SDN和NFV對未來移動通信網絡的影響分析

趙明宇上海貝爾股份有限公司工程師

嚴學強上海貝爾股份有限公司高級工程師

專家視點

SDN和NFV對未來移動通信網絡的影響分析

趙明宇上海貝爾股份有限公司工程師

嚴學強上海貝爾股份有限公司高級工程師

目前，ICT領域對SDN和NFV的研究方興未艾。本文結合提出的基于SDN和NFV的未來移動通信網絡邏輯和物理架構，分析了SDN和NFV對網絡架構、運營、業務創新以及產業生態系統等多個方面的影響，并闡述了SDN和NFV在架構設計、關鍵技術、協議標準、安全可靠、落地實施等方面面臨的眾多挑戰。

軟件定義網絡 網絡功能虛擬化 影響

1 引言

當前LTE網絡正在大規模部署，雖然現有網絡的性能已經有了極大的提升，但未來隨著用戶的進一步激增，及用戶對網絡服務要求的逐步提高，使得人們不得不對未來網絡的基礎架構、性能、需求等進行重新思考。阿爾卡特朗訊、IMT2020推進組、ITU-T等紛紛對未來網絡的性能及需求進行了預測，認為未來的5G網絡應具有Gbit/s的用戶體驗速率、百萬平方公里的連接數、毫秒級的端到端時延及數十Gbit/s的峰值速率等；同時，現有網絡架構封閉、擴展困難、新業務成熟周期過長、創新缺乏等缺點也越來越成為影響運營商創收和發展的桎梏，不能滿足按需供給、隨需而變和靈活快速等的需求。這些都對未來移動通信網絡造成了極大的挑戰，勢必需要一些新的思想和技術來應對這些挑戰。而SDN和NFV的出現恰逢其時，適應了網絡IT化、硬件標準化、設備軟件化、功能模塊化和流程自動化的趨勢，被認為是未來移動通信網絡的兩大使能技術，正不斷對未來的移動通信網絡的眾多方面產生重大的影響。

2 SDN/NFV的優點

SDN的基本特征是控制與轉發分離、控制集中化和開放接口，通過SDN技術可以實現網絡的可編程和網絡服務的可定制化。SDN具有眾多的優點，歸納總結如下：

（1）易于擴展、升級。控制和轉發分離，使得控制面和轉發面可以獨立演進。

（2）具有全局視圖。控制功能作為軟件應用程序集中部署于網絡操作系統之上，可獲得全網視圖，便于路由優化和流量工程。

（3）硬件設備標準化，降低成本。軟件和硬件解耦，使得底層的轉發設備可以不依賴于傳統的專有設備，從而實現了硬件的標準化和通用化，降低了CAPEX（資本性支出）。

（4）加快新業務成熟周期。沒有專有設備的束縛，可以極大地降低新業務成熟周期。

NFV希望通過使用基于行業標準的X86服務器、存儲和交換等通用設備，來取代通信網傳統的私有專用的網元設備，采用軟件虛擬化技術來實現相應的網絡功能。其具有如下優點：

●降低CAPEX

通用硬件成本更低，所需備件更少，所需滿足峰值負載的性能冗余開銷更少。

●動態遷移，按需部署，資源靈活共享

增加了網絡彈性，減少了安裝調試所需的時間，而自動化部署進一步減少了時間，可以在幾小時甚至是幾分鐘內部署完成，而不像過去需要幾周或幾個月。低成本、快速的部署意味著應用可以更容易地上馬或刪除。

●業務創新靈活快速

基于軟件可以方便靈活地進行業務創新及定制，甚至實現Web級的創新速度和模式。

SDN和NFV是相輔相成的，具有很強的互補性，盡管兩者可以融合，但并不相互依賴，即網絡功能虛擬化可以不依賴于SDN而另行部署。兩者的互補性體現在SDN能增強NFV的兼容、易操作等性能，而NFV通過虛擬化及IT編排等技術能提高SDN的靈活性。兩者的緊密結合，能更有效地實現網絡的開放和創新，可以讓運營商快速響應網絡的變化，輕松應對不斷增長的業務需求。簡言之，SDN使得底層網絡能更好地響應上層應用的需求，而NFV則使得上層應用能更好地滿足和實現用戶的需求。

