寬頻網路儼然已成為日常生活的一部分。不管是搜尋資訊、傳送電子郵件、購買商品或是下載影片，只要手指點擊幾下就能全部完成。新的應用程式不僅徹底改變一般人使用網路的方式，同時還讓支持此成長並積極擴充寬頻的服務供應商，抓住新的收益商機。
例如優質的OTT(Over The Top)視訊服務可存取網外應用服務，包括Netflix影片或BBC TV的下載、核心商業應用如文字處理等，替寬頻業者與應用服務供應商創造了新的收益商機；而整合式服務結合個別語音、影片與資料服務，打造出新的服務如視訊電話，或者從電視螢幕檢查語音信箱，這類的服務為用戶帶來了額外的價值。
此外，更多的電視服務需求能支援每戶兩個以上的電視流量或一個以上的高畫質資料流量，讓寬頻業者能把目標族群鎖定所得收入較高的用戶，這類用戶比較可能會購買隨選視訊(VOD)及其他服務。
一直以來，寬頻要能達到成功，傳統的三合一網路扮演著極為重要的角色，可是這種傳統網路往往配備不夠完善，因此無法因應前述，甚至未來其他新興的商機。另外，成功的大小如數百萬的用戶、數百個應用程式及數兆位元，也會因為意想不到的挑戰而受到影響。然而，新的寬頻網路模式已經興起並可因應這些需求。
寬頻網路發展一日千里
圖1以更高的角度顯示典型的有線寬頻存取網路。左側的遠端終端機(RT)多重服務接取節點(MSAN)會集結來自家庭用戶或企業用戶的流量，而這類節點往往是藉由既有的光纖骨幹環路(Fiber Ring)來連結至中央辦公室終端機(Central Office Terminal, COT)。來自多個中央辦公室終端機的流量是使用集合交換器(Aggregation Switch)進行整合，而集合交換器轉而互連至智慧型服務邊緣路由器(或簡稱邊緣路由器)，然後再由邊緣路由器將流量導入到核心IP網路上。
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| 圖1 無線寬頻網路存取示意圖 |
這樣的基線設計會依照用戶密度、至中央辦公室的距離以及各用戶所需存取速度而有許多不同的變化。中央辦公室終端機也可以支援中央辦公室附近的用戶，提供的功能基本上與集合交換器相同，也就是集結來自下載網路裝置的流量。
過去，中央辦公室終端機往往是用來確保能與遠端終端機互通，以便發揮多項重要功能，最主要的就是能夠在環路拓撲中快速偵測到故障情形。G.8032與雙向轉發檢測(BFD)協定等標準化功能的興起，讓用戶可以使用不同家廠商的遠端終端機與中央辦公室終端機。
以下討論的重點，將以多重服務接取節點(MSAN)和路由器兩大關鍵網路元件為主。
挑選合適的網路設計
首先，也是最重要的決策，就是挑選出適合的寬頻邊緣結構，因為所做出的抉擇會影響到今日與未來所能提供的服務。基本的選擇主要著重於網路如何提供用戶管理。用戶管理是一種概括性的詞彙，當中包含數種功能，可讓寬頻業者決定哪些用戶可進行哪些動作，這樣的決定往往是依用戶所訂購的套裝服務而定。常用的模式有三種，分別稱為分散式模式、集中式模式和多合一模式。
有兩大關鍵技術可以區別這三種模式。第一個區別為到底是哪一個裝置提供用戶管理功能，是多重服務接取節點？還是IP路由器？第二個區別就是所使用的虛擬區域網路(Virtual Local Area Network, VLAN)配置。VLAN配置會影響寬頻業者是否能夠全面查看所指定用戶在所指定時間內使用的全部網路資源。
這三種模式選擇大致等同於小型、中型與大型寬頻業者最常採用的方案。業者在做出決策時，往往會考量成本因素，其中分散式模式所需的前期資本投資最低，但作業上的複雜度較高。由於寬頻用戶與服務的數量日益增加，因此目前的趨勢採用更能控制用戶且可降低作業費用的模式。
分散式用戶管理優勢多
在分散式模式下，用戶管理功能是建置在多重服務接取節點內，例如數位用戶接取多工器(DSLAM)2。在尋求提供基本「三合一」服務的寬頻業者中，此方案十分受歡迎。而此方案也有其迫切性，因為能夠利用最少的前期投資提供網路電視(IPTV)服務，並且還能與提供傳統電視服務附加語音與資料服務的有線電視公司競爭。
多重服務接取節點會與IP路由器進行通訊(圖2)，也可選擇透過匯聚層交換器(未顯示)進行通訊。分散式模式的特性就是多重服務接取節點具備大多數的用戶管理功能，例如動態主機設定通訊協定(Dynamic Host Configuration Protocol, DHCP)轉送或RADIUS(Remote Authentication Dial-in User Service)協定代理伺服器功能等。第一站(First Hop)路由器可提供一些用戶管理功能，例如DHCP位址分配或PPPoX模式終端功能。而分散式模式具備以下幾項重要優勢：
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| 圖2 分散式用戶管理 |
