马智勇，刘文超，万 象

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

家庭网关宽带业务承载架构探讨

马智勇，刘文超，万 象

（中国电信股份有限公司上海研究院 上海 200122）

家庭宽带蓬勃发展，对家庭网关业务承载提出了新的需求，基于对多业务并发、多业务网络平面共存等趋势的分析，为满足业务路由和业务服务质量的需求，对家庭宽带业务承载的4种方案进行了探讨，提出了现网部署实施建议。试验网验证了方案的可行性和有效性。

家庭业务网络；路由；服务质量

1 引言

根据中国互联网络信息中心2011年发布的统计数据，我国家庭宽带上网网民已达3.8亿人。随着宽带基础设施服务能力的不断完善，家庭宽带上网用户规模还将继续攀升。宽带运营商应未雨绸缪，为更好地服务用户做足准备。无论运营商为用户提供哪种宽带接入方式（如电话线、同轴电缆、光纤等），家庭网关都是家庭宽带接入服务的基础设备。基于家庭网关，探讨面向未来的家庭业务承载框架成为一个研究课题。

2 趋势和需求

对家庭业务、网络发展新趋势的分析可以从很多纬度进行。本文侧重发掘对家庭业务承载方案有影响的发展趋势。主要可概括为应用多样化、业务网络多平面化、组网布线手段多样化、多种业务单终端化。

（1）应用多样化

当前的网络应用发展如百花齐放，已经超越了简单信息获取的层面。微博、博客、网络社区、网络游戏、网络音乐、网络视频、网络购物等应用已成为用户生活中不可缺少的一部分。有线/无线上网、IPTV（网络电视）标清和高清、宽带话音等传统电信业务之外，可视电话、云存储、安防监控等新业务应用也逐步走向大众。

不同应用对网络的服务质量提出了不同的要求，是在设计家庭业务承载方案时应考虑的因素。例如，搜索引擎、即时通信、电子邮件、微博、博客、个人空间等信息获取类应用数据量小，对带宽要求不高；云存储、P2P（点对点）下载等应用具有短时、突发的特点，需要高带宽保证；宽带话音、可视电话、IPTV标清和高清等业务应用对传输的时延和抖动敏感，对业务质量保障要求较高。

（2）业务网络多平面化

电信运营商在城域网部署的过程中会倾向于用具有不同服务能力的网络平面承载不同的业务（如图1所示），如通过优化的网络平面承载IPTV业务，这主要基于以下几个原因。

·业务数据在现有互联网架构中进行转发时，由于诸多不确定因素，数据的转发路径、传输带宽、时延、抖动参数不可控，由此会导致话音质量、图像质量和用户操作交互响应时间不可控，直接影响用户对宽带话音、可视电话、IPTV等应用的业务体验。

·出于方便运营和管理的考虑。

·出于业务系统安全性的考虑。

因此，家庭业务网络承载架构应确保在多业务网络平面环境中实现业务数据的正确路由。

（3）组网布线手段多样化

家庭组网布线手段是指在家庭网络中介于网关和用户终端（PC、电视、手机等）之间的辅助实现网络覆盖的各种技术手段，包括家庭五类线布线、WLAN（无线局域网）组网、家庭同轴电缆和电力线组网等，如图2所示。用户家庭环境和业务使用需求千差万别，可选择的组网布线手段也不尽相同。WLAN设备、电力“猫”等组网布线终端在家庭业务网络承载架构中扮演重要角色，同时也改变了数据转发的线路环境。各种业务数据可能在某些布线组网终端上汇聚。良好的家庭业务网络承载架构应确保组网终端配合家庭网关实现业务的区分、路由和业务服务质量的保障。

（4）多种业务单终端化

运营商以往的业务提供方式都是单终端、单业务的，业务网络也相对简单。时尚与科技的结合使终端的发展日新月异，Pad类平板电脑、智能手机、互联网电视、智能机顶盒等新型终端集可视电话、上网、网络视频等业务功能于一身，将逐步成为市场主流。当多种业务在终端共存且由不同的城域网平面承载时，需通过家庭网络承载架构保证多个业务均能正常使用。

