基于NFV技術(shù)的未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與運(yùn)維體系＊

王大鵬 上海貝爾股份有限公司高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理

沈蕾 上海貝爾股份有限公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)總監(jiān)

鄒立 上海貝爾軟件有限公司研發(fā)經(jīng)理

基于NFV技術(shù)的未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與運(yùn)維體系＊

王大鵬 上海貝爾股份有限公司高級(jí)產(chǎn)品經(jīng)理

沈蕾 上海貝爾股份有限公司技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)總監(jiān)

鄒立 上海貝爾軟件有限公司研發(fā)經(jīng)理

NFV技術(shù)的不斷發(fā)展給通信網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)了深刻的變化。這些變化在提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性、擴(kuò)展性、簡(jiǎn)單性的同時(shí)，也帶來(lái)了一些傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)和管理過(guò)程中所未曾面對(duì)的問(wèn)題。本文討論了基于NFV技術(shù)的未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與運(yùn)維體系，并分析了包括網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)、人員技能、運(yùn)維流程等方面將發(fā)生的相應(yīng)變化，為實(shí)現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)向功能虛擬化演進(jìn)提供基本原理與依據(jù)。

NFV 體系架構(gòu) 運(yùn)維體系

1 引言

NFV的出現(xiàn)對(duì)電信設(shè)備供應(yīng)商既是一次挑戰(zhàn)，也是一次機(jī)遇。運(yùn)營(yíng)商面臨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的迅猛發(fā)展，帶寬的需求量逐漸變大，而相應(yīng)的收益并沒(méi)有呈現(xiàn)線性增加，在運(yùn)營(yíng)成本和收益上面臨著雙重壓力。引入NFV旨在降低成本、降低系統(tǒng)復(fù)雜性、增加業(yè)務(wù)靈活性，從而使運(yùn)營(yíng)商更具有競(jìng)爭(zhēng)力。

NFV的出現(xiàn)將改變電信設(shè)備供應(yīng)商的傳統(tǒng)銷售模式，各類專有硬件的銷售將被運(yùn)營(yíng)商統(tǒng)一建設(shè)的云計(jì)算資源池所取代，業(yè)務(wù)系統(tǒng)的虛擬化版本以軟件的形式進(jìn)行銷售。在銷售業(yè)績(jī)和各類網(wǎng)元產(chǎn)品的升級(jí)方面均帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

另一方面，NFV將加速電信設(shè)備供應(yīng)商在IT和CT兩個(gè)方面的融合。通過(guò)在電信產(chǎn)品中逐步加入和豐富IT相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，提升產(chǎn)品的開放性和通用性，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步激發(fā)新產(chǎn)品的創(chuàng)新，為產(chǎn)業(yè)鏈的整合和發(fā)展提供更強(qiáng)的推動(dòng)力。

2 NFV的發(fā)展階段

著眼于全球范圍內(nèi)NFV理念與實(shí)踐、標(biāo)準(zhǔn)與部署，NFV的發(fā)展將經(jīng)歷3個(gè)階段，即探索期、試驗(yàn)期、商用部署期。

自2010年起，行業(yè)便開始了對(duì)NFV進(jìn)行研究，探索期內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)化組織進(jìn)行了積極的活動(dòng)和相關(guān)理論的研究；從2013年開始，NFV進(jìn)入了試驗(yàn)期，全球范圍內(nèi)的主流運(yùn)營(yíng)商與主流電信設(shè)備供應(yīng)商便開始合作，在實(shí)驗(yàn)室里進(jìn)行相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品試制和驗(yàn)證工作，目前中國(guó)運(yùn)營(yíng)商也分別開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)室測(cè)試工作；接下來(lái)的3年，將是各種虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能集中開始部署的階段，產(chǎn)業(yè)環(huán)境將步入商業(yè)使用期。

