典型的宽带IP城域网分成核心、汇聚以及接入三个层面，作为用户接入网络与核心骨干网络之间的桥梁，可以用来承载宽带、互联网专线、IDC、移动互联网和其他(如WLAN及网管)不同的业务，典型的连接型IP城域网架构如图1所示。
为应对互联网流量冲击，宽带IP城域网长期以来采用网络不断扩容和粗放式经营模式，通过网络轻载以及扁平化建网策略，为不同用户/业务提供不同QoS等级的差异化服务机制。随着互联网业务已经成为网络流量的主体，互联网业务已经从简单的网页浏览，不断丰富到高速下载、高清视频、在线游戏、电子商务、金融交易等，业务类型不断细分，不同业务对网络质量要求差异化也更加明显，当前粗放式经营的宽带IP城域网无法满足管道智能化、运营差异化、能力开放化的新型宽带服务需求。
图1 传统连接型城域网架构
SDN的出现提供了一种最开放、灵活和可持续演进的创新架构，其核心技术是通过将网络设备的控制面与数据面分离，从而实现网络流量的灵活控制，为网络及应用的创新提供良好的平台。SDN是计算虚拟化后为适应云计算网络虚拟化的需求而发展起来，是ICT产业软件化的的趋势体现。将SDN应用于城域网中能够解决目前城域网中出现的业务控制层瓶颈，降低CAPEX、OPEX，简化运营和维护，支持弹性伸缩，减少TTM等。
宽带城域网亟需引入SDN/NFV
宽带接入及终端侧的需求
现有固定宽带业务与宽带接入方式以及接入终端之间强耦合，不但导致新业务部署复杂，而且家庭网络组网复杂，导致故障率高。不同业务终端在家庭内部的组网需求迫切，家庭网关已经成为IP城域网络的延伸以及家庭业务接入第一入口，现有桥接性网关已经无法满足智能化、开放化、虚拟化的需求。此外，二层资源紧缺，FTTx海量的站点管理也为网络建设和维护带来了新的挑战，迫切希望实现宽带接入网络节点的可视、可管、可定位。
引入SDN/NFV、VxLAN、QINQ等技术，可实现二层资源的极大扩展，实现城域网大二层架构，提高设备利用率，降低维护配置复杂性，解决目前城域网二层资源告罄的问题，帮助城域网业务控制层实现高度收缩、资源池化、POP整合等目的。
城域汇聚及业务控制层需求
为降低各类业务对网络设备的压力，城域网的业务路由存在多逻辑平面和多边缘部署方式，BRAS设备主要根据地域用户覆盖采用分布式部署方式，各设备独立运行和维护，地址资源规划复杂，存在网络可靠性差、设备资源利用率低且不均衡、运维成本高等一系列问题。此外，BRAS设备多为厂家封闭式系统，新业务上线慢，与业务系统对接复杂，支持新特性的设备软件版本开发周期长，新特性的部署周期长。
为满足网络智能化运营需求以及少数特殊业务承载需求，除了传统城域BRAS设备以外，还增加了包括CGN、防火墙、DPI、CDN等不同的增值业务网络功能节点，这些设备功能和应用场景局限、部署分散、性能提升较慢、价格居高不下，对运营商而言性能价格比较低。以粗放式网络带宽出租运营为主，导致网络建设与承载业务割裂，设备软硬件耦合度很高，网络能力封闭，业务升级速度慢，无法灵活有效提供宽带增值业务以及端到端的宽带管道精细化运营。
引入SDN/NFV技术，可实现BRAS/SR设备的软件化和虚拟化，并实施POP点的收缩归并，实现业务控制层软硬件解耦；在目标架构基础上引入SDN技术，可实现控制和转发分离、强化控制能力、提升转发效率、引入业务链、增强网络能力开放、解决城域汇聚及业务控制层的问题。
城域核心层的需求
随着云计算、大数据业务的发展，互联网客户需求的增加等因素将拉动城域网流量增长。城域网核心路由设备一方面对接骨干网业务资源，另一方面对接本地IDC业务资源，主要存在城域网核心路由器(CR)出口流量不均衡、大流量突发现象频发、部分本地化流量绕转到外网IDC访问等问题，无法实现针对业务资源分布以及用户访问行为的智能流量调度策略。
通过引入SDN，城域网路由反射器进行虚拟化及SDN改造，增强路由反射器对整体路由信息的控制能力和流量智能调度能力，可解决城域网核心路由器层的流量优化问题。
基于SDN/NFV的BRAS架构及关键技术
SDN本身不仅是一种具体技术和协议，还是一种网络创新架构；NFV实现业务功能与专业硬件解耦，促进业务功能重组，实现层级化部署。基于SDN/NFV的vBRAS的引入，为运营商网元和网络重构带来机会，但也带来巨大挑战，需要验证当前vBRAS的功能与性能，掌握vBRAS设计架构及业务实现流程；需要评估vBRAS对传统BRAS业务承载能力，是否可在现网部署与应用；需要探索vBRAS的部署模式，评估对现有网络的影响。
