城域網MSE關鍵技術及應用研究

陳華南，朱永慶，阮 科

（中國電信股份有限公司廣州研究院 廣州510630）

1 引言

信息技術發展與互聯網業務持續創新，要求寬帶網絡必須具備高速接入、多業務承載、快速業務提供等能力?！皩拵е袊睉鹇院糁觯ㄔO寬帶、融合、安全、泛在的下一代國家信息基礎設施迫在眉睫。

IP城域網是國家寬帶網絡的重要組成部分，城域網的建設優劣直接影響寬帶網絡的整體能力。多業務網關（multi-service edge，MSE）是城域網的關鍵節點。MSE是傳統寬帶接入服務器（BRAS）與業務路由器（SR）的融合設備，位于城域網業務接入控制層，是城域網3層終結點，負責寬帶用戶撥號接入、專線用戶接入、多播業務復制以及L2/L3 VPN承載。MSE設備能力直接決定了城域網的業務承載水平。城域網的高速發展對MSE提出了更高的要求。本文將深入分析MSE關鍵技術，并探討MSE新型應用場景。

2 MSE關鍵技術

業務需求是技術發展源源不斷的動力。隨著云計算、物聯網、富媒體等互聯網應用的推陳出新，寬帶網絡在業務體驗、網絡智能、擴展能力等方面面臨巨大挑戰；同時IPv4地址資源瀕于枯竭，迫使寬帶業務向下一代互聯網快速遷移。作為寬帶城域網關鍵部件的MSE，必須突破原有BRAS、SR設備的局限，滿足新一輪互聯網發展浪潮中的城域網發展需求。

2.1 MSE網絡感知技術

城域網多維度感知技術是指通過獲取BOSS/OSS、AAA系統、Arbor系統、網管系統、CRM系統以及DPI系統等，獲取各類靜態與動態數據，并通過相應綜合分析實現用戶感知、業務/內容感知、網絡資源感知等，如圖1所示。

圖1 城域網多維度感知技術

MSE網絡感知技術以MSE內置DPI板卡為基礎實現用戶感知與業務感知的融合，從而實現用戶業務的精細化感知。按流量策略執行機制，內置DPI可分為集中式、網絡側分布式與用戶側分布式，如圖2所示。

圖2 MSE內置DPI實現方式

圖3 MSE虛擬集群技術

集中式內置DPI同時處理用戶流量識別與策略控制，需處理所有的流量，有可能成為設備瓶頸。網絡側分布式內置DPI方式中，DPI板卡僅負責業務識別，策略執行功能分布在網絡側板卡上；網絡側分布式內置DPI方式下，設備在對未識別流量進行正常轉發的同時，將首個報文后續關聯報文復制到DPI板卡進行識別，流量成功識別后，基于SLA生成的DPI策略被下發至網絡側板卡；網絡側板卡執行DPI策略進行流量轉發。

網絡側分布式實現方式下，DPI功能只能在全局模式下開啟，針對應用特征字啟用，該過程與用戶PPPoE/IPoE接入認證、授權無關。DPI策略應用在全局模式下，用戶策略應用在用戶會話模式下，二者缺乏關聯。MSE設備通常先執行用戶策略再執行全局策略，無法實現用戶與DPI策略的聯動。

用戶側分布式DPI是MSE技術的發展方向，將DPI策略執行功能部署在用戶側，實現用戶策略與DPI策略的聯動，充分發揮城域網邊緣的用戶與流量管理的綜合優勢。用戶側分布式DPI可實現基于PPPoE/IPoE用戶的DPI策略使能，可實現基于用戶的DPI分析與流表控制。在PPPoE/IPoE用戶接入認證時，返回用戶DPI策略與QoS策略。在用戶側板卡上實現流量策略與用戶策略的有機結合。

2.2 MSE虛擬化技術

網絡虛擬化技術主要指將網絡功能/實體進行抽象分離與組合的技術，與計算虛擬化、存儲虛擬化共同構成新一代互聯網的基礎。MSE虛擬集群是網絡虛擬化技術的代表，包括同構虛擬集群與異構虛擬集群，如圖3所示。

同構虛擬集群通過采用控制總線擴展協議（如Cisco公司EOBC協議），實現兩臺路由器邏輯上虛擬為單臺路由設備，兩臺路由器形成單一的控制與管理平面，對外采用唯一標識。這種方式可突破集群設備距離的限制，擴展系統容量與功能，簡化維護管理。MSE同構虛擬集群可實現跨機框的用戶信息、業務策略等關鍵信息的融合管理，為MSE冗余備份提供一種新型手段。