3 基于NFV技術(shù)的未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

通過(guò)引入NFV，通信網(wǎng)絡(luò)將在靈活性、擴(kuò)展性、簡(jiǎn)單性方面得到提升。圖1展示了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV如何完成水平模式向垂直模式轉(zhuǎn)變，即傳統(tǒng)的軟件與硬件綁定模式轉(zhuǎn)變?yōu)榫W(wǎng)絡(luò)功能軟件部署于通用服務(wù)器、存儲(chǔ)、交換機(jī)組成的云計(jì)算資源池上。同時(shí)，部署管理、策略管理、通用生命周期管理框架等共性功能被提取至云平臺(tái)中，從而實(shí)現(xiàn)虛擬化NFV基礎(chǔ)架構(gòu)資源的統(tǒng)一管理和調(diào)度。

這種模式的轉(zhuǎn)變將促使電信運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)維體系發(fā)生改變。在新的體系下由一個(gè)機(jī)構(gòu)或部門負(fù)責(zé)維護(hù)共享的NFV基礎(chǔ)架構(gòu)，同時(shí)該基礎(chǔ)架構(gòu)被另外一些機(jī)構(gòu)或部門來(lái)運(yùn)維虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能，為企業(yè)或終端用戶提供諸如VoLTE、EPC、IMS、CDN、IPTV等業(yè)務(wù)。

圖1 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)從垂直模式向水平模式遷移

圖2 NFV端到端系統(tǒng)架構(gòu)

隨著京東、迪信通等以業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)為主的虛擬運(yùn)營(yíng)商和以鐵塔公司為代表基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)提供商的出現(xiàn)，基于NFV技術(shù)的通信網(wǎng)絡(luò)將演進(jìn)出以提供業(yè)務(wù)為主的虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)提供商，和以提供基礎(chǔ)架構(gòu)為主的虛擬化網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)架構(gòu)提供商。虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能提供商將專注于如何提升業(yè)務(wù)服務(wù)水平，而基礎(chǔ)架構(gòu)提供商將專注于如何提升共享基礎(chǔ)架構(gòu)的穩(wěn)定性和性能。

作為通信網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)方向，端到端的NFV系統(tǒng)架構(gòu)中包括實(shí)例側(cè)與相應(yīng)的管理側(cè)（見(jiàn)圖2）。實(shí)例側(cè)包含通用硬件、虛擬化軟件、業(yè)務(wù)網(wǎng)元軟件、OSS系統(tǒng)等。管理側(cè)包括虛擬資源管理器、虛擬網(wǎng)元管理器以及編排器等。

在新的架構(gòu)中，系統(tǒng)自下而上被劃分為硬件層、云資源管理層、虛擬化網(wǎng)元層。市場(chǎng)通常要求3層之間保持相對(duì)獨(dú)立，之間通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化的接口實(shí)現(xiàn)不同供應(yīng)商產(chǎn)品之間的兼容性。

硬件層與云資源管理層之間的兼容性相對(duì)較為成熟，開源軟件OpenStack作為基礎(chǔ)架構(gòu)管理層對(duì)X86通用服務(wù)器可以起到較好的支持。但云資源管理層在兩個(gè)方面仍存在較大的挑戰(zhàn)：一個(gè)是面向網(wǎng)絡(luò)功能業(yè)務(wù)運(yùn)維要求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化程度較高的管理流程；另一個(gè)是對(duì)包括SDN、跨數(shù)據(jù)中心等復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的有效管理。云資源管理層與虛擬化網(wǎng)元層之間因供應(yīng)商產(chǎn)品間兼容性問(wèn)題，通常實(shí)現(xiàn)困難較大。從目前全球主流運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室測(cè)試和試商用的情況來(lái)看，虛擬網(wǎng)元與云資源管理通常由同一供應(yīng)商提供，從一定程度上加速了NFV向商業(yè)部署的速度。

4 NFV帶來(lái)運(yùn)維體系的演進(jìn)

基于NFV技術(shù)的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生的改變將對(duì)運(yùn)維系統(tǒng)產(chǎn)生深刻的影響，包括操作流程、人員技能、管理工具、指標(biāo)要求等都需要改變。

