Bereitstellung eines agilen, kosteneffizienten Cloud-BNG

Einführung

Das Broadband Network Gateway (BNG) ist ein Netzwerkgerät in Telekommunikationsnetzen, das Teilnehmersitzungen herstellt und verwaltet und fixen Breitband-Teilnehmerverkehr beendet. Es verbindet sich mit dem Customer Premise Equipment (CPE) und ermöglicht den Kunden den Zugang zu verschiedenen Breitband-Teilnehmerdiensten wie Internet, Voice over Internet Protocol (VoIP) oder Internet Protocol Television (IPTV), die über eine einzige Verbindung von verschiedenen Zugangsnetzen, wie Digital Subscriber Lines (xDSL) oder Fiber-to-the-X (FTTX), aggregiert werden.

Das BNG ist eine ausgereifte Technik und unterstützt viele Funktionen wie Autorisierung, Überwachung, Filterung des Datenverkehrs und Dienstgüte (Quality of Service, QoS) sowie Routing innerhalb des Dienstnetzwerks. Bisher wurden BNGs als hardwarebasierte Plattformen am Rande von Telekommunikationsnetzen implementiert – in der Regel an einem regionalen Standort. Aktuelle Tendenzen im Bereich des Internetverkehrs weisen auf eine zunehmende Belastung der BNGs hin, wobei der Durchsatz auf der Zugangsseite über die Teilnehmeranschlüsse und das von den Verbrauchern erzeugte Volumen zunehmen. Dies hängt insbesondere mit einer verstärkten Nutzung von Video-Internetdiensten zusammen. Folglich müssen Telekommunikationsbetreiber nunmehr Überlegungen hinsichtlich neuer kosteneffizienter Lösungen für einen weiteren Netzwerkausbau anstellen, wobei auch diese neuen und steigenden Anforderungen an Volumen und Durchsatz berücksichtigt werden müssen. Als Marktführer in Kroatien hat sich Hrvatski Telekom (HT) für den Weg der Cloudifizierung durch die Implementierung einer virtualisierten BNG-Lösung entschieden.

Ein kürzlich veröffentlichter VNI-Bericht von Cisco deutet darauf hin, dass das Wachstum des IP-Datenverkehrs mit einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate von ca. 30 % unvermindert anhalten wird. Dieser Trend stellt ein zusätzliches Problem für Breitbandbetreiber dar, da die durchschnittliche jährliche Wachstumsrate des Internetverkehrs von ca. 37 % während der Hauptgeschäftszeiten die durchschnittliche Wachstumsrate des Datenverkehrs übersteigt. Die Breitbandnetze müssen so versorgt und konzipiert werden, dass der Datenverkehr zu Stoßzeiten bewältigt werden kann.

Dieser Trend geht auf das wohlbekannte Branchenphänomen zurück, demzufolge die Telekommunikationsbetreiber eine Entkopplung ihrer Umsätze vom Verkehrsvolumen erleben, das sie weiterhin bereitstellen müssen.

Deshalb ist ein neuer Ansatz für die Bereitstellung von Breitbanddiensten erforderlich. Die Anwendung von Cloud-Technologien auf das Fixed Access Network bietet Telekommunikationsbetreibern einen neuen Plattformansatz und die Möglichkeit, Kosten zu senken und gleichzeitig neue Geschäftsmöglichkeiten am Netzwerkrand zu schaffen.

Die Geschäftsfaktoren im Hinblick auf Cloud-BNG

Im Herbst 2019 beschloss HT, diesen neuen Weg einzuschlagen, um seine Ziele in Bezug auf die Transformation seines Fixed Access Networks in Angriff zu nehmen.

HT verfolgte eine softwaredefinierte Telekommunikationsstrategie, die die Cloudifizierung aller Wireless Core- und kabelgebundenen Zugangsnetzfunktionen umfasste. Das Unternehmen wendete NFV- und Cloud-Prinzipien auf seine bestehende Fixed-Access-Hardware an und verfolgte damit denselben innovativen und umwälzenden Ansatz wie bei der Transformation seines Verbindungsnetzes. Daraus ergab sich ein neuer Cloud-BNG-Ansatz – Cloud-BNG.

