5G中的SDN/NFV和云計算

劉 旭 中國信息通信研究院通信標準研究所助理工程師

李俠宇 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

朱 浩 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

1 引言

SDN/NFV和云計算都是起源于IT領(lǐng)域的技術(shù)。如今，云計算已經(jīng)非常成熟，在IT領(lǐng)域已經(jīng)大規(guī)模商用，SDN技術(shù)作為新興的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)，也已經(jīng)被谷歌等互聯(lián)網(wǎng)巨頭部署在多個數(shù)據(jù)中心。隨著虛擬化技術(shù)的發(fā)展，人們試圖將更多的專有設(shè)備虛擬化和軟件化，從而達到降低成本和靈活部署的目的，于是NFV的概念誕生了。本文將結(jié)合廣義上3種技術(shù)本身的特點和未來5G的網(wǎng)絡(luò)能力要求，分析各技術(shù)在5G架構(gòu)中的技術(shù)定位和前景，同時結(jié)合實際的發(fā)展情況，總結(jié)未來運營商在技術(shù)研發(fā)和業(yè)務(wù)模式上的側(cè)重點。

1.1 廣義的SDN及標準化進程

ONF在2012年4月發(fā)布白皮書《Software-Defined Networking:The New Norm for Networks》，將 SDN 定義為：“SDN是一種新興的、控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離并直接可編程的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，其核心是將傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備緊耦合的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)解耦成應用、控制、轉(zhuǎn)發(fā)三層分離的架構(gòu)，并通過標準化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中管控和網(wǎng)絡(luò)應用的可編程性?！逼涠x的基本架構(gòu)見圖1。

圖1 SDN基礎(chǔ)架構(gòu)

由于ONF是主導Open Flow標準化的組織，所以在南向接口上只標注了Open Flow一種協(xié)議，事實上，Open Flow協(xié)議僅是SDN南向接口協(xié)議的一種選擇，雖然目前占據(jù)主流的態(tài)勢，但業(yè)內(nèi)也有不同的協(xié)議出現(xiàn)，所以O(shè)pen Flow不等于SDN。

SDN除了南向的接口協(xié)議，在Control Layer也就是SDN控制器的標準化上也有一定分歧，設(shè)備商主導的Opendaylight雖為先行者，但由于思科等廠商的強勢，逐漸引起業(yè)界的不滿，于是運營商主導的ONOS成立。雖然兩者都自稱開源控制器，但其實Opendaylight一直在排斥基于開放的協(xié)議方案，設(shè)備商們更想采用折中的方案，既以開放專用接口的方式保留傳統(tǒng)設(shè)備，又期望通過SDN來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)型，使它們的網(wǎng)絡(luò)更加敏捷高效并足以滿足未來各種應用場景，同時降低成本并開展新的業(yè)務(wù)模式來擴大收入，所以目前ONOS的前景更被看好。

對于SDN的應用部署情況，目前SDN主要是部署在數(shù)據(jù)中心之間，針對移動無線網(wǎng)絡(luò)的部署方案及架構(gòu)，都還在討論中。

1.2 廣義的NFV及標準化進程

ETSI NFV-ISG發(fā)布的白皮書對NFV給出了定義：“NFV是一種通過硬件最小化來減少依賴硬件的更靈活和簡單的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展模式”。其實質(zhì)是將網(wǎng)絡(luò)功能從專用硬件設(shè)備中剝離出來，實現(xiàn)軟件和硬件解耦后的各自獨立，基于通用的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并根據(jù)需要實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能及其動態(tài)靈活的部署。其定義的NFV高層架構(gòu)如圖2所示。

圖2 NFV高層結(jié)構(gòu)

從圖中可以看出，由于NFV是以云計算和虛擬化為基礎(chǔ)，所以ETSI的NFV高層架構(gòu)一開始就把虛擬網(wǎng)元設(shè)備間的管理和編排功能加入到了架構(gòu)中。