（1）運(yùn)維流程

新業(yè)務(wù)的上線通過(guò)基于NFV平臺(tái)的自動(dòng)化部署來(lái)實(shí)現(xiàn)；上線后相應(yīng)的保障、故障告警、故障分析、系統(tǒng)恢復(fù)等都由NFV平臺(tái)自動(dòng)執(zhí)行。ETSI的NFV相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范詳細(xì)定義了各種流程的觸發(fā)以及系統(tǒng)內(nèi)部的操作流程，設(shè)計(jì)的總體理念：盡量減少人為的干預(yù)，讓物理資源實(shí)現(xiàn)充分共享的前提下，提高復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)功能系統(tǒng)的生命周期管理自動(dòng)化水平，從而同時(shí)降低固定資產(chǎn)和運(yùn)維成本的投入，并且讓系統(tǒng)的易用性得到大幅增強(qiáng)。

NFV基礎(chǔ)架構(gòu)可以按需為網(wǎng)絡(luò)功能的部署提供資源，這也將改變網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商的業(yè)務(wù)發(fā)展和運(yùn)維支撐的模式。傳統(tǒng)運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)一般需要提前幾個(gè)月甚至更久的時(shí)間，根據(jù)對(duì)業(yè)務(wù)發(fā)展的預(yù)測(cè)來(lái)認(rèn)真進(jìn)行規(guī)劃，而基于NFV來(lái)進(jìn)行業(yè)務(wù)的部署可以實(shí)時(shí)地根據(jù)業(yè)務(wù)情況動(dòng)態(tài)地調(diào)度云數(shù)據(jù)中心里的資源，并且優(yōu)先選擇物理位置貼近終端或者企業(yè)用戶的資源來(lái)提升服務(wù)質(zhì)量。業(yè)務(wù)管理部門可以根據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求靈活地增加和減少資源，既增加了靈活性也大幅降低了探索新業(yè)務(wù)帶來(lái)的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)。

新體系架構(gòu)中相關(guān)角色在運(yùn)維過(guò)程中所承擔(dān)的責(zé)任和工作范疇有著不同的分工。NFV平臺(tái)的建設(shè)和維護(hù)部門提供虛擬化資源、配置調(diào)度引擎、公共基本服務(wù)模塊（如負(fù)載均衡、防火墻等）等，而負(fù)責(zé)虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能建設(shè)和運(yùn)維的部門加載虛擬化的網(wǎng)元軟件，由NFV平臺(tái)自動(dòng)根據(jù)需求調(diào)用相應(yīng)虛擬化資源拼裝成可供服務(wù)的上線業(yè)務(wù)。

從宏觀上來(lái)看，系統(tǒng)的建設(shè)和運(yùn)維全周期，將包括規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段、產(chǎn)品生命周期管理階段以及網(wǎng)絡(luò)功能運(yùn)行維護(hù)階段。規(guī)劃與設(shè)計(jì)階段主要圍繞系統(tǒng)建設(shè)目標(biāo)（如承載的網(wǎng)絡(luò)元類別）和容量規(guī)模進(jìn)行設(shè)計(jì)；產(chǎn)品生命周期管理階段，主要進(jìn)行基礎(chǔ)架構(gòu)建設(shè)，云平臺(tái)搭建，擬承載虛擬化網(wǎng)元的部署準(zhǔn)備等；網(wǎng)絡(luò)功能運(yùn)行維護(hù)階段，將實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)開通、保障和計(jì)費(fèi)。

（2）人員技能

基于NFV技術(shù)的未來(lái)電信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的演進(jìn)對(duì)運(yùn)維流程產(chǎn)生了深刻的影響，電信技術(shù)與IT技術(shù)的融合對(duì)參與系統(tǒng)的運(yùn)維團(tuán)隊(duì)也提出了技能方面的新要求。

對(duì)于NFV基礎(chǔ)架構(gòu)的管理人員，要求除了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心IT運(yùn)維技能，還要求對(duì)虛擬網(wǎng)元的架構(gòu)有一定的理解，例如當(dāng)業(yè)務(wù)網(wǎng)元生命周期管理過(guò)程中需要進(jìn)行手動(dòng)擴(kuò)容縮容的時(shí)候，操作人員要能夠理解業(yè)務(wù)的基本需求。

對(duì)于虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的管理人員，要求除掌握業(yè)務(wù)部署和管理的能力外，還要對(duì)云相關(guān)的IT技術(shù)有一定了解，例如當(dāng)業(yè)務(wù)出現(xiàn)故障告警時(shí)，能夠識(shí)別故障中是否由基礎(chǔ)架構(gòu)相關(guān)的因素導(dǎo)致。