異構虛擬集群通過虛擬化技術將不同網絡設備組合成單一的節點進行配置管理，其中包括主設備與擴展設備，擴展設備虛擬成主設備的板卡或接口。設備配置/管理都集中在主設備上，擴展設備可實現零配置。MSE異構虛擬集群主要實現MSE對接入設備的配置與管理，網絡運營管理便利。另外異構虛擬集群可實現高速接口向低速接口的擴展，受限于面板尺寸及工藝水平，MSE GE板卡端口密度最大為48個，而MSE單槽能力可達100 Gbit/s，使用異構集群方式，100GE端口可輕易擴展成100×GE。

2.3 MSE高速端口與大容量CGN技術

業務需求要求設備具備大容量與高速接口能力。IP城域網流量增速超過了摩爾定律。寬帶用戶每年增長近1 000萬，且用戶帶寬隨著高清視頻普及要求的提供達到12 Mbit/s。得益于芯片技術的發展（如阿爾卡特朗訊公司發布的FP3 400 Gbit/s芯片等），城域網MSE設備從40 Gbit/s平臺發展至100 Gbit/s以上平臺，整機容量可達1.6 TB，可為4.8萬個并發寬帶用戶提供服務。未來3年內，400 Gbit/s及1 Tbit/s以上平臺MSE設備將面世。路由器40GE/100GE速率接口標準于2010年正式發布，高速以太接口將逐步取代POS接口。隨著業務量的增長，MSE多條10GE鏈路上聯至核心路由器互聯方式將面臨光纖資源不足與流量不均衡等方面的壓力，40GE鏈路需求迫切?，F階段，MSE設備已經開始提供40GE接口，但在業務互通方面仍存在一定的問題。

IPv4與IPv6將長期共存，網絡如何平滑過渡，解決IPv4地址資源缺乏問題是網絡演進的重點。CGN（carrier grade NAT）技術可實現公網IPv4與私網IPv4地址之間的大規模地址轉換，是NAT444、DS-Lite等現階段主流下一代互聯網過渡技術的關鍵，按照設備形態可分為獨立式CGN與集成式CGN。MSE內置CGN板卡是集成式CGN的主要形態?，F階段，MSE CGN板卡容量基本上是10 Gbit/s，與MSE單槽100 Gbit/s能力差距較大。

若按每用戶0.5 Mbit/s流量估算，并發4.8萬用戶條件下，CGN能力應達24 Gbit/s，需要多塊CGN板卡才能滿足需求，MSE CGN容量有待進一步提升。此外，NAT session容量是CGN關鍵指標之一，根據經驗統計，若每個用戶平均有300個session，按并發4.8萬用戶估算，單板卡需具備14.4 Mbit/s session能力才滿足需求。在功能方面，MSE CGN需要發揮更多功能集成的優勢：首先，可實現MSE業務流量與CGN地址分配之間的融合，發揮用戶管理優勢；其次，應能實現RADIUS方式的用戶溯源，充分發揮MSE AAA業務強關聯優勢，無需新部署外置溯源系統；再次，應能提供MSE CGN冗余備份能力，進一步提升設備可靠性；最后，MSE CGN管理應具備相應的SNMP MIB庫，完善運營管理。

3 基于MSE的城域網能力提升

全業務融合承載條件下，IP城域網除了傳統互聯網接入與專線接入業務外，還需在智能性、靈活性和擴展性等方面大幅提升。本文以MSE設備應用場景為基礎，提出基于MSE的城域網關鍵能力提升建議。

3.1 城域網層次化MSE部署

層次化MSE部署思路是通過在城域網骨干網分層次部署業務接入控制設備（如圖4所示），解決原有網絡設備能力不足與網絡改造困難導致的業務無法快速部署的難題。以CGN快速部署與寬帶停機用戶網上營業廳自助繳費業務場景為例，闡述層次化MSE實現。

圖4 層次化MSE部署

在向下一代互聯網演進的過程中，如何在充分利用現有資源的條件下實現網絡平滑演進，是每個運營商面臨的難題。通常，網絡設備的生命周期約為10年。網絡中部分設備不具備IPv6能力，但可勝任現有業務承載，全部替換將導致高昂的投資成本。另外在IPv6業務初期發展階段，新增用戶采用雙棧方式承載，插花式逐步遷移，在網BRAS/MSE承載業務量不大，單獨設置大容量MSE替換，投資效益低?？赏ㄟ^層次化MSE部署方式，選擇在一個片區內，部署一臺大容量MSE，覆蓋多臺低性能BRAS設備的雙棧用戶，而不需每臺BRAS都支持CGN特性，實現雙棧過渡技術快速部署，如圖5所示。通過用戶上線策略下發，將需要進行地址轉換的用戶流量重定向或以隧道方式牽引至CGN MSE，進行NAT后訪問公網。

