城域汇聚虚拟化解决方案

城域网虚拟化的背景

　　目前全球通信网络已经开始进入软件定义阶段，这一阶段的主要技术特征是网络架构的变革，即从垂直封闭架构转向水平开放架构，体现在网络控制与转发分离、网元软硬件的解耦和虚拟化、网络的云化和IT化等多个方面，代表性技术有SDN（软件定义网络）、NFV（网络功能虚拟化）和云计算。SDN/NFV技术的发展为运营商网络的深化转型提供了强大的武器，不仅带来了历史性的发展机遇，而且也带来了前所未有的严峻挑战。

　　随着SDN/NFV的引入，网络设备的封闭性有望打破，硬件和软件将实现解耦，生态系统将走向开放，产业链将获得健康发展。这不仅有利于降低运营商的CAPEX和OPEX，而且有利于实现网络的开放，增强网络的弹性，促进新型网络和业务的创新。

　　运营商必须对现有网络架构进行重构，从而在根本上改造网络的特征，改善网络的能力，改进网络的服务。网络资源应能够统一规划、部署和端到端运营，改变分散、分域情况下高成本、低效率的状况。

　　网络层面要多专业多领域协同推进NFV转型，减少专用网元和系统；推进CDN（内容分发网络）控制平面以及业务边缘节点设备的虚拟化和池化，提升应对视频用户并发量激增的能力，并提供未来新业务的快速交付能力。NFV可以首先应用于固定网络中的数据面的分组处理和控制功能中，如vBRAS、vCPE、vEPC和vIMS等。

　　BRAS（Broadband Remote Access Server）是城域网中用户接入的终结点和基础服务的提供点，传统的BRAS基于软硬件一体化设备实现，给新业务部署带来很多不便，例如，不同时期部署的BRAS设备，无法通过软件升级方式实现同一功能，而且很多增值服务（如NAT、DPI等）都需要专用硬件板卡，增加了大量成本。

　　vBRAS可以以功能集为单元对设备控制平面进行重构，形成独立模块（包括用户管理、组播、QoS和路由等），每个模块可按需在虚拟机上部署。vBRAS还可以提供可编程能力，将控制面通过API接口向上提供灵活的功能调用，实现用户对网络业务的按需定制。

城域网虚拟化的典型组网

　　2016年7月，中国电信发布《中国电信CTNet2025网络架构白皮书》，全面启动网络智能化重构。网络智能化重构是中国电信实施转型新战略的四大核心举措之一，自此中国电信正式进入了转型新战略的实施阶段。中国电信预计其网络智能化重构将于2025年之前全面完成，实现80%网络功能虚拟化，随选网络规模提供，部署新一代运营系统。中国电信计划BRAS数目需要减少80%，用vBRAS地址池统一管理用户。按现有计算，BRAS数目需要从6000多台减少到1000多台vBRAS。中国有660多个市，平均每个市就有1~2台vBRAS。

　　在发达地区，BRAS已经部署到县这一级别。如果按照中国电信的演进思路，每个市的1~2台vBRAS不可再分散到县了，后续vBRAS部署位置必然提高，到市统一部署管理。分布在乡、镇、县数目庞大的OLT（光线路终端）设备不可能直连到市的vBRAS，距离不够，也没有这么多光纤资源，必然存在一个汇聚层。

　　运营商网络，对于设备的可靠性要求非常高，vBRAS作为新型设备在现网的引用只能是逐步试点、逐步展开。因此需要一个汇聚层，把部分业务从传统的汇聚层面分流出来，送到基于网络虚拟化的vBRAS设备来处理，我们称这个分流的汇聚层为城域虚拟化汇聚层。在一段时间内传统的BRAS和vBRAS会并存（见图1），后续演进方向是所有的业务都用vBRAS来处理。

城域汇聚虚拟化解决方案

　　传统的VLAN（虚拟局域网）技术，只支持4K二层广播域划分。为了保护公众用户的隐私和通信的安全，每个用户都需要一个单独的VLAN，4K VLAN对面向公众用户的运营商网络来说是远远不够的，因此QINQ技术，也就是双层VLAN被广泛采用。

　　在实际部署中，外层的VLAN区分各种业务，比如上网业务、语音业务，内层的VLAN区分具体的用户。IPTV是运营商这几年重点投入发展的战略性业务，其无连接、组播特性决定了只需要一层VLAN即可，不区分用户。

