让网络更轻盈——网络功能虚拟化技术的现状和未来
2014-08-19 作者：周宇翔（中兴通讯）
随着智能终端和移动互联网的发展，“通信”早已脱离传统的话音和短信，人与人广泛连接，甚至物物相连也成为可期的未来，各种OTT类新业务和商业模式不断在挑战运营商的传统优势地位。传统电信网络基于私有平台部署，采用专用设备，部署周期长、运维复杂，一些运营商意识到想要轻盈转身，必须向这些互联网运营商学习，从根本上改变电信网络的部署和运维方式。2012年10月，AT&T、英国电信、德国电信等运营商在欧洲电信标准协会（ETSI）成立了NFV ISG组织。该组织致力于推动“网络功能虚拟化”（Network Functions Virtualization），发布了NFV白皮书，提出了NFV的目标和行动计划。
NFV是什么
NFV简单理解就是把电信设备从目前的专用平台迁移到通用的X86 COTS服务器上。当前电信网络使用的各种设备，均是基于私有平台部署的，各种网元都是一个个封闭的盒子，
各种盒子间硬件资源无法互用，每个设备扩容必须增加硬件，缩容后硬件资源闲置，耗时长，弹性差，成本高；在NFV方法中，各种网元变成了独立的应用，可以
灵活部署在基于标准的服务器、存储、交换机构建的统一平台上，这样软硬件解耦，每个应用可以通过快速增加减少虚拟资源来达到快速缩扩容的目的，大大提升网
络的弹性（见图1）。
为了实现上述目标，NFV的技术基础就是目前IT业界的云计算和虚拟化技术。通用的COTS计算/存储/网络硬件设备通过虚拟化技术可以分解为多种虚拟资源，供上层各种应用使用，同时通过虚拟化技术，使得应用与硬件解耦，资源的供给速度大大提高，从物理硬件的数天缩短到数分钟；通过云计算技术，可以实现应用的弹性伸缩，从而实现资源和业务负荷的匹配，既提高了资源利用效率，又保证了系统响应速度。
根据NFV的思想，一个虚拟的4G EPC系统部署方式如图2所示。
图2中，一个vEPC系统由4个虚拟网元组成（2个P/SGW、1个MME、1个HSS），分别部署在4个数据中心中，这4个虚拟网元完成EPC网络规定的功能，提供EPC网络服务。
NFV白皮书定义的收益主要如下：
● 降低运营商采购/运维成本及能耗；
● 快速业务部署，缩小创新周期：包括提升测试与集成效率，降低开发成本；软件的快速安装取代新的硬件部署；
● 网络应用能实现多版本及多租户：支持不同的应用、用户、租户共享统一的平台；网络共享的支持水到渠成；
● 驱动不同物理区域以及用户群的业务个性化，业务规模能够快速方便地伸缩；
● 驱动网络开放，业务创新；可能孵化新的利润增长点。
NFV发展现状
从2012年10月成立至今，NFV-ISG发展得很快，已经开了6次全会，预计2014年底结束第一阶段工作，2015年将开始第2阶段工作。
● TSC（Technical Steering Committee）组：负责整个NFV-ISG的总体工作；
● AVI（Architecture of the Virtualization Infrastructure）组：负责虚拟化基础设施架构；
● MANO（Management & Orchestration）组：负责管理和编排；
● SA（Software Architecture）组：负责软件架构；
● R&A（Reliability&Avallability）组：负责可靠性和可用性；
● P&P（Performance & Portability）组：负责性能和可携带性；
● Security组：负责安全。
目前由TSC制定的4个总体标准已经完成，其他各工作组定义的文稿也基本稳定。
4个总体标准是Use Cases、Architecture Framework、Terminology for Main
Concepts in NFV、Virtualisation
Requirements，目前已经由多个厂家和运营商合作，完成了18个PoC，对NFV技术进行了验证。
NFV定义的技术架构如图3所示。
同当前网络架构（独立的业务网络+OSS系统）相比，NFV从纵向和横向上进行了解构。按照NFV设计，从纵向看网络分为三层：基础设施层、虚拟网络层和运营支撑层。
● 基础设施层NFVI：NFVI是NFV Infrastructure的简称，从云计算的角度看，就是一个资源池。NFVI映射到物理基础设施就是多个地理上分散的数据中心，通过高速通信网连接起来。NFVI需要将物理计算/存储/交换资源通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/交换资源池。
● 虚拟网络层：虚拟网络层对应的就是目前各个电信业务网络，每个物理网元映射为一个虚拟网元VNF，VNF所需资源需要分解为虚拟的计算/存储/交换资源，由NFVI来承载，VNF之间的接口依然采用传统网络定义的信令接口（3GPP+ITU-T)，VNF的业务网管依然采用NE-EMS-NMS体制。
● 运营支撑层：运营支撑层就是目前的OSS/BSS系统，需要为虚拟化进行必要的修改和调整。
NFV网络从横向看，分为业务网络域和管理编排域。
