基于软件定义的弹性智能边缘网络

中图分类号：TN915.03； TP393.03 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2013） 05-0032-006

提出了一种基于软件定义的弹性智能边缘网络架构，以实现对用户接入和数据接入的灵活调度和智能服务。通过软件定义的边缘设备弹性组网，使得网络具备服务无中断、能力虚拟化、控制集中化等特点，从而为运营商降低网络建设成本、提升服务质量以及增强安全管控能力提供了技术手段。

软件定义网络；网络虚拟化；弹性智能边缘节点

In this paper， we propose anelastic， smart edge-network architecture based on software-defined networking. This architecture allows for intelligent service delivery and flexible scheduling of user access and data access. With this technology， the can be virtualized and centrally controlled. In this way， network construction costs are reduced， there are fewer network interruptions， QoS is improved， and security is strengthened.

software-defined networks； network virtualization； elastic and smart edge

目前大数据服务已经出现了云化的趋势，越来越多的IT服务以云的方式来提供，各大运营商也开始基于云计算技术组建自己的超级数据中心，面向企业/公众用户提供资源出租/数据服务。在云服务的背景下，数据出现了集中化的趋势，从而使得网络格局以及网络流量的分布也发生了很大的变化。

随着数据日益集中到少数的超级数据中心，网络的数据模型从原有的泊松分布模型转化为无尺度网络模型。整个网络的架构也向着用户与数据、边缘与核心分离的方向发展，其中，边缘接入网络出现了用户中心和数据中心的双中心格局。核心承载网络负责不同的数据中心网络以及用户中心网络之间的数据交互。在用户中心侧，是传统用户接入的驻地网，主要根据用户的地理位置进行承建，负责将用户接入到运营商网络；在数据中心侧，是运营商或者业务提供商承建的超级数据中心网络，主要依据能源与土地资源最优的原则选址建设，负责数据的存储、计算以及处理。边缘汇聚层是非常关键的一个控制层次，在传统城域网中由边缘汇聚设备（如BRAS、SR、GGSN和xGW等）构成，负责将用户和数据服务统一接入到核心承载网，具有用户/业务控制、业务提供、业务监测及业务策略执行等重要功能。边缘汇聚层是连接核心承载网络与边缘接入网络的第一道门户，对于电信运营商而言，是实现用户和业务“永续连接”的纽带，实现多网“融合控制”的节点，实现流量“本地疏导”的缓存，实现控制“功能聚合”的平台。随着云服务驱动网络架构的变革，人们对IP承载网的边缘汇聚层提出了新的要求，需要进一步具备可靠、智能、开放、简单和绿色等特点[1]。

软件定义网络（SDN）是一种新型的网络架构，旨在将网络的控制平面与转发平面进行分离，并对底层网络进行虚拟化，实现可编程化控制，从而达到网络开放与敏捷创新的目的。SDN从架构上打破了原来依赖于专有网元能力形成的封闭、僵化的控制体系，一方面降低了设备生产的成本，同时简化了网络运维并提高了灵活运营的能力[2]。

SDN技术为边缘汇聚层的网络设备和组网架构提供了新的思路，如控制与转发分离、虚拟化、能力开放、动态重构以及集中管控等技术特点，使得边缘网络设备从传统上依赖于单台设备的转发和控制能力，逐渐过渡到由多台边缘设备协同组网提供服务[3]。本文将提出基于SDN技术的弹性智能边缘网络架构及其关键技术，致力于以低成本的方式提升网络服务的可靠性、可控性以及灵活性。

1 软件定义弹性边缘网络

架构

弹性智能的边缘网络架构如图1所示。边缘网络设备分布在接入网和核心承载网之间，作为边缘接入网络与核心网络的边界点，形成了边缘和核心网络分离的架构。边缘设备的硬件形态基于不同的转发能力要求以及部署的物理位置进行分类，可分成不同级别的用户接入边缘设备以及数据接入边缘设备。基于标准化开放的接口，边缘设备中的控制前端与集中的弹性智能边缘网络控制平面之间进行信息交互，从而构建统一的边缘控制网络。主要具备但不限于以下几点特征：