在標準化方面，除了ETSI的高層設(shè)計，還有針對具體VNF之間，彼此虛擬網(wǎng)元設(shè)備間的標準化組織，即OPNFV，2014年底Linux基金會資助建立了OPNFV開源組織，其致力于促進NFV的發(fā)展，未來將和產(chǎn)業(yè)界緊密合作，建立一個綜合性的電信級別的開源NFV平臺，借助這個平臺，可以確保未來NFV產(chǎn)品的一致性、功能性和互操作性。在目前階段，OPNFV平臺將會把焦點放在建立NFV基礎(chǔ)架構(gòu)、虛擬基礎(chǔ)架構(gòu)管理、網(wǎng)絡(luò)功能編排器以及基礎(chǔ)架構(gòu)間的API上。

1.3 廣義的云計算及標準化進程

美國國家標準與技術(shù)研究院（NIST）對云計算的定義：云計算是一種按使用量付費的模式，這種模式提供可用的、便捷的、按需的網(wǎng)絡(luò)訪問，進入可配置的計算資源共享池（資源包括網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲、應用軟件、服務(wù)），這些資源能夠被快速提供，只需投入很少的管理工作，或與服務(wù)供應商進行很少的交互。

對運營商來說，針對未來定制化的客戶服務(wù)，云計算的模式是必不可少的，同時云計算本身的分布式計算、虛擬化、負載均衡和熱備份冗余等特性也可以很好地滿足5G架構(gòu)對于低成本和靈活性部署的要求。

在以往，私有云平臺的種類很多，每家公司都有自己的技術(shù)方案，沒有必要進行標準化，但是對于5G來說，開放性和兼容性是必備的屬性，所以運營商將來的云計算平臺必然是選擇某個開源云平臺，例如Open Stack。事實上目前絕大多數(shù)針對5G的架構(gòu)試驗和驗證都是基于Open Stack平臺來搭建，其提供了很好的兼容性和開放性。所以，Open Stack已經(jīng)成為事實標準，但基于Open Stack的內(nèi)核，開發(fā)自己的定制版本，集成更多的功能將是未來部署的主流，就像Linux的定制版，不同公司的OS存在些許兼容性的差異，因此運營商版本的Open Stack應該被二次標準化。

2 5G網(wǎng)絡(luò)要求

對比現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，5G不僅僅是速度更快、延遲更低，5G主要是針對未來典型的應用場景來進行設(shè)計，這些場景可以歸納為包含以下4個特點：

●連續(xù)廣域覆蓋：對用戶來說，要求體驗速率達到100Mbit/s。為5G的覆蓋不再局限于目前小區(qū)的概念，而是多種接入模式的融合，通過智能的調(diào)度，為用戶提供更快的體驗速率。

●熱點高容量：在用戶的集中區(qū)域，如大型演唱會、車站等人口密度大、流量密度高的區(qū)域，5G要根據(jù)動態(tài)的資源調(diào)度，滿足體驗速率1~10Gbit/s和流量密度10Tbit/km2的網(wǎng)絡(luò)要求。

●低時延、高可靠：在未來的自動駕駛和工業(yè)控制領(lǐng)域，對時延和可靠性的要求是非常嚴苛的，未來端到端ms級的延遲和可靠性接近100%的網(wǎng)絡(luò)要求是5G必須滿足的。

●低功耗、大連接：萬物互聯(lián)將是下一代信息技術(shù)革命的目標，未來在智慧城市、環(huán)境監(jiān)測、森林防火等以傳感和數(shù)據(jù)采集為目標的應用場景，具有小數(shù)據(jù)包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數(shù)量眾多，不僅對連接數(shù)密度有很高的要求，而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。

3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（見圖3）

在5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中，將未來電信網(wǎng)劃分為3朵云：

●藍色的無線接入云：支持接入控制和承載分離、接入資源的協(xié)同管理，滿足未來多種的部署場景（例如集中、分布、無線Mesh），實現(xiàn)基站的即插即用。

●紅色的控制云：實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能集中，網(wǎng)元功能具備虛擬化、軟件化以及重構(gòu)性，支持第三方的網(wǎng)絡(luò)能力開放。

●綠色的轉(zhuǎn)發(fā)云：將控制功能剝離，轉(zhuǎn)發(fā)的功能靠近各個基站，將不同的業(yè)務(wù)能力與轉(zhuǎn)發(fā)能力融合。

其中，網(wǎng)絡(luò)的控制功能會根據(jù)物理區(qū)域進行劃分，具體分為本地、區(qū)域和全局集中3種，一般來說控制功能會部署在數(shù)據(jù)中心，并通過北向接口來實現(xiàn)移動性管理、會話管理、資源控制和路由尋址等功能。