vBRAS设备形态
当前vBRAS的产品情况仍未完全成熟，厂家仍处在研发阶段。当前vBRAS的设备形态有两种方案，一种为局部虚拟化方案，另一种为完全虚拟化方案。
图2 vBRAS设备形态方案
局部虚拟化方案中，控制面虚拟化，转发面采用传统路由器承载。
完全虚拟化方案分为4个阶段，如图2所示。
阶段1：软化方案，基于服务器架构实现软硬件解耦；
阶段2：虚拟化方案，通过虚拟机架构承载业务，资源隔离，可实现动态迁移；
阶段3：云化方案，计算、存储、网络资源统一调度，业务统一编排，自动弹性伸缩；
阶段4：SDN化方案，分解业务功能模块化，若干业务功能集成为网络功能；
当前多数厂家产品处于阶段3和阶段4，向着云化和SDN化方向演进。
从现网BRAS和vRBAS对比来说，vBRAS和传统BRAS性能参数对比分析，见表1。
表1 vBRAS和传统BRAS性能对比分析
可见，vBRAS在性能上单机转发能力弱，多机并行处理能力强，不存在控制平面的瓶颈，而传统BRAS硬件转发能力强，控制平面资源有限，存在瓶颈，结合设备的扩展性、灵活性以及标准化等综合考虑，vBRAS符合未来的技术演进方向。
基于SDN/NFV的vBRAS城域组网架构
基于SDN/NFV的vBRAS城域组网将以宽带网络创新业务为牵引，全面带动网络设备、IT资源池、管理和控制平台等基础服务设施的向SDN/NFV的全面迁移，重新构建现有宽带网络业务体系和支撑体系，引入互联网思维，基于端、管、云协同来进行迭代式的联合创新，实现网络服务云化。
基于SDN/NFV的vBRAS城域组网架构如图3所示。
图3 基于SDN/NFV的vBRAS城域组网架构
硬件层：整合传统BRAS/SR设备池和x86服务器群在保护既有的投资基础上，控制层硬件逐步向x86公共硬件架构演进，而转发层硬件将逐步由传统路由转发架构和x86架构向基于队列转发的新型高性能转发设备方向演进。
虚拟层：统筹调度x86硬件资源，为vBRAS提供云化操作环境。
网络功能虚拟层：实例化的vBRAS，实现软硬件解耦、弹性扩容。
SDN控制器：在vBRAS实例化的基础上提取控制信息，共管传统BRAS/SR，并与传统控制平台进行整合，形成SDN集中控制单元，主要负责IP POOL、策略控制、AAA、DNS等传统用户及业务控制功能以及新的用户和业务等管理功能等。
网络资源协同控制及网络能力开放层：采用统一化的SDN/NFV基础环境，提供全面的宽带网络能力开放，聚合产业应用，搭建宽带联盟应用商城，开展生态运营。
vBRAS关键技术
· vBRAS云化设计
在ETSI NFV ISG的推动下，目前vBRAS正在由软化阶段向云化阶段演进，软化方案由多台服务器组成软化的vBRAS群，每台服务器包括若干个vBRAS，vBRAS软化方案存在一些不足，比如软化方案对外呈现大量网元，弹性伸缩后周边配套服务器需要重新配置，弹性伸缩依赖控制器配合支持等。
图4 vBRAS软化方案
而vBRAS云化方案由若干个服务器云化对外组成一台vBRAS，控制转发分离，控制转发弹性伸缩，以此克服vBRAS软化的不足，对外呈现较少的网元，弹性伸缩对周边配套服务器不可见，弹性伸缩也不依赖控制器，更适合在云化数据中心中部署。
图5 vBRAS云化方案
· vBRAS自动弹性伸缩
自动弹性伸缩是vBRAS的关键能力，根据负载情况动态扩展资源，创建和回收vBRAS，基于CPU、利用率、用户数、转发容量等自动负载均衡算法，实现MANO自动感知调度系统，资源动态均衡，业务无感知。自动弹性伸缩较原来传统BRAS软硬件一体的方式，能够最大限度地提升硬件资源的利用效率。
vBRAS自动弹性伸缩流程如图6所示。
图6 vBRAS自动弹性伸缩，资源动态均衡
①理员在MANO上配置负载阀值和业务策略；
②vBRAS将负载情况实时上报给MANO；
③MANO判断负载阀值，驱动vBRAS的scale out动作，创建新的VM并打通其与基础网络的通讯通道；
④从EMS可以看到vBRAS在scale out之后性能提升。
· vBRAS可靠性设计
