三網(wǎng)融合接入控制方式的研究及實現(xiàn)
杜寶林 2010/11/30
1.引言
目前，電信運營商發(fā)展寬帶接入業(yè)務(wù)主要采用的是PPPoE接入控制，Radius認證的方式管理用戶。這種方式采用動態(tài)分配IP地址，對每用戶帶寬進行控制，很好地支持了寬帶業(yè)務(wù)的發(fā)展。由于寬帶應(yīng)用業(yè)務(wù)呈現(xiàn)多樣化的發(fā)展趨勢，特別是三網(wǎng)融合試點工作的啟動，IPTV等流媒體業(yè)務(wù)和智能設(shè)備接入應(yīng)用業(yè)務(wù)不同于一般的網(wǎng)頁內(nèi)容推送寬帶業(yè)務(wù)，PPPoE接入方式已不能滿足發(fā)展要求。IPoE接入控制方式不需要安裝客戶端程序，不需要輸入用戶名和密碼，屬于零配置部署，非常適合新型的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，如IPTV機頂盒，WLAN，手持IP終端，視頻監(jiān)控，VoIP等零配置需求的終端。在三網(wǎng)融合的大背景下，IPoE方式提供規(guī)模發(fā)展IPTV業(yè)務(wù)的接入控制解決方案尤其有深遠意義。目前，主流的接入認證控制技術(shù)主要包括PPPoE和IPoE。
2.主流接入認證控制方式
2.1 PPPoE認證技術(shù)
(l)PPPoE認證簡介
PPPoE(PolntoPoilltProtocaloverEtherne）指在以太網(wǎng)上承載PPP協(xié)議，利用以太網(wǎng)將大量的主機組成網(wǎng)絡(luò)，接入因特網(wǎng)，并對接入的每一個主機實現(xiàn)控制。PPPoE是在以太網(wǎng)上對PPP的封裝，提供了在以太網(wǎng)廣播鏈路上進行點對點通信的能力。PPP協(xié)議通過3個協(xié)議協(xié)商階段：鏈路控制協(xié)議LCP，認證協(xié)議（PAP，CHAP)，網(wǎng)絡(luò)控制協(xié)議NCP，解決了鏈路建立、維護、拆除、上層協(xié)議協(xié)商、認證等問題。撥號后，用戶計算機和局端接入服務(wù)器（BRAS）在LCP階段協(xié)商底層鏈路參數(shù)；在認證階段將用戶名和密碼發(fā)送給接入服務(wù)器認證，接入服務(wù)器可以進行本地認證，可以通過RadiSS協(xié)議將用戶名和密碼發(fā)送給AAA服務(wù)器進行認證。認證通過后，在NCP(IPCP）協(xié)商階段，接入服務(wù)器給用戶計算機分配網(wǎng)絡(luò)層參數(shù)（如IP地址等）。經(jīng)過PPP的3個協(xié)商階段成功后，用戶就可以發(fā)送和接受網(wǎng)絡(luò)報文，用戶收發(fā)的所有網(wǎng)絡(luò)層報文都封裝在PPP報文中。PPP協(xié)議具備的身份驗證功能很好地解決了以太網(wǎng)上的用戶安全管理問題。
(2)PPPoE特點
PPPoE認證因其標準性、互通性好的特點而被廣泛應(yīng)用，商用成熟；PPPoE認證撥號軟件與主流的PC操作系統(tǒng)可以良好地兼容，或已經(jīng)內(nèi)置于操作系統(tǒng)中；PPPoE通過惟一的Session-ID可以很好地保障用戶的安全性，被廣泛應(yīng)用于寬帶接入認證。
PPPoE的認證機制相對復(fù)雜，對設(shè)備處理性能。內(nèi)存資源要求較高，而且用戶需要一個認證的等待過程。因PPPoE終結(jié)于BRAS，BRAS與主機之問通過PPP建立起來的大量點到點的連接，所經(jīng)過的交換機不能識別PPPoE報文格式，只能迸行轉(zhuǎn)發(fā)，無法迸行針對VLAN等信息的組播復(fù)制，使組播復(fù)制點只能選擇在BRAS設(shè)備上。BRAS設(shè)備暴露出的局限性無法滿足寬帶多媒體業(yè)務(wù)迅速發(fā)展的需求。
2.2 IPoE認證技術(shù)
(1)IPoE認證簡介
IPoE利用DHCPOPTION信息實現(xiàn)了業(yè)務(wù)終端的零配置部署。IPoE既能通過元須用戶名和密碼的方式即可實現(xiàn)認證和自動配置，也可以通過DHCP+Web方式實現(xiàn)基于用戶名和密碼的認證。
