城域网虚拟化应对4K大视频业务挑战

　　随着计算机图形学、人机接口技术、图像处理与模式识别、多传感技术、语音处理与音响技术、高性能计算机系统、人工智能等领域技术的不断发展，以4K、8K、VR/AR/MR等业务为代表的极致清晰、极致鲜艳、极致流畅的超高清视频成为人们对通信网络的新需求。

　　以有线4K视频、移动2K视频的普及为标志，2016年将是“大视频元年”。大视频给网络带来了极大的挑战。

大视频对城域网络的挑战

　　据Conviva公司用户视频报告的数据显示，35%的用户把视频观看体验作为选择视频服务的首要条件。当遇到卡顿时，56%的用户会觉得难以忍受，从而选择放弃，在直播节目中，没有缓冲的用户观看时长会比缓冲高出240%。由此可见，大视频时代，用户视频体验将直接影响到用户对运营商的满意度。对于有线城域网来说，大视频带来的挑战主要包括以下几点：

　　●   带宽挑战

　　当运营商引入和开展4K/8K/VR等大视频业务，将对网络带来数10倍的带宽增长需求。举例来说，4K视频业务相比高清视频业务，带来了三大方面的提升：首先是画面清晰度的提升，4K的分辨率（3840×2160）是高清（1920×1080）的4倍；其次是画面流畅度的提升，4K的画面从高清时代的每秒25/30帧，提升到每秒50/60帧，极致体验可以达到100/120帧；最后是色彩鲜艳度的提升，每个像素的编码色阶从8bit提升到10/12bit。通过不同帧率、不同色阶的组合，4K可以分为三种形态：普通4K、标准4K和4K+。经过H.265编码后，4K视频的码率是高清视频的4~10倍，对带宽的需求为22.5~75Mbps。而8K/VR则对带宽提出了更高的要求，8K视频的带宽需求为4K的4倍，约为90~300Mbps，VR则为4~16倍，约为300M~1.2Gbps，最高将会超过1Gbps。如此大的带宽必然使城域网的容量也会以几倍的速度提升。

　　●   时延和丢包挑战

　　为保障4K视频业务的流畅，4K TCP点播业务要求用户到CDN边缘节点的网络时延不能高于20ms。4K直播业务对丢包率要求较高，网络侧很难满足要求。8K和VR业务对时延和丢包的需求比4K更高。表1为4K点播与直播在带宽45Mbps时对时延与丢包的需求对比表。

　　●   其他挑战

　　除了带宽需求高、网络时延低、丢包率低等挑战外，大视频对网络的要求还包括QoS、QoE端到端智能监测和保障能力的提升。

大视频时代的城域网变革

　　如上所述，传统网络架构将难以满足大视频极致体验的需求，城域网络必须进行变革。大视频的发展是一个循序渐进的过程，既要考虑运营商网络的基本状况和后期规划，又要考虑视频用户规模的发展以及整个大视频产业链相关的因素，比如最新技术标准、终端支持情况等。如图1所示，根据大视频的发展方向，有线网的演进可分3个阶段进行推进和建设：第一阶段（2016—2017年），优化业务并加强运维；第二阶段（2018—2020年），引入SDN/NFV（软件定义网络/网络虚拟化）技术，实现边缘DC（数据中心）的重构，集中化和池化现有BNG（宽带网络网关）资源，以共享BNG资源；第三阶段（2021—2025年），采用分布式CO（Central Office），改造OLT（光线路终端）所在CO为边缘DC的远端接入模块。

第一阶段：优化业务+加强运维

　　带宽方面，提高BNG平台容量，实现大视频高通量。4K视频发展初期，用户户均流量5Mbps左右，采用传统组网模式，以每OLT接入2500户、每BNG接入10台OLT、每CR接入40台BNG为例计算，4K初期阶段城域网设备带宽BNG至少支持100Gbps，推荐200G平台，未来可平滑升级到400G平台。

　　QoS方面，建立IPoE专属通道，采用TCP（传输控制协议）加速技术提升网络通量，保障视频体验。传统网络结构下，HSI业务和视频业务共用通道，影响视频体验，对视频业务也缺少相应的保障。HSI业务和视频业务可采用逻辑双通道方式进行隔离，HSI宽带上网业务采用PPPoE认证，视频业务采用IPoE认证。HSI和视频业务采用不同的业务VLAN进行隔离。STB通过IPoE拨号连接网络时，BNG设备会为其分配私网地址，节省公网地址空间，同时私网地址和外部网络隔离，保证视频业务的安全性。

　　虽然目前网络基础设施进入高速发展阶段，用户带宽逐年增高。但传统的TCP协议对网络延时和丢包非常敏感，网络中的偶发丢包都会被理解为拥塞，从而启动TCP慢启动和拥塞避免，导致吞吐量下降、用户带宽利用率不高，严重影响用户体验。利用TCP加速算法可以在非最佳的网络质量条件下，提升网络吞吐量，提高带宽利用率，提升用户体验。这样可以延缓网络扩容时间，降低扩容成本。

