SDN與NFV技術對運營商網絡的影響究竟有多大？

中國聯(lián)通西安研究院 | 席曉

SDN與NFV技術對運營商網絡的影響究竟有多大？

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為了加快網絡速度，提升網絡部署的靈活性、有效性、縮短部署時間，應提升網絡的軟件化程度和可編程能力，進而提高網絡對業(yè)務的開放程度。SDN和NFV技術的出現(xiàn)為解決上述問題提供了有效途徑。

隨著云計算、大數(shù)據等新興信息技術業(yè)務應用的規(guī)模落地，新業(yè)務應用對網絡的需求也越來越高，運營商的通信網絡已進入快速變革時期。靈活性、易擴展和簡單易用將成為未來通信網絡必須具備的基本能力，而用戶按需自助開通、質量可保證的虛擬網絡也將成為未來網絡的主要發(fā)展目標。正因如此，SDN和NFV技術自出現(xiàn)就受到了電信運營商的廣泛關注。

SDN和NFV技術特點

SDN最大特點是實現(xiàn)了控制和轉發(fā)的分離，網絡設備被分離為單獨的控制設備和轉發(fā)設備，轉發(fā)設備功能簡單化，控制與轉發(fā)之間遵循著標準的Openflow協(xié)議，這使得設備和網絡性能更加高效，也進一步細化了產業(yè)鏈；網絡資源控制集中，計算資源、存儲資源和轉發(fā)資源“池化”，將全網的控制集中到一點，通過控制器就可以控制全網，有效提高了網絡資源的管理和控制效率；提供可編程接口，控制器提供豐富、開放的可編程API接口，靈活編排變化，可以通過軟件對網絡的資源、拓撲、策略、路由等內容進行動態(tài)定義。

NFV采用虛擬化技術，將傳統(tǒng)的通信設備功能與硬件解耦，采用通用的計算、存儲、網絡設備實現(xiàn)通信網絡功能，打破了專有硬件對網絡的限制。NFV有助于提升網絡建設、管理和維護的效率。在NFV方式下，新業(yè)務的上線和更新從傳統(tǒng)的硬件建設和割接轉變?yōu)檐浖虞d過程，其建設周期大大縮短。同時結合云計算資源池的規(guī)模優(yōu)勢，NFV還可以實現(xiàn)多種業(yè)務共享資源和集中化管理，大幅提升管理和維護效率。

SDN與NFV之間的關系

從以上概念可以看出，SDN和NFV都采用了控制與承載分離的思想，并都試圖通過軟件定義的形式實現(xiàn)基本控制功能，其兩者之間最基本的區(qū)別及關聯(lián)體現(xiàn)在以下幾個方面。

首先，NFV的核心是網絡功能的虛擬化，SDN的核心是軟件定義網絡。也就是說NFV的落腳點在于傳統(tǒng)網絡的網元功能實現(xiàn)的變革上，而SDN的落腳點體現(xiàn)在IP網絡策略及路由轉發(fā)的軟件集中控制上。

其次，NFV與SDN的應用場景在很大程度上并不重合，只在少部分應用上有交集。如SDN的控制器可以部署在NFV架構上，可以通過SDN控制NFV架構中各虛擬網元之間的IP數(shù)據分組轉發(fā)。

再次，NFV不依賴于SDN部署，SDN技術不是NFV架構中必須部署的技術。對于規(guī)模不斷擴展的云數(shù)據中心，可以采用SDN技術控制和均衡各虛擬機資源，以便更好地連接和控制這些虛擬機，最終讓數(shù)據中心更加可控、可管。

最后，針對運營商的IP大網，如果逐步采用SDN架構，其相應的SDN控制器也可以設置在NFV架構的云平臺上。

運營商網絡發(fā)展遇到的問題

國家寬帶戰(zhàn)略的大力推進以及LTE高速無線接入技術的商用部署，使得互聯(lián)網流量出現(xiàn)了急速增長，同時大量新業(yè)務的出現(xiàn)也對網絡服務質量提出了更高的要求。當前運營商網絡面臨的問題主要表現(xiàn)在以下幾個方面。

