虚拟化技术在IP城域网优化中的应用研究

爱卫生

周振勇

摘要：随着宽带IP城域网规模的不断扩大，对IP城域网的优化已显得非常重要。针对目前IP城域网中存在的问题，提出了引入“虚拟汇聚层”的优化网络结构，并对虚拟化技术在优化中的应用进行了研究和探讨。

关键词：虚拟化技术，IP城域网，优化

电信运营商的宽带IP城域网经过十多年的建设，已经具备相当的规模。特别是近几年，宽带业务发展迅猛，宽带用户数快速增加。为了适应业务发展的需要，中国电信、中国联通、中国移动每年都在不断地对宽带IP城域网进行扩容建设。由于IP城域网建网时间较长，设备种类繁多，设备支撑能力参差不齐，网络结构复杂，随着近几年FTTH的大规模建设以及IPTV等视频类业务的开展，上网流量急剧增长，网络结构需要不断优化。目前，随着虚拟化技术的发展，大容量的虚拟交换机产品已经成熟，在IP城域网中的应用已经成为可能。本文将对虚拟化技术在IP城域网优化中的应用进行研究和探讨。

1  IP城域网现状

目前，国内各大运营商的IP城域网结构都很类似，主要包含核心路由层、业务控制层、宽带接入层(含汇聚和接入)等三个网络层面。各层面根据业务需求分别部署核心路由器(CR)、业务路由器(SR)、宽带接入服务器(BRAS)、汇聚交换机、接入交换机、光线路终端(OLT)、光网络单元(ONU)等设备。具体拓扑如图1所示。



图1  IP城域网网络结构示意

1.1  核心路由层

IP城域网核心路由层主要负责高速转发城域网的各类进出流量。出口路由器分别与公用IP骨干网(主要承载一般的互联网流量)及专用IP骨干网(主要承载运营商自有业务流量如VPN、3G中继电路等)的互联。此外，根据传输资源及业务规模等情况，部分节点也设置了汇接路由器对城域网流量分片区进行汇聚。

1.2  业务控制层

业务控制层主要实现对用户及流量的控制和管理，由SR及BRAS组成，覆盖到主要的汇聚节点，以提供更好的业务开放能力。

1.3  宽带接入层

宽带接入层包含LAN、xDSL、GPON、EPON等多种接入方式，形成了一个覆盖广泛、接入方式多样化的宽带接入网。

目前，大型城域网的POP点结构大致有以下3种类型(见图2)：

(1)PPPOE上网类流量和专线VPN类流量分离：BRAS同时接入PPPOE类流量和专线VPN类流量，通过不同的端口或链路捆绑组实现分离。

(2)3类城域网汇聚局(汇聚交换机组网角色)：A类汇聚交换机(HJSW)完全扁平化直连BRAS/SR；B类HJSW PPPOE链路扁平化，VPN专线有通过A类SW转接的主用/备用链路；C类HJSW二级汇聚。

(3)3类POP点组网模型：PPPOE类流量和专线VPN类流量(负载分担/冷备份)，基本实现两类流量的双通道备份和保护。

目前组网模型主要存在的缺陷有：

(1)汇聚交换机设备存在单点故障；

(2)业务控制层面的保护效果不好，万兆链路故障，手工切换，存在流量溢出等；

(3)在推行的二层扁平化中，OLT设备直挂BRAS存在大量的BRAS端口需求，投资大(因BRAS端口较贵)，初期BRAS端口利用率不高，不够经济；随着OLT实装率提升、网格调整导致的OLT流量的变化等上联端口频繁扩容难度大，链路可扩展性差。

图2  E-UTRA控制面协议栈

2  虚拟交换机相关技术

随着虚拟化技术的发展，虚拟交换机产品已经成熟，在云数据中心建设中已开始逐步应用，但在IP城域网中的应用还很少，IP城域网中应用的还大多是传统的二三层交换机。本节将对虚拟交换机产品的相关技术作个简单介绍。

