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双向有线电视网络SDN架构技术报告(五):应用场景

1、引言
 
软件定义网络技术架构如何使能、配置并管理双向有线电视宽带接入网络的诸多业务工作流程/应用场景?本文将对此进行探讨。
 
这对上述关键问题,本文将主要就以下的七大双向有线电视宽带接入网络应用场景进行探讨:HSD(High Speed Data,高速数据)业务、L2VPN(Layer 2 Virtual Private Network,第二层虚拟专用网络)、TPIA(Third Party ISP Access,第三方ISP接入)、合法侦听、语音通话、DSG(DOCSIS Set-top Gateway,DOCSIS机顶网关)以及IPTV。
 
所采取的方法是:先对上述六大类型业务的现行工作流程进行研究;然后探讨如何通过软件定义网络技术来简化各种流程,以减小设置时间,并避免出现各种不期而至的错误;在上述研究的基础上,探讨如何在相关业务工作流程中引入一定水平的软件可编程性。此外,还汇集了各网络部件之间互相交换的信息,以研发相关的信息模型,并以UML(通用标记语言)表的形式进行获取。
 
如果从网络管理的角度而言,软件定义网络控制器在很大程度上将可代替现有的网元管理功能以及部分的网络管理功能,但是,却仍然以服务及业务的逻辑运行。
 
在双向有线电视宽带接入网络的很多应用场景之中,软件定义网络控制器将扮演的角色均在于:形成一个通用的服务定义(比如:为用户提供100 Mbps的宽带接入服务),并将其转换为与设备相关的配置。例如,在采取DOCSIS标准的双向有线电视宽带接入网络之中,软件定义网络控制器发出一个创建通用服务的请求(100 Mbps的宽带接入速率),并将其转换为含有“维持100 Mbps宽带接入速率”信息的DOCSIS业务流、包含其他DOCSIS特定参数的上行业务流。
 
2HSD应用场景
 
对于双向有线电视宽带接入网络用户而言,HSD(高速数据)是一种最为普遍的服务。其中,CSR(Customer Service Representative,客服人员)收集用户与设备的信息,并将其录入到BSS(业务支撑系统)以及OSS(运营支撑系统)之中。现有的HSD业务工作流程中,客户人员充当广大用户与诸如BSS/OSS系统等网络组件之间的“中间人”角色。
 
而如果将软件定义网络控制器应用于HSD业务工作流程,用户就可以不再需要客服人员的帮助,而是通过web门户进行自助式服务。相关的web门户把用户输入的信息录入数据库,并在第一时间将其提供给BSS/OSS系统。然后,BSS/OSS系统对用户的请求信息进行翻译/转换,再向软件定义网络控制器发出设置CMTS与CM等相关网络组件的指令,以完成对相关服务的提供。此过程中,整个业务设置流程所需的信息如表1所示。
 
基于软件定义网络控制器的HSD业务工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
购买CM设备
 
N/A
CM初始化、DHCP、
CM注册、CM MAC
及IP注册
CM能力;
基本CM配置
CM MAC地址;
CM IP地址。
静态
DHCP(CPE)
CPE MAC及IP注册
 
分配IP地址或IPv6前缀;
CM MAC地址索引、CPE MAC地址索引。
动态
提供用户的订阅等级
 
业务模板
 
更新服务水平
 
业务ID vs用户ID:CM MAC;
业务等级:转换为DOCSIS的QoS参数;
用户管理:Max CPE、IP地址的最大数量;
来自CM配置文件的SNMP、分类器、业务
链、UDCs等;
其他杂项参数;
业务属性。
动态
输入HSD服务请求;
输入设备ID;
用户验证。
CM MAC;
账号;
支付信息。
 