（1）弹性组网

实现边缘设备以统一资源池的形式进行集中管控，从而实现设备之间的相互备份、负载分担、资源共享以及虚拟化，能够提高可靠性，提升设备资源利用率，同时能够实现设备的动态扩容、绿色节能以及简化运行维护。

（2）智能管控

实现对业务、用户以及网络状况的深度感知及精确掌控，更好的支持网络能力开放、流量监测、策略控制等技术在SDN架构下的演进和实现，从而能够根据优先级策略，动态调整用户及业务的服务质量并实现差异化的计费，以满足用户及业务多样化的需求。

（3）边缘扩展

实现边缘网络节点的功能按需扩展，增强边缘网络和核心网络之数据处理的能力，比如，支持多业务、多网络以及多协议的接入，支持无感知的协议转发和映射，满足多个异构边缘网络的互联互通，支持用户中心与数据中心之间的内容缓存以及流量加速等新能力。

2 软件定义弹性智能边缘

网络的关键技术

结合弹性智能边缘网络的技术要求，构建弹性智能边缘网络的技术大致可分3类：弹性化技术、智能化技术以及边缘控制技术，其中弹性化技术侧重于设备以及组网能力的扩展性与灵活性，智能化技术侧重于管理控制平面的功能性与开放性，边缘控制技术侧重于边缘网络与核心网络之间的协同性和互通性。

（1）弹性化技术

弹性化技术将多个边缘汇聚层设备组合在一起，使得边缘汇聚层具有能够根据用户的需求、实际的网络情况进行动态调整的能力，从而能够优化系统效率、提高系统可靠性。弹性化技术实现多个设备以及链路之间的协同和虚拟化。

弹性化边缘设备组网如图2所示。边缘设备弹性化组网技术主要体现在设备之间通过互联数据接口以及控制接口进行关联，其中，通过互联数据接口，支持边缘设备之间的数据迁移、流量调度以及负载分担，可采用上联链路、直连链路或者下联链路之间建立数据通道。通过控制接口，支持设备控制平面的配置收发、状态监测以及策略同步等，可采用数据通道共用链路或者独立占用链路进行配置。多台设备之间联合组网形成一个控制区域，不同控制区域之间弹性组网则可以通过不同域之间的控制接口以及互联接口之间互动来实现。

弹性化技术可采用分布式控制以及集中式控制方式，其中，分布式技术是指多个边缘汇聚设备以共享资源池的形式统一对外提供服务，比如地址资源、链路资源以及设备资源等，相互之间互为备份、负载分担，从而提高系统的可靠性，提升系统效率。虽然可以通过资源池的集中管理来简化运维，但对于单台设备管理控制平面仍然是独立维护，控制信息可以通过不同设备控制平面之间的同步接口进行交互。集中化组网技术进一步实现管理和控制平面的集中化，多台设备虚拟化为一台设备，从管理控制平面以及运维的角度来看都是一台设备，从网络路由的角度来看也呈现单一节点。目前业界提出的Pool技术、虚拟集群技术[4]以及Cluster技术等都具备了弹性化的技术特征。

基于SDN的弹性化组网可采用区域内集中化控制以及区域间分布式控制的结合形式，从而满足大规模组网的要求。通过多设备联合组网以及多区域之间协同组网，可实现边缘网络的数据转发能力扩展。

（2）智能化技术

智能化技术是采用标准化的开放接口，通过统一的控制平面实现边缘网络设备以及流量的智能调度，对用户和业务层面提供定制化的智能管道功能，从而能够提高网络的服务能力、简化运维管理，实现边缘网络的全面可控可管[5]。

智能化控制平面框架如图3所示。统一的控制平面可以驱动转发平面实现对业务、用户以及网络状况的感知及精确掌控，进而根据优先级策略，动态调整用户及业务的QoS并实现差异化的服务能力。对于外部第三方应用开发商或用户则可以通过运营商提供的开放能力应用编程接口（API），开发出丰富多彩的网络应用，随时随地按需定制自己对于运营商管道的能力需求。例如未来某个时间段传输某业务需要定制要求的带宽及相应的QoS保障。