　　虚拟化汇聚层做为现有汇聚层网络的逐步演进方向，需要兼容现有运营商网络的QINQ部署方案。虚拟化汇聚层可能要穿越各种二三层交换机、路由设备来部署，需要考虑支持现有复杂的各种层次的网络设备，需要合适的隧道技术来支持实际部署。

　　传统的隧道技术有种种限制，MPLS（多协议标签交换）隧道需要途经设备具备标签交换能力，GRE隧道没有标识二层广播域和设备。

　　VxLAN（虚拟可扩展局域网）技术在诞生之初，作为大二层网络的新技术满足了数据中心大量VM虚拟机的需求，解决VLAN资源不足、二层网络边界限制、租户业务隔离困难等问题。VxLAN报头可以提供24bits的ID来标识虚拟交换域，代替VLAN来区分不同的网段。VxLAN采用“MAC in UDP”二层隧道封装技术，可以基于已有的服务提供商或企业IP网络，为分散的物理站点提供跨越三层IP网络的二层隧道互联，并为不同的租户提供业务隔离。

　　VxLAN的二层隧道封装技术，对途经设备没有太高要求，基于MAC或IP转发都可以。VxLAN的24bits的ID可以标识具体用户，也可以用于标识具体设备，用户的原始信息和QINQ标签都可以得到保留。

　　VxLAN这些优势决定了VxLAN可以很好地支持城域汇聚虚拟化，VxLAN成为当前主流的城域虚拟化部署方案。

城域虚拟化汇聚层的控制平面

　　控制平面有下面这几种具体实现方式。

　　转发面单播地址学习：采用多个单播模拟VNI（VxLAN Network Identifier，VxLAN网络标识符）内广播，包括进行MAC/ARP Learning；优点是组网简单，对Underlay网络无要求，缺点是用单播模拟广播、开销略高。

　　转发面组播地址学习：Overlay网络VNI内广播映射到Underlay组播组，进行MAC/ARP Learning；优点是Underlay组播方式有效节省带宽，缺点是需要转发面支持组播，部署难度大。

　　Openflow集中控制：采用SDN控制VTEP（VxLAN Tunnel End Point）点，集中进行地址学习，下发转发表；优点是VTEP点功能简单，对Underlay也无要求，有利于集中自动化部署业务；缺点是引入集中控制面，额外增加成本，不同厂家的设备和SDN Controller没有互通标准，没法互通。

　　EVPN分布式控制：VTEP点支持BGP EVPN-VxLAN扩展，通告地址学习。目前是标准草案阶段，各个厂家的实现有差别，还不能互通。后续标准成熟了，互通会比较容易。

　　现阶段，我们建议城域汇聚虚拟化部署初期采用转发面单播地址学习，有利于减轻部署试点的难度。后续再考虑不同厂家的互通要求。

城域虚拟化汇聚层的转发平面

　　运营商城域网络由于历史发展的原因，存在各种用户和各种认证方式，城域虚拟汇聚层需要考虑全面兼容现有用户和业务。具体描述如下：

　　●   宽带上网业务

　　无论是PPPoE用户还是IPoE用户，汇聚交换机基于QINQ+PORT分配VNI，做VxLAN的封装，到vBRAS终结。VNI分配由vBRAS统一负责，现阶段手工配置，每个VNI代表一个OLT。vBRAS基于VNI+QINQ做用户定位。

　　●   PPPoE用户

　　PPPoE广播，需要汇聚交换机基于隧道做广播复制，把PPPoE广播报文送到vBRAS转发池的多个转发器；

　　PPPoE组播，汇聚交换机无法解析PPPoE报文，同单播流量封装VNI到vBRAS处理；vBRAS基于用户做组播复制，汇聚交换机不参与复制组播。

　　●   IPoE用户

　　汇聚交换机支持DHCP Snooping over VxLAN，基于隧道复制dhcp广播报文到vBRAS转发池的多个转发器；

　　IPoE组播，汇聚交换机支持IGMP Snooping over VxLAN，把IGMP加入报文放入统一的VNI送到vBRAS，然后汇聚交换机按端口复制组播流量到OLT，OLT基于用户复制组播。

　　●   其他特殊业务

　　基于双Q标签识别业务，汇聚交换机做VxLAN封装，送到远端的vBRAS处理即可。

　　随着运营商的战略转型，城域汇聚层将发生重大的变革，VxLAN做为城域虚拟化主流技术将得到广泛的部署。