基于ngb的网络架构及协议的研究

20090423基于NGB的网络架构及协议的研究摘　要　通过探讨分析下一代广播电视网(NGB)的技术优势，揭示了NGB发展是我国三网合一的必然选择。重点分析NGB的网络架构和技术，实际应用中的网络设计，宽带认证通信协议的设计，面临的问题和思考。关键词NGB；3TNET；组网方案；认证协议李若泉上海交通大学电子信息与电气工程学院上海200435中国下一代广播电视网(NGB)是以有线电视数字化和移动多媒体广播电视成果为基础，以自主创新的高性能宽带信息网(3TNet)核心技术为支撑，适合我国国情三网融合的、能够全组网的可管可控下一代广电网络。NGB已先期在上海、杭州、南京进行互联，建成了我国第一个真正实现三网融合的高性能宽带信息网，覆盖用户达3万户，成为全球规模最大、能够提供包括高清晰视频服务在内的宽带流媒体互动业务示范网络。NGB计划用三年左右的时间建设覆盖全国主要城市的示范网，预计用十年左右的时间建成中国下一代广播电视网(NGB)，使之成为以“三网融合”为基本特征的新一代国家信息基础设施。NGB的网络特点是核心传输带宽将超过1000Gbit/s，保证每户接入带宽超过每秒40Mbit/s，可以提供高清晰度电视、数字音频节目、高速数据接入和话音等“三网融合”业务。还具有可靠的服务保障和可管可控的网络运行属性。综合技术性能指标要达到或超过国际先进水平，能够满足未来20年每个家庭“出门就上高速路”的信息服务总体需求[1]。1NGB的网络架构及技术NGB的网络跟其他网络一样，也是由三部分组成：骨干网、城域网以及接入网，如图1所示。1.1NGB骨干网NGB骨干网的核心技术，是3TNet的技术。3TNet是我国“十五”期间实施的最重要的网络示范和试验工程，核心技术是Tbit级的光传输，Tbit级的路由和Tbit级的交换。其在很多领域实现重要创新，包括网络体系创新，提出以核心网基于ASON电路交换、边缘网基于IP分组交换的混合交换体制为基础的新型网络架构，大大简化了边缘网络拓扑结构，为构造可信的边缘网络奠定了基础。在光传输技术领域，研制并建立了80X40GDWDM试验平台，实现4×300km无FEC情况下BER为3×10-4的远距离传输。在光交换技术方面，是业界首次提出将标准化ASON扩展到支持组播和支持业务驱动的突发调度的ASON；实现支持业务驱动的突发传送ASON节点设备，交叉能力达到1.28T，其中Mesh网恢复时间达到了世界领先水平。在国际上首次实现了EPON系统芯片级互通，制定中国通信标准化协会行业标准。业务运营支撑技术方面，研制实现可控可管、支持多格式的标清和高清等视频业务的运营级的业务运营支撑系统，使我国首次在IP网上实现高清晰度电视业务，真正做到了三网合一[2]。图1NGB网络业务与运营Business&OperationBusiness&Operation信息通信技术241.2NGB城域网城域网通常是局域网的流量汇聚，因此城域网中非常重要的技术就是接入汇聚技术。目前城域网的接入汇聚技术采用3TNet的科技成果，也就是全分布式无阻塞交换结构——大容量的宽带远程接入路由器ACR，交换容量达到了640G，ACR单点覆盖可达6万户。NGB采用以大容量高性能路由器为核心的大规模接入汇聚与接入网络对接的架构，直接将高速网推到用户门口，凸现“出门就上高速路”的高性能宽带特性。1.3NGB接入网NGB接入网包括多种接入技术手段，各接入网根据各自的网络现状、网络架构运用不同的技术。接入网是直接面对用户，因此接入网可以说是NGB中最重要的部分。在NGB接入技术中，很重要的一种就是EPON+缆桥的技术。EPON的优点主要在于：1)局端(OLT)与用户(ONU)之间仅有光纤、光分路器等光无源器件，无需租用机房、无需配备电源、无需有源设备维护人员，因此，可有效节省建设和运营维护成本；2)EPON采用以太网的传输格式同时也是用户局域网/驻地网的主流技术，二者具有天然的融合性，消除了复杂的传输协议转换带来的成本因素；3)采用单纤波分复用技术(下行1490nm，上行1310nm)，仅需一根主干光纤和一个OLT，传输距离可达20km。