边缘网络

公共电信网络的边缘

边缘网络是给定的一个非技术性描述的网络— — 公共电信网络的边缘。如果要用现有的技术术语描述的话，边缘网络包括汇聚层网络和接入层网络的一部分或全部，是接入用户的最后一段网络。从价值的角度讲，边缘网络是已有核心网络与大用户之间的商业网络。它强调两点，一是强调大用户，即：企业、院校、政府部门、商业写字楼、宾馆或其他电信运营商等，他们是信息和通信需求最活跃的用户，是运营商客户体系中最有价值的用户；二是重在挖掘已有网络的潜在价值。

网络概念

起源

进入21世纪，随着互联网经济泡沫的破灭，前期的投资远没有在随后的业务中得到预期的回报，全球的网络运营商在网络的建设和运营上都出现了前所未有的困难。于是，运营商开始冷静地分析自己的经营策略和用户体系，一方面，人们意识到居民用户的投资和回报将是长期的，采用LAN 圈起的大量荒地，要有五年或更长的耕作期，还要“风调雨顺”；另一方面，对企业用户，却由于其业务量大、服务需求旺盛而日益受到运营商的重视。现在，运营商在网络规划和建设中更关心对新的运营模式的支持、对不同业务的支持，对现有网络资源的利用和投资的增值收益。

边缘网络就是针对这一环境给定的一个非技术性描述的网络— — 公共电信网络的边缘。如果要用现有的技术术语描述的话，边缘网络包括汇聚层网络和接入层网络的一部分或全部，是接入用户的最后一段网络。从价值的角度讲，边缘网络是已有核心网络与大用户之间的商业网络，如图1所示。它强调两点，一是强调大用户，即：企业、院校、政府部门、商业写字楼、宾馆或其他电信运营商等，他们是信息和通信需求最活跃的用户，是运营商客户体系中最有价值的用户；二是重在挖掘已有网络的潜在价值。在竞争的市场环境下，运营商对于网络的认识更多的是从价值，而不是技术的角度去认识网络，特别是对于接入用户的网络边缘。

提供业务

边缘网络就是这样一种业务驱动的网络，主要提供如下业务：

专线业务：为大用户提供出租电路或带宽；

业务接入：为接入运营商提供网络接入服务，充当“运营商的运营商”；增值服务：提供除网络基础设施以外的增值业务，如提供用户带宽管理、业务管理、接入控制管理及多种方式的计费管理等。

因此，边缘网络是运营商“接入”收入最敏感的网络，并已经成为运营商竞争与争夺的主要领域，它的价值将成为运营商长期关注的焦点。

特征

边缘网络起源于网络边缘的概念，其最显著的特征是：具有相对性。

对于小型企业网，桌面可以理解为边缘网络。但是对于较大规模的企业网，此时的企业分支机构可以理解为网络边缘。这里的企业分支机构可视为是网络的接入层或者汇聚层。

过渡技术

在过渡阶段，IPv4与IPv6将长期共存。边缘网络过渡技术旨在解决IPv4与IPv6网络之间的不兼容问题，提供双向连通性，实现IPv4用户向IPv6的平滑过渡。由于当前IPv4地址资源不足，新建成的边缘网络很有可能是IPv6单栈的。为使IPv6边缘网络中的用户能访问IPv4的网络资源，所有的过渡技术都需要解决数据分组通过IPv6网络的问题。

如果用户主机是lPv6单栈的，则用户访问lPv4资源时发出IPv6数据包，可以在地址协议簇边界路由器(AFBR)处使用翻译技术，将IPv6}E文翻译成IPv4报文。如果用户主机是双栈的，则用户访问IPv4资源时可以发送IPv4数据包，使用隧道技术将数据包经IPv6网络传输至AFBR，再经解封装获取IPv4数据包，使之进入IPv4网络。

实际上，只支持IPv6的应用很少，而支持IPv6的应用大多都同时支持IPv4。另外，支持IPv4单栈的应用居多。因此在IPv6边缘网中，主流应用场景是通信双方都为IPv4应用。隧道技术在边缘网络构建的IPv4-over-lPv6环境能更好地适应这种场景。隧道技术还能够保持端到端的特性，网络设备也只需进行封装，解封装的操作。