3 SDN和NFV對未來移動通信網絡的影響分析

SDN和NFV被認為可以適用于城域網、核心網、承載網、傳送網、接入網、家庭網、業務網、網絡運行支撐系統（OSS）和業務支撐系統（BSS）等網絡的多個部分。本文提出的基于SDN和NFV的未來網絡架構邏輯圖和物理圖分別如圖1、2所示。圖1中，無線網絡控制器主要實現對無線資源的調度和配置，SDN控制器主要實現對數據流的轉發控制。認為未來的控制器主要部署在數據中心，按管理區域的大小，數據中心可分為本地、區域和中心3級（見圖2）。以下分別從接入網、核心網、IP服務幾個方面分析SDN和NFV對未來網絡的影響。

圖1 基于SDN和NFV的未來網絡邏輯架構圖

3.1 固定接入

對固定接入網來說，接入鏈路通常是網絡中的主要瓶頸，極大地影響用戶的服務體驗。因此，對接入鏈路上資源的有效管理至關重要。

（1）HTTP自適應流的優化

當前視頻傳輸是網絡流量中的大頭，且所占比例還在不斷上升。目前的HTTP自適應流等機制，容易造成低比特率視頻流的服務體驗變差。而采用SDN控制流到隊列的映射，可以在保證視頻流優先級的同時，兼顧帶寬可以公平地被所有隊列共享。

（2）虛擬家庭網關

現有的家庭網關因為控制和轉發的緊耦合，升級及業務創新受限。而采用SDN之后，將家庭網關的控制功能集中在本地的數據中心，這樣管理實施、升級維護、版本控制、創新應用等將變得靈活簡單。

（3）適用于企業的接入網絡切片場景

使用網絡切片技術可以將單一的物理網絡劃分成多個相互獨立的虛擬網絡，基于SDN和NFV的企業網，可以根據不同的業務類型、QoS保證、特定服務等要求，劃分成不同的網絡切片。終端用戶通過接入節點接入到網絡中來，可以將接入節點看作為虛擬網絡分片的端點，SDN控制器根據不同的業務需求，將不同的網絡分片相應的轉發規則下發到接入節點，使得用戶的不同業務流只在對應的網絡分片中轉發。

3.2 無線接入

運營商正面臨投入產出剪刀差、不斷提升的用戶體驗要求、新的增收業務所帶來的新設備（如M2M）的特殊接入需求、多接入技術的共存等問題和挑戰。對移動網絡要求能夠：經濟有效地處理大量的流量、為新類型的接入設備提供定制化的網絡服務、網絡虛擬分片以支持RAN共享和異構多接入技術。這些新要求及SDN和NFV所能帶來的好處成為了運營商部署SDN/NFV的主要驅動力。

（1）無線網絡資源動態配置

基于SDN和NFV，通過無線網絡的分片，可以實現對無線資源的動態分配。通常情況下，運營商通過分片，可以將RAN、傳輸網等的大部分網絡容量用于正常的業務應用。但如某地突然發生重大的公共安全事件時，可以通過SDN控制器和RAN側的無線網絡控制器，下發事先預置的規則給相應地區的網絡設備，來重新配置RAN的無線資源和傳輸網的網絡資源，以應對緊急突發事件的爆發式容量需求。

（2）Wi-Fi流量卸載優化

Wi-Fi對于移動網絡的流量卸載具有重要的作用，然而現在的Wi-Fi和3GPP接入技術之間無法進行自動切換及流量優化。而對基于SDN和NFV的移動網絡來說，能夠方便地實現Wi-Fi流量卸載及優化。當用戶進入授信的WLAN接入區域時，SDN及無線網絡控制器根據該用戶的策略信息，將新的轉發規則下發到相關接入和傳輸節點，從而將數據流量改為Wi-Fi接入。反之，當Wi-Fi信號質量不好或鏈路擁擠時，可重新切回到3GPP接入方式。

3.3 靈活的IP服務

基于SDN和NFV的網絡能夠提供非常靈活的IP服務，使得網絡時延、帶寬可方便配置，網絡資源可以自動調整，新的業務應用可以快速部署。

（1）基于SDN/NFV的服務鏈

一個端到端的業務往往需要預先定義一系列的網絡操作，來對流量進行控制。這些操作事先固定集成在相應的網絡設備上，而如家庭用戶、企業用戶等的服務鏈模式，所包含的路由和功能各不相同，所以這種預先固定集成的方法缺乏靈活性。而采用SDN和NFV技術，可以靈活實現動態調整相關鏈路及功能服務。通過SDN控制器和網絡編排設備，可以將組成此服務鏈所需的一系列路由和網絡功能，制定出網絡規則，下發給相應的計算、存儲、轉發等網絡設備，從而實現不同服務鏈與數據流的映射。

