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双向有线电视网络SDN架构技术报告(二):软件定义的接入网络

1、融合型双向有线电视接入网络
 
1)总体架构
 
融合型双向有线电视接入网络在架构上把CMTS(双向有线电视网络调制解调器头端系统)核心模块与EQAM(边缘QAM射频调制器)功能融合到了一个单一的物理硬件设备之中。在部署了该架构之后,双向有线电视网络运营商就具备了更大的灵活性:数据信号与电视/视频信号共享使用QAM射频调制器端口,而且还有利于简化双向有线电视接入网络向全IP的迁移转换。
 
融合型双向有线电视接入网络架构涵括了包括DOCSIS 3.0、DOCSIS 3.1、MHA(Modular Headend Architecture,模块化前端架构)、光纤以太网(笔者注:点到点P2P组网)、EPON(以太无源光网络)以及现有的HFC(光纤电缆/同轴电缆混合型有线电视网络)架构,而且还具备接入未来各种新兴双向有线电视接入网络技术的潜力。图1对融合型双向有线电视接入网络设备的功能模块构成进行了总结。

融合型双向有线电视接入网络总体架构
2)技术优势
 
融合型双向有线电视接入网络旨在为设备制造商提供一种全新的设备架构选项:满足双向有线电视网络运营商对双向有线电视网络调制解调器头端系统及边缘QAM射频调制器的高密度部署需求,以解决由“各类窄播型服务的网络数据流量越来越大”所导致的成本与能耗激增问题。
 
融合型双向有线电视接入网络架构的设计用于满足双向有线电视网络运营商的下述五大目标:
 
(1)以更大的下行信道数及上行信道数来满足广大用户的双向网络接入带宽需求;
 
(2)降低每个DOCSIS信道的成本;
 
(3)减小双向有线电视网络前端/分前端的设备占用空间;
 
(4)减小双向有线电视网络数据中心/云数据中心的设备占用空间、并降低整体能耗;
 
(5)进一步简化网络配置管理,以支持在未来几十年内,双向有线电视网络架构将出现的快速变革。
 
3)融合型双向有线电视接入网络的管理与配置
 
对于融合型双向有线电视接入网络设备的管理与配置,有多种技术手段。第一种方式为,对包含融合型双向有线电视接入网络设备所有业务配置细节的XML(可扩展型标记语言)配置文件进行处理。XML配置文件由YANG数据模块产生。此外,融合型双向有线电视接入网络设备的配置也可通过传统的CLI(命令行接口)工具以及RFC 6241文档所定义的NETCONF(网络配置协议)完成。
 
4)分布式的融合型双向有线电视接入网络架构
 
此种类型的架构之中,融合型双向有线电视接入网络的物理层或者媒介接入控制层以及物理层PHY功能被分布式地“下沉”部署到远端网络节点。该架构具有多种组网形式,比如“远端PHY”、“远端MAC-PHY”等,美国有线电视网络实验室已经陆续发布了DCA的多项技术规范与技术报告(笔者注:今年一共正式发布了两份,最近的是2015年6月11日发布的“CCAP OSSI Specific《CCAP运营支撑系统接口规范》”)。
 
C-DOCSIS与DCA的文档均被归类为面向双向有线电视网络宽带接入系统分布式部署、集中式管理的逻辑架构之中。C-DOCSIS技术规范定义了这样一种DCA架构:于远端网络节点部署CMC(Coax Media Converter,同轴电缆媒质转换器)来执行双向有线电视网络调制解调器头端系统的物理层功能,在前端/分前端部署CMC控制器来执行双向有线电视网络调制解调器头端系统的高层功能。
 
2、对融合型双向有线电视接入网络的管理进行抽象化处理
 
双向有线电视接入网络由多类网络设备组成,每个设备均需要进行一定的配置与管理,以便于有线电视网络运营商部署各种业务。为此,软件定义网络技术架构就必须要能支持双向有线电视接入网络中各类传统设备与未来的新兴设备。
 
因此,就需要对双向有线电视接入网络内的基础CMTS/CCAP/分布式CCAP组件及其他网络设备进行功能抽象化处理。CMA(CCAP Management Abstraction,CCAP设备管理抽象)是一种应用框架,将底层CMTS/CCAP部件功能抽象化给软件定义网络控制器,并支持各种新兴的管理与配置协议。此外,部署分布式的融合型双向有线电视接入网络架构时,可以采取具有CMA功能的集中式控制器。
 