（3）靈活計(jì)費(fèi)模式

網(wǎng)元的虛擬化實(shí)現(xiàn)讓業(yè)務(wù)的管理復(fù)雜度降低，操作更簡(jiǎn)單，業(yè)務(wù)上線時(shí)間更短、更容易，對(duì)于不成功的業(yè)務(wù)下線導(dǎo)致的財(cái)務(wù)風(fēng)險(xiǎn)也就更低。這將激發(fā)虛擬運(yùn)營(yíng)商為代表的產(chǎn)業(yè)鏈上游對(duì)業(yè)務(wù)拓展的熱情，并且隨著NFV的技術(shù)的發(fā)展，產(chǎn)業(yè)鏈劃分將更加細(xì)化。圖3描述了這種變化，終端和企業(yè)用戶將使用由虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)提供商所提供的服務(wù)，并繳納相應(yīng)的業(yè)務(wù)使用費(fèi)用。而網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)提供商除了需要支付自有人員的人工成本和運(yùn)營(yíng)費(fèi)用外，還要依賴于另外兩個(gè)角色：網(wǎng)絡(luò)功能基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)供應(yīng)商和網(wǎng)絡(luò)功能軟件供應(yīng)商。

網(wǎng)絡(luò)功能基礎(chǔ)架構(gòu)服務(wù)提供商，通常由大型網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商搭建云計(jì)算基礎(chǔ)架構(gòu)的部門來(lái)?yè)?dān)任，負(fù)責(zé)NFV基礎(chǔ)架構(gòu)的建設(shè)和維護(hù)。包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)連接等資源被虛擬化之后，一方面提供給運(yùn)營(yíng)商自行運(yùn)維的業(yè)務(wù)來(lái)使用，另一方面也可以租給虛擬運(yùn)營(yíng)商等網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化服務(wù)提供商來(lái)使用。

網(wǎng)絡(luò)功能軟件供應(yīng)商通常由傳統(tǒng)電信業(yè)務(wù)設(shè)備供應(yīng)商演進(jìn)而來(lái)，負(fù)責(zé)虛擬化網(wǎng)元軟件的發(fā)布和維護(hù)。與傳統(tǒng)軟硬件綁定的模式不同，虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能軟件按使用規(guī)模和時(shí)間向網(wǎng)絡(luò)功能服務(wù)提供商收取租賃費(fèi)用。

圖3 基于NFV技術(shù)業(yè)務(wù)的靈活計(jì)費(fèi)關(guān)系

圖4 VNF網(wǎng)元軟件生命周期管理

（4）VNF生命周期管理

在傳統(tǒng)網(wǎng)元業(yè)務(wù)生命周期管理模式下，包括安裝、擴(kuò)容、升級(jí)等操作通常需要較長(zhǎng)時(shí)間和經(jīng)歷相對(duì)非常復(fù)雜的過(guò)程，而且在這個(gè)過(guò)程中的絕大多數(shù)工作更多依靠運(yùn)維管理人員和工程師手動(dòng)完成。為了盡量降低由手動(dòng)操作引入的系統(tǒng)性風(fēng)險(xiǎn)，通常需要遵循一套繁雜嚴(yán)格的管理流程，這帶來(lái)了時(shí)間和成本上的雙重開銷。

NFV為網(wǎng)元軟件的生命周期管理帶來(lái)了更多的自動(dòng)化的操作方式，讓管理操作更加簡(jiǎn)便，增加了靈活性，降低了運(yùn)維管理成本和故障導(dǎo)致的開銷。圖4描述了虛擬化網(wǎng)元軟件在進(jìn)行生命周期管理的不同階段劃分，包括策略制定、計(jì)劃、上線前準(zhǔn)備、運(yùn)行態(tài)維護(hù)、計(jì)劃內(nèi)操作。

（5）NFV生態(tài)系統(tǒng)