智能化技术主要包括对用户、网络以及业务的多维度感知、智能调度、动态策略以及能力开放等4个方面[6]。其中，多维感知主要通过与网元之间的接互，实现感知用户（即感知用户所处的位置、正在使用的业务等）、感知网络（即感知网络类型、当前网络资源使用情况等）和感知业务（即感知用户当前使用的业务类型、业务对网络资源的需求等）。智能调度指的是结合用户行为、业务行为以及网络资源负载情况，实现智能的网络链路建立、流量的优化疏导以及自动化的配置。动态策略指的是根据用户、网络、业务多维度定义不同的优先级和契约关系，动态调整用户所使用业务的QoS，根据不同的用户、时间、位置等信息调整业务的QoS，实现差异化的计费服务。能力开放指的是利用运营商拥有的网络带宽等资源进行指配和调度以及相应QoS控制的能力，通过开放接口对外提供可定制化的服务。目前，业界讨论的数据包检测（DPI）技术、融合策略与计费控制（PCC）框架、自动化配置技术以及能力开放接口等，都为基于SDN的边缘网络控制平面提供了技术实现基础。

智能化技术为运营商提升网络运营能力提供了技术手段，解决目前电信运营商增量不增收、网络负载不均衡以及对用户、业务和网络状况掌控力弱的问题，而边缘汇聚层承担用户、业务接入的接口，是实现网络智能化控制的关键点，通过软件定义的方式构建统一控制平面，可以更好地满足用户需求定制化、资源调整灵活化以及服务提供快速化的要求。

（3）边缘控制技术

边缘控制技术主要利用边缘汇聚层实现用户网络、数据中心网络和核心承载网络之间的衔接，满足不同服务域之间以及不同层网络之间对数据协同处理的要求，从而提高网络的服务效率，实现网络资源的优化利用，尽可能的消除网络服务瓶颈。

边缘网络协同组网如图4所示。在核心承载网的有众多基于软件定义的边缘控制设备联合组网，包括两类典型的边缘接入设备：一类是用户边缘接入设备，实现用户接入网与核心承载网之间的连接；一类是数据边缘接入设备，实现数据接入网络与核心承载网之间的互联。作为边缘接入设备，不仅仅完成常规的数据转发功能，还可以完成不用区域网络之间的资源协同，比如用户和数据的移动性管理、网络加速、资源协同以及协议翻译等。

随着云计算服务的发展，数据流量的交互主要从主机与主机之间迁移至主机与服务器之间以及服务器虚拟机之间。边缘控制接入技术主要包括基于身份和位置分离的移动性管理，基于包交换的无感知协议翻译，基于业务感知的边缘内容加速以及基于路径优化的IP与光层的网络协同等几大技术，其中：

（1）为了提供无间断的接入服务体验，在用户侧，用户可不受限于地点随时使用个人账号登陆网络，享受无间断的业务提供。而在数据层，大量的虚拟机在数据中心内部以及数据中心之间进行迁移，需要保证用户仍然能够访问迁移以后的业务。因此，基于SDN技术的边缘设备或者边缘网络需要实现对地址资源的统一分配和管理，实现身份标识和位置标识的分离[7]、用户多归属和流量工程等功能，从而满足用户以及数据移动性要求，保障迁移以后实现业务无中断服务。目前，业界讨论的主机侧以及网络侧的身份与位置分离技术，包括主机标识协议（HIP）、位置标识与身份标识分离协议（LISP）、下一代互联网路由架构（RANGI）、标识网等方案[8]，可以考虑在基于SDN的弹性智能边缘网中进行应用。

（2）为了减缓主机与服务器之间的交互流量对核心承载网的压力，需要考虑在用户边缘接入网络支持内容分发网络（CDN）加速功能。基于SDN控制平面的多维感知，能够有效利用热点流量分析结果，支持动态更新内容缓存，实现用户网络与数据网络之间数据访问的加速，提升用户的体验。

