“互聯網+”時代SDN/NFV技術發展與實踐

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1 “互聯網+”時代網絡面臨的挑戰

2015年，李克強總理在政府工作報告中，首次提出了“互聯網+”行動計劃，標志著“互聯網+”上升到了國家戰略層面，引起社會各界的廣泛關注。“互聯網+”代表一種新的經濟形態，重點是推動信息化與工業化的深度融合，特別是打造制造業的升級版，也包括深化消費互聯網的應用。“互聯網+”的核心是“互聯網+”傳統產業，深層目的是產業升級+經濟轉型。本文重點探討“互聯網+”時代互聯網本身面臨的挑戰，采用SDN/NFV技術如何來應對這些挑戰。

互聯網從發明到現在，已經有45年的歷史了。但前25年主要限于學術和專業應用，自1994年瀏覽器技術出現后其影響才擴展到全球。近年來，隨著云計算、大數據、視頻流量的快速增長，互聯網面臨著全新的挑戰。

首先，互聯網應用層出不窮，云服務無處不在。消費者和企業實現了在日常生活和工作中可以即時按需接入應用和獲取信息。2015年，騰訊QQ用戶8億，微信用戶5億。滴滴打車等互聯網交通模式已經深入人心，互聯網金融也風生水起。物理與數字世界的連接、滲透和融合也更加緊密。VR/AR將讓物理世界和數字世界無縫對接，AI讓數字世界變得更有序、更智慧。所有的這些要求讓互聯網變得更快捷、更智能、更安全。

其次，互聯網用戶激增，豐富的應用和技術的進步對網絡帶寬提出了更高要求。2015年，移動互聯網流量同步增長103%，月戶均流量達到389MB。云計算、大數據、4G/5G等新技術的發展加大了對網絡帶寬的提升要求，預計5G時代峰值速率期望達到10Gb/s，比3G快700倍，比4G快100倍。視頻向4K演進，用戶點播碼率相當于數十個標清用戶，單用戶的帶寬要求達到30～40Mb/s。VR/AR從線下逐步發展為在線業務，單用戶要求超過100Mb/s。超寬帶時代已經來臨。當前的網絡僵化、封閉的缺陷被逐漸放大[1]。

最后，隨著復雜多變的業務應用對用戶習慣的培養，對網絡的運營運維能力也提出嚴峻挑戰。比如天貓雙十一搶購、春晚直播等產生的流量具有事件性、突發性，給網絡帶來巨大壓力。當前的網絡已成為業務的管道，網絡內容不可知、行為不可控、過程不可管。新的業務上線周期長，創新業務上線緩慢。這些都對網絡運營提出更高要求[2]。

“互聯網+”時代，對網絡提出的新要求體現在以下幾個方面。1)支持海量的互聯網連接。隨著物聯網的發展，要求隨時隨地的海量連接保證，預計到2020年，全球將超過500億端的移動連接。2)支持跨域和多樣化的帶寬、性能保證。各種互聯網應用對帶寬的要求不同，面對流量的突發，網絡要能進行敏捷的調整、適應。3)低延時、高可靠性的要求。比如互聯網金融證券高頻交易要求網絡時延低于1ms。能源、農業等領域對網絡的健壯性、安全性也提出了更高要求。4)網絡的可定制與業務快速開通。互聯網企業面對的是一個高度競爭的行業。要求網絡快速反應、功能可定制、業務快速開通。當前網絡的剛性結構不能滿足。

