超寬帶城域網架構設計思路和關鍵技術淺析

蔡 康，唐 宏，朱永慶

（中國電信股份有限公司廣東研究院 廣州510630）

1 引言

信息需求、技術發展以及用戶對業務體驗的持續追求是網絡不斷發展演進的主要推動力。寬帶發展水平是國家信息化程度的重要體現。隨著工業化與信息化融合進程的快速推進以及物聯網、云計算等技術的規模發展，社會對海量終端、超大規模用戶以及超寬帶（100 Mbit/s以上）接入條件下的綜合信息化服務提出迫切需求。為突破寬帶網絡發展瓶頸，實現跨越式發展，由國家戰略驅動的寬帶建設熱潮在全球范圍內興起。據ITU統計，截至2011年2月，全球已有98個國家啟動了“國家寬帶計劃”。

我國政府高度重視國家信息基礎設施建設，國家“十二五”規劃綱要明確提出“加快建設寬帶、融合、安全、泛在的下一代國家信息基礎設施，推動信息化和工業化深度融合，推進經濟社會各領域信息化”的發展目標。

寬帶城域網承擔著用戶接入、流量匯聚等功能，是國家信息基礎設施的重要組成部分，對于信息化普及至關重要。滿足國家信息化發展需求的城域網，應該是具備超寬

2 超寬帶城域網架構設計

技術的發展必須以人為本，網絡設計亦然。超寬帶城域網體系包括網元、鏈路、網絡架構、平臺以及整體所表現出來的能力，都要滿足大規模超寬帶用戶的接入和承載需求。

2.1 超寬帶城域網基本特征

為滿足信息化快速發展需求，相對于傳統寬帶網絡，超寬帶城域網應在擴展性、健壯性以及綠色節能等方面實現突破，具體表現在以下幾方面。

·超大規模超寬帶接入：隨著“感知中國”戰略的推進，以寬帶網絡為基礎的“智慧城市”建設進程不斷加速。東部地區的部分城市即將達到用戶數量超千萬、終端數量超億的寬帶規模。隨著“三網融合”工程的推進和視頻業務的快速發展，寬帶用戶對帶寬需求越來越大，人均帶寬100 Mbit/s將是未來寬帶接入的基本需求。

·廣泛覆蓋：隨著信息化進程的推進，隨時隨地、任意終端與任意方式的安全接入已成為寬帶用戶對信息服務的基本需求，網絡空間與物理空間逐步融合成為大勢所趨。

·IP融合承載：隨著網絡應用的豐富與發展，傳統的網絡—業務緊密契合的“煙囪式”網絡建設模式難以為繼，網絡融合不可逆轉。基于IP技術的網絡融合承載已成為大勢所趨。

·超高可靠性：承載可靠性是多業務融合承載的基本條件。超寬帶網絡應能實現關鍵業務的超高可靠性指標（99.9999%），滿負荷情況下，關鍵節點和關鍵鏈路故障倒換時間小于50 ms。

·綠色節能：綠色節能是實現寬帶網絡可持續發展的必要條件。網絡運營過程中必須保證單位能耗盡可能低，因此是新一代網絡在建設和運營過程中必須具備的特征。

·IPv6技術和業務使能：IPv4地址資源日漸稀缺，IPv6的部署迫在眉睫。具備開展IPv6業務的能力，是超寬帶城域網必須具備的特點。

2.2 超寬帶城域網架構設計思路

超寬帶城域網體系的發展目標是實現用戶—業務—網絡的有效協同，在保障和提升用戶體驗的同時，降低每比特能耗，實現綠色節能和可持續發展。因此，一個完整的超寬帶城域網體系不應僅僅包括用戶和業務承載平臺，還應包含策略控制等多個層面。本文提出的超寬帶城域網體系如圖1所示，包括超寬帶承載層、超寬帶策略控制層、運營支撐系統和超寬帶城域安全體系4部分。

2.2.1 超寬帶城域承載層

通過各種接入手段，在光纖網絡基礎上，采用All-IP架構，實現大規模用戶/終端的隨時隨地、任意方式的接入與承載。從承載角度而言，超寬帶城域網應解決網絡容量擴展、覆蓋范圍延伸和承載效率提升等問題。

2.2.2 超寬帶策略控制層

實現用戶—網絡—業務有效協同的重要功能體，具備融合AAA、策略控制、資源管理與流量管理等功能，通過系統間數據信息的共享、交換及綜合關聯分析，實現用戶、業務與網絡之間的信息有效溝通。