如果边缘网络是IPv4(已建成的边缘网络多是IPv4)，而用户有访问IPv6互联网的需求，运营商可以采用基于隧道技术6rd方案。

SDN边缘网络

在传统边缘网络中，对应承载不同的业务类型以及服务的不同客户群，已经部署了多种IP边缘接入设备，分别独立控制和承载，比如边缘汇聚设备（如BRAS、SR、GGSN和xGW等），分别负责将不同的用户和数据服务统一接入到核心承载网，普遍具备鉴权认证、地址分配以及路由转发等功能。随着云计算、物联网、智能家庭等新型服务带来的网络架构的变化，导致边缘网络接入的终端和业务类型不断丰富，并且存在强烈的差异性和独立性，如何满足不同用户接入网络之间的差异性，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，而SDN正是能够满足这些要求的解决方案，主要包括：

协议无感知转发

协议无感知转发即转发硬件设备对数据报文协议和处理转发流程没有感知，网络行为完全由控制面负责定义。协议无感知转发技术能够帮助网络服务运营商降低资本性支出和运营性支出，并且使得传统的IP网络具备更灵活的面向实时业务的网络抽象和管理能力。采用协议无感知转发技术的SDN将提供由软件定义的高效的网络转发硬件设备。通过软件与硬件解耦可以使得转发面和控制面独立发展和演进，帮助运营商不需进行硬件升级就可以快速部署新业务。

多网适配接入

充分利用多种接入网络协同覆盖的资源，提供接入网发现和选择功能，根据运营商策略为终端选择目标接入网络的模式，通过网络与终端的交互协同，实现网络接入的有效分流，基于SDN的统一控制平面，按照网络负荷、终端能力、用户签约情况等信息制定统一策略，帮助终端用户选择最佳接入的网络制式，实现多种接入方式的协同运营。

软件按需配置

边缘控制设备维护了用户相关的业务属性、配置及状态，如用户的IP地址、路由寻址的邻接表、动态主机配置协议（DHCP）地址绑定表、组播加入状态、PPPoE/IPoE会话、QoS和访问控制列表（ACL）属性等，这些重要的表项和属性直接关系到用户的服务质量和体验。基于SDN技术，可以将边缘接入控制设备中路由转发之外的功能都提升到城域网控制器中实现，并可以采用虚拟化的方式实现业务的灵活快速部署。

集中管理监控

集中网管只是一个将数据从网络中抽取出来的标准方式（尽管一些工具已经开始尝试从命令行界面中抽取数据），现在的网络管理平台不足以为网络拥有者提供可视性和控制性。而SDN是一个从商业到技术的接口，SDN将服务呈现给用户和企业，然后将服务予以抽象化以便让控制器可以将它们转换成网络动作。传统网络中，每个网元均有独立的控制面，网元间通过控制协议进行数据交互；对于SDN，将单个网元的控制面抽离处理，统一成一个独立于设备的控制平面，因而可以拥有网络级的状态，并根据全局网络状态进行优化。

此外，随着SDN和虚拟化技术的引入，边缘网络设备从传统依赖于单台设备转发和控制能力提供接入服务，逐渐过渡到由多台边缘设备联合组网协同提供服务，真正实现全网一体化统一接入服务能力，网络运营服务面向“全连接以及零距离”的互联网运营模式转变。

处理器设计

网络处理器(Network Processor ,NP)是一种为网络应用而专门设计的可编程器件, 力图将GPP的可编程能力和ASIC 的高性能有机的结合在一起 , 在满足不断增长的网络处理要求的同时快速的适应新的服务要求。网络处理器的出现为网络设备的设计提供了新的解决方案, 得到了学术界的广泛关注, 并为工业界接受, 已经成为新一代路由交换设备的核心。

储单元、总线控制器单元、UART 控制器单元、定时器单元、MAC 控制器单元及其相应的外围接口设备组成。当系统中包含4 个处理引擎和4 个MAC 控制器时, 该网络处理器的整体结构如图1 所示。

其中, 处理引擎单元(PE0 ～ PE3)是TinyNP 系统的核心, 是该网络处理器的可编程能力的主要体现者。该处理引擎兼容MIPS I 指令集[ 5] , 采用哈佛结构和Wishbone 总线标准, 具有良好的可扩展性和处理能力。由于在设计充分考虑了扩展的需要,只需要少许的工作便可为该处理引擎添加新的指令支持。