vBRAS的可靠性设计将继承传统BRAS的可靠性技术，比如Trunk、双主控和双机热备等，同时将传统的可靠性技术应用到云环境，以应对VM故障、服务器故障、机架故障和机房故障等，尤其是基于云的特点，vBRAS提供VM级的故障自愈，自动恢复技术。
通过MANO自动创建新的VM，取代故障VM，始终保持双主状态，无需人工干预。基于VM的故障自愈流程为STEP1:正常状态；STEP2:主控VM故障，备控VM升主；STEP3:启用服务器3，重新恢复双主状态。
STEP1
STEP2
STEP3
图7 vBRAS VM级别的故障自愈
vBRAS引入思路及演进步骤
在IP城域网的层次结构中，城域业务控制层位于宽带接入层和城域核心层交汇处，承上启下，BRAS设备作为城域业务控制层的重要网元，不仅作为宽带用户接入网络的锚点，同时也是运营商电信级业务的接入控制点，BRAS设备是IP城域网由简单的因特网接入网络向电信级业务可运营的城域网络转型的关键。
城域网vBRAS引入整体思路
城域网引入SDN/NFV，BRAS设备首当其冲，但由于其复杂性及重要性，vBRAS的引入将是分阶段、分步骤的，不能一蹴而就。
业务控制层vBRAS改造整体思路：引入NFV技术，实现BRAS设备的软件化和虚拟化，以边缘DC为载体，实现业务控制层软硬件解耦，同时实施POP点的收缩归并，实现城域网由边缘DC和区域DC为中心的目标架构；在目标架构基础上引入SDN技术，实现vBRAS控制和转发分离，同时结合物理BRAS池化组网，达到物理BRAS和vBRAS虚实组网和共管，强化控制能力，提升转发效率；最后结合NFV管理平台和编排体系，结合SDN控制器，实现端到端网络资源的协同控制，业务链编排以及网络能力开放，解决策略控制瓶颈问题以及带宽经营、宽带业务创新等问题。
城域网vBRAS引入步骤
业务控制层vBRAS的引入是城域网SDN/NFV改造的关键，可以分成以下3个阶段。
· 阶段1：以典型业务场景为基础，引入x86架构体系的NFV BRAS，促进硬件通用化和功能虚拟化，在公共硬件基础上部署vBRAS等产品，基于虚拟化推动边缘DC和区域DC的重塑。
· 阶段2：利用NFV虚拟层的能力，统筹调度BRAS池和vBRAS x86设备池，在vBRAS的基础上提取控制信息，比如IP POOL、策略控制、AAA、DNS等传统控制功能以及新的产品及业务控制功能，形成SDN控制单元，形成网络对用户及业务的感知和控制能力。
· 阶段3：NFV管理平台及编排体系建设，新建业务编排器，结合SDN控制器，在城域网引入业务链，同时开放网络能力，实现网络能力的编程和调用，结合业务链的业务自动化，灵活开通服务，实现网络设备的端到端控制和业务灵活编排引入。
城域网SDN/NFV化带来的思考
城域网电信业IT化，利用NFV和云计算的方式构建统一的硬件资源平台，利用SDN和网络虚拟化，构建统一的网络资源平台，并且从少量特种应用领域逐步转向关键网元领域；网络设备硬件统一标准化采购，另外采购软件及必要的服务，用户自己掌握SDN控制器和可灵活定制的业务逻辑。以上已经成为城域网SDN化发展的趋势。但是城域网当前引入SDN面临许多问题，值得我们深思。
SDN/NFV标准还不成熟，NFV的标准化完成了阶段1工作，定义了框架，但流程还存在争议问题，目前正在做阶段2的工作，强调开放、互操作和具体实现，着手制定强制性标准。SDN的标准也在进行中，各大标准组织和开源社区成为推动技术成熟的主要方式，运营商需要考虑控制器的知识产权以及SDN和NFV的接口标准化问题。
未来的SDN网络控制器将成为网络的大脑，运营商需要占据主导权，否则将失去与应用方合作的能力，同时也失去对网络的主导力。
SDN技术还有待成熟，具体表现在：首先，组网性能有待提高，如何提高SDN控制器的运算效率和处理能力，提高转发面的转发能力；其次，集中控制算法有待解决，在大规模网络节点中的接种控制算法、拓扑信息和资源状态采集方法有待实现；最后，虚实组网演进，在分场景分区域引入SDN和NFV时，虚拟网元和物理网元、运营支撑系统之间并存、互通以及协同等有待解决。
总之，SDN/NFV提供了一种最开放、灵活和可持续演进的新架构，为解决传统网元和网络架构的诸多问题提供了一种最根本的手段和最佳的重构机会，SDN/NFV落地城域网值得期待。 