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分散式模式可輕鬆支援最佳速度(Best Effort)的網頁瀏覽及優先處理的語音流量。由於語音在整體流量中只占一小部分，不管如何都能成功傳送出去。另外，可以針對所有接取節點上的用戶，使用單一的服務品質(QoS)概況資料。特別是遇到連接用戶的最後一哩(Last Mile)網路瓶頸時，使用這種模式最為有效。 |
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每項服務都各有其連至多重服務接取節點的邏輯連結，而且無論多重服務接取節點與路由器之間是否有匯聚層交換器，都採用這種結構。 |
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多重服務存取節點廠商往往喜歡將PPPoX移除改至純DHCP環境，這樣一來，就不用再購買一部獨立的智慧型服務邊緣(ISE)裝置。 |
如果可以不用在智慧型ISE路由器投入前期投資，在本質上確實很吸引人，然而採用分散式模式還是會面臨到以下幾項挑戰：
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將用戶管理分送至數千個多重服務接取節點而不採用集中式的節點，如此在網路的修改上會更浪費時間且更複雜。在擴充網路時，往往需要額外的人力才能達成。 |
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家中的家用閘道器(RG)的每一埠都支援一項特定服務，例如埠1用於資料，埠2用於電視服務。如此一來，提供如螢幕上的通話紀錄或視訊會議等進階服務的能力就會受到限制。 |
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頻寬的分配是根據應用程式而定，並不會考慮到每位用戶實際想要採取的動作為何。同樣的頻寬被切割以提供所有的用戶，然而沒有其他方法能使其包含額外的應用程式，因為全部的頻寬通常會分派給既有的應用程式。例如，在10Mbit/s的連線中，可能會有8Mbit/s是分派給網路電視。如果用戶未申請使用網路電視服務，該頻寬就不能用於其他應用程式。 |
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在許多情況下，將沒有閒置的頻寬可以切割給額外的服務使用。最麻煩的是，也無法讓業者設定特定網外應用程式的優先順序，例如必須以「最為優先」速度處理的遊戲。 |
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業者往往會受限於一個專屬系統而動彈不得。對於透過其他存取技術如10億位元被動式光纖網路(GPON)或活線光纖進行連線的用戶而言，可能無法建置或再次使用針對一個媒介如多種數位用戶迴路(xDSL)所布建的用戶管理功能，結果反而造成網路複雜度和營運成本增加。 |
由於前述限制使然，因此通常只有如不到一萬位訂戶的小型寬頻業者會建置分散式模式。對於這類客戶群而言，成本規避的重要性超過安裝獨立ISE所帶來的營運獲利與投資保障。
集中式用戶管理更勝一籌
在集中式模式下(圖3)，進行寬頻通訊所需的網路功能大多是建置於集中式節點內，而集中式模式具備以下重要優勢：
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| 圖3 集中式用戶管理 |
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「網路智慧」的集中化，例如在ISE中設定與落實服務品質設定，即可降低整體營運成本，這是因為更新、配置及管理時所需的裝置數已變少。集中式作業在多重服務接取節點與用戶的數量日益成長時，就顯得更為重要。對多數的業者而言，布建ISE所帶來的作業益處，確實是超過任何增加的前期成本。 |
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此為常用的營運模式，可支援任何最後一哩技術，及任何一家多重服務接取節點廠商。 |
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使用ISE後，就能輕鬆提供彈性的服務方案並控制網路流量。例如，用戶可以從各種頻寬存取速度中輕鬆選擇，而這類選擇可針對某些類型的流量如點對點來限制其頻寬。ISE也會和其他伺服器如網路語音通訊協定(VoIP)連線邊界控制器進行通訊，藉以決定是否要允許連線。這種解決方案消除了前一種模式的一體適用(One Size Fits All)要求。 |
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ISE也是整合多項進階功能如視訊/語音品質監控的理想位置。目前，若有布建視訊/語音品質監控功能，都是建置在獨立的伺服器上。把這些功能整合至ISE後，就可減少故障點數量、提高傳輸速率，並降低作業上的複雜度與成本。 |