2 SDN/NFV發展趨勢

2.1 SDN/NFV技術起源

軟件定義網絡(SDN)的思想最早來自于學術界，可以追溯到2006年。斯坦福大學Martin Casado領導了Ethane項目，該項目的主要思路是通過一個集中式的控制器讓網絡管理員可以方便地定義基于網絡流的安全控制策略，并將這些安全策略應用到各種網絡設備中，從而實現對整個網絡通訊的安全控制。受此思路的啟發，2008年，Martin Casado和他的導師Nick Mckeown在SIGCOMM會議上發表文章“OpenFlow：Enabling Innovation in Campus Networks”，首次提出將OpenFlow協議用于校園網絡的試驗創新。OpenFlow開始正式進入人們的視野，SDN呼之欲出。SDN在工業界的發展最早可以追溯到2011年初，在德國電信、微軟等企業的推動下，共同成立了開放網絡基金會(Open Networking Foundation，ONF)。ONF致力于推動SDN架構、技術的規范和發展工作，并在2012年4月發布了SDN白皮書。2012年是SDN發展過程中里程碑式的一年，谷歌宣布其主干網絡已經全面運行在OpenFlow上，并且通過10G網絡鏈接分布在全球各地的12個數據中心，使廣域網線路的利用率從30%提升到接近100%；德國電信也在2016年宣布部署SDN。這些實踐引起了業界的廣泛關注。

NFV起步更晚一些。2012年，在多家運營商的主導下，通過ETSI發布關于NFV的技術白皮書。NFV的目標是采用業界通用的硬件加軟件的方式實現各種網絡功能，通用硬件包括各種基于X86架構的服務器和各種通用的以太網交換機等廉價設備。NFV意味著各種網絡功能將以軟件方式交付給運營商，而網絡運營商只需要在云計算數據中心環境下安裝、運行并維護該軟件即可[3]。

SDN和NFV有很多相似之處，它們的核心之處都在于軟件和硬件分離，同時，盡量采用標準的硬件和獨立開發的軟件，強調業務的開放與創新。但SDN更側重于網絡的調度，是一個整網的概念；而NFV強調的是網絡功能的虛擬化，可以單點實施，通過協調層形成業務功能鏈。

2.2 SDN/NFV發展趨勢

SDN/NFV是變革性的技術，它們的出現改變了傳統網絡產業的游戲規則。就像多年前IT產業從封閉走向開放一樣。縱觀SDN/NFV的發展，將呈現以下趨勢[4]。

1)商用部署加快。2016年，SDN在云服務提供商和通信服務提供商數據中心的部署比例將從2015年的20%提高到60%，同時，SDN的企業采用率預計將從6%提升至23%。預計至2019年，應用于數據中心和企業局域網SDN領域的以太網交換機和控制器收入將達到122億美元，其中交換機占82億美元，SDN控制器占40億美元。NFV軟硬件市場規模預計到2019年將達到116億美金，其中NFV軟件占80%。

2)SDN和NFV的有機結合，構建云網協同的新型網絡。特別是在控制面，SDN/NFV本身就有很多相似的技術。通過NFV的功能虛擬化計算，可以作為SDN調度網絡的策略輸入。基于SDN-O和NFV-O的E2E業務鏈技術，成為電信網絡全面開放化、業務部署敏捷化的殺手锏。

3)塑造SDN/NFV全產業鏈。建立包含運營商、電信設備商、互聯網公司、IT廠商、軟件開發商、芯片和器件廠商在內的新型ICT產業鏈。

4)開源平臺帶來新的商業模式。SDN開放社區有OpenDaylight、O N O S；N F V的開放社區有OPNFV、OpenStack等。開源平臺的崛起將重新定義設備廠商的角色，產生新的機遇和商業模式。

3 SDN/NFV實踐

3.1 未來網絡ElasticNet架構

云時代基于“云”來構建全新的基礎網絡，突破傳統垂直分割、封閉網元的剛性結構，引入水平分層的網絡架構，重塑彈性開放、云網協同的一體化網絡。SDN/NFV為這個變革提供了技術支撐和動力。中興通訊提出了以“云”為中心的未來網絡ElasticNet2020，總體思想是“一個中心， 雙輪驅動，三層重構”。“一個中心”是指網絡將以“云”(vDC)為中心重新構建，云將成為新網絡基