虚拟交换机与传统的交换机相比，由于采用了虚拟化技术，具有多虚一、一虚多的功能，使得产品在组网方面具有更大的灵活性和方便性(图3)。

图3 虚拟交换机示意

通过横向虚拟化技术，可以将多台设备“横向整合”成一个“联合设备”(图4)，并将这些设备看作单一设备进行管理和使用。多台框式设备的整合相当于增加了槽位，虚拟化整合后的设备组成了一个逻辑单元，在网络中表现为一个网元节点，与传统的网络设计相比，具有以下优势：

(1)消除二层网络环路问题，避免部署复杂的生成树协议(STP)。

(2)通过跨设备的链路聚合技术提高带宽利用率，减少设备端口数。

(3)进一步提高可靠性。虚拟化能够优化不间断通信，在一个虚拟交换机成员发生故障时，不再需要进行L2/L3重收敛，能快速实现业务倒换，保护倒换时间从2～4s降到50
ms以内。

(4)运营管理简化。虚拟化的设备逻辑上是一台，作为一个网元设备进行管理配置，降低了管理复杂度。

图4  横向虚拟化功能示意

3  虚拟化技术在IP城域网优化中的应用

为了解决目前IP城域网存在的问题，可以考虑在汇聚层引入使用虚拟交换机，优化网络结构。现在，中国电信已有个别城域网在做试点，从试点测试反馈情况来看，优化设计效果明显。具体优化方案如图5所示。

3.1  引入“虚拟汇聚层”

新增2个交换机框虚拟成1台逻辑主机，作为城域网的虚拟汇聚层，使用高带宽端口(如：万兆端口)上联业务控制层设备。

通过虚拟汇聚层统一汇接、调度、收敛接入流量，简化业务控制层的接入复杂性。

3.2  业务控制层规划

(1)组网接口逻辑化。将BRAS下联端口进行基于业务的逻辑化标识，屏蔽物理接口的变动对于业务层的影响，减少链路变动对于资源和业务开通系统的影响，提高网络管理和业务开通的便捷性。

(2)BRAS/SR的下联端口规划为两类捆绑端口，分别接入PPPOE和专线VPN，捆绑端口分别与不同虚拟交换机的物理机框对接。

(3)汇聚层提供跨机框的保护。业务控制层同设备和不同设备间提供不同捆绑组间的业务备份和分流。

3.3  接入汇聚局规划

部分局点取消设置接入汇聚交换机，OLT等接入设备通过多链路分别与虚拟交换机的不同机框对接做链路捆绑，其他业务直接接入虚拟汇聚交换机。

该优化方案具有如下优点：

(1)形成统一简洁的组网架构。虚拟汇聚层屏蔽各类接入模式的复杂性，使业务控制层成为类似资源池的模式，业务控制层能力扩充的可操作性和可扩展性增强。


(2)网络更加安全。提供POP点二层汇聚的跨框、跨槽位保护，解决大业务量接入汇聚交换机的单机故障问题，业务控制层资源可分离为2类多组的逻辑链路，流量调度、链路扩容更安全、快速。

(3)投资更有效。收敛效果提升，明显减少业务控制层下联端口的投资，可充分利用现有端口资源(作为捆绑成员加入2类业务组)。

(4)维护更便捷。网络层次更清晰，业务控制层需要关注的控制点减少，汇聚层网元数归并减少，老旧机型退网更方便，整体功耗下降，有助于实现节能减排。

图5  IP城域网优化后结构示意 4  结语 随着宽带IP城域网规模不断扩大，对IP城域网的优化已显得非常重要。本文针对目前IP城域网中存在的问题，对虚拟化技术在优化中的应用进行了探讨，提出了引入“虚拟汇聚层”的网络结构，供相关技术人员参考。 作者简介：周振勇，华信邮电咨询设计研究院有限公司网络规划研究院副院长总工程师。

《现代电信科技》2013年第04期