 
更新CM上的服务;
激活HSD业务。
DOSIS特定
参数;
信道数量最大
数值。
 
动态
 
3L2VPN应用场景
 
双向有线电视宽带接入网络的L2VPN(第二层虚拟专用网络)业务主要面向企业客户提供,用于相关企业在各地的分支机构之间的相互通信。
 
目前,如果要开通一项新的L2VPN服务,需要双向有线电视宽带接入网络客服人员向BSS/OSS系统录入用户的相关信息。网络工程师在收到相关信息后,就对NSI(网络侧接口)路径进行配置,并创建出相关的配置文件供相应的各CM终端设备下载。
 
上述工作流程中所存在的主要问题是,其两大过程(分别是:对于位于网络核心/边缘侧的伪线的配置、对位于接入网络侧的CMTS的配置)是存在差异的,就造成了这样的不便:(1)由于不同部门的响应时间不同,就存在等待时间较长的可能性;(2)由于对数据的交换是由人工操作的,就容易出现错误配置的情况。
 
而如果将软件定义网络控制器应用于L2VPN业务工作流程,就可以实现系统对网络两侧的配置进行协调/编排,而且是全自动化过程,无需人工干预。
 
此时,企业客户也将可通过web门户进行自助式服务。相关的web门户把用户输入的信息录入数据库,并在第一时间将其提供给BSS/OSS系统。然后,BSS/OSS系统对用户的请求信息进行翻译/转换,再向软件定义网络控制器发出在网络侧接口处配置L2VPN路径的指令,以完成对相关服务的提供。此过程中,整个业务设置流程所需的信息如表2所示。
 
基于软件定义网络控制器的L2VPN业务工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
订购L2VPN服务;
订购准入与批准。
用户合同/计费;
信息/技术;
电路位置;
带宽;
服务水平协议;
MAC地址
N/A
提供电路参数
 
CM MAC地址(一方或两方);
CMTS MAC地址(一方或两方);
服务类型(EPL、EVPL等);
冗余/保护。
动态
于网络接口侧配置
L2VPN路径;
配置业务参数;
封装。
电路ID;
终点IDs;
网络拓扑;
用于核心交互的
BGP(边界网
关路由)信息。
网络接口侧下一跳/路径设置;
面向CM的L2VPN封装;
封装类型(VLAN、MPLS等);
标记(对应用进行配置或自动分配);
L2VPN业务功能参数;
业务参数:转换为DOCSIS的QoS
参数及分类符;
用户管理:Max CPE、IP地址的最大
数量;
其余CM参数。
 
配置业务流
DOSIS特定参
数;
信道数量最大
数值。
业务模板
动态
 
4TPIA应用场景
 
CRTC(Canadian Radio-Television and Telecommunications Commission,加拿大广播电视与电信委员会)发布了一项强制要求加拿大宽带网络运营商(其中也包括双向有线电视宽带接入网络运营商)面向第三方宽带零售商提供Internet接入服务的政策,以打破固定宽带接入网络市场的垄断、提高市场的竞争性,为消费者们提供更大的选择余地。这就是TPIA(第三方Internet接入)模式。该模式之中,宽带零售商无需进行太大的网络基础设施投资即可为用户提供Internet接入服务,因此又被称为“虚拟宽带服务提供商”。
 
图1所示为某个双向有线电视宽带接入网络运营商为三个宽带零售商提供Internet接入服务的系统架构。
 
 
虚拟化的网络拓扑
 
在现有的TPIA业务开通流程之中,需要商务团队与工程团队自始至终进行密切协作。
 
而如果将软件定义网络技术应用于TPIA业务工作流程(相关的组网架构如图2所示),以web门户来自动化运行的软件定义网络感知型应用就可以代替完成目前相关商务团队的工作,从宽带零售商客户及外部设备供应商处收集业务开通所需的相关信息。此外,软件定义网络控制器还可对各类网元设备进行自动配置(相关配置目前是由双向有线电视宽带接入网络运营商的工程团队以手动方式完成)。
 
