大容量宽带设备演进的探讨

　　用户接入技术演进

　　随着接入用户数量的增多，每用户带宽需求不断增长，ADSL/ADSL2+/FTTH/GPON等高带宽接入方式应运而生，极大提高了用户网络使用体验，每用户带宽控制的PPPoE设备逐渐演变为电信运营商主要的接入方式。同时，IP网络的巨大成功以及互联网内容向流媒体发展的趋势，引发了人们将所有智能设备联网的需求，并使得VoIP, iTV，IPTV成为电信运营商网络规划和发展的主要议题。

　　但是，对于新型网络设备，智能手机，数字电视，PSP等很难支持PC所采用的内置PPPoE拨号程序，很大程度上限制了新互联网应用的快速推出。

　　综合各个电信运营商在接入方式上的尝试，为使新型Voice/Video等实时性业务得到有效的控制与管理， DSL工作组于2006年定义了WT-146 用户会话控制机制，设计规划了以DHCP技术为，紧密结合当今PPPoE通用的RADUIS协议，建立了一种基于“IP用户会话机制”、“IP数据流的分级机制”、及“IP会话鉴权和管理机制”的IPoE机制。通过扩展信息的加入和识别在网络边缘设备上提供用户Session的接入授权计费。

　　IPoE系统及组成

　　IPoE系统包括基本的DHCP功能，同时扩展了网络中各个层面设备的能力。可以说IPoE不是简单的终端设备上支持DHCP就可以了，需要涉及到用户控制设备，网络业务系统等。具体说IPoE系统包括以下部分：

　　IPoE 客户端

　　各种用户终端设备，产生DHCP消息，中间设备插入各种DHCP option进行用户绑定，业务绑定等。

　　IPoE 宽带网络网关控制设备（BNG设备）

　　宽带网络网关控制设备（BNG）进行DHCP消息到Radius消息的翻译。与Radius进行，授权，计费功能。通过后，下放Radius返回的每用户QoS，访问控制的列表等功能，同时对通过设备的流量/时长进行计费。

　　IPoE业务控制系统

　　包括Radius/DHCP/Diameter/Webportal等业务系统，能够动态调整每用户的带宽和QoS属性，针对预付费，流量，时长等提供多种计费手段。做到客户的可管理控制，可持续盈利，提供差异化的用户服务。

　　IPoE和PPPoE系统的对比

　　引入IPoE系统之后，通过以下对比可以发现IPoE可以完成原有PPPoE系统的所有功能，同时还能提供如下优势。

　　终端支持

　　所有支持IP协议的设备都支持，不需要安装第三方拨号软件，可以广泛支持各种手持设备，移动设备，视频设备等。

　　报文开销

　　由于PPPoE报文引入了PPPoE头（6 bytes）和PPP头（9 bytes加上Padding），所以在所有用户流量里面至少增加了15个字节的协议开销，对于高带宽的应用（4M以上的高清电视等），高端BNG设备可以支持协议开销，达到理论的线速转发，但是对于处理能力不高的终端设备，压力很大。

　　组播复制

　　由于PPPoE报文，是在BNG设备和用户之间建立点对点连接，中间的交换机层次不能很好的理解PPPoE报文格式，只能进行转发，无法进行针对VLAN等信息的有效的组播复制。所以采用PPPoE进行组播业务的开展，组播复制点只能是BNG设备，假设每用户2M组播流量，如果支持10K用户，则需要10G组播带宽。而采用IPoE，可以把组播复制点下移到DSLAM，这样BNG设备只要有2M的带宽就可以支持10K用户。极大的减少了网络带宽的浪费。

　　用户冗余

　　IPoE，报文转发中，由于不需要接入PPPoE Session/Cookie信息，非常容易做到跨机箱的用户Session的保护，当一个机箱断电时，所有IPoE的状态信息被动态备份到另外一台设备，所以不需要用户进行重新拨号。而PPPoE由于转发过程中携带BNG生成的的Session/Cookie信息，当一台设备断电时，另外一台设备无法获得全部的PPPoE状态，所以无法做到有效的跨机箱的用户冗余保护。