1. 網絡速度還比較慢，流量費用太高

隨著云計算、物聯(lián)網等各種業(yè)務應用的規(guī)模使用，現(xiàn)有的網絡速度遠遠不能滿足其要求，移動醫(yī)療、遠程教育等系統(tǒng)時常出現(xiàn)視頻圖像馬賽克、通話掉線等問題；在2015年4月14日召開的一季度經濟形勢座談會上，李克強總理講到“現(xiàn)在很多人到什么地方先問‘有沒有Wi-Fi’，就是因為我們的流量費太高了”，目前的流量資費價格較高，1G流量要70多元，這將可能成為用戶個性化業(yè)務應用發(fā)展的一大障礙。

2. 網絡服務虛擬化能力缺失

網絡作為承載整個數(shù)據通信業(yè)務的基礎資源，一直未能真正地實現(xiàn)虛擬化，網絡的相關能力也很難對外開放并靈活地根據業(yè)務需求進行動態(tài)的適配和擴展。同時，網絡資源也很難真正作為一種服務提供給用戶，往往只是以帶寬、安全策略、SLA等形式間接滿足用戶對網絡的相關需求。

3. 網絡利用率和服務質量的矛盾

以傳統(tǒng)IP網絡為例，無連接和分布式路由控制的特性，導致整網帶寬很難均衡發(fā)展，利用率高的鏈路難以保證服務質量，利用率低的鏈路存在資源浪費。在這種情況下，一方面，網絡存在整體輕載、局部重載的情況；另一方面，也很難保證所承載業(yè)務的服務質量。

4. 新技術引入周期較長

傳統(tǒng)網絡的新技術引入需要經歷漫長的周期，包括技術預研、方案制定、標準化推進、設備實現(xiàn)、現(xiàn)網升級/試點等多個環(huán)節(jié)，將所有環(huán)節(jié)打通往往需要很長時間，而且在其發(fā)展過程中還可能出現(xiàn)新的技術方案將之代替。網絡業(yè)務更新方式周期漫長、成本巨大，而且有很大的不確定性，當具備部署條件時可能原始需求已經有所變化。

綜上所述，運營商的網絡在網絡速度、資費、虛擬化、服務質量、網絡效率和新技術引入等方面面臨巨大挑戰(zhàn)。為了加快網絡速度，提升網絡部署的靈活性、有效性、縮短部署時間，應提升網絡的軟件化程度和可編程能力，進而提高網絡對業(yè)務的開放程度。SDN和NFV技術的出現(xiàn)為解決上述問題提供了有效途徑。

SDN與NFV典型應用場景分析

SDN應用場景——云計算數(shù)據中心

云計算數(shù)據中心是當前運營商可商用部署SDN的主要場景，SDN組網方案應重點滿足虛擬私有云和用戶個性化的增值業(yè)務等需求。

虛擬私有云要求云數(shù)據中心網絡能夠為租戶提供可自助開通、自助配置、自助管理的隔離網絡，具體包括：支持租戶即時開通虛擬網絡；支持租戶自配置虛擬網絡，包括定義任意的子網IP網段、網段間訪問策略等；支持租戶自管理自己的虛擬網絡，包括監(jiān)控虛擬網絡的流量、拓撲等；租戶之間相互要安全隔離，私有數(shù)據彼此不能訪問。

虛擬私有云要求不同租戶之間的網絡不僅需要隔離，還要求網絡之間可以復用IP地址段、任意創(chuàng)建子網等。另外，為租戶提供的虛擬網絡應是抽象的、邏輯的拓撲，不包含物理網絡的VLAN、IP地址、ACL等信息。虛擬網絡僅呈現(xiàn)給租戶租用的云主機之間、網段之間的訪問關系和網絡流量情況等。

以上功能實現(xiàn)要采用SDN技術，在云數(shù)據中心網絡架構層面提供網絡抽象功能，將物理網絡抽象成多個邏輯網絡，并將租戶對邏輯網絡的操作映射為物理網絡操作。

NFV應用場景分析——移動核心網

NFV典型應用是在一些CPU密集，對網絡吞吐能力要求比較高的場景，如移動核心網。隨著移動數(shù)據流量的迅猛增長，物聯(lián)網、大數(shù)據、移動醫(yī)療等越來越多的業(yè)務需求出現(xiàn)，這既給運營商網絡帶來了擴容和運維壓力，也要求運營商以更低的成本做好流量經營，以提升數(shù)據流量的收入，如構建流量識別和分析、視頻優(yōu)化、流量壓縮等網絡增值能力。