● 业务网络域：就是目前的各电信业务网络；
● 管理编排域：NFV同传统网络最大区别就是增加了一个管理编排域，简称MANO，MANO负责对整个NFVI资源的管理和编排，负责业务网络和NFVI资源的映射和关联，负责OSS业务资源流程的实施等。
按照NFV的技术原理，一个业务网络可以分解为一组VNF和VNFL（VNF Link），表示为VNF-FG（VNF Forwarding Graph），然后每个VNF可以分解为一组VNFC（VNF Componet）和内部连接图，每个VNFC映射为一个VM；对于每个VNFL，对应着一个IP连接，需要分配一定的链路资源（流量、QoS、路由等参数）。
通过这样的编排流程，一个业务网络可以通过MANO来自顶向下分解，直到可分配的资源，然后对应VM等资源由NFVI来分配，对应VNFL资源需要同承载网网管系统交互，由IP承载网来分配。
采用NFV部署一个网络服务的示意图如图4所示。
目前按照NFV的技术架构，很多厂家已经完成了POC测试和验证，如vIMS、vEPC、vCPE、vCDN等系统，并且在WRC2014年会上进行了展示，证明NFV技术是可行的。
NFV技术发展问题分析
NFV定义的标准虽然从技术上看是可行的，但离商用还有一定的距离。
● 标准成熟度问题：NFV由于目标过大，第一阶段即将到期时，也只完成了4个总体规范，其他工作组定义的相关规范尚未完成。很多问题都被推迟到第二阶段实现，因此目前标准距离成熟尚有一定距离。
● IOT和兼容性问题：NFV定义的架构很庞大，定义了多个新增接口（参考图4），将原来封闭的电信设备商分解为多个层次：硬件设备供应商、虚拟化管理软件供应商、虚拟化电信网络软件供应商、NFVO（NFV Orchestrator）软件供应商、NFV系统集成商，这样电信网络从一个厂家完成的软硬件集成的事情转换为多个厂家的软硬件集成，复杂度大大提升；同时NFV只是定义架构层次，对应各个接口的具体定义和实现是协调其他开源或技术组织来实现，这样同一个组织制定标准相比，技术标准的严密性就会差一些，未来如何保证多厂家设备兼容就成为很大风险。
● 业务网络级的SON（Self-Organization Network）技术滞后，影响网络级弹性伸缩：按照NFV架构，虽然一个新的VNF所需资源是由MANO自动部署的，但业务网络的运维架构依然依靠传统的EMS/NMS机制，各VNF之间的连接和话务路由还是由人工来配置的，无法实现一个VNF的即插即用；因此要实现业务网络级的弹性伸缩，还需要发展业务网络的SON技术，实现VNF的即插即用，并且需要SON技术同VNF厂家解耦，可以对多厂家VNF进行管理。
● 虚拟化的可靠性技术：传统电信应用通常都要求5个9的可靠性，虚拟化后并不能降低电信应用的可靠性要求，传统电信硬件通过特殊设计，可靠性较高，而虚拟化采用的COTS设备可靠性相对降低，需要通过提升软件可靠性来补偿。
● 虚拟化的集成度下降：目前电信用户面设备通常采用专用芯片来实现，对于包处理来说，X86在性价比上明显要差一些，这样虚拟化后会导致设备集成度降低。解决这个问题目前业界有几种方法，一种方法是采用SDN技术，对用户面设备控制和承载分离，包转发卸载到SDN交换机来处理；一种方法是采用智能网卡技术，在服务器的智能网卡内置包处理器，卸载包处理负荷。
● 网络虚拟化技术相对滞后：同计算和存储虚拟化技术相比，网络虚拟化技术还比较落后，SDN尚不成熟。目前网络虚拟化技术类型繁多，如何整合到NFVI中是一个很大的问题。电信业务网络通常是一个分布式网络，需要配置较多的网络资源来承载，这种网络资源需要分解到数据中心内部的局域网络资源和数据中心间的承载网络资源、业务网络与接入网络间的承载网络资源等，承载网络资源分配又可能涉及到传送网络资源分配，这些资源的分配都需要做到虚拟化、自动化。目前这种分配尚需要通过承载网/传送网网管来进行，距离自动化有较大距离。现在最有希望的技术就是SDN了，等待SDN在这些领域中应用后与NFV配合。
● 系统集成问题：NFV本身解决的是业务网络的自动部署问题，从架构看也是一个巨型的ICT系统集成工程，分解一下包括NFVI的集成、VNF的集成，及业务网络的集成，涉及的系统、厂家、地域、接口都非常多，工程难度比目前公共云/私有云更高；虽然是自动部署，但目前电信网络部署的各环节（规划、实施、调测、升级、优化、运维等）都会涉及并执行，将来如何进行实施部署将是一个很复杂的问题，对集成商的技术要求非常高。
未来展望
NFV是一个宏大的架构，对传统网络部署方式是颠覆性的变革。NFV拓展了运营商基础设施范围，将数据中心设备/承载网设备/虚拟化软件系统/MANO系统均转化为基础设施，业务部署均转化为软件部署，业务网络资源与负荷实时匹配，资源利用效率得到最大提升。虽然NFV技术目前尚不成熟，还存在着不少问题，但相信在业界的努力下，3～5年内NFV就能够走到成熟商用阶段。
采用NFV架构后，电信网络的自动化管理和敏捷性将大为提升，一个电信设备的部署周期从几个月缩短为几个小时，扩容周期从几周扩展到几分钟，电信网络新业务部署周期将从数月级缩短到数周级，电信运营商将真正具备“大象跳舞”的能力。