2.2.3 運營支撐系統

實現用戶-網絡-業務有效協同的必要條件，覆蓋承載層、策略控制層和業務層等多個層面，具備計費、營業和客戶服務等功能。通過信息與資源共享，可實現用戶、網絡和業務之間的信息流轉和相關功能的自動化部署。超寬帶城域網體系的運營支撐系統可在原有運營支撐系統的基礎上進行升級和完善，以滿足超寬帶城域網的運營需求，本文不再贅述。

2.2.4 超寬帶城域安全體系

超寬帶城域網的一體化安全保障體系覆蓋承載層、策略控制層和業務層等多個層面，通過全網分布式安全感知與管控、終端安全防護、內容安全管控等手段，實現超寬帶城域網環境下的用戶、網絡和業務安全保障。

圖1 超寬帶城域網體系

2.3 超寬帶城域承載網絡設計思路

為滿足大規模超寬帶接入和承載需求，超寬帶城域承載網應是在全光網絡和架構扁平化基礎上的IP-傳輸協同、網絡-平臺協同的融合承載架構。超寬帶城域承載網架構如圖2所示，每類網元根據角色定位都應具備認證授權、資源感知、內容感知和拓撲感知等能力，以便與策略控制層交互。其設計過程中應關注的重點內容包括以下3點。

2.3.1 基于架構扁平化的網絡優化

網絡邊緣提供大容量接入能力，網絡核心提供高效轉發能力，是基于扁平化的城域網架構優化的前提條件。網絡架構優化主要通過減少網絡層次和優化網元布局等手段實現。

（1）減少網絡層次

寬帶接入網通過大容量、長距離PON滿足超寬帶用戶多場景接入需求，并通過OLT直連接入控制網關BRAS/SR，簡化接入網絡層次；城域骨干網取消匯聚路由器，利用OTN靈活組網和資源調度能力消除由于長途中繼而產生的網絡層次，實現出口路由器—接入控制網關直聯。此外，通過大容量或集群設備的引入（為有效保護投資，超寬帶城域網中所有網絡設備都應具備IPv6-Ready能力，并支持雙棧協議），消除由于端口不足而產生的背靠背互聯現象。

（2）優化網元布局

大容量和融合化是接入控制網關的發展趨勢，網元數量的減少和有效集中是提升網絡效能的重要手段。設計過程中，應本著“大容量，少局所”原則，結合光纜網絡建設，優化接入控制網關部署，在保證接入控制點擴展性的同時，降低網絡建設成本。同時，城域網出口逐步引入大容量可擴展集群路由器，減少城域網骨干路由器數量，節省城域骨干路由器之間以及城域骨干路由器—接入控制網關之間的互聯端口和光纖，有效降低城域骨干網能耗。

2.3.2 以IP-傳輸協同為基礎的承載效率提升

目前，城域傳輸網絡中超過90%的流量為IP流量。IP-傳輸協同可提升承載效率和可靠性，降低IP-傳輸綜合組網成本。

城域范圍內IP-傳輸協同思路是引入OTN，實現IP層與光層的優勢互補。利用IP層的業務感知和高效報文處理能力，實現小流量優先傳送（IP報文統計復用原理可使小流量傳輸效率最大化）；利用OTN的低成本超大容量超長距離傳送能力，實現大流量優先傳送（剛性管道更適合大流量傳送）。IP-OTN協同條件下的流量分層傳送原理如圖3所示。IP與光層根據流量特點分流傳送，光層直達流量無需中間路由器處理，在降低中間路由器帶寬壓力的同時提升光層帶寬效率，實現城域網帶寬效率最大化。此外，基于OTN的支線路分離和端口匯聚等特點，在城域光纖和IP層帶寬能力不足的情況下，引入OTN，實現網絡結構優化。

圖2 超寬帶城域承載網架構

圖3 IP-OTN協同條件下的流量優化承載

2.3.3 以平臺—網絡協同為基礎的用戶體驗提升和流量優化

根據IBM公司的研究成果，過去25年中，存儲成本以平均每周3%的速度下降，遠快于網絡帶寬成本的下降速度；另一方面，就近獲取視頻內容的方式可顯著提升用戶體驗。因此，超寬帶城域承載網絡設計過程中基于“存儲換帶寬”理念，將CDN平臺引入城域網，在緩解城域網帶寬壓力的同時，進一步提高用戶體驗。