為此，移動網絡需要構建一個更加開放、靈活、高效的架構，利用NFV技術，通過統(tǒng)一的虛擬化軟、硬件平臺，使軟件功能與硬件解耦，實現(xiàn)硬件資源的高效利用、網絡功能的快速靈活增強，以達到降低成本、提升管理和維護效率、增強系統(tǒng)靈活性的目的，使網絡更加靈活和簡單；使得資源可以充分靈活共享，實現(xiàn)新業(yè)務的快速開發(fā)和部署，并可以基于實際業(yè)務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等功能。

SDN對后續(xù)組網的影響

SDN對運營商后續(xù)組網，將產生兩個方面影響。

1.總體網絡架構將發(fā)生變化：網絡從功能上將分離成控制、轉發(fā)兩個層面，需要新增控制與轉發(fā)層面的組網。在轉發(fā)層面，與當前的IP網絡及IDC內部相類似，仍可依照規(guī)模及功能分為接入、匯聚、核心3個層面。

2.節(jié)約網絡資源：通過資源靈活調度，可以均衡使用并節(jié)約網絡資源，轉發(fā)層面的端口、鏈路數(shù)量比當前網絡的需求相對會少一些。

現(xiàn)階段NFV技術對于運營商傳統(tǒng)網絡的路由策略和局數(shù)據設置總體上不會產生太大的影響，主要原因如下。

1.NFV對運營商網絡中各類功能網元的在網形態(tài)有較大的改變，即由傳統(tǒng)軟硬一體化網元變?yōu)榛诮y(tǒng)一云平臺的NFV虛擬功能網元，每個功能網元在邏輯上與傳統(tǒng)的網元功能及地位完全相同。

2.NFV中各個虛擬功能網元與傳統(tǒng)網元設備一樣有容量上限的限制，網絡擴容需要以新增邏輯網元的形式實現(xiàn)。

3.NFV虛擬功能網元的對外接口及鏈路配置仍然需要，只是由原來的實體接口/鏈路變?yōu)樘摂M的接口/鏈路。

4.NFV虛擬功能網元之間的容災仍需在業(yè)務層面考慮并實現(xiàn)，NFV架構主要考慮站點內虛擬機、云資源中硬件資源的內部可靠性。即網元間組池、異地容災備份等網絡級的安全性要求仍需要依據原業(yè)務網絡層面的機制實現(xiàn)。

雖然NFV架構下運營商網絡的邏輯組網結構、路由策略和局數(shù)據設置等原則總體不變，但是由于新增虛擬資源管理等內容，因此在數(shù)據配置與管理方面需要新增加針對虛擬機編號、地址、端口等的管理，目前具體需要管理的內容由于大量接口及功能相關規(guī)范未完成而尚不明確。

未來網絡運營模式將發(fā)生變化

SDN/NFV不僅從根本上將變革運營商的網絡，還將對運營商的網絡運營模式產生改變，以往運營商“疆域式”的運營模式不再適合SDN/NFV的建設和運營。

分層化的平臺架構將直接影響運營商的網絡運營模式。在現(xiàn)有的網絡架構下，運營商采用專業(yè)網管、網元垂直管理和專有硬件管理等模式；在網絡功能虛擬化后，運營商現(xiàn)有的運營模式將發(fā)生改變，具體體現(xiàn)在虛擬網元業(yè)務網管、虛擬化資源池管理、硬件資源池管理、數(shù)據中心管理和跨域跨業(yè)務協(xié)同管理等方面。

SDN/NFV的引入，將會導致運營商的網絡架構發(fā)生大的改變，運營商將建設各種數(shù)據中心，使其成為NFV的基礎設施，并在數(shù)據中心廣泛采用SDN技術。當前，運營商的IT部門和網絡部門是分離的。未來網絡的運營將與IT合為一體。因此，運營商必須重建自己的業(yè)務開發(fā)團隊和業(yè)務流程，運營商首先需要在組織架構上實現(xiàn)調整，對于IT的定位將從支撐轉換為運營。除此之外，運營商對于各種新業(yè)務的開發(fā)、測試和上線流程，也與傳統(tǒng)業(yè)務有所不同。