Diese Strategie würde sicherstellen, dass HT seine Flexibilitätsziele in Bezug auf die Skalierung der Kapazität erreichen und die gestiegenen Verkehrsanforderungen im Zusammenhang mit der horizontalen Softwareskalierung erfüllen kann. Dieser Ansatz würde es HT ermöglichen, mit einem besser optimierten, kosteneffizienten Modell immer höhere dynamische Leistungen und Durchsatzsteigerungen zu erzielen.

Ferner wurde davon ausgegangen, dass dieser Ansatz die Kapitaleffizienz von HT erheblich verbessern würde. Eines der Hauptziele des Programms war es, herauszufinden, ob kommerzielle, serienmäßig produzierte Hardware in Verbindung mit einer Umstellung auf einen software- und cloudbasierten Ansatz erhebliche Einsparungen pro Gigabit im Breitbanddatenverkehr ermöglichen würde.

Dieser softwareorientierte Ansatz würde es HT ermöglichen, ein neues Software-Scale-Out-Modell auf flexible Weise bereitzustellen und den von HT zuvor verwendeten, kapitalintensiven Ansatz für die Bereitstellung von Hardware zu ersetzen.

Des Weiteren war HT davon überzeugt, dass dieser neue, vereinfachte und zentralisierte Bereitstellungsansatz noch mehr Betriebskosteneinsparungen im Hinblick auf Service-Upgrades vor Ort und Service-Betriebszeiten/Redundanz ermöglichen würde.

Die Lösung: Umstellung auf ein Cloud-BNG

Die Infrastruktur von HT wurde als Implementierung in regionalen Rechenzentren in Zagreb, Rijeka und Split konzipiert.

HT ist zur Realisierung seiner Geschäftsziele mit dem unabhängigen Softwareanbieter 5x9 Networks (5x9) und Intel eine Partnerschaft eingegangen, um eine neue Cloud-BNG-Lösung zu implementieren.

Als Grundlage für das BNG-Design nutzte 5x9 das von Intel entwickelte Data Plane Development Kit (DPDK) – ein für die Verarbeitung von Datenpaketen optimiertes, quelloffenes Software Development Kit (SDK). Dies ermöglichte es 5x9, unter Verwendung der von DPDK bereitgestellten grundlegenden Bibliotheken ein BNG mit vollem Funktionsumfang von Grund auf zu entwickeln.

Der Softwarelösungs-Stack wurde auf Hewlett Packard Enterprise (HPE)-Servern entwickelt und basiert auf dem Konzept der Intel® Select Lösungen Forwarding Plattform. Dieser Plattformansatz bietet die erforderlichen Server-Design-Richtlinien für eine optimale Paketverarbeitung auf einem auf Intel Technik basierenden COTS-Server.

Die virtual Broadband Network Gateway (vBNG)-Lösung wurde mit einer Trennung der Steuerungs- und Benutzerebene (Control and User Plane Separation, CUPS) bereitgestellt, die für die Bereitstellung einer getrennten BNG-Lösung erforderlich war, die eine unabhängige Skalierung der Funktionen der Benutzer- und Steuerungsebene ermöglicht.

Unter Verwendung dieser quelloffenen Komponenten entwickelte 5x9 eine schlüsselfertige Breitband-Edge-Lösung, die HT innerhalb von zwei Quartalen nach Entwicklungsstart in einem aktiven Netzwerk testen konnte. Innerhalb von nur zwölf Monaten nach Einführung des Konzepts konnte eine hoch optimierte Lösung in einem Breitbandnetz bereitgestellt werden. Die Lösung entsprach allen Geschäftszielen von HT und ermöglichte es dem Unternehmen, seine vorrangige Intention zu verwirklichen: den Wechsel von teurer, dedizierter Edge-Hardware zu einer einheitlichen Cloud-Infrastruktur mit der erforderlichen Effizienz, Flexibilität und den erforderlichen Kosteneigenschaften.