CDN平臺與IP城域網協同的前提是CDN區域中心處于城域網內，為避免CDN區域中心與POP之間的流量繞轉，設計過程中，通常將CDN區域中心與城域核心路由器對接。CDN POP點與接入控制點的對接方式是設計重點，兩者的對接方式取決于視頻用戶規模和接入控制點覆蓋范圍等因素。通常情況下，若接入控制點的在線視頻用戶規模超過3萬且覆蓋半徑大于5 km，就需要CDN POP點與接入控制點一對一銜接；若在線視頻用戶規模進一步擴大，可考慮將CDN POP點下移至OLT等位置。

2.4 超寬帶策略控制層設計思路

業務-網絡協同是網絡對業務進行優化承載的必要條件。業務融合承載條件下，策略控制層對超寬帶城域網的業務-網絡協同至關重要。由于超寬帶條件下業務-網絡協同涉及用戶信息、業務信息以及網絡資源等的動態調度與決策，傳統的各系統分立方式的承載控制手段已無法滿足需求。在超寬帶策略控制層設計過程中，引入云計算技術與理念，在原有承載控制層基礎上優化整合，實現云化承載控制平臺。云化承載控制平臺如圖4所示，基于云計算相關技術，采用規范化接口實現各子系統間數據信息的共享、交換及綜合關聯分析，將各個獨立的系統模塊化和標準化，從而實現不同系統在同一環境下的有效運作。

2.5 超寬帶城域安全體系設計思路

信息安全涵蓋平臺、數據、網絡和用戶等多個層面，傳統的安全體系屬于附加、被動的防御體系，以外部防范為主，聚焦在服務器和網絡設備保護上，難以滿足超寬帶條件下的城域網安全需求。

圖4 云化承載控制平臺架構

超寬帶城域網安全體系以一體化安全管理和DDoS攻擊防御系統為基礎，在云計算架構平臺上引入異常流量監控和內容安全管理等功能，將安全防范與網絡、平臺等緊密結合，實現用戶—網絡—業務全方位一體化的安全防護。

（1）一體化安全管理系統

通過統一安全監控、分析和處理，實現IP網絡統一安全管理。主要功能包括安全風險管理、安全事件管理、脆弱性管理、安全告警管理、安全響應管理、安全預警管理、安全考核管理和資產信息管理等。

（2）DDoS 攻擊防御系統

具備全網集中調度、分布部署、并行處理以及流量清洗能力，可為超寬帶網絡、平臺等提供安全保障，有效提高網絡和平臺的健壯性。系統技術實現的關鍵環節包括攻擊檢測和判斷、流量牽引、流量清洗和流量回注。

（3）異常流量監控系統

具備城域范圍內網絡異常流量監測和處理功能，大規模網絡攻擊發生時，能夠第一時間發現網絡流量異常，準確定位攻擊來源和攻擊目標，并做出及時而準確的流量異常報警和安全響應。對該系統的基本要求包括：對網絡流量行為進行基于流量模型的異常流量判斷分析，并提供強大的網絡流量行為深入輔助分析功能；在網絡流量實時監測和正常網絡流量定義的基礎上，通過一定的分析模型和算法進行異常流量的智能判斷，發現網絡異常流量時用多種方式實現報警或提示。

（4）內容安全系統

采用深度包檢測技術對應用層信息進行分析，及時發現和防控不良信息內容，主要功能包括網站發現、網站內容主動監管、網站備案監測、網站統計和IP地址精細化管理等。

3 超寬帶域域網關鍵技術實現

超寬帶城域網建設與發展涉及方方面面的技術，本文主要對超寬帶城域承載網設計過程中需要解決的關鍵技術進行分析。

3.1 IP與OTN協同技術

IP與OTN協同主要通過在路由器上引入通道化OTN技術或在OTN上引入VLAN子接口技術，實現路由器與OTN設備在物理接口上的互通，并通過GMPLS協議進行網絡流量的統一調度，實現IP層與光層有效協同條件下的流量優化承載。為滿足超寬帶城域網架構和業務承載需求，以 EOO(ethernet over OTN)和PID（photonic integrated device，光子集成設備）技術為基礎，提升OTN的資源調度和靈活組網能力。

EOO技術將以太網幀映射到OTN幀，集成二層交換功能，實現靈活的ODUk或ODUflex調度，提供由GE/10GE向10GE/40GE的端口匯聚能力，從而實現基于WDM系統的數據分組二層交換、匯聚和傳送，建立數據業務二層直達通道，提升網絡效率。