運營商通過對網絡和其他資源能力的開放和有效整合，進一步提升資源的集約化運營。SDN“天然”支持網絡虛擬化，能有效做到網絡資源的切片隔離，同時強調網絡能力的開放，可以及時引入新型的應用應對未知的商用模型，可以為OTT提供其所需求的網絡等能力適配其業(yè)務需求；NFV強調多網元共享相同的云基礎設施、多廠家共存、減少技術鎖定和部署自動化，這些特性將為運營商的集約化運營打下良好的基礎。

在引入SDN/NFV后，通信產業(yè)生態(tài)環(huán)境也將發(fā)生改變：在原有基礎上增加了虛擬化廠商、通用硬件廠商、現(xiàn)場集成廠商。運營商角色也將發(fā)生改變：需要網絡業(yè)務規(guī)劃和云架構規(guī)劃，現(xiàn)場集成及云環(huán)境下網元性能保證等多業(yè)務協(xié)同運營。

對運營商后續(xù)網絡維護的影響

維護體系結構將發(fā)生變化

NFV引入將對現(xiàn)有維護體系產生較大影響。現(xiàn)有網絡都是分專業(yè)進行維護的（例如無線、交換、數(shù)據、承載、傳輸?shù)龋?，每個專業(yè)維護的相關網元包括硬件、軟件、網絡配置、業(yè)務質量等方面的內容。NFV引入后，維護體系的變化主要體現(xiàn)在以下兩方面：

a. 各實體功能網元演變?yōu)橐攒浖螒B(tài)存在的虛擬網元，傳統(tǒng)“分專業(yè)維護”依然存在，但是不再針對設備硬件進行維護。

b. 新增加NFV云維護專業(yè)：針對各數(shù)據中心NFV架構的虛擬資源管理，包括相應的調度軟件、云資源池硬件、云站點IP 網絡的維護等。

各專業(yè)網絡維護方式將發(fā)生變化

NFV架構對于運營商網絡的維護將產生很大的影響，從機房、設備管理、故障處理、質量保障等方面均提出全新的要求。

機房將需要按照IDC機房標準改造，設備將以軟件形態(tài)的虛擬網元入網，不涉及硬件割接入網，但涉及虛擬機資源的核算與調配，路由及局數(shù)的維護方式將不變，但需增加NFV虛擬資源配置，軟硬件的維護方式不變，但需增加NFV資源調度軟件的維護，硬件維護將統(tǒng)一由云資源維護團隊負責，網絡質量保障方面虛擬資源運行有效性、可靠性等對業(yè)務應用質量存在不同程度的潛在影響等。

更有利于集中化的管控

NFV的核心是將軟件從現(xiàn)有廠家各異的硬件平臺中剝離出來，隨著IT計算能力的不斷增強，單個虛擬網元的能力會快速增加，更加有利于網元的集中化部署和管控。在SDN網絡中，控制器可實現(xiàn)對全網資源、運行情況的管理與控制，涵蓋了當前網絡的網管功能，維護的相關工作通過控制器管理實現(xiàn)。同時，控制器提供了豐富API編程，可以部署靈活的維護管理任務，快速實現(xiàn)網絡的各類維護需求。

擴容和新業(yè)務部署更加靈活

由于網絡擴容和業(yè)務部署將以軟件加載至相應虛機的方式來實現(xiàn)，一般情況下不涉及硬件擴容、割接等工作，因此可以更加快速、高效靈活地實現(xiàn)。

新增NFV網管支撐系統(tǒng)

在NFV標準架構中，為便于虛擬資源的動態(tài)管理，特別定義了NFV網管支撐域，實現(xiàn)虛擬資源管理和調度、虛擬網元的生命周期管理等功能，該網管支撐域分別由NFVO（Network Function Virtual Orchestrator）、VNFM（Virtual Network Function Management ）、VIM（Virtual Infrastructure Management）組成。 NFVO實現(xiàn)統(tǒng)一的資源管理與調度；VNFM 實現(xiàn)虛擬化網元生命周期管理，包括虛擬網元的生成、變更、刪除等；VIM 實現(xiàn)對虛擬化資源、硬件資源池的統(tǒng)一管理。