Die Lösung von 5x9 umfasst drei wesentliche Komponenten, wie in Abbildung 3 unten dargestellt:

1. Virtual BBRAS Forwarder (vBF)
2. Virtual BBRAS Controller (vBC)
3. Virtual Dashboard (vDB)

Der vBF basiert auf dem Cloud-BNG-DPDK und ist für die primären Aufgaben der BNG-Weiterleitungsebene zuständig – Point-to-Point Protocol over Ethernet (PPPoE) und Internet Protocol over Ethernet (IPoE), Beendigung von Benutzersitzungen, Weiterleitung von Ethernet- und IP-Datenverkehr, Dienstgüte und die Erstellung von Benutzerstatistiken auf niedriger Ebene.

Der vBC führt Aufgaben aus, die mit der Steuerungsebene in Zusammenhang stehen. Er ist für die Systembereitstellung und -verwaltung, die IP-Adressierung interner Systemkomponenten und externer Benutzer, Routing, Redundanz, Skalierbarkeit und Elastizität zuständig.

Das vDB ist eine Anwendung mit einem Web-Frontend und zugrunde liegenden SDN-Funktionen (Software-Defined Networking), die der Konfiguration, Verwaltung und dem Überblick über Last/Zustand des Systems dienen. Es ist der zentrale Punkt für die Konfiguration und Verwaltung des gesamten Systems. Mehrere APIs (Netconf/YANG, REST) bieten zudem Möglichkeiten zur einfachen Integration mit Plattformen von Drittanbietern.

Die Lösung von HT wurde auf einer OpenStack-Cloud-Computing-Plattform mithilfe einer auf einem Linux-Kernel basierenden virtuellen Maschine (Kernel-based Virtual Machine, KVM) als Hypervisor bereitgestellt. Die zugrunde liegende Server-Hardware besteht aus HPE-Servern mit zwei Intel® Xeon® Gold Prozessoren und acht 10/25-Gbit-Ethernet-Netzwerkadaptern pro Rechenknoten. Dies ermöglicht eine theoretische Plattform-Durchsatzkapazität von 200 Gbit pro Server.

Unter Verwendung des einzigartigen Ansatzes von 5x9 und nachdem der OpenStack-API-Zugriff aktiviert und die notwendige Zero-Day-Konfiguration vorgenommen worden war, richtete das vDB automatisch alle notwendigen virtuellen Maschinen ein, die für die vollständig redundante Bereitstellung von HT erforderlich waren.

Das System wurde auf Skalierbarkeit und Flexibilität getestet und kann virtuelle Weiterleitungsknoten je nach der aktuellen Anzahl verbundener Kunden und deren unterschiedlichen Durchsatzanforderungen nach oben oder unten skalieren.

Neue Knoten erfordern keine manuelle Konfiguration oder IP-Adressierung, da dies automatisch von dem vDB vorgenommen wird. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen BNG-Lösungen besteht darin, dass die Lösung von 5x9 keine IP-Pool-Redundanz erfordert, da die Algorithmen von 5x9 diese Aufgabe übernehmen. Bei einem Ausfall wird die IP-Adressenzuweisung automatisiert und die IP-Adressen-Pools können auf neuen virtuellen Maschinen erneut bereitgestellt werden.

Der Server kann derzeit 80.000 Benutzer hosten und bietet einen Durchsatz von 80 Gbit/s (500-Byte-Pakete) auf einem einzigen Server, der die speziellen Breitbandanforderungen von HT erfüllt.

Die Lösung wurde von HT in einer kommerziellen Datenverkehrsbereitstellung verifiziert. Das System bietet die Flexibilität, diese Parameter je nach Teilnehmerdichte oder Durchsatzbedarf anzupassen.

5x9 verspricht sich einen noch höheren Durchsatz von bis zu 200 Gbit/s bei einer Paketgröße von 500 Byte und 160.000 Teilnehmern pro Host und arbeitet weiter an Innovationen in der Benutzerebene. Das Intel DPDK ermöglichte es dem Unternehmen, die Vorteile der neuesten Servertechnik von Intel voll auszuschöpfen und ein Preis-Leistungs-Verhältnis zu erzielen, das weit über dem herkömmlicher physischer BNGs liegt. Der Cloud-BNG-Ansatz ermöglichte es 5x9, ein Produkt mit einzigartigen Funktionen anzubieten, das die Gesamtbetriebskosten von HT reduziert und gleichzeitig dieselben Anforderungen an Stabilität und Durchsatz erfüllt wie physische BNGs.