包括通用硬件供應(yīng)商、云管理平臺(tái)軟件供應(yīng)商、虛擬化網(wǎng)元軟件供應(yīng)商、運(yùn)營(yíng)商共同組成了NFV生態(tài)環(huán)境系統(tǒng)。不同的商用產(chǎn)品通過(guò)開放接口相互合作，實(shí)現(xiàn)端到端的解決方案。

與此同時(shí)，開源軟件在NFV生態(tài)系統(tǒng)的發(fā)展過(guò)程中起到了非常重要的作用，例如OpenStack等開源軟件在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程中起著積極的影響。開源軟件在核心功能實(shí)現(xiàn)，API接口定義和實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵功能插件，云化應(yīng)用的部署方法描述的格式定義等已經(jīng)有相應(yīng)的實(shí)現(xiàn)，從一定程度上正在成為事實(shí)上的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。主流的開源軟件，通常都有若干企業(yè)發(fā)行商業(yè)版本，并提供相應(yīng)商業(yè)支持。

NFV生態(tài)系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化帶來(lái)多種價(jià)值，包括整合經(jīng)驗(yàn)成熟的網(wǎng)絡(luò)功能，例如LBaaS和FWaaS等，方便復(fù)雜的大型虛擬化網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的集成。

（6）NFV基礎(chǔ)架構(gòu)平臺(tái)

NFV的實(shí)現(xiàn)基于云計(jì)算技術(shù)，與傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的部署模式相比，硬件獨(dú)占性被削弱，因此從業(yè)務(wù)角度評(píng)估，計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)配置等物理設(shè)備成本均有所降低。然而，NFV基礎(chǔ)架構(gòu)的服務(wù)標(biāo)準(zhǔn)必須符合電信級(jí)的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)，因此必須通過(guò)一套專業(yè)的NFV基礎(chǔ)架構(gòu)管理軟件才能實(shí)現(xiàn)HA模式、SLA管理、故障定位與告警等功能。

NFV平臺(tái)除實(shí)現(xiàn)虛擬層功能外，也應(yīng)該提供VNF生命周期管理過(guò)程中需要的管理功能，以及面向網(wǎng)元部署的資源編排和調(diào)度功能。在網(wǎng)絡(luò)方面，除了兼容通用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理外，也應(yīng)該支持對(duì)軟件定義網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品SDN的集成能力。

5 結(jié)束語(yǔ)

NFV技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了快速發(fā)展的階段，上下游產(chǎn)業(yè)鏈逐漸成熟，國(guó)際上主流電信服務(wù)提供商開始將NFV技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室逐漸引入到試商用和商用網(wǎng)絡(luò)。在電信網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)發(fā)生轉(zhuǎn)變的同時(shí)，運(yùn)維體系也將進(jìn)行相應(yīng)的改變。隨著核心功能平臺(tái)和組件間接口標(biāo)準(zhǔn)化的逐漸完成，電信網(wǎng)絡(luò)將在未來(lái)3年快速完成向基于NFV技術(shù)的未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)。

1 Network FunctionsVirtualisation–IntroductoryWhitePaper. http://portal.etsi.org/nfv/nfv_white_paper.pdf

2 TheNISTDefinitionofCloudComputing.National Instituteof Standards and Technology.US Department of Commerce. SpecialPublication 800-145,PeterMelland Timothy Grance. 9,2011

3 Service Quality of Cloud-Based Applications.Eric Bauerand RandeeAdams.Wiley-IEEEPress.2013

4 Eric Bauer and Randee Adams.Reliability and Availability of CloudComputing.Wiley-IEEEPress.2012

NFVBased FutureTelecom Network System Architectureand OperationModel

The fastdevelopmentofNFV technology bringssignificantchanges to communicationnetworks.Notonly benefitssuchasflexibility,scalability,simplicity,butalsonew challengeshavebeen introduced to telecom’snetworkarchitecture designand operation.ThispaperdiscussesNFV based future telecom network system architectureandoperationmodel,and analyzesthechangesinnetworkarchitecture,skills,operationwork flow,andetc.Itprovidesthebasicprinciplesfortheevolution tonetwork functionvirtualization.

NFV,architecture,operation andmaintenance system

2015-01-10）

國(guó)家科技重大專項(xiàng)項(xiàng)目（2012ZX03005-009）資助