3、将网络功能虚拟化技术应用到融合型双向有线电视接入网络
 
美国有线电视网络实验室VNF项目组经过仔细研究后认为,融合型双向有线电视接入网络的各项包/分组处理功能可以被虚拟化并将其运行于虚拟机之中,其中可能会包含媒介接入子层级别的处理功能、DOCSIS调度功能以及QoS(服务质量)功能。如果对CCAP设备的管理进行抽象化,并部署软件定义网络技术,对相关设备的管理,就可以采取与其他分布式架构相同的方式。
 
4、双向有线电视虚拟接入网络的一般术语及概念
 
双向有线电视虚拟接入网络即在现有的双向有线电视接入网络中部署软降定义网络技术与网络功能虚拟化技术,目前正处于早期探索阶段。下文将介绍其中的一般术语及概念(更多是从“网络功能虚拟化”的角度出发)。
 
(1)Centralized Architecture(集中式的网络架构)
 
在CMTS/CCAP架构之中,“Centralized Architecture”所指的是把融合型双向有线电视网络平台的所有功能均统一集成在一个设备之中,所以,也被业界称为“集成式融合型双向有线电视网络平台”。在计算机技术科学术语中,集中式架构里,大部分的计算能力均集中于同一处。大型主机与“云”就是集中式架构的典范。
 
(2)Distributed Architecture(分布式的网络架构)
 
在CMTS/CCAP架构之中,“Distributed Architecture”所指的是把融合型双向有线电视网络平台的所有功能分别部署在位于不同网络节点的设备之中,所以,也被业界称为“分布式融合型双向有线电视网络平台”。在计算机技术科学术语中,分布式架构里,计算能力平均地分布于系统之中。采取路由协议的传统组网方式就是分布式架构的典范。
 
(3)Centralized and Distributed Architectures(集中式+分布式的网络架构)
 
不能将“网络功能集中化”与“网络功能虚拟化”向相混淆。也不能对实施了相关功能的网络架构产生混淆(虚拟化 vs 实体化)。例如,融合型双向有线电视网络平台的物理机框可以集中式地部署于双向有线电视网络的前端或者分前端,而把接入节点分布式地部署于网络远端,从而就形成一种集中式的双向有线电视网络架构——而此种架构并非是对网络功能进行虚拟化之后而产生的。此外,真正的网络功能虚拟化也可以被作为分布式架构的补充——此时,虚拟化的网络功能被“下沉”部署至靠近终端用户的网络位置,因此,又被业界称为“fog computing(雾计算)”。
 
(4)Network Virtualization(网络虚拟化)
 
“网络虚拟化”所指的是在物理连接的底层基础网络之上创建一个覆盖网络(笔者注:内容分发网络CDN、虚拟局域网VLAN、虚拟专网NPN等均是“网络虚拟化”的典范)。
 
(5)Software Defined Networking(软件定义网络)
 
虽然网络业界对于软件定义网络技术还没有准确的定义,但是,这种新兴技术的核心理念始终在于:对网元设备的管理控制平面以及用户数据转发平面进行分离操作(分离程度的大小,没有明确定义,可以灵活实施)。软件定义网络架构中,上层控制器/控制器组通过标准协议(比如Open-flow协议)连接至各个网络设备的数据转发平面接口,从而具备对于网络设备与服务的软件可编程特性。
 
此外,虽然管理与控制平面可以运行于虚拟机之中,但软件定义网络技术并不涉及“虚拟化”。从软件定义网络控制器的角度看,其所管控的各个网络功能既可以是实体化的,也可以是虚拟化的。
 
(6)Virtualization(虚拟化)
 
“虚拟化”的原始定义是对硬件平台的仿真。
 
虚拟化采取软件方式重新定义划分IT资源,以实现IT资源的动态分配、灵活调度、跨域共享,从而可提高IT资源利用率,使IT资源能够真正服务于各行各业灵活多变的应用需求。虚拟化技术将一台计算机虚拟为多台逻辑计算机。在一台计算机上同时运行多个逻辑计算机,每个逻辑计算机可运行不同的操作系统,并且应用程序都可以在相互独立的空间内运行而互不影响,从而显著提高计算机的工作效率。
 
在新兴的NFV(网络功能虚拟化)技术之中,“虚拟化”则主要聚焦于在通用的虚拟硬件平台之上运行各项相关的网络功能。其具备以下两大主要特点:
 
①将网络功能虚拟化从设备供应商专有/私有硬件网络设备中分离出去;
 
②具备在不同虚拟硬件平台之间转移网络功能负载的能力。
 
 
参考文献:
 
[1] CableLabs. SDN Architecture for Cable Access Networks Technical Report [EB/OL].
http://www.cablelabs.com/wp-content/uploads/specdocs/VNE-TR-SDN-ARCH-V01-150625.pdf, 2015-06-25.
 
本文作者为上海情报服务平台兼职情报分析员

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