在ONU侧通过光分路器分送给最多32个用户，因此可大大降低OLT和主干光纤的成本压力；4)上下行均为千兆速率，下行采用针对不同用户加密广播传输的方式共享带宽，上行利用时分复用(TDMA)共享带宽。高速宽带，充分满足接入网客户的带宽需求，并可方便灵活的根据用户需求的变化动态分配带宽；5)点对多点的结构，只需增加ONU数量和少量用户侧光纤即可方便地对系统进行扩容升级，充分保护运营商的投资；6)EPON可以同时传输TDM、IP数据和视频广播，其中TDM和IP数据采用IEEE802.3以太网的格式进行传输，辅以电信级的网管系统，足以保证传输质量。通过扩展第三个波长即可实现视频业务广播传输[3]。广电在光纤网络资源和入户线路资源方面占有很大优势，但旧有的单向HFC网络已无法满足新业务的需求，EPON技术的成熟为HFC网络的双向化改造带来新的契机，EPON网络结构和HFC光传输网络结构类似，部署起来比较方便，用EPON技术实现双向HFC网络比传统CMTS改造方式更具成本和业务能力优势。EPON网络可以独立组网完成双向网络，实现互动电视业务回传，还可以实现多种基于IP的数据、话音和视频业务。另外EPON也可以通过WDM技术和现有1550nm波长的有线传输网络结合，这样可以节省光纤网络资源。针对目前广电网络系统的特点，FTTB(光纤到楼)解决方案比较符合目前双向网络的的实际情况，在主要的分前端机房部署OLT设备，ONU根据光纤的情况进行部署，可以放在楼道或单元，然后使用五类线直接入户或再通过交换机入户，对那些无法部署五类线的楼，可以通过EOC技术使用同轴缆入户。通过EPON网络的部署完成HFC双向改造，网络可以实现交互电视的数据回传，同时可以实现基于IP的各种宽带业务，包括宽带互联网接入、VOIP、IPTV等业务。2工程中的网络构造2.1网络设备介绍如图2所示：1)大规模接入汇聚路由器ACR：不仅具有常规大容量高性能双栈核心路由器的宽带IPv4/v6组网功能，而且具有大规模用户接入汇聚功能。ACR的大规模用户接入汇聚功能主要体现在对用户接口和用户业务的管理与控制，以及协同宽带运营支撑系统BOSS支持宽带网络业务运营环境。2)汇聚交换机Quidway®S8500：基于新一代核心交换机的设计理念，具备大容量、高性能、多业务和可扩展性的特点。Quidway®S8500系列采用分布式处理、业务模块化以及Crossbar交换网等设计理念，具备业界业务与运营20090425领先的交换容量，并且交换容量可持续平滑升级。3)EPON产品EOLT：是面向NGB的自主创新的EMD系列产品，采用电信级开放平台架构，模块化产品设计，端口密度高类型丰富。采用全10GE总线高速背板，支持12U/5U/1U机框，所有单板支持热插拔，集成路由，交换，安全管理等功能，支持IPV4/V6双协议栈，可满足广电运营商个性化的定制要求。4)光分路器：光网络系统需要将光信号进行耦合、分支、分配，这就需要光分路器来实现。光分路器又称分光器，是光纤链路中最重要的无源器件之一。现一般使用1：16或1：32规格。5)缆桥设备HS：覆盖低频技术和高频技术，可以支持多通道动态绑定，增加组网灵活性。将缆桥交换机设备和ONU功能集成在一起，采用现场可替换模块化设计，方便系统扩容和维护，支持远程管理维护，可实现HS零配置即插即用[4]。2.2网络建设方案如图3所示，在网络的实际建造中，通常是以ACR为大规模的汇聚路由器，覆盖6万用户。网络中组播和单播独立建造，以保证信道的稳定和干净。组播通道主要是用传送视频流，使用千兆光口以组播强推的方式送到EOLT的组播口。而单播通道主要是负责数据交互及宽带业务，也是使用千兆口传送到OLT的千兆口。为节省ACR的端口，当中增加汇聚交换机8500，与ACR子接口对应做VLAN的二层透传。