　　同时，PPPOE的不足之处在于机制比较复杂，对设备处理性能、内存资源需求较高。

　　BNG设备的设计考虑

　　对于满足下一代PPPoE/IPoE用户接入控制的BNG设备设计，不同厂家有不同的理解。传统BRAS厂家为支持PPPoE协议而设计的产品，可以通过添加IPoE功能的支持来演变为BNG设备。同理，传统的Service Router设备天生支持高带宽的IPoE用户控制，可以通过添加PPPoE功能来实现完全的BNG功能。

　　下面图示显示作为一个高性能的BNG设备，需要具备以下3种设计要素：

　　超级强劲的CPU处理能力

　　PPPoE/IPoE用户session的处理和终结都需要CPU进行辅助。现有BRAS设备上一般承载10K用户，下一代的BNG设备，设计需要承载128K用户，这样对设备的CPU处理能力要求很高，一般需要多核CPU，同时支持4G以上内存。

　　大于20G每槽位的业务处理能力

　　适应大带宽的发展，每槽位支持16K用户，每用户要支持2-3Mbps的带宽，这样就要求下一代BNG设备支持20~50G/slot的高带宽处理能力。

　　完善的业务处理板卡，提供面向未来的增值服务

　　随着用户控制的深入发展，需要BNG设备提供DPI（深入包检测），IP Sec安全接入，视频和LTE移动业务网关的支持。

　　由于传统BRAS设备在设计理念上注重PPPoE Session的维护，需要在转发平面引入过多的CPU进行处理，不能满足高带宽的多业务承载，每用户带宽增加的情况下，性能急剧下降。很多设备提供商认识到传统BRAS设计理念的问题所在，纷纷在以业务路由器功能为主IP路由器中添加PPPoE功能，作为BNG设备推向市场。

　　传统BRAS设计中的误区还存在于：

　　没有TCAM支持

　　不能支持每用户的策略控制。使用此功能导致性能急剧下降

　　没有交换矩阵组播复制

　　不能支持大量组播频道。

　　不支持大规模VPN部署

　　不能作为综合网关，提供公众用户和企业用户的统一接入。

　　综上所述，BRAS和SR都能演变为下一代的BNG设备，所有的厂家都在修改BRAS或者SR使之满足BNG的要求，同时接入大规模的IPoE/PPPoE用户。目前看来从Service Router演变而来的BNG是比较成功的选择，业界主流的IP设备厂商，都先设计产品支持IPoE，然后逐步添加PPPoE功能，上海贝尔的IP设备 ALU 7750/7450已经同时支持IPoE/PPPoE。而且上海贝尔是业界能够提供支持50G/slot 的IPoE/PPPoE宽带业务控制网关的厂商。

　　业务承载建议

　　传统网络仅仅有BRAS作为宽带用户接入控制设备，在引入了video业务之后，由于PPPoE设备支持组播的天生的劣势，主要的IPTV提供商（AT&T，Telestra）纷纷引入SR采用IPoE开展视频业务。在此基础上，有些运营商提出多边缘的网络架构设计，BRAS作为高速上网业务的控制边缘设备，而SR作为Video业务的边缘网关。这种多边缘的网络架构存在两张计费账单（在Bras和SR上分别针对同一个用户的两个账单）。用户控制点有两个，需要同步等问题。

　　当产生支持IPoE/PPPoE的BNG设备之后，网络的两个边缘又演变为以单边缘接入为主。如果客户需要PPPoE，就采用PPPoE接入，如果客户需要IPoE，就在同一设备，同一端口下进行IPoE接入。

　　如下图所示，如果采用以BNG设备为的上海贝尔端到端的数字家庭到视频，业务网的解决方案。

　　可以直接采用大容量50G每槽位的BNG设备替代原有小容量的2.5G/10G每槽位的BRAS设备作为IPoE/PPPoE业务的终结。对于全新的业务，建议采用IPoE方式接入。比如Video和VoIP，没有按照流量计费的需求，可以采用更简单的IPoE方式。对于传统的上网业务，可以考虑用户习惯继续保留HSI使用PPPoE接入。