DHCP是指動態(tài)主機配置協(xié)議，通過DHCP客戶端，利用自動發(fā)現(xiàn)機制嘗試與DHCP服務(wù)器建立通信。DHCP提供IP配置參數(shù)，對用戶端的IP層進行配置。DHCP協(xié)議沒有認證的功能，但可以配合其他技術(shù)實現(xiàn)認證，比如DHCP+Web方式，DHCP＋客戶端方式和利用DHCP+OPTION擴展宇段進行認證。這些方式都統(tǒng)稱為DHCP＋認證。現(xiàn)討論的主要是DHCP+OPTION擴展字段進行認證，又稱為IPoE認證方式。用作DHCP擴展的OPTION字段主要為OPTION60(RFC2132）和OPTION82(RFC3046）。其中，OPTION60中帶有Vendor和Service Option信息，是用戶終端發(fā)起DHCP請求時攜帶的信息，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備只需透傳即可。其作用是用來識別用戶終端類型，進而識別用戶業(yè)務(wù)類型，DHCP服務(wù)器可以據(jù)此分配不同的業(yè)務(wù)IP地址。OPTION82信息是由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備插入在終端發(fā)出的DHCP報文中，主要用來標識用戶終端的接入位置，實現(xiàn)用戶和線路的精確綁定，保證了DHCP接入的安全性和真實性，DHCP OPTION82信息可以由DHCPSnooPing或DHCPRelay設(shè)備進行插入。
作為IPoE客戶端的用戶終端設(shè)備，產(chǎn)生DHCP消息，中間設(shè)備插入各種DHCP Option進行用戶綁定，業(yè)務(wù)綁定等。BRAS或SR等寬帶網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)控制設(shè)備（Broadband Network Gatewny）負責(zé)DHCP消息到Radius認證消息的翻譯。與Radius進行認證、授權(quán)、計費功能。認證通過后，下放Radius返回的每用戶QoS，訪問控制的列表等功能，同時對通過設(shè)備的流量/時長進行計費。Radius等IPoE業(yè)務(wù)控制系統(tǒng)，能夠動態(tài)調(diào)整每用戶的帶寬和QoS屬性，提供基于預(yù)付費、流量、時長等多種計費手段。對用戶管理控制，并提供差異化的服務(wù)。
(2)IPo的認證特點
基于用戶物理位置（VLANyVCID標示）的認證和計費，連接網(wǎng)絡(luò)時不需輸入用戶名和密碼，對于永遠在線的應(yīng)用和不愿意輸入用戶名和密碼的用戶非常適合。
DHCP+（option60/Option82）對DHCP協(xié)議進行了擴展，增加了安全（防DoS攻擊及地址仿冒）、監(jiān)控、用戶識別等特性。與Radius相結(jié)合提供計費功能，便于運營。
組播部署靈活，可高效實現(xiàn)組播復(fù)制，井把組播復(fù)制點下移至小區(qū)交換機、DSLAM等網(wǎng)絡(luò)末梢。減輕網(wǎng)絡(luò)壓力，節(jié)約接入網(wǎng)的帶寬。
門IPoE認證的安全措施
IPoE認證沒有像PPPoE認證那樣在網(wǎng)絡(luò)層面提供惟一的點到點的通信機制，運營商在部署IPoE認證時，要重點關(guān)注安全問題。網(wǎng)絡(luò)各層面的設(shè)備通過協(xié)同工作，增強網(wǎng)絡(luò)的安全性。具體的安全保障措施如下：
DHCP屬于數(shù)據(jù)和認證分離的控制方式，安全性不及PPPoE，為防止用戶靜態(tài)配置IP地址，或者網(wǎng)絡(luò)盜用，可以在接入設(shè)備或者業(yè)務(wù)路由器上部署MAC+IP綁定功能。啟用DHCP Snooping或DHCP Relay的節(jié)點，在偵聽到DHCP Offer消息時，生成IP和MAC的綁定關(guān)系，只有源MAC和IP匹配的IPoE幀才可以通過，否則丟棄。這樣只有經(jīng)過DHCP認證的用戶才可以得到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，未經(jīng)認證，或者靜態(tài)配置IP地址的終端不能得到服務(wù)。還可以基于OPTION82信息對用戶的線路號進行識別認證來保證安全性。