PID技術可將傳統收發端激光器、合/分波單元、光放以及波分波長轉換單元OTU等功能集成在單個芯片實現，從而使得設備單卡集成能力大幅提升。基于PID技術，可實現傳統的多板卡向單板卡的集成，集成度高，能耗低，綠色環保并且免跳纖，在簡化波分光層的基礎上，實現了建網和維護成本的下降。

3.2 業務可靠性保障技術

承載可靠性是業務可靠性的根本保障，由于IP網絡“盡力而為”的特性，IP綜合承載條件下的可靠性始終是IP網絡設計的重點。IP網絡的可靠性主要通過快速故障檢測和拓撲/設備冗余實現。

根據網絡層次劃分，IP城域網可靠性可分為接入層可靠性和城域骨干層可靠性。接入層可靠性可通過增強型Ethernet、L2 MPLS VPN、PTN、PON 和MSTP 等技 術實現 ，在IP綜合承載條件下，越來越多地通過EAPS、VLL/VPLS和MPLS-TP等技術實現；通常情況下，城域骨干層可靠性主要基于MPLS TE技術等實現關鍵路徑和關鍵設備故障保護，然而由于MPLS TE技術面向連接的特性，難以實現規模部署。

IP城域網中，接入控制設備不僅承擔著流量轉發和控制功能，而且承擔著用戶管理的部分功能，是業務可靠性保障最重要的網元。因此，接入控制設備可靠性是城域網業務可靠性的重要保障，主要通過跨機箱無縫熱備技術實現。跨機箱無縫熱備技術實現原理如圖5所示，在用戶信息同步的基礎上，結合VRRP和BFD等技術，在滿負荷情況下可保證關鍵節點和關鍵鏈路故障倒換時間小于50 ms。以此為基礎，結合快速路由收斂等技術，可實現視頻、音視等關鍵業務的超高可靠性指標（99.9999%）。

3.3 視頻承載優化技術

由于視頻業務的長連接、高帶寬以及用戶體驗敏感等特點，大規模視頻業務的開展對城域網容量和承載能力都帶來極大挑戰。城域網視頻承載優化需要重點解決視頻直播業務承載、視頻體驗提升和故障快速定界定位3方面問題。針對直播業務，城域網需全程啟用多播功能，以降低視頻流量對網絡的沖擊；為實現接入控制網關以下的直播業務優化分發，在接入控制設備啟用跨VLAN多播、IPoE等功能；視頻體驗的提升和故障快速定界定位主要基于網絡集成視頻增強技術實現。

圖5 跨機箱無縫熱備技術實現原理

IPoE基于DHCP協議擴展，可實現廣域的IP報文認證、授權、計費和有效傳輸。相對于PPPoE而言，IPoE的優勢不僅在于封裝結構的簡化，而且在于多播分發效率的提升：PPPoE接入方式下，由于用戶與接入控制網關之間是PPP連接，多播報文的復制只能以每用戶為單位，實際效果類似于單播承載；IPoE方式下，多播報文基于端口或VLAN復制，如果結合跨VLAN多播，可實現更高效率的多播分發。大規模直播業務條件下，IPoE方式可實現多播復制點由接入控制網關向OLT等位置的下移，進一步提高多播分發效率。

網絡集成視頻增強技術通過在網絡設備中集成專用視頻業務處理和存儲芯片，實現視頻業務體驗增強和視頻內容的臨時緩存，并形成對視頻業務的實時監控。基于網絡集成視頻增強技術，IPTV頻道切換時間可由原來的2～5 s縮短到1 s以內，畫面質量得以大幅提高，視頻故障得以快速定界和定位。此外，還可通過IP和存儲技術協同，縮短流量路徑，實現城域網流量模型優化，提升帶寬效率。

4 結束語

結合IP-傳輸協同、高速通道、視頻承載優化與安全防護等技術的綜合運用，通過科學架構設計，形成高效能、可擴展和高可信超寬帶城域網絡體系，對于提升國家信息產業整體水平，推動社會信息化的發展至關重要。隨著信息化的不斷深入，社會和經濟對寬帶網絡還將提出新的需求。超寬帶城域網的建設和運營是一個循序漸進的過程，需要通過實踐不斷總結經驗和完善，以使超寬帶城域基礎設施更貼近和服務于國家信息化發展需求。

1 唐宏,朱永慶.超寬帶城域網建設思路探討.廣東通信技術，2011(6)

2 金華敏,何明,王帥.可信互聯網技術體系和建設思路.電信技術，2010(6)

3 薛沛林,伍佑明,朱永慶.IP城域網綜合業務識別與控制技術方案探討.廣東通信技術，2007(11)