TSE

树搜索引擎单元(TSE)和校验和单元(CHECKSUM)是该网络处理器的两种协处理器,分别用于加速网络处理中的搜索和校验和操作。其中树搜索引擎单元采用Patricia 树存储搜索结构,可完成全匹配和最长前缀匹配等多种搜索操作。为了降低硬件复杂度并提高处理效率, 树搜索引擎只完成最常用的搜索操作, 而那些复杂但不常用的对表格的维护操作则由运行在处理引擎上的微码程序来完成。校验和单元用于加速网络处理中常用的Checksum 和CRC 校验等运算。

指令存储单元

指令存储单元(INS T_ROM)用于存储处理引擎运行所需的程序代码, 该部件为系统中的多个处理引擎共享。出于可用资源的限制和效率的考虑, 文中采用一种全局多体交叉伪多端口、局部真双端口的设计来构建该存储单元, 即该存储单元是采用多体交叉的方式构建的, 并为每个处理引擎提供一个独立的端口, 而其中的每个存储体都采用一块双端口的存储器实现。由于处理引擎大部分情况下的取指是顺序进行的, 这种设计可以大大降低取指冲突的概率, 保证多个处理引擎同时访问该单元时的效率。文中在该系统中运行了Commbench 和Npbench 中选择了部分程序以及Dhry stone 2 .1 基准程序, 实验结果表明在4 个处理引擎的配置中, 取指冲突的概率不到3 %。

总线控制器单元

总线控制器单元(SYS BUS)用于连接系统的各个模块, 提供各个模块间的通信。在文中的设计中, 模块间的通信采用Wishbone 总线标准。该总线是由Opencores .org 网站维护的免费总线标准, 具有简单灵活, 占用的逻辑资源少的特点。由于该总线控制器需要同时提供系统中多个模块间的数据仲裁和通信, 必须对它进行仔细的设计才能保证这多个部件同时访问不同的存储器体时, 能并行进行。

MAC 控制器单元

MAC 控制器单元(MAC0 ～ MAC3)是系统的以太网络接口部件, 它在处理引擎模块的控制下对外围的PHY 接口进行控制, 实现以太网数据包的接收和发送。该模块接收到或待发送的数据都存放于全局存储器(DATA RAM)中。总线控制器单元为该单元提供了以DMA 的方式访问DATA_RAM模块的能力, 实现以太网数据包的接收和发送。

UART

UART 控制器单元(UART)用于控制外围的RS232 接口与上位的控制主机的通信, 用以实现TinyNP 系统的程序和数据的下载以及调试信息的输出等功能。该模块的波特率可以设置, 而且该模块还设置了大小可配置的输入输出缓冲区来减小处理引擎通过它与外部通信时的等待。控制主机可以通过该接口了解网络处理器系统的运行状态或对系统的运行进行控制。

定时器单元

定时器单元(TIMER)是一个计数器/定时器,它可以为处理引擎提供周期的定时中断, 以提供系统对诸如操作系统等系统程序的支持。另外, 在该模块中有一个寄存器记录系统运行的时间, 处理引擎可以通过读取该寄存器的值以获得当前系统的运行时间, 进行诸如计时等操作。

外围接口

外围接口主要包括用于与外部设备通信的RS232 接口、用于以太网物理层接口的PHY 模块以及其它根据应用需求设置的器件等。另外, 文中还为该系统设计了一个时钟和复位信号产生部件(C LOCK GEN)用以对输入的时钟进行分频以及根据外部复位信号产生系统需要的复位信号。该部件可以滤除外部信号的毛刺并使内部的时钟和控制信号的产生对外部电路透明, 提高了系统的稳定性,简化了外部电路的设计。

TinyNP 系统还包括完整的C 语言开发环境的支持, 可以使用GNU 工具链在该系统上进行开发。另外, 该系统能够支持包括uC/OS 嵌入式操作系统、U-Boot Boot Loader 以及LWIP 协议栈在内的多种基础软件。这些都使在该系统上的应用开发变得非常的简便和快捷。

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