基于软件定义网络技术的TPIA网络框架
 
另外,如图3所示,在TPIA应用场景,还可采取网络虚拟化技术,把一个实体的物理网络切片成多个逻辑上的虚拟网络。其中的每个逻辑切片虚拟网络可以租用给不同的宽带零售商(服务提供商)。而且,每个逻辑切片虚拟网络均有其自身的用户数据平面以及控制/管理平面。此外,这种“虚拟网络”的概念还可扩展至连接位于不同地理位置的相关网络。
 
以对双向有线电视宽带接入网络进行逻辑切片的方式来提供TPIA业务
 
对于双向有线电视宽带接入网络运营商以及宽带零售商(服务提供商)而言,采取图3所示的TPIA服务提供方式,可获得以下四大显著效益:
 
(1)对网络基础设施的共享,降低了双向有线电视宽带接入网络运营商的总体拥有成本;
 
(2)可为双向有线电视宽带接入网络运营商带来行的收入流业务;
 
(3)由于简化了TPIA业务配置流程,宽带零售商(服务提供商)的业务运营成本就可以得到降低;
 
(4)由于所租用的是双向有线电视宽带接入网络运营商的底层物理基础网络,而无需另外建网,宽带零售商(服务提供商)的网络实施就更为容易。
 
整个业务设置流程所需的信息如表3所示。
 
基于软件定义网络控制器的TPIA业务工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
业务请求
客户地址;
合约速率;
IP需求。
 
认证
电路配置
IP块;
CMTS 标识符;
合约速率。
动态
创建电路
 
CPE IP块;
上行链路;
虚拟局域网络;
路由。
动态
配置设备
 
DHCP服务器:增加CPE个数;
CMTS:CPE IP块、上行链路、虚拟局域网络;
区域交换机:第二层电路标识符、VPLS及/或虚拟局域网络;
POI路由器:第三层协议及VRF配置。
动态
电路确认
 
启动并停止测试;
报告测试。
动态
 
5、“合法侦听”应用场景
 
对于“合法侦听”服务,美国有线电视网络实验室制定了两个相关的规范“Cable Broadband Intercept Specification(双向有线电视宽带接入网络侦听规范)”(面向数据业务)以及“PacketCable 1.5 Electronic Surveillance Specification(PacketCable 1.5电子监听规范)”(面向语音业务)。
 
下文将对把软件定义网络技术应用于数据业务合法侦听及语音业务合法侦听之中的方式进行探讨。
 
1)数据业务合法侦听
 
在现有的双向有线电视宽带接入网络之中,对数据业务进行合法侦听,需要运营商相关工作人员从后台数据库之中查找特定的用户信息,以对相应的CMTS以及CM进行确认。一旦用户得到确认,工作人员就对接入功能、中介功能以及宽带侦听功能进行配置,以抓取相关数据。
 
而如果将软件定义网络技术部署到双向有线电视宽带接入网络之中,软件定义网络控制器就可以通过相应的软件应用自动化地完成对接入功能、中介功能以及宽带侦听功能的配置(通过SDN应用发出相关指令的方式)。SDN应用就代替了相关工作人员的人工操作,全自动地收集用户信息、查询数据库,并对相对应的CM以及CMTS进行确认。此时,整个业务设置流程所需的信息如表4所示。
 
基于软件定义网络控制器的数据业务合法侦听工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
法律授权
法院文件;
用户姓名
与住址。
 
 
运营商对
软件定义
网络控制
器的操作
 
构建对数据用户进行合法侦听的能力环境;
对用户进行确认的五元组;
持续时间;
具有中介功能的网元的IP地址。
 
软件定义
网络控制
器对中介
功能的配
 
构建对数据用户进行合法侦听的能力环境;
数据的格式;
提供整个分组或者仅提供分组的头部信息;
带外消息;
哈希表。
 
软件定义
网络控制
器对宽带
侦听功能
的配置
 
构建对数据用户进行合法侦听的能力环境;
缓冲能力;
缓冲的时间;
LEA地址。
 
 
2)语音业务合法侦听
 
在现有的双向有线电视宽带接入网络之中,对语音业务进行合法侦听,涉及到两大方面:(1)信令信息(通话数据);(2)媒体(通话内容)。目前的侦听工作流程是:首先,LEA发出侦听请求;其次,双向有线电视宽带接入网络运营商对相关用户执行查询操作;再次,在用户得到确认之后,运营商相关工作人员就开始对不同的网元设备进行配置,以抓取该用户的通话数据与通话内容。
 