（2）軟件定義VPN

傳統的VPN，由網絡邊緣節點終結，需要人工或半人工來進行手動配置。而基于SDN和NFV實現的軟件定義VPN則可以實現自動配置。將接入節點的控制與轉發分離，控制功能集中部署在最近的數據中心，為便于配置及擴展升級，對接入節點的轉發功能也考慮采用虛擬化實現。當用戶接入時，虛擬轉發設備根據控制器下發的或事先配置的轉發規則，處理相應的數據流。

隨著軟件定義VPN的出現，使得企業可在任何地點以簡單的設備即可建立“虛擬”企業，降低了門檻，這樣中小微企業也可以使用VPN服務，而不像傳統上只有大型企業和組織機構才有實力使用。這將成為運營商新的營收來源。

（3）動態網絡適配

人的流動性常會打破所需資源原有的平衡，如人們工作和家庭位置的不同導致網絡潮汐效應，某次大規模的聚會導致網絡資源不夠用等，都會影響用戶體驗的質量。而SDN和NFV技術可以使得網絡動態適配這種變化。如某地突然由于人員聚集導致網絡擁塞，需要擴大Wi-Fi覆蓋，提高容量。網絡控制器根據反饋的相應區域的網絡狀態，采用遷移技術，在此區域就近的數據中心部署一個新的CDN（ContentDelivery Network，內容分發網絡）緩存，即所謂的移動CDN，以緩解網絡的擁塞狀況。而當聚會結束時，又可恢復網絡到平常的狀態。

3.4 對運營模式和業務創新模式的影響

（1）對運營模式的影響

SDN和NFV使得網絡管理高度自動化，這將對運營商現有的運營維護體系帶來巨大的破壞力。現有的運維體系需要部署數十甚至數百個不同廠商的專用的網絡管理工具，需要消耗大量的人力物力，成立專門的運營部門來配置、管理、監控這些多樣性的設備。前期投入巨大，運維成本高，擴展升級困難。運營商一直想擺脫這種束縛，而SDN和NFV通過網絡的可編程化和應用軟件的虛擬化，實現了對網絡管理和系統維護的自動化，大大降低了所需的運維人員和設備。

（2）對業務創新模式的影響

當前運營商創新困難的主要原因是新業務的產業周期過長，往往是運營商發現用戶所需的新業務，提出需求→設備制造商分析需求→提交標準組織標準化→設備制造商實現→運營商測試并上線。極不靈活，周期基本以年計算。而互聯網廠商創新速度非常快：需求發現→設計→開發→上線，并且可根據用戶的反饋實時改進，即“永遠是Beta版本”，周期以周天，甚至小時計算。運營商現有的這種業務創新能力，遠遠落后于互聯網廠商，為了避免被徹底管道化，運營商也在積極探索，而SDN和NFV的出現給運營商帶來了希望，使得運營商可以真正地“活”用網絡，自行設計，自己主導，實現Web級的業務創新。

3.5 對產業生態系統的影響

SDN和NFV所帶來的軟硬件解耦、硬件標準化、應用軟件虛擬化等，對整個產業鏈上各個主體都帶來重大的影響和沖擊，顛覆現有生態系統的同時也意味著會帶來大量的創新和機會，有可能使得產業重新洗牌。SDN和NFV也引起了處在產業鏈不同位置的主體對相關產品開發思路的變化，開源的思想、共同協作、DevOps（生產和運營）等越來越引起重視和思考。

（1）對互聯網公司的影響

互聯網公司希望借助SDN和NFV，優化數據中心節點間流量調度，實現網絡配置的自動化，提高網絡利用率，構建資源相對集中、廉價、高效、按需分配的云基礎設施，同時突破傳統電信行業的壁壘。因此，對SDN和NFV持積極的態度。

（2）對傳統設備制造商的影響

標準化的硬件設備，極大地削弱了傳統專用硬件設備所帶來的利潤。傳統電信設備制造商希望維護已有的利益，但面對SDN和NFV的大潮，不得不跟進或轉型，并積極進行知識產權布局，試圖主導技術發展方向，搶占戰略地位。

（3）對電信運營商的影響

電信運營商希望借助SDN和NFV擺脫對制造商專有設備的捆綁和路徑依賴，大幅降低CAPEX和OPEX，提高業務創新的靈活性，實現網絡的智能化管控和自動化配置。但對現有網絡的改動“牽一發而動全身”，出于對已有投資的保護等因素考慮，總體說來，對SDN和NFV持謹慎的態度。

（4）對SDN/NFV初創企業的影響

SDN和NFV將催生如虛擬化、通用硬件、網絡操作系統、現場集成等初創企業。初創企業則希望借助SDN和NFV，抓住新的市場機會，打破現有產業格局。因此，對SDN和NFV持激進的態度。