3 承载方案探讨

基于上述对家庭业务、网络新趋势的分析，笔者认为，良好的家庭网络承载架构应能够在多种业务、多业务网络平面共存的情况下，满足业务路由正确、服务质量有保障的要求，便于现网部署，同时尽可能兼顾终端融合多业务的发展趋势。在此基础上，本文对几种家庭网络承载方案进一步探讨。

3.1 家庭网关端口绑定方案

家庭网关端口绑定方案是在网关内部建立业务与特定端口的绑定关系。例如，固定一个LAN（局域网）口给IPTV业务专用，上网PC则连接到网关其他LAN端口。网关按照绑定的上网通道或IPTV通道分别对LAN口数据进行业务数据转发，为IPTV数据配置高优先级转发策略。

网关有两种数据转发模式：路由模式和桥接模式。前者工作在OSI（开放系统互连）参考模型第3层（网络层），后者工作在第2层（链路层）。在相同的硬件条件下，后者在大数据量快速转发方面能实现更高的性能。因而本方案中对网关的一种合理配置是：上网业务通道工作在路由模式，IPTV通道工作在桥接模式。按照这个配置，上网PC的IP地址是网关分配的私网地址，IPTV机顶盒的IP地址是经过桥接方式由业务网络分配的专网地址。家庭网关端口绑定方案如图3所示。

因此本方案能符合多业务路由与质量保障的要求，具有网关硬件要求低、施工部署简单快捷的优点。但本方案也有局限性，如会导致LAN侧端口资源紧张。考虑如下使用场景：用户订购了两路IPTV服务 （1路标清+1路高清），有3个房间需要PC有线上网。按照家庭网关端口绑定业务的方法，两路IPTV各绑定一个LAN口，3个房间各分配一个LAN口，总计需占用5个LAN口。但国内运营商的家庭网关通常只提供4个LAN口。可以预见，伴随宽带提速和用户需求的提高，这种端口绑定导致的LAN口资源瓶颈在现网部署中将经常发生。

3.2 网关单端口承载混合业务

网关单端口承载混合业务是指家庭网关的任意一个LAN口可提供混合业务。混合业务可以包括上网和IPTV等多种数据业务。

网关单端口承载混合业务允许业务数据在到达网关之前完成汇聚，节省了对网关LAN口的占用，提升了可并发访问网络的终端数量，减少了线路投资，简化了网络拓扑。例如，当用户在一个房间内同时使用上网和IPTV业务时，若按照端口绑定方案，需要占用网关的两个LAN口，需向该房间平行布设两根五类线，分别承载上网和IPTV业务；若网关单端口承载混合业务，则仅占用网关一个LAN口，仅需布放一根网线到该房间，再通过布线终端分别连接PC和机顶盒即可。对比之下，单端口承载混合业务可以节省网关端口资源，降低五类线布线的投资。

再考虑如下使用场景：用户家中五类线布线不充分，不希望重新装修布线，准备使用G.hn设备（通过电力线、同轴线、电话线实现家庭联网的产品）在卧室和书房实现IPTV和上网业务。此时上网数据和IPTV数据在电力线上共享传输介质，物理上不再隔离。若按照端口绑定方案，用户需要至少4个G.hn设备，至少划分两个G.hn域才能确保上网数据和IPTV数据互不干扰。若网关能够以单端口承载混合业务，则仅使用2个（至多3个）G.hn设备，仅需划分1个G.hn域就可以正常使用业务，因而家庭组网拓扑大为简化。

为了实现单端口承载混合业务，有如下3个方案可供选择。

3.2.1 网关全路由方案

如前所述，当业务在城域网内由不同的网络平面承载时，网关需支持业务数据向不同网络平面的路由转发。在网关全路由方案中，网关基于源IP地址、源端口、目的IP地址、目的端口、传输协议、业务应用等信息维护一个路由表，对每个数据报文进行路由查找和数据转发，如图4所示。