而如果将软件定义网络技术部署到双向有线电视宽带接入网络之中,软件定义网络控制器就可以通过相应的软件应用(合法侦听应用)自动化地完成对信令信息、媒体及各种网元设备的配置(通过SDN应用发出相关指令的方式)。SDN应用就代替了相关工作人员的人工操作,全自动地收集用户信息、查询数据库。此时,整个业务设置流程所需的信息如表5所示。
 
基于软件定义网络控制器的语音业务合法侦听工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
法律授权
法院文件;
用户姓名与
住址;
用户的电话
号码。
 
 
运营商对
软件定义
网络控制
器的操作
 
用户姓名;
用户住址;
用户的电话号码。
 
软件定义
网络控制
器对CMTS
的配置
 
构建对数据用户进行合法侦听的能力环境;
对用户进行确认的五元组;
持续时间;
具有分发功能的网元的IP地址。
 
软件定义
网络控制
器对PC
2.0核心
功能的配
 
构建对数据用户进行合法侦听的能力环境;
数据的格式;
CC通话内容;
CII通话确认信息;
具有通话功能的网元的IP地址。
 
 
6、语音业务应用场景
 
为了通过双向有线电视宽带接入网络提供语音通话服务,美国有线电视网络实验室制定了两个相关的规范:PacketCable 1.5与PacketCable 2.0。这两套技术规范的不同之处并非在于版本的先后,而在于系统的差异。下文将对把软件定义网络技术应用于这两套语音通话系统之中的方式进行探讨。
 
1PacketCable 1.5
 
PacketCable 1.5的“呼叫建立”工作流程涉及MTAs、CMTSs以及RKSs(分别位于终端侧及网络侧)之间的信息交换。美国有线电视网络实验室VNF项目组认为,可以在该流程之中部署软件定义网络控制器与相关的软件应用,来代替RKSs功能(笔者注:RKSs所执行的功能是代表PacketCable 1.5系统与诸如计费系统及各网元设备等网络组件进行通讯)。
 
软件定义网络控制器中含有底层基础网络的拓扑信息、控制与状态信息。当业务及运营支撑系统有相关的需求时,软件定义网络应用就可利用这些信息与计费系统进行通讯。这就使得网络配置信息与计费信息相互分离。从而,就可以采取现有的网络协议(比如OpenFlow等)对网络处理流程进行标准化,而且,在将来对网络配置元素进行迁移就更为容易。与此同时,即使底层基础网络的架构发生变化,软件定义网络应用与后台计费系统之间的通讯也不会受到影响。此外,这也使得位于有线电视网络运营商域外部的其他多个软件定义网络控制器进行“无缝”的通信。此时,整个业务设置流程所需的信息如表6所示。
 
基于软件定义网络控制器的PacketCable 1.5语音业务工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
服务质量
服务水平协议
(如带宽、优
先级等);
MAC地址;
IP地址。
MTA的MAC地址;
MTA的IP地址;
音频编码类型;
音频编码参数;
建立延迟及后分拣延迟。
N/A
服务相关
呼叫方姓名与
电话号码;
供应商特定的
计费关联标识
符。
电话号码;
设备能力;
动态策略更改;
多个并行会话;
QoS(服务质量)的动态调整。
N/A
DOCSIS
的QoS
参数
 
