近年来，随着移动互联网技术的飞速发展，云计算、虚拟化、大数据等技术在信息化领域方兴未艾，基础网络业务部署慢、缺乏灵活性、网络规模受限、专用设备封闭等问题也日益凸显。为了适应互联网业务的发展并积极应对市场竞争压力，相对固化和封闭的运营商基础网络需要向虚拟化、智能化转型。
城域网现实挑战日益严峻
城域网泛指城市范围内提供各种信息服务业务的网络，运营商城域网的网络服务提供点（PoP）是提供网络服务的入口，将家庭宽带、企业互联网访问等流量连接到互联网。传统城域网PoP点由宽带接入服务器（BRAS）、业务路由器（SR）、城域网汇聚交换机等数通设备组成，提供多种业务在城域内的互联和接入，并且保证业务的安全性和服务质量。
在传统城域网络中，数通设备成本高昂，能力和位置固定，存在控制和转发能力不匹配、扩展性较差、管理运维难度大、资源利用率不均衡、扩容成本高昂等问题，难以满足快速、灵活、弹性的互联网业务发展需求。
就城域网业务控制层设备BRAS而言，目前主要存在以下3方面问题。
● 业务备份能力差
BRAS部署在网络边缘，不易做备份，为减小故障的影响面，通常单台设备只带少部分用户，导致BRAS的平均利用率不高，同时BRAS出现故障后无法自动实现切换，也增加了维护压力。
● 业务灵活性差
BRAS设备硬件独立、扩展性较差，设备能力提升需要通过硬件的更新换代来实现，无法实现平滑扩容；实际扩容受限于槽位数和板卡的能力，扩容成本高；异厂家BRAS设备完全不兼容，同厂家不同平台的BRAS设备也不兼容，扩容限制条件较多；新业务开通周期长、支持能力较弱，比如在BRAS上支持NAT等增值业务，需要增加额外的硬件板卡。
● 设备分散，无法池化
BRAS/SR在网络中的位置逐渐下移，部署分散、设备数量众多、资源分配不均存在浪费，不利于集约化管理。而且每一个BRAS设备都是独立的系统，实际使用中需要对每台BRAS单独配置大量而复杂的用户策略，缺乏统一管理控制平台，管理运维复杂。
为了应对互联网业务需求，逐步解决基础网络问题，城域网智能化和虚拟化的转型需求越来越迫切，SDN和NFV技术作为城域网支撑转型的关键技术，成为网络革新的关键。
城域网需转向虚拟化、智能化
NFV技术引入城域网后，城域网的专用设备可以采用“通用x86服务器+功能软件”实现虚拟化，比如在服务器虚拟机上运行相应的软件模块来实现BRAS等专用设备功能。采用虚拟化的设备替代专用物理硬件设备，部署灵活方便，只需要在通用的硬件设备上部署软件模块，而且虚拟设备集中池化部署可以构建资源池，实现资源的集中控制和管理调度；在业务能力方面，利用软件的优势，通过添加增值业务模块就可以实现新业务的快速引入。
SDN技术引入城域网可实现转发和控制分离，虚拟转发设备只负责数据包的转发，控制和管理则统一通过虚拟网元设备的管理软件（VNFM）进行，实现虚拟网元设备的自动部署和统一的配置加载。通过实时监控网络以及资源使用情况，集中控制和调度资源，还可以实现资源弹性共享和弹性伸缩，从而实现业务的灵活编排和自动运维。
从网络架构发展方面来看，城域网的虚拟化转型需要逐步演进。城域网的虚拟化主要是网络中专用设备的硬件和软件解耦，采用通用的x86服务器、存储、交换设备和功能软件代替原有软硬件一体的专用设备。
vBRAS商用产品架构主要有3种
当前专用城域网网元设备虚拟化的转发面与控制面分离的实现方式已经基本清晰，但是由于产业进度不一致以及相关标准化工作不成熟，虚拟化架构未能统一。就BRAS设备而言，虚拟化后功能模块可分为管理模块、控制模块和转发模块，由于厂家设计方案的差异，目前vBRAS商用产品的架构主要有以下3种。
● 架构1为独立的VNFM和控制转发一体化模块；
● 架构2为VNFM、控制模块和转发模块三者独立；
● 架构3为独立的VNFM和控制模块，转发模块借助于硬件设备实现。
当前vBRAS的3种架构在一定程度上实现了网元功能的虚拟化，但是这种虚拟化具有一定的局限性，如vBRAS在一定程度上仍然可以视为封闭系统，独立的VNFM管理模块由于接口和协议的限制，被单厂家绑定，丧失了软件特有的灵活性和开放性，也不利于远期vBRAS资源池化实现；架构1中控制和转发层面仍然是一体化设计，并未实现转控分离,不利于与SDN技术的融合；架构2和3虽然实现了转控分离，但是架构2中控制面和转发面的扩展必须成对进行；架构3中的转发面仍是用硬件设备实现，因此在弹性扩缩容方面缺乏灵活性。