4 如何看待5G中的SDN/NFV和云計算

總的來看，在上述5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中SDN技術(shù)是連接控制云和轉(zhuǎn)發(fā)云的關(guān)鍵；NFV將轉(zhuǎn)發(fā)云中的轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備和多個控制云中的網(wǎng)元用通用設(shè)備來替代，從而節(jié)省成本；3朵云中的資源調(diào)度、彈性擴展和自動化管理都是依賴基礎(chǔ)的云計算平臺，其中無線接入云更多是側(cè)重于多種接入資源的協(xié)調(diào)優(yōu)化，并不太依賴SDN帶來的轉(zhuǎn)發(fā)面的控制和承載分離。

但是，當把電信網(wǎng)的特點和廣義的SDN/NFV和云計算結(jié)合起來看，起源于IT領(lǐng)域的這些技術(shù)并不能直接嫁接過來，在應用之前，必須明確以下幾點：

（1）SDN控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離的理念并不新。SDN控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離的理念，在電信界并不是新概念，如今的電信網(wǎng)可以劃分為傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)和IP網(wǎng)絡(luò)兩個領(lǐng)域，SDN的理念更類似傳統(tǒng)電信網(wǎng)的思路，傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)規(guī)模巨大，可管控一直都是網(wǎng)絡(luò)建設(shè)維護的重要原則。20世紀80年代SS7改造時就運用了集中控制面的建網(wǎng)方式，90年代的V5和遠端模塊技術(shù)的運用早已實現(xiàn)了集中控制和分散部署的理念。所以，在設(shè)計理念層面，關(guān)注點應放在SDN帶來的開放性上。

圖3 5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

（2）對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來說，既不是演進也不是疊加。5G大量的運用云化和軟件化技術(shù)與以往2G、3G和4G的演進模式是不同的，5G也不能是獨立疊加于現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的一張新網(wǎng)絡(luò)，5G中SDN/NFV和云計算真正的價值在于對網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和業(yè)務(wù)經(jīng)營方式的巨大革命。

（3）網(wǎng)絡(luò)建設(shè)一定是逐步進行的。雖然5G目標是萬物互聯(lián)，應用場景廣泛，而且5G也不是4G技術(shù)的演進，但運營商對基于SDN/NFV的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一定會先在迫切需要改善經(jīng)營效率的地方（例如大型數(shù)據(jù)中心、智慧城市等）優(yōu)先部署，5G真正全云化的發(fā)展歷程一定會比現(xiàn)有3G→4G的演進過程要漫長。

（4）云平臺和NFV組件的可靠性有待提高。在5G的網(wǎng)絡(luò)能力要求中，在特定領(lǐng)域?qū)煽啃蕴岢隽撕芨叩囊螅瑐鹘y(tǒng)的電信網(wǎng)采用專用的電信設(shè)備，可靠性達99.999%，而虛擬化核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基于通用的硬件服務(wù)器，可靠性低，所以必須依靠虛擬化集群式的部署，通過實時的監(jiān)控備份來提高其可靠性，但在實際部署中，能否達到5G如此高的網(wǎng)絡(luò)能力要求，依舊存疑。

5 5G中SDN/NFV和云計算的關(guān)系

SDN/NFV和云計算在未來5G中的關(guān)系，可以類比為“點”、“線”、“面”的關(guān)系，NFV負責虛擬網(wǎng)元，形成“點”；SDN負責網(wǎng)絡(luò)連接，形成“線”；而所有這些網(wǎng)元和連接，都是部署在虛擬化的云平臺中，云計算形成“面”。

NFV主要負責網(wǎng)絡(luò)功能的軟件化和虛擬化，并保持功能不變，軟件化是基于云計算平臺的基礎(chǔ)設(shè)施，虛擬化的目的是充分利用IT設(shè)備資源的低成本和靈活性，但同時，并非所有的網(wǎng)絡(luò)功能都是需要被虛擬化的。對運營商來說，NFV提供了一種更經(jīng)濟和靈活的建網(wǎng)方式，開放的產(chǎn)業(yè)鏈會有更多的供應商，軟硬件的解耦會讓更多軟件供應商參與其中，運營商的選擇面更大。但這并不是意味著傳統(tǒng)采購模式的開放化，雖然單個組件可以由不同的供應商交付，但是運營商需要維持整個系統(tǒng)的可用性和可維護性，因此交由一個集成方來負責整個售后工作將是必要的，只是部分組件是由第三方供應商提供。在具體部署方面，業(yè)界結(jié)合當前4G的發(fā)展，從IMS和EPC等業(yè)務(wù)出發(fā)，實現(xiàn)相關(guān)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，然后根據(jù)具體的需求和部署經(jīng)驗逐步推廣到更多的領(lǐng)域。

