選擇。

（2）部署時重視兼容性

目前，現網家庭網關都按照端口綁定方式進行放裝，不支持或沒有開啟單端口混合業務功能，現網業務終端也不支持VLAN功能。基于終端成本和業務發展情況考慮，現網終端更新往往有一個逐步演進、分階段替換的過程。在部署上述方案時，新老設備搭配使用的情況在所難免，應該重視新終端與現網已部署設備混合組網的兼容性。

針對VLAN業務終端方案，筆者建議新終端（包括網關和業務終端）應具備識別其他設備VLAN功能的能力。若雙方同為支持VLAN功能的新型終端，則采用新方案進行業務路由轉發；否則，采用原有業務配置和交互流程進行業務路由轉發。為此，可通過擴展DHCP Option（動態主機地址配置選項）字段使得家庭網關和終端能夠在地址協商過程中，了解彼此VLAN的支持能力。圖7以網關與機頂盒交互過程為例進一步說明，具體步驟如下。

步驟1：支持VLAN功能的機頂盒在DHCP中攜帶擴展的Option字段。支持VLAN的家庭網關據此能夠識別出支持VLAN功能的機頂盒；不支持VLAN功能的網關將忽略該Option字段。

步驟2：支持VLAN功能的家庭網關響應機頂盒DHCP請求時，同樣使用擴展的DHCP的Option參數，向機頂盒下發VLAN配置。該DHCP的Option參數也只有支持VLAN功能的機頂盒可識別，而普通機頂盒將忽略該參數。

通過步驟1和2，網關和機頂盒已可判定彼此是否支持VLAN功能。步驟3和4是機頂盒與IPTV業務網絡進行業務認證的過程。若雙方都支持VLAN功能，則步驟3的數據報文將添加VLAN標識，網關基于VLAN影射為業務選擇特定的路由，此時機頂盒可以同時提供上網和IPTV業務；若有一方不支持VLAN功能，則數據報文不添加VLAN標識，網關以橋接模式進行IPTV業務數據轉發，此時機頂盒僅能提供IPTV業務。

5 結束語

家庭寬帶業務與網絡蓬勃發展，并呈現出應用多樣化、業務網絡多平面化、組網布線手段多樣化、多種業務單終端化等趨勢。家庭業務網絡承載框架必須能夠在多種業務并存、多業務網絡平面共存的情況下，滿足業務路由正確、服務質量有保障的要求。

本文基于對新趨勢和新需求的分析，對家庭寬帶業務承載框架的4種方案進行了探討，并結合現網部署實施提出了方案選擇建議。家庭網關端口綁定方案終端成本低、轉發效率高、部署方便，但存在LAN端口資源瓶頸的問題；網關全路由方案終端成本高，但具有單LAN端口混合業務承載優勢；組網布線終端VLAN方案和業務終端VLAN方案實現成本低，但需要組網終端或業務終端的配合。現網應用中可綜合應用這4種方案，結合用戶特點和終端實際部署情況靈活選擇。對于方案部署過程中新舊終端共存兼容的問題，本文給出了在地址協商過程中完成設備能力識別的建議，經過試驗網驗證，該方法可行且具有自動執行、方便高效的特點。

1 第28次中國互聯網絡發展狀況統計報告.中國互聯網絡信息中心，2011

2 萬象，馬智勇，劉文超等.家庭聯網技術應用及分析.電信科學,2011(5)

Discussion on Structure of Broadband Service at Home

Ma Zhiyong,Liu Wenchao,Wan Xiang
(Shanghai Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China)

With the fast development of broadband service,new home networking framework is needed to ensure the services routed correctly and guarantee the QoS.The trend and new requirement is discussed,and four system frameworks are proposed.Finally,advices are provided on how to realize the frameworks.

home networking,routing,QoS

2012-02-01）

馬智勇，碩士，中國電信股份有限公司上海研究院高級工程師，主要研究方向為家庭網絡及寬帶應用領域；劉文超，碩士，現就職于中國電信股份有限公司上海研究院，主要研究方向為家庭網絡及寬帶應用領域；萬象，碩士，現就職于中國電信股份有限公司上海研究院，主要研究方向為家庭網絡及寬帶應用領域。