- 用戶終端數(shù)限制通過系統(tǒng)將每個業(yè)務(wù)接入點連接的用戶終端數(shù)量進行限制。
- 防DOS攻擊
在Radius中將用戶的MAC地址和線路號綁定。在Radius數(shù)據(jù)庫中查詢到MAC地址和線路號，DHCP的請求方可經(jīng)Radius服務(wù)器認證通過后被送到DHCP Server，才能獲得IP地址。這種方式降低了通過發(fā)送大量的DHCP請求，模擬不同MAC地址的請求，攻擊DHCP Server的風(fēng)險。
在用戶通過認證獲得IP地址之前，設(shè)定DHCP數(shù)據(jù)包能夠通過的數(shù)量限制，降低Radius Server的壓力。如對來自同一個DSLAM線路號的Radius請求數(shù)量作控制，比如1s內(nèi)，最多允許1個請求，如連續(xù)出現(xiàn)多個請求，則認為發(fā)生攻擊，直接丟棄Radius數(shù)據(jù)包。依靠這種機制解決大量的DHCP請求發(fā)送到Radius服務(wù)器的風(fēng)險。
禁止用戶端口間直接轉(zhuǎn)發(fā)的端口隔離；通過VLAN隔離方式進行業(yè)務(wù)隔離。
2.3 PPPoE和IPoE對比分析
引入IPoE系統(tǒng)之后，IPoE可以完成原有PPPoE系統(tǒng)的所有功能，同時還能提供如下優(yōu)勢：
（1）終端支持
所有支持IP協(xié)議的設(shè)備都支持，不需要安裝第三方撥號軟件，可以廣泛支持各種手持設(shè)備、移動設(shè)備、視頻設(shè)備等。
（2）報文開銷
由于PPPoE報文引入了PPPoE頭（6Bytes）和PPP頭(2Bytes），所以在所有用戶流量里面增加了8個字節(jié)的協(xié)議開銷，對于高帶寬的應(yīng)用（8M的高清電視等），處理能力不高的終端設(shè)備壓力很大。
（3）組播復(fù)制
由于PPPoE報文是在BRAS設(shè)備和用戶之間建立點對點連接，中間的交換機層次不能很好地理解PPPoE報文格式，只能進行轉(zhuǎn)發(fā)，無法進行針對VLAN等信息的有效組播復(fù)制。所以采用PPPoE迸行組播業(yè)務(wù)的開展，組播復(fù)制點只能是BRAS設(shè)備，而采用IPoE，可以把組播復(fù)制點下移到DSLAM，一方面減少了BRAS設(shè)備的壓力，另一方面也極大地節(jié)約了網(wǎng)絡(luò)接入層帶寬。
（4）用戶冗余
IPoE方式可以對接入的用戶數(shù)量進行控制，如采用Portal方式，其增值業(yè)務(wù)能力較強。
根據(jù)上述討論，在終端支持、封裝開銷和組播支持認證效率等方面，IPoE認證具有較明顯的優(yōu)勢。缺點是對用戶的控制力度不足，在用戶認證／策略控制／地址分配／會話監(jiān)控等方面有待完善。
3.業(yè)務(wù)按入控制技術(shù)實現(xiàn)
3.1 單邊緣與多邊緣接入控制分析
由于IPoE在IPTV等新型業(yè)務(wù)承載方面具有的明顯優(yōu)勢，可能成為未來的主要認證方式。而PPPoE作為目前寬帶業(yè)務(wù)的主要認證方式也將長期存在。根據(jù)不同的業(yè)務(wù)類型，靈活選擇IPoE和PPPoE認證方式，可用同一套Ra山us系統(tǒng)支持兩種認證方式。通過部署多邊緣接入架構(gòu)，實現(xiàn)對每用戶／每業(yè)務(wù)的精細化控制和QOS保證，是業(yè)務(wù)融合的方向。
(1）單邊緣接入控制