SDN技術(shù)追求的是網(wǎng)絡(luò)控制和承載的分離，將傳統(tǒng)分布式路由計算轉(zhuǎn)變成集中計算、流標下發(fā)的方式，在網(wǎng)絡(luò)抽象層面上，將基于分組的轉(zhuǎn)發(fā)粒度轉(zhuǎn)化為基于流的轉(zhuǎn)發(fā)粒度，同時根據(jù)策略進行業(yè)務(wù)流處理。對運營商來說，他們更關(guān)注的是完成基于SDN技術(shù)的接口開放后，可以像互聯(lián)網(wǎng)公司一樣快速響應客戶的需求。目前，電信運營商與互聯(lián)網(wǎng)公司的競爭越來越激烈，5G必須要增強運營商的競爭力才能促進整個產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。在具體部署方面，電信界對于SDN的切入點普遍選擇在云數(shù)據(jù)中心，IDC的運營主體比較簡單，運用SDN可以解決云平臺網(wǎng)絡(luò)資源池的性能和擴展性問題，制定多數(shù)據(jù)中心跨地域組網(wǎng)方案，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心節(jié)點間流量調(diào)度，探索利用SDN/NFV技術(shù)提供面向云計算服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)增值業(yè)務(wù)。

云計算是SDN/NFV的載體和基礎(chǔ)，SDN/NFV所必需的彈性擴展、靈活配置以及自動化的管理都依賴于基礎(chǔ)云平臺的能力。目前，業(yè)內(nèi)對SDN/NFV的標準化關(guān)注度遠遠高于云平臺，很多技術(shù)驗證和試驗都是在各自的“云”中單獨進行，這在以后的兼容性上可能會出現(xiàn)隱患。對運營商來說，未來云計算平臺的可靠性是其主要關(guān)注點，電信運營商畢竟不同于互聯(lián)網(wǎng)公司，現(xiàn)有的Open Stack能否滿足5G網(wǎng)絡(luò)如此高可靠性的要求存在疑問。在具體部署方面，云計算作為SDN/NFV的載體，除了傳統(tǒng)的云數(shù)據(jù)中心外，EPS和IMS系統(tǒng)由于網(wǎng)元部署相對集中，也被優(yōu)先部署云計算/NFV。

6 結(jié)束語

SDN/NFV和云計算對未來電信網(wǎng)發(fā)展來說是手段而不是目的，電信網(wǎng)選擇這些手段的目的無非就是降低成本和擴大收入。降低成本通過兩個方面：一是虛擬化技術(shù)不依賴專有硬件，降低采購成本；二是通過云計算的動態(tài)資源調(diào)度，更合理地使用設(shè)備，避免資源閑置和浪費。擴大收入一是依靠開放更多的第三方接口，快速響應市場需求，推出更多增值服務(wù)；二是通過增強網(wǎng)絡(luò)性能，適應未來更多的應用場景。兩者相比，降低成本是更現(xiàn)實的目的，擴大收入則有更多的不確定性，第三方接口的存在必然會有開放性和安全性的博弈；而未來的應用場景則是基于預測，單純的技術(shù)驅(qū)動未必得到市場認可。

1 IMT2020工作組.5G概念白皮書.2015,2

2 ETSI NFV ISG.ETSI GS NFV 002 v1.1.1.10,2013

3 張云帆.SDN與NFV在云計算IDC中的應用.電信快報.2014,8

4 張志強.SDN與NFV對網(wǎng)絡(luò)變革發(fā)展影響綜述.現(xiàn)代電信科技.2014,1

5 汪軍.SDN/NFV——機遇和挑戰(zhàn).電信網(wǎng)絡(luò)技術(shù).2014,6