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ISE搭配RADIUS伺服器可控制對服務的存取，即使網路裡沒有使用點對點通訊協定(Point to Point Protocol, PPP)也是如此。例如，若用戶購買此服務，ISE即可排列VoIP流量的優先順序，同時還能以透明化的方式傳遞(或終止)來自其他用戶的VoIP流量。若沒有ISE的話，DHCP連線一般是不支援(而非PPPoE)使用RADIUS伺服器的進階用戶管理功能，況且DHCP也尚未成熟到可以支援同等級的控制。 |
集中式模式可降低營運成本，還能讓控制各服務的能力獲得改善。然而，由於各服務是在單獨的VLAN裡進行傳輸，因此很難以全面的角度檢視所有傳送至任一指定用戶的流量，而這會引起頻寬利用率不足與合法的攔截兩大值得關注的問題。在頻寬利用率不足問題上，頻寬仍然必須專屬於各服務，造成關鍵的最後一哩頻寬無法有效使用，而合法的攔截問題在於建置合法的攔截非常複雜，因為多個VLAN必須予以檢驗追蹤。
多合一模式大勢所趨
引進用戶管理功能是往正確方向踏出的一小步，不過光是這樣仍不夠有彈性到支援所有的服務。以不同的方式配置同一硬體，使得網路可以動態調整以支援多個服務。這種網路多合一解決方案會把所有提供給各用戶的頻寬視為一個資源池，在存取其他服務時，可從資源池中取得頻寬，增加收益，把更多的服務傳送至更多裝置。同樣重要的是，由於服務並非專屬於特定的RG埠，因此任何裝置都能支援任一種或甚至所有的服務。
多合一模式與集中式模式間主要的不同處有二。第一個不同是，單一的客戶VLAN會把所有單點傳播(Unicast)的流量傳送給指定的用戶。如果多數的視訊流量是以單點傳播的方式，包括隨選視訊(VOD)、網路個人視訊錄影(PVR)、網路型視訊串流、電視重播/回播服務，那麼只需要單一的客戶VLAN就行。在這種情況下，所有的視訊，即使是多點傳送(Multicast)的網路電視，都會像所有其他流量，一律傳送至同一VLAN裡的每一位用戶。如果有大量的多點傳送網路電視，就可以增加一個共用的「多點傳送」VLAN，把多點傳送網路電視流量傳送給所有用戶，藉以提高頻寬效率(圖4)。
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| 圖4 多合一解決方案 |
第二個不同處是，ISE會追蹤每一位用戶觀賞的頻道，如此可以計算出每位用戶在單點傳播上可使用的頻寬還剩下多少。為達到這個目的，多重服務接取節點必須以透明化的方式，把網際網路組群管理協定(IGMP)頻道變更的要求皆上傳至ISE。然而，多重服務接取節點仍可變更頻道(Change The Channel)，藉以提供盡可能最佳的回應時間。
相較於前一種模式，多合一結構具備提供任一服務支援任一用戶端、支援更多應用程式等以下多種的益處：
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單一用戶端不會再受到特定RG埠或VLAN的束縛，因此可支援任一服務。例如，用戶可以在觀賞現場直播節目的同時，用子母畫面讀取唸大學的兒子為了索取零用錢寄來的視訊電子郵件，接著開啟另一個畫面進入銀行帳戶進行轉帳，完成轉帳後，叫出電話簿打電話給兒子，通知他錢已匯過去。以上這些動作只要一部裝置就能全部完成。 |
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應用伺服器不會預先替每項服務指定頻寬，因此可以在用戶使用應用程式時，再要求整個網路的頻寬。例如，擁有8Mbit/s連結的用戶可以同時觀賞四個標準畫質(SD)的頻道，一個頻道用2Mbit/s；也可以觀賞一個高畫質(6Mbit/s)頻道，同時使用另一個機上盒來觀賞標準畫質的內容。然而，在集中式模式中，用戶被限制只能使用兩個機上盒。 |
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可保留密切相關的頻寬供OTT應用程式使用，例如遊戲等。業者連線與資源控制(Session and Resource Control, SRC)模組可動態判定是否支援某應用程式，必要時還可指示網路撥出頻寬給該應用程式使用，以確保用戶獲得滿意的體驗。 |
其主要的挑戰在於，並非所有多重服務存取節點都可讓每一位用戶擁有唯一VLAN，不過，卻可以使用此模式布建新用戶，同時還能繼續支援使用S-VLAN的老用戶。另外，讓有些廠商比較擔心的是ISE無法擴充到能夠支援所需的功能。但已有廠商的ISE包含專門設計的硬體來管理數萬位的用戶。
業者都期望能從每一點獲得最大的收益，因此現在的趨勢應該是建置多合一的網路，即使是光纖到家(FTTH)網路也是如此，因為寬頻業者通常會限制每位用戶的頻寬，以免頻寬變成商品。這些方案雖呈現為獨特的解決方案，但仍有灰色地帶。至於其他的變數，例如須支援事先存在的PPPoX連線或者為網路電視安裝單獨的邊緣路由器，相對的會使得業者在決定採取哪一種網路模式的決策過程中更為複雜化。
(本文作者為瞻博香港/台灣區技術總監)