4 SDN和NFV面臨的挑戰

SDN和NFV作為使能技術，被認為能夠對未來移動通信網絡帶來全方位、多層次的重大影響，但也正因為如此，使得其在架構設計、關鍵技術、協議標準、安全可靠、落地實施等方面面臨眾多的挑戰。

4.1 SDN面臨的挑戰

（1）接口/協議的標準化和互操作性問題

南北向接口是統一標準還是廠家只需公布自己的接口？是否需要東西向接口？不同廠家的控制器間如何實現互操作？

（2）安全性問題

目前，還缺乏安全控制機制，包括控制器本身的安全問題、控制器和應用層之間，以及控制器和底層存儲轉發設備之間的安全問題。對于集中控制，如何避免單點故障的風險，對于如OpenFlow協議，當有大量突發的第一次數據流，或單點故障恢復后的大量數據流重建時，對網絡性能帶來巨大的挑戰。

（3）通用硬件的關鍵性能及指標

目前，符合SDN要求的專用芯片還不成熟，SDN組網關鍵指標（如流表容量、流表學習速度、流表轉發速率、轉發時延等）性能還不能滿足商用化的需求。

（4）控制器實現方式

針對不同網絡采用專用的控制器？控制器間如何協作？控制器間采用何種層次架構？都有待研究。同時，大規模網絡的集中管理、配置、資源追蹤、故障定位等都會帶來巨大的挑戰。

（5）原子抽象問題

要實現對網絡的可編程，就需要對底層網絡的轉發、控制邏輯等抽象為原子操作和流程，同時對現有的網絡功能進行重構。

4.2 NFV面臨的挑戰

（1）通用設備的性能和可靠性問題

虛擬化的網絡相比傳統電信網，有較大的性能損失，而通用設備的可靠性也低于傳統專用的電信設備，因此如何提高通用設備的性能，并滿足電信級可靠性的要求，是一個極大的挑戰。

（2）系統集成及運維管理問題

虛擬化網絡的業務部署方式與傳統網絡完全不同，對現行的設備采購、運維、管理等模式也要做相應的改變。從NFV的架構看，需要實現NFVI、VNF以及業務網絡的集成，涉及的系統、廠家、地域、設備、接口等都非常多，是一個龐大的系統集成工程。虛擬化網絡如何集成、運維，并實現網絡資源按需部署、統一編排等目標是一個巨大的挑戰。

（3）虛擬化架構中的標準的問題

NFV的目標宏大，同時將原來封閉私有的電信設備分解為多個層次，所涉及的接口及協議標準眾多，牽涉的組織眾多，與現有電信標準化的工作方式不同，而許多規范還尚未開始制定，距離標準成熟任重道遠。

（4）網絡虛擬化的實現問題

當前網絡虛擬化的技術并不成熟，當大量的存儲、轉發、計算等網絡資源分布在不同的數據中心時，如何通過虛擬化來動態實現這些資源的按需分配也是面臨的一個巨大技術挑戰。

5 結束語

SDN和NFV的適時出現，對于解決現有網絡遇到的問題，同時滿足未來網絡的需求，指明了方向，從廣度和深度上都對電信領域帶來了重大的影響。當前，對SDN和NFV的研究幾乎深入到了電信領域的方方面面，并且已經有眾多的試驗網絡在測試運行；未來，隨著人們在網絡架構、協議標準、芯片、系統集成、落地實施等方面的進一步研究，SDN和NFV將有可能改變電信領域的整個生態環境。

1 韋樂平.SDN∶戰略層面的思考.電信網技術.2014,12

2 馬軍鋒,侯樂青.SDN技術標準及產業發展分析.電信網技術.2014,6

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4 IMT-2020(5G)推進組.白皮書.5G愿景與需求.2014,5

5 ONF White Paper.Software-Defined Networking∶The New NormforNetworks.4,2012

6 Mark M.Clougherty,Christopher A.White,Harish Viswanathan,ColinL.Kahn.,etal.SDN在IP網絡演進中的作用.電信科學.2014,5

Analysis of the Impact ofSDNandNFVonthe Future Mobile Network

Now，SDN and NFV are the hotspots in the field of ICT technology. In this paper, based on the proposed SDN/ NFV-based future mobile logical and physical network architecture, systematically analyzes the impacts of SDN/NFVon the network architecture, operations, business innovation and industrial ecological system, and then expounds the challenges that SDN/NFVare facing in the aspects of architecture designing, key technology, protocol, standard, security, reliability and realizing forSDN/NFVproducts.

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2015-03-30）