ACR和汇聚交换机8500通常部署在中心机房。EOLT作为局端，放置于用户区的中心位置，覆盖约5000用户。光缆沿用原来HFC网络中光站处的光缆资源，组播口和单播口上联ACR的对应端口，PON通过32路光分路器将单播和组播信号分别下联至楼道缆桥交换机HS。局端EOLT至楼道HS的光缆链路需重新建设。HS将组播和单播混频后通过EOC技术，将信号通图2设备实图Business&Operation信息通信技术26过CABEL线送出。对于居民住宅小区，线路的重新改造会存在多方面的阻力，难以实施。最合适的技术将是采用PON+缆桥组网方案。该方案自然地贴合了HFC现有结构，无需对住户入户线路和家中原有的布线进行改动。EOLT利用广电原有的HFC网络的分前端光纤，光分路器分布在小区。集成式ONU缆桥HS部署在小区楼道或楼头，将CATV信号与数据信号进行合成，通过原有的HFC同轴线缆传输到用户家中，最终通过用户家中的缆桥MODEM分离出组播单播。该方案优点是：1)网络适应性强，针对有线网络现状设计，既适合星型分配网络，也可用于分支链型分配网络;2)避免穿墙打洞，无需敷设新的电缆到每个用户家中;3)免维护，易安装，入户简单易行;4)解决汇聚噪声问题，采用新型数字调制技术，解决传统的CMTS技术噪声汇聚等导致出线率低的问题;5)接入带宽升级能力较强，同轴线缆的传输速率理论上可以达到5Gbps，是升级潜力最大的接入链路资源[5-6]。3宽带业务通信协议的设计大规模接入汇聚路由器(ACR)由ACR交换主机(ACR-S)、ACR-Portal-server(ACR-Portal)、ACRDHCP-server(ACR-DHCP)和远端模块(RM)组成。宽带业务认证主要是PC-ACR-RADIUS交互。宽带业务通信协议需前期设计，明确定义字段名、字节数、关键字等。此次通信协议的设计，本着规范简洁的宗旨，通过ACR和RADUIS的不断互调已成功运行，并开始商用。3.1PC开机和认证协商流程(PPPOE)如图4所示:a)PC开始拨号，首先发起PPPoE建链阶段，协商PPPoE参数。b)进入PPP协商阶段，首先完成LCP阶段，然后图3网络拓扑业务与运营20090427开始NCP阶段，在NCP阶段进入IPCP时，PC机发送用户名和密码，ACR-S收到后开始发起RADIUS认证。c)认证完成后，ACR-S通知PC机认证结果，同继续完成PPP协商的其他过程。d)全部完成后，ACR-S开始进行RADIUS计费。e)正常下线流程，首先PC发起PPP下线通知ACR-S停止计费，在ACR-S发停止计费报文的处理过程中，PC和ACR-S同时进行PPP下线流程，完成后再进行PPPoE下线流程协商。3.2PC开机和认证协商流程(DHCP)如图5所示：a)PC发送DHCP请求。b)ACR-S通过DHCPRelay功能将DHCP请求转发到ACR-DHCP。c)ACR-DHCP根据PCMAC地址信息查找图4PC开机和认证流程(PPPOE)图5PC开机和认证流程(DHCP)ACR-S上的“用户IP地址与用户终端MAC地址的映射关系列表”，若查到已登记的用户MAC地址，则分配相对应IP地址，若查不到则不分配IP地址。若不能分配IP地址，则ACR-DHCP不做处理，此流程结束；若能分配IP地址，则ACR-DHCP将IP地址和配置参数返回ACR-S(DHCPRelay)，配置参数包括子网掩码、DefaultgatewayIP、DNSServerIP、ACR-PortalIP；ACR-DHCP登记申请地址的用户业务类型。d)ACR-S通过DHCPRelay功能将ACR-DHCP分配的IP地址和配置参数转发到用户PC[7-8]。根据协议协商的结果，ACR给通过认证的用户分配IP地址、网关、DNS以及确定用户的所属业务、带宽、计费等信息。对于拨号用户的安全问题，主要是通过ACR上用户DOMAIN的安全策略来保证，这里暂不详述。4结束语建设下一代广