这种方案与家庭网关端口绑定方案的不同在于：机顶盒IP地址是由网关分配的私网地址，IPTV数据由2层处理变为3层处理，并且需要进行NAT（网络地址转换）处理。相关处理过程会显著提高网关处理器负载，并超出了当前家庭网关的处理能力，无法满足IPTV业务低时延、低抖动的传输要求。当用户订购2路以上IPTV时，视频业务质量下降的问题将更为严重。升级网关处理能力是唯一的解决办法，但势必抬高终端价格，增加运营成本压力。因此，短期内网关全路由方案尚难成为主流解决方案。

3.2.2 业务终端VLAN方案

在家庭网络内使用VLAN标识对各种业务进行分类。业务终端对自身产生的不同业务流标识不同的VLAN标识，家庭网关根据VLAN标识对接收到的数据流进行路由处理。需要说明的是，这里的VLAN作用域仅限于家庭网络，上行到网关截止，与城域网VLAN无关。

以同时支持上网和IPTV业务的智能机顶盒为例，机顶盒发出的IPTV报文携带约定的VLAN标识，而上网数据报文不携带VLAN标识。网关接收数据后根据VLAN影射即可分离出IPTV数据并转发到IPTV网络平面；对上网数据则将继续进行路由寻址并转发到上网业务平面。业务终端VLAN方案如图5所示。

VLAN机制工作在OSI参考模型的第2层，与网关端口绑定方案中的桥接工作模式处理工作量相当，因此不会显著增加现有网关处理器的负载，仅需对现有家庭网关进行相应配置修改即可。同时，网关还可基于IEEE 802.1p、IEEE 802.1q实现业务服务质量控制，此处不再赘述。目前的业务终端多数尚不支持VLAN功能，所以本方案部署前需要进行业务终端软件的升级修改。

3.2.3 组网布线终端VLAN方案

延续3.2.2节方案中家庭网关根据VLAN标识对数据流进行路由处理的思路，由介于网关和业务终端之间的组网设备（如家用WLAN、电力线联网设备等），而不是业务终端，对业务数据进行VLAN标识。本方案中VLAN作用域被限定在网关并直接连接到组网布线终端之间的家庭网络，上行到网关截止，与城域网VLAN无关。

以电力线组网布线终端为例进一步说明。电力线联网设备在延伸家庭业务网络覆盖的同时，为来自IPTV机顶盒向电力线接口转发的数据添加VLAN标识，为从电力线接口向IPTV机顶盒转发的数据删除VLAN标识。组网布线终端VLAN方案如图6所示。

与业务终端VLAN方案相同，本方案对网关处理能力要求低。组网终端通常工作于OSI参考模型的第2层，处理同为第2层的VLAN标识并不困难。本方案无需业务终端支持VLAN功能，可兼顾已部署的现网业务终端。

4 现网部署建议

（1）综合应用家庭网络承载方案

4种家庭网络承载方案各具特点，在现网部署中如何取舍是需继续探讨的问题。笔者建议，可发挥各自优势，综合利用上述4种方案。

网关端口绑定方案终端成本低、转发效率高、部署方便，但存在LAN端口资源瓶颈的问题，因此较适合并发上网终端少、IPTV订购数量低、中小户型的用户。网关全路由方案终端成本高，具有单LAN端口混合业务承载优势，可突破LAN端口资源瓶颈并发支持多路IPTV、多终端上网，较适合高端用户业务部署。组网布线终端VLAN方案和业务终端VLAN方案是通过布线终端或业务终端与网关的配合，实现单端口混合业务承载、完成业务路由和服务质量的保障工作，无需网关硬件升级，实现成本较低，可结合实际情况灵活选择。