（3）为了解决接入网络以及核心承载网络分离下大颗粒度数据的传输效率和性能低下问题，需要考虑在边缘网络建立光传输层与IP路由层的资源协同机制，基于软件定义网络技术跨层的统一控制平面，可以按需进行链路资源的分配和调整，从而提高网络资源的使用效率，提高数据传输的质量。

（4）为了支持接入网络与核心网之间的解耦，不同的接入网以及核心网内部可以采用不同的数据传输协议，比如IPv4协议或者IPv6协议，边缘网络设备负责实现不同数据协议之间的转换。基于SDN技术，控制平面完成协议解析和协议映射，数据平面实现对协议无感知的转发，从而极大的提高了网络的扩展性，推动了异构协议网络之间的互联互通，有效消除了网络协议差异。

3 基于SDN的边缘网络

标准化进展

随着边缘接入网络和与核心承载网络之间的分离趋势日渐明显，边缘网络作为网络解耦的边界位置，尤其在网络走向云化服务的时代，其关键作用日益凸显，近期关于基于SDN的弹性智能边缘网络部署及演进在业界引起广泛的关注，其标准化工作也在国际和中国标准组织中逐步开展[9]。

在ITU-T SG13中，目前正在针对基于SDN的智能型网络（S-NICE）功能架构进行研究，使得网络能够根据用户和应用供应商的要求提供智能化的服务，网络运营商可以根据这些要求分配指定的网络资源，并基于多维感知、流量优化和协同等技术进行动态的适应和调整。S-NICE不仅仅是支持智能化特性，也支持软件定义特性，它还要求在传输层、控制层和应用层具备SDN技术和开放性路由。同时，ITU-T SG13也正在开展基“Y.FNsdn-通信网络SDN框架”研究课题，充分讨论SDN在通信网路中的应用场景。基于SDN-BNG的框架图如图5所示[10]。SDN-BNG标准框架将智能控制功能从BNG中分出来，增强了边缘网络开展业务的灵活性。

此外，在ITU-T SG11中，SDN标准研究工作也全面启动，整体研究工作和SG13的网络需求和架构同时展开，互相补充借鉴。在基于SDN的BNG实现方面，中国包括中兴通讯、华为等主流设备提供商都开展了相关的研究项目，主要研究BNG设备上实现SDN的需求和架构以及BNG设备与SDN控制器之间的接口定义。

在中国标准方面，CCSA TC1确定行标研究项目《宽带网络接入服务器（BNAS）多机池组化网络架构和技术要求》，提出了BNAS多机池组化的网络架构和部署场景，重点研究BNAS多机池组化系统的网络架构和技术要求。行标研究项目《宽带网络接入服务器（BNAS）设备流量分析控制技术要求》针对宽带业务感知系统对宽带网络业务网关（BNG）设备、DPI/Policy Server/AAA等设备的具体技术要求，提出了宽带网络业务感知系统的网络部署场景，规范了宽带网络业务感知行为，明确了对宽带网络业务感知系统的技术要求及相互之间的接口。同时CCSA TC1专门成立了未来数据网络（FDN）特别任务工作组，主要负责SDN及网络虚拟化方面的标准研究工作。在行标项目《FDN应用场景和需求》文稿中，对SDN技术在运营商网络中的各种应用场景进行了详细的研究。其中，对基于SDN技术的城域网业务边缘的应用场景及具体需求进行了专门的讨论。提出了基于SDN技术，将多台边缘路由器设备虚拟成1台边缘设备，与用户相关的业务属性由FDN控制器进行配置和管理，边缘设备只实现用户接入的物理资源配置，从而可以实现高可靠性，并极大地简化设备的运维管理。

4 软件定义弹性边缘网络

的应用场景

基于SDN的弹性边缘网络部署场景如图6所示。部署场景通过基于SDN的弹性边缘网络架构部署，改变了依赖现有网络独立边缘设备进行用户管理以及数据承载的模式。基于SDN的边缘设备以池组化或者虚拟化方式组网，可以对用户数据、虚拟局域网（VLAN）和地址资源统一规划，利用集中化的控制平面和网络能力开放，可以支持网络功能的不断扩展。以基于SDN的BNG为例，可以支持但不限于以下几种应用场景：