Darüber hinaus war das cloudfähige, zentrale Redundanzdesign viel einfacher. An den zwei zueinander redundanten Standorten in Zagreb werden jeweils 50 % des Datenverkehrs für Nord-, Zentral- und Ostkroatien abgewickelt. Zagreb bietet auch Redundanz für Split und Rijeka.

Die Migration der Rechenzentren ist in vollem Gange und bis heute werden 450.000 aktive Kunden über die BNG-Cloud bedient. Die vDB-GUI wird zur Überwachung des Systems und Grafana zur Visualisierung von Performance-KPIs verwendet. Die Lösung wurde vollständig in die OSS-Schichten von HT integriert.

Ergebnisse und Schlussfolgerungen

Durch die Umsetzung des Cloud-BNG-Ansatzes hat HT den ersten Schritt getan, um ein softwaredefiniertes, auf cloudbasierten Prinzipien beruhendes Telekommunikationsunternehmen zu werden. Cloud-BNG ermöglicht HT die Einführung neuer Dienste und die Erfüllung der Kapazitäts- und Flexibilitätsanforderungen bei steigendem Verkehrsaufkommen und reduziert gleichzeitig Kapitalaufwand und Betriebskosten.

HT hat auch wichtige Ziele in Bezug auf die Investitionseffizienz erreicht und konnte Einsparungen von 35 % hinsichtlich der Investition verzeichnen. Die Cloud-Implementierung ermöglicht zudem zusätzliche fortschrittliche Cloud-Automatisierungsmöglichkeiten, die in späteren Phasen des Projekts eingeführt werden.

Die horizontale Skalierung wurde durch das Hinzufügen neuer Cloud-BNG-Instanzen realisiert, bei denen es sich um automatisierte Zero-Touch-Installationen handelt, die im Vergleich zur Inbetriebnahme neuer physischer BNGs wesentlich schneller und kostengünstiger eingerichtet werden können.

Das Programm war ein voller Erfolg und HT geht nun dazu über, seine Breitband-Teilnehmer vollständig auf die Cloud-BNG-Infrastruktur umzustellen.

Zukünftige Verbesserungen werden darauf abzielen, eine effizientere Lösung für höhere Zugangsbandbreiten zu ermöglichen. Dies steht im Einklang mit den Plänen von HT, die Geschwindigkeiten und die Abdeckung von FTTX zu steigern.

Die Virtualisierung der BNG-Funktion in einer Cloud-Umgebung ist ein wichtiger Schritt in Richtung eines konvergenten 5G-Kerns. Die Bemühungen hinsichtlich der Standardisierung der 5G Fixed Mobile Convergence bringen neue Funktionen mit sich, die BNG womöglich in eine AGF (Access Gateway Function) umwandeln werden, um eine gezielte Steuerung des festen und mobilen Zugangs sicherzustellen.

Hrvatski Telekom

HT ist das führende Telekommunikationsunternehmen in Kroatien, das eine breite Palette von Telekommunikationsdiensten anbietet – Festnetz- und Mobiltelefondienste, Datenübertragung, Fernsehdienste, Internet und internationale Kommunikation. Die Vision von HT ist es, nachhaltiges und profitables Wachstum zu erzielen, indem allen Menschen in Kroatien die Möglichkeiten der Digitalisierung zugänglich gemacht werden und somit die Lebensqualität aller Menschen verbessert werden kann.

5x9 Networks

5x9 Networks ist ein Unternehmen, das von erfahrenen Netzwerkingenieuren mit den Kenntnissen und Fähigkeiten von Programmierern gegründet wurde. Unser Ziel ist es, gemeinsam und mit dem Fokus auf Lösungen Produkte auf der Basis von Network Functions Virtualization Infrastructure (NFVI) zu entwickeln, die letztendlich einfach zu nutzen, kosteneffizient und wertvoll für unsere Kunden sind.

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