如圖1所示，單邊緣業(yè)務(wù)接入模式是指用戶的寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)和IPTV業(yè)務(wù)共用相同的接入控制點BRAS。PC使用PPPoE方式接入BRAS，TV既可采用PPPoE方式，也可使用DHCP／專線的方式接入BRAS。當(dāng)使用PPPoE方式時，可以利用不同的域名或不同的VP/LVACN來區(qū)分接入是來自機頂盒，還是來自PC；當(dāng)采用DHCP方式時，可以利用機頂盒的MAC地址和DHCP Option60，或DHCP Option82控制對機頂盒分配地址。寬帶網(wǎng)承載的NGN語音業(yè)務(wù)，可以采用BRAS兼作PE構(gòu)建MPLSVPN。
圖1:單邊緣接入方式
（2）多邊緣接入控制
如圖2所示，多（雙）邊緣接入模式是指寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)和IPTV業(yè)務(wù)分別由專用的業(yè)務(wù)接入控制點提供。寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)仍由原有的BRAS作為業(yè)務(wù)控制點；IPTV業(yè)務(wù)則使用SR作為控制點，STB采用DHCP／專線接入方式；NGN語音業(yè)務(wù)使用另外的SR作為控制點，或者與IPTV業(yè)務(wù)共用SR。不同的業(yè)務(wù)一般由匯聚交換機根據(jù)VLANID分離后，進入相應(yīng)的業(yè)務(wù)控制設(shè)備。
圖2:多邊緣接入方式
（3）業(yè)務(wù)接入控制方案
如采用單邊緣接入，隨著IPTV用戶數(shù)量的增加將會加重BRAS負荷，造成端口的帶寬緊張。BRAS如再兼作PE，設(shè)備可能將不堪重負。在理論上，上網(wǎng)業(yè)務(wù)，IPTV業(yè)務(wù)，NGN語音業(yè)務(wù)可以共用BRAS接入，但實際應(yīng)用時需考慮設(shè)備的承載能力，考慮設(shè)備的設(shè)計定位。
如采用多（雙）邊緣接入控制方式，需從終端起，在二層接入網(wǎng)絡(luò)中為每個用戶的每種業(yè)務(wù)部署不同的二層虛通道PV(/LVAC)，將增加二層網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。為減輕復(fù)雜性，可采用單通道接入，再利用匯聚交換機具備的業(yè)務(wù)感知能力分離不同的業(yè)務(wù)。這種方式使不同的業(yè)務(wù)接入控制點之問，難以進行不同業(yè)務(wù)間的流量控制和協(xié)調(diào)。
在建網(wǎng)初期，可以將BRAS作為IPTV業(yè)務(wù)的接入網(wǎng)關(guān)，但隨著用戶數(shù)的增長，BRAS承載壓力加大。所以可以單設(shè)SR作為IPTV業(yè)務(wù)業(yè)務(wù)接入控制點（見表1）。
表1:接入控制方式的選擇
如果城域網(wǎng)的POP點用戶規(guī)模偏大，建議采用雙邊緣／多邊緣方式，部分業(yè)務(wù)量偏少，業(yè)務(wù)發(fā)展?jié)摿Σ淮蟮目h級POP點采用單邊緣方式。在同一城域網(wǎng)內(nèi)盡可能地使用一種方案。如IPTV業(yè)務(wù)由BRAS作為業(yè)務(wù)控制點，則通常采用PPPoE的方式提供，Radius認證。如果由SR作為業(yè)務(wù)控制點，通常采用IPoE方式提供，DHCP認證。
3.2 寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)
從前面的技術(shù)分析看出，IPoE和PPPoE將在一段時期內(nèi)并存，滿足不同業(yè)務(wù)需求。無論采用何種認證機制，都需要部署業(yè)務(wù)接入控制網(wǎng)關(guān)來對用戶的接入。認證、會話及QOS等策略進行管理。網(wǎng)絡(luò)邊緣業(yè)務(wù)控制設(shè)備從僅支持PPPoE的設(shè)備（如BRAS）向TR101架構(gòu)定義的寬帶網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)網(wǎng)關(guān)（BNG同時支持PPPoE和IPoE）演進。傳統(tǒng)的BRAS是為支持PPPoE協(xié)議而設(shè)計的設(shè)備，通過增加IPoE功能演變?yōu)锽NG設(shè)備。傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)路由器支持高帶寬的IPoE用戶控制，通過增加PPPoE功能而演進為BNG設(shè)備。