（1）任意接入

基于用户的位置信息，用户的登陆优先选择就近的BNG设备，当优先级高的BNG发生拥塞、故障，将主动切换至次优先级设备，实现用户对设备的无感知接入，即插即用，用户的状态在控制平面以及各边缘设备之间进行同步。

（2）故障保护

当其中一台边缘路由器出现故障而脱网之后，其他冗余的边缘路由器能够即时替代原有设备投入运行，用户信息不因故障而丢失，无需重建用户会话和重新下发用户属性，真正做到对最终用户的无感知切换。同时支持动态设备扩容，用户动态迁移，业务不中断。

（3）负载均衡

各个BNG的负载情况能够由集中控制器统一控制，如果有BNG在超过一段时间内流量持续超负荷，则将部分用户会话转移到流量负荷小的BNG上，达到平抑流量潮汐的目的，保证用户QoS。同时，结合网络负载情况，实现动态的流量调度，并依据用户以及业务的定制化要求，进行流量优化疏导。

（4）简化运维

基于SDN技术实现将多台边缘路由器设备虚拟成1台边缘设备，与用户相关的业务属性由网络操作系统（NOS）进行配置和管理，边缘设备只实现用户接入的物理资源配置。多台边缘设备以及相关的扩展设备，都可以虚拟成边缘路由器上的板卡，网管人员如同配置1台边缘路由器一样，实现统一配置和业务开通，并进行批量的软件升级。

（5）绿色节能

在一个控制域下的BNG组在网络闲时接入用户数很少的情况下，支持将域内所有在线用户迁移到一个当值BNG上，其他BNG进入休眠状态，降低设备功耗，达到节能目的，如果当值BNG设备发生故障或者用户数开始增加并超过一定阈值，则支持休眠BNG的快速唤醒，重新开始用户接入服务。

（6）协议转换

BNG转发设备不感知报文的协议类型，所有的报文转发业务将完全由集中控制器软件控制，对报文数据的读写访问均通过通用指令，由控制器指定数据的偏移和长度来进行。BNG转发设备支持任何现有的/自定义的基于数据包的协议，消除转发设备对协议的依赖，实现SDN的控制和转发分离更加彻底。

（7）能力开放

通过控制器的南向接口，对网络感知、策略控制、动态调度等能力有限开放，可以及时响应来自用户侧对接入属性的定制化要求，同时依据业务的属性，进行流量疏导优化和动态缓存加速，并通过其他通信接口建立起与用户和业务平台之间的互动。

5 结束语

信息通信服务模式正在逐步向云服务迁移，并驱动大数据时代的到来。云服务导致的用户主机与服务器虚拟机之间的流量分布格局推动了用户接入网、核心承载网以及数据接入网之间的解耦，边缘网络的作用和价值愈加显著。SDN为构建弹性智能边缘网络提供了重要的技术思想和手段，基于SDN技术可以实现边缘设备的虚拟组网和集中控制，并能根据需求的变化实现网络功能的不断扩展，从而降低网络建设成本、提升服务质量并增强安全管控能力。边缘网络有望成为SDN最重要的应用领域之一，虽然相关研发和标准化工作还处在起步阶段，但已引起了设备制造商和运营商的广泛关注和高度重视，前景广阔。

参考文献

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[2] 赵慧玲， 冯明， 史凡. SDN——未来网络演进的重要趋势 [J]. 电信科学， 2012，28（11）：1-5.

[3] 王茜， 赵慧玲， 解云鹏， 等. SDN在通信网络中的应用方案探讨 [J]. 电信网技术， 2013（3）：23-28.

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[10] FNSDN Y. Framework of telecom SDN （Software-Defined Networking） [C]//ITU-T SG13 Meeting， Feb 18 - Mar 1， 2013.