CM的MAC地址;
CMTS的MAC地址;
业务类型。
动态
 
2PacketCable 2.0
 
在PacketCable 2.0系统之中,语音呼叫的建立是通过PCMM协议完成的,一个业务流的创建、CMTS与P-CSCF之间对于QoS参数的协商均是通过PCRF单元完成的。美国有线电视网络实验室VNF项目组认为,可以在该流程之中部署软件定义网络控制器与相关的语音软件应用,来代替PCRF单元。其中,软件定义网络语音应用部署于P-CSCF与软件定义网络控制器之间,用于转换相关的QoS请求与应答消息。相应地,软件定义网络控制器通过DSx消息来创建出合适的业务流。此时,整个业务设置流程所需的信息如表7所示。
 
基于软件定义网络控制器的PacketCable 2.0语音业务工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
服务质量
 
TSpec;
桶的深度(b)—bytes;
桶速率(r)—bytes/秒;
峰值速率(p)—bytes/秒;
最小策略单元(m)—bytes;
最高数据包/分组规格(M)—bytes;
RSpec;
保留速率(r)—bytes/秒;
松弛项(S)—微秒;
IP流;
指向信息(向里或向外);
源IP地址、目的地IP地址;
源端口、目的地端口;
协议;
IP AVP成帧信息。
动态
DOCSIS
的QoS
参数
 
用户标识符;
CMTS的IP地址;
CM的MAC地址;
GateSpec(ToS DSCP标记);
分类符;
识别:MAC地址与CM MGMT IP与业务功能。
动态
 
7DSG应用场景
 
美国有线电视网络实验室的DSG(DOCSIS机顶网关)技术规范对通过DOCSIS宽带接入网络传输机顶盒指令与配置信息的方式进行了规范。
 
目前的DSG业务建立流程需要双向有线电视宽带接入网络运行商相关工作人员对DSG服务器、代理以及客户端分别地进行配置,由于整个过程是人工操作,就容易出现很多错误。
 
美国有线电视网络实验室VNF项目组认为,可以对DSG功能进行虚拟化处理,并将相关应用运行于软件定义网络控制器之上,这样,运营商就可以直接对软件定义网络控制器发出自动、连贯配置DSG服务器、代理以及客户端的相关指令。此时,整个业务设置流程所需的信息如表8所示。
 
基于软件定义网络控制器的DSG业务工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
软件定义
网络控制
器对DSG
服务器的
配置
 
DSG通道创建信息;
IP地址;
UDP端口号(源地址、目的地地址)。
 
服务相关
 
DSG服务器连接创建信息;
多个DSG服务器;
DSG通道创建信息;
DSG规则创建信息;
DCD(数据载波检测)。
 
 
8IPTV业务应用场景
 
在双向有线电视宽带接入网络中,IP组播或单播视频业务的创建流程包含众多不同网元设备的信息交互。其中其关键作用的是PCRF/CMTS以及PCRF/PCMM组件:创建出DOCSIS业务流与相应的QoS参数。
 
由此,美国有线电视网络实验室VNF项目组认为,可以用软件定义网络控制器来代替执行PCRF/CMTS以及PCRF/PCMM组件的功能(以软件应用的形式)。这样,就可以用单个通用的软件定义网络接口取代现用的私有/专有协议(比如:PCMM协议),并将可更便捷地与其他软件定义网络进行交互。此时,整个业务设置流程所需的信息如表9所示。
 
基于软件定义网络控制器的IPTV业务工作流程所需的相关信息
 
用户请求
其他信息
面向YANG模型的信息
(提供给SDN控制器)
方式
节目请求
 
静态
IGMP加入
消息
 
网络侧接口信息;
HTTP:Wget;
用户标识符;
持续时间;
可扩展型标识符;
最小保留速率;
PCRF业务名称;
DOCSIS;
COPS:Gate Set;
AMID;
可扩展型分类符;
DOCSIS参数。
动态
离开信道
 
网络侧接口信息与DOCSIS;
Gate删除(包括Gate标识符、Tear Down、Gate删除确认)。
动态
 
 
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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