接入網(wǎng)是城域網(wǎng)的帶寬瓶頸，小區(qū)以太網(wǎng)交換機的QOS控制機制弱。需在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上部署H-QOS機制，以降低接入網(wǎng)設(shè)備的QOS性能要求，簡化QOS管理。要求BNG最多可達三級調(diào)度，實現(xiàn)針對每用戶、每業(yè)務(wù)、每應(yīng)用的QoS策略，從而實現(xiàn)帶寬的靈活調(diào)度及業(yè)務(wù)管理。
3.3 IPoE部署方案
IPoE分為非Session級和Session級出RAS集中控制用戶會話，先認證后分配地址）兩種方式。若采用多邊緣方式提供IPTV業(yè)務(wù)，對Session級控制無需求，可采用非Session級方式，否則，采用Session級方式。Session級IPoE更適合現(xiàn)在和未來業(yè)務(wù)的部署，實現(xiàn)多業(yè)務(wù)承載和業(yè)務(wù)精細化運營。
(1)IPoE的部署基于BRAS的IPoE部署
現(xiàn)網(wǎng)可支持IPoE的大容量BRAS，通過軟件升級、硬件板卡擴容等方式進行部署，實現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)承載的單邊緣架構(gòu)。
現(xiàn)網(wǎng)無法支持IPoE的小容量BRAS，應(yīng)保持現(xiàn)狀以承載PPPoE為主。同時在其位置新部署大容量BRAS設(shè)備，承載IPoE業(yè)務(wù)，即PPoE+IPoE的雙邊緣架構(gòu)。待小容量BRAS逐步退網(wǎng)后，大容量BRAS實現(xiàn)綜合業(yè)務(wù)承載的單邊緣架構(gòu)。
(2)IPoE的部署基于BRAS,SR分散承載的IPoE部署
結(jié)合現(xiàn)有設(shè)備的部署現(xiàn)狀，也可以部署SR專門承載IPTV等視頻業(yè)務(wù)，使BRAS,SR分散承載業(yè)務(wù)，負荷分擔(dān)。
(3)DHCPServer系統(tǒng)的部署
在IPTV業(yè)務(wù)中，建議IPTV業(yè)務(wù)的地址統(tǒng)一管理，集中部署DHCP Serve系統(tǒng)（實際上包括DHCPServer，認證服務(wù)器和數(shù)據(jù)庫三部分），為IPTV終端分配P地址，業(yè)務(wù)路由器（SR）啟用DHCP Relay功能，而不是內(nèi)置的DHCP Server。DHCP Server系統(tǒng)是IPoE業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)迸人認證的核心，負責(zé)用戶的認證和地址分配。集中部署DHCP Server便于部署統(tǒng)一的地址分配策略，這些地址分配策略與其它網(wǎng)絡(luò)控制、管理策略相結(jié)合，可以提供差異化服務(wù)，從而衍生出一系列的增值產(chǎn)品，如VIP客戶的地址池與網(wǎng)絡(luò)QoS相結(jié)合，可以保證VIP客戶的IPTV業(yè)務(wù)體驗。
4.結(jié)束語
目前，中等城市的城域網(wǎng)采用PPPoE方式接入的寬帶用戶在數(shù)十萬量級，特大型城市要在數(shù)百萬級。顯然PPPoE方式經(jīng)歷了實踐中的大規(guī)模應(yīng)用檢驗。IPoE方式還處在初期應(yīng)用階段，需要在規(guī)模應(yīng)用過程中不斷完善。通過在推廣IPTV，手持終端應(yīng)用等業(yè)務(wù)的過程中，發(fā)現(xiàn)IPoE方式存在的不足，并改進和完善，使基于IPoE方式的技術(shù)方案能夠推動業(yè)務(wù)的普遍應(yīng)用。
泰爾網(wǎng)
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