　　时延方面，CDN（内容分发网络）下沉，降低视频时延。将组播复制点下沉，热点区域三级CDN下沉到BNG或者BNG通过传输直连二级CDN，对CR进行部分分流。

　　用户体验方面，实施FCC加速，加快频道切换并通过运维探针实现智能运维。影响用户观看体验的一个重要因素是频道切换。在未进行任何加速算法的情况下，频道累计切换时间大约为0.9~2.7s。采用FCC技术能够有效缩短频道切换时间，提升用户体验。

　　大视频承载网络必须是可感知、可管理的网络，即网络能够感知到用户视频体验，并在感知到用户体验下降时，网络能够迅速反应，快速定位出网络问题。智能视频运维系统通过运维探针，可以从拓扑、告警和性能视图上轻松导航到关联的视频业务管理界面中进行故障定位，在物理拓扑视图中提供网元、单板、端口、隧道、伪线、客户层业务等各层次的导航；在告警视图和性能视图中，提供告警、性能关联业务的查询，完成对城域承载网的视频业务故障定位。

第二阶段：引入SDN/NFV技术，实现边缘DC重构，共享BNG资源

　　该阶段是4K视频的快速发展阶段，同时8K和VR业务逐步引入，应以“稳步提升业务体验，进一步提高用户渗透率”为目的，故在带宽与时延上进一步提高性能，以实现优质的4K体验效果。引入SDN/NFV技术，实现边缘DC的重构，集中化和池化现有BNG资源，以充分共享BNG资源，并利用交换机接入分散的OLT（见图２）。如此，能提升BNG利用率，减少业务边缘机房个数，快速部署，提供更灵活的业务接入和业务管理。同时为了业务的快速响应，以及节省城域带宽，可缩短业务提供路径，在边缘DC部署三级CDN，部分热点地区，CDN可按需部署至OLT局所，通过独立CDN设备或OLT集成mini CDN方式，完成片区热点片头存储，实现最短路径访问。

　　下面以东部某省会城市（以下称“A市”）为例，阐述CO重构方案在网络利用率、设备利用率和节能减排方面带来的好处。

　　2015年A市有140万家庭宽带用户，城域网内共计流量1471.5Gbps。改造前采用传统的城域网架构，BNG数量众多，但是资源不能共享，造成端口利用率和网络利用率低，浪费很大。

　　根据现网情况，在城域边缘采用分布式DC，引入vBNG，设备分布和带宽分布如表2所示。

　　采用vBNG方案，与传统方案相比，从设备数量、利用率、功耗等多个维度进行对比如下：

　　●   需要配置的端口总带宽，从14849Gbps，下降到5120Gbps，下降65.5%，而带宽利用率则由20%上升到了57.48%，上升幅度为187.4%；

　　●   BNG设备数量由214台降低到32台，降低了85%，设备功耗从74245W，降低到10240W，降低了86.2%；

　　●   与BNG相连的CR下行总带宽也明显降低，从3352Gbps，降低到2160Gbps，下降了39.2%，带宽利用率由40%上升到65.76%，上升了64.4%。

　　从上述数据可以看出，CO重构方案较传统方案在资源投入和能耗方面有显著优势。除此之外，因资源的池化所带来的网络弹性、容灾备份能力以及多业务的调度，也是传统方案所不能比拟的。

　　视频发展第二阶段对各网络设备要求如下：

　　●   汇聚交换机支持高密度100GE；

　　●   BNG支持400GE，并能平滑升级到1T平台，实现转发面和控制面分离和控制面池化。

第三阶段：采用分布式CO

　　该阶段，视频业务进入高度渗透期，高清业务退出历史舞台，4K视频成为基础业务，8K业务/VR业务成为市场主导，根据用户流量分类、在线率等数据测算用户户均流量约为100Mbps。如果采用传统组网模式，以每OLT接入2500户用户，忙时用户均流量为100Mbps，每BNG接入10台OLT，每CR接入40台BNG为例，计算出网络设备容量要求如表3所示。

　　从表3可以看出，业务流量大幅增长，对BNG转发面提出了更高的挑战。虽然通过池化能解决BNG转发面性能和容量的挑战，但是需要投入大量的设备，成本过高，可采用分布式CO，改造OLT所在CO为边缘DC的远端接入模块，具体措施为：

　　●   OLT支持IPoE功能，作为大视频业务的网关，消除原BNG容量瓶颈，降低组播复制点位置，节省城域带宽；

　　●   低附加值业务，如互联网，穿透ADC（Access DC，位于OLT局所），由边缘DC控制处理，释放ADC设备，使其专注大视频、VR等高要求业务；

　　●   OLT设备通过OTN设备，通过2×100G上联边缘DC与CR，保证足够带宽，利用高容量switch进行业务分流；

　　●   在热点地区将OLT与vCDN设备融合，进一步提升热点区域用户体验；

　　●   OLT局所设备控制面上移到边缘DC，统一管理、运维。

　　完成后，OLT、BNG、ONT三设备转发面融合，控制面上移，协同城域网控制器实现网络简化/光纤化及弹性部署，如图3所示。

　　大视频业务要求域域网高带宽、低时延、低丢包率、扁平化并实现智能运维，城域网通过3个阶段演进，逐渐引入SDN/NFV技术，充分实现全网资源灵活调度，助力运营商构建满足大视频时代要求的承载网络。