在業務開展過程中，用戶停機行為較為常見。在傳統業務處理流程中，停機發生后，用戶若需要開通業務，必須到指定營業廳受理，此過程經常會引起客戶不滿。如何實現停機用戶網上自助繳費是運營商面臨的一大需求，也是運營商實現“智能管道”的重要體現。停機用戶自助繳費需求的本質是用戶在暫停狀態下，網絡服務只能訪問運營商網上服務廳，通過服務廳鏈接到銀行網頁完成自助繳費，繳費成功后，停機用戶轉為正常用戶，可自由訪問互聯網服務。

各銀行網上營業廳的IP地址通過DNS方式動態更新，用戶每次訪問獲取的IP地址不是固定的。在BRAS上通過訪問策略實現“開放花園”的傳統解決方案，無法遍歷銀行網上營業廳的全部IP地址，滿足不了此需求。而采用層次化MSE方式可容易地實現，如圖6所示。

圖5 層次化MSE實現CGN快速部署

圖6 層次化MSE實現自助繳費

層次化MSE實現自助繳費是通過接入BRAS與業務MSE之間，啟用L2TP隧道，停機用戶流量全部牽引至LNS MSE。具體業務實現過程如下：

（1）停機用戶撥號接入；

（2）接入BRAS發送用戶信息進行AAA服務器認證；

（3）AAA服務器返回用戶信息標識、LNS相關信息；

（4）基于用戶接入session觸發，接入BRAS與業務MSE建立L2TP隧道；

（5）LNS配置用戶業務策略，限定停止用戶業務范圍；

（6）用戶被重定向至網上營業廳，并提示用戶狀態；用戶可瀏覽業務套餐，辦理與支付資費；

（7）在支付成功后，網上營業廳系統直接或通過其他系統與AAA系統同步新的用戶屬性與業務策略，同時網頁推送提示用戶重啟終端，重新撥號接入。

3.2 城域網層次化感知能力部署

現階段，網絡對應用感知的能力主要依賴于骨干網出口部署的獨立式DPI設備，僅可實現基于應用、IP地址的應用識別，業務感知精細化程度不足。隨著市場競爭的豐富，業務運營與管理時需網絡提供更加精細的數據。

層次化感知能力部署是基于MSE感知能力的技術部署，結合獨立式DPI能力，實現MSE內置DPI與獨立式DPI的協同，快速提升網絡整體業務感知能力，實現基于用戶的業務感知，如圖7所示。下面以異常流量監測為例，說明層次化感知的實現過程。

圖7 層次化感知能力部署

（1）MSE內置DPI與獨立式DPI按照業務需求啟動業務感知能力；

（2）獨立式DPI監測到某一類業務流量異常，流量數據上報至協同調度系統；

（3）協同調度系統根據業務監測需求，啟動MSE內置DPI對該類業務進行識別；

（4）MSE內置DPI上報指定業務的數據至協同調度系統；

（5）協同調度系統根據用戶級、業務級分析結果，生成用戶策略、業務策略；

（6）用戶策略、業務策略分別下發至MSE內置DPI與獨立式DPI，從而實現流量精細化管理。

3.3 城域網高可靠能力部署

高可靠網絡是全業務網絡運營的基礎。城域網MSE承載著多種業務類型，同時單臺設備至少承載3萬個寬帶用戶。設備故障影響范圍廣，亟需提升MSE可靠性。隨著虛擬化技術的推動與發展，MSE虛擬集群比傳統的雙機熱備份技術更能滿足可靠性需求（見表1），MSE虛擬集群具備技術容易、部署簡單與運維管理方便等優點。

表1 MSE虛擬集群與雙機熱備份技術比較

MSE高可靠能力部署思路是將兩臺獨立MSE虛擬為一臺MSE，接入網雙聯至兩個MSE將轉變成雙上聯至同一個設備，如圖8所示。在虛擬集群上部署跨板卡鏈路捆綁即可實現兩條鏈路之間的備份。

圖8 MSE高可靠能力部署

4 結束語

在向下一代互聯網演進與構建智能管道的過程中，MSE能力提升與多業務場景應用是一個重要環節。本文探討的MSE關鍵技術主要針對現階段寬帶網絡發展亟需突破的關鍵問題而提出：結合網絡感知、虛擬化、大容量平臺與高速CGN等技術的引入，打造城域網智能MSE；并通過層次化MSE部署、層次化感知能力部署與高可靠能力部署等新型應用，快速、有效地提升城域網綜合實力。后續為進一步提升IP城域網能力以滿足業務發展需求，MSE還需在資源調度、網絡協同性等方面進一步提升。

1 Broadband Forum.WT-178 Multi-Service Broadband Network Architecture and Nodal Requirements,2012

2 蔡康,唐宏,朱永慶.超寬帶城域網架構設計思路和關鍵技術淺析.電信科學,2012(1)

3 中國電信IP網絡設備技術要求-MSE,2012

4 李巍,宿寶伍.符合下一代網絡發展的分布式BRAS插卡CGN部署方案.電信網技術,2012（9）