（2）部署时重视兼容性

目前，现网家庭网关都按照端口绑定方式进行放装，不支持或没有开启单端口混合业务功能，现网业务终端也不支持VLAN功能。基于终端成本和业务发展情况考虑，现网终端更新往往有一个逐步演进、分阶段替换的过程。在部署上述方案时，新老设备搭配使用的情况在所难免，应该重视新终端与现网已部署设备混合组网的兼容性。

针对VLAN业务终端方案，笔者建议新终端（包括网关和业务终端）应具备识别其他设备VLAN功能的能力。若双方同为支持VLAN功能的新型终端，则采用新方案进行业务路由转发；否则，采用原有业务配置和交互流程进行业务路由转发。为此，可通过扩展DHCP Option（动态主机地址配置选项）字段使得家庭网关和终端能够在地址协商过程中，了解彼此VLAN的支持能力。图7以网关与机顶盒交互过程为例进一步说明，具体步骤如下。

步骤1：支持VLAN功能的机顶盒在DHCP中携带扩展的Option字段。支持VLAN的家庭网关据此能够识别出支持VLAN功能的机顶盒；不支持VLAN功能的网关将忽略该Option字段。

步骤2：支持VLAN功能的家庭网关响应机顶盒DHCP请求时，同样使用扩展的DHCP的Option参数，向机顶盒下发VLAN配置。该DHCP的Option参数也只有支持VLAN功能的机顶盒可识别，而普通机顶盒将忽略该参数。

通过步骤1和2，网关和机顶盒已可判定彼此是否支持VLAN功能。步骤3和4是机顶盒与IPTV业务网络进行业务认证的过程。若双方都支持VLAN功能，则步骤3的数据报文将添加VLAN标识，网关基于VLAN影射为业务选择特定的路由，此时机顶盒可以同时提供上网和IPTV业务；若有一方不支持VLAN功能，则数据报文不添加VLAN标识，网关以桥接模式进行IPTV业务数据转发，此时机顶盒仅能提供IPTV业务。

5 结束语

家庭宽带业务与网络蓬勃发展，并呈现出应用多样化、业务网络多平面化、组网布线手段多样化、多种业务单终端化等趋势。家庭业务网络承载框架必须能够在多种业务并存、多业务网络平面共存的情况下，满足业务路由正确、服务质量有保障的要求。

本文基于对新趋势和新需求的分析，对家庭宽带业务承载框架的4种方案进行了探讨，并结合现网部署实施提出了方案选择建议。家庭网关端口绑定方案终端成本低、转发效率高、部署方便，但存在LAN端口资源瓶颈的问题；网关全路由方案终端成本高，但具有单LAN端口混合业务承载优势；组网布线终端VLAN方案和业务终端VLAN方案实现成本低，但需要组网终端或业务终端的配合。现网应用中可综合应用这4种方案，结合用户特点和终端实际部署情况灵活选择。对于方案部署过程中新旧终端共存兼容的问题，本文给出了在地址协商过程中完成设备能力识别的建议，经过试验网验证，该方法可行且具有自动执行、方便高效的特点。

1 第28次中国互联网络发展状况统计报告.中国互联网络信息中心，2011

2 万象，马智勇，刘文超等.家庭联网技术应用及分析.电信科学,2011(5)

Discussion on Structure of Broadband Service at Home

Ma Zhiyong,Liu Wenchao,Wan Xiang
(Shanghai Research Institute of China Telecom Co.,Ltd.,Shanghai 200122,China)

With the fast development of broadband service,new home networking framework is needed to ensure the services routed correctly and guarantee the QoS.The trend and new requirement is discussed,and four system frameworks are proposed.Finally,advices are provided on how to realize the frameworks.

home networking,routing,QoS

2012-02-01）

马智勇，硕士，中国电信股份有限公司上海研究院高级工程师，主要研究方向为家庭网络及宽带应用领域；刘文超，硕士，现就职于中国电信股份有限公司上海研究院，主要研究方向为家庭网络及宽带应用领域；万象，硕士，现就职于中国电信股份有限公司上海研究院，主要研究方向为家庭网络及宽带应用领域。