从远期看，随着城域网网元虚拟化的不断演进，vBRAS应该形成统一的标准架构。多厂家vBRAS资源形成大资源池，资源池中每个vBRAS控制模块和转发模块分离，控制模块向上采用标准的协议和接口对接管理模块，vBRAS资源池受VNFM管理模块的集中控制、统一管理和灵活调度，控制模块与转发模块可分别按需实现弹性扩缩容，保证资源池的高可靠性和扩展性。城域网设备BRAS虚拟化的近期和远期架构如图1所示。
图1 城域网设备BRAS虚拟化的近期和远期架构
将城域网的虚拟网元设备运用到实际网络的过程中，还需要结合SDN技术，进一步实现城域网的智能化发展。虚拟网元的资源池化管理和调度以及扩展性和灵活性的体现离不开应用平台和控制器的控制管理。
在实际部署中，城域网部署vBRAS设备或者是资源池，其管理平台还需要部署集中控制和管理平台，包括城域网PoP点应用平台APP、SDN控制器和VNFM。基于SDN和NFV技术的城域网架构可以实现vBRAS等资源的自动开通和部署，对外可以在应用平台上进行业务的创建和开通，底层映射到SDN控制器和虚拟网元管理模块VNFM完成设备的部署和配置的自动加载。通过应用平台集中监控城域网网络和资源情况，可以实现vBRAS等资源的动态分流和弹性伸缩，对外可以在应用平台上结合用户指定的资源调度策略，底层映射到SDN控制器和虚拟网元管理模块VNFM按需完成资源的增加或减少，以及业务流量的动态调整。借助于新型城域网架构，还可以实现一些特殊需求的增值业务，如基于应用平台自动进行用户和业务区分，提供智能提速等增值服务；利用vBRAS设备还可以实现个性Portal推送等定制化服务等。
另外，结合VxLAN等隧道技术，通过新增隧道接入点(VTEP)可以实现多区域跨点资源共享，从而形成大城域网的资源共享和统一调度。通过业务链技术，可以实现POP接入、防火墙、DPI、CDN等业务的灵活选择和定制。引入SDN和NFV技术的新型城域网架构如图2所示。
图2 引入SDN和NFV技术的新型城域网架构
城域网转型测试实践
为了推动城域网虚拟化和智能化转型，中国移动研究院对业界vBRAS产品进行了实验室测试，推动了vBRAS产品功能完善与产品链成熟。测试围绕基本路由功能、用户接入功能、认证计费功能、QoS限速功能、VNFM管理功能、故障切换功能以及vBRAS产品性能等7个方面展开。
测试结果表明，vBRAS设备实现了传统BRAS设备在用户接入认证管理等方面的基本功能，基本可以满足现网需求；单台服务器的性能方面与传统硬件设备相比仍有较大差异，但可以通过扩展方案提升整体系统性能的不足；各厂家设备在相同硬件平台上的性能表现也有差异，主要受产品设计、平台加速以及性能优化等技术的影响。
通过测试，我们发现vBRAS商用产品基本可以满足现网需求，但在VNFM管理功能以及设备性能和可靠性方面仍需改进和完善。测试也显露出，当前vBRAS产业链的现状——中小厂家在vBRAS商用化方面进展较快；大厂家灵活性不足，vBRAS产品功能支持度较落后。
2015年中国移动已在部分省份进行了vBRAS现网测试，对vBRAS设备实际应用于现网进行了验证。2016年中国移动将继续推动vBRAS设备用于城域网，进一步进行方案验证，验证方案具体包括vBRAS代替传统物理BRAS设备进行PoP点虚拟化，以及结合VxLAN技术进行跨PoP点的资源共享。
结合实际业务需求，我们发现vBRAS设备功能和性能方面仍有可以提高的空间，例如虚拟设备管理模块VNFM仅具备基本管理控制功能，其他诸如业务信息展示等功能还有待完善；虚拟网元设备的高可用性需要增强，当前故障倒换时间高于基于双机热备的传统专用设备；结合SDN技术实现虚拟网元的弹性伸缩自动化功能需要进一步完善。
vBRAS现网验证方案如图3所示。
图3 vBRAS现网验证方案
构建智能化管道机遇与挑战并存
城域网PoP点作为用户接入和认证、流量汇聚和控制的关键点，是提供网络服务的入口，对运营商而言更是实现管道智能化的最佳平台。因此，引入SDN和NFV技术有利于城域网改造升级、智能化、虚拟化的转型，构建一个资源弹性、业务丰富、灵活定义、稳定可靠的弹性PoP资源池将是下一代城域网的发展方向。
将NFV和SDN技术引入城域网具备可行性和必要性，但也面临着许多挑战，在资源整合和集中管理以及虚拟化设备性能提升方面还需要进一步的研究和探讨。中国移动将继续通过研究和实践工作，与产业链相关单位通力合作，逐步推进城域网乃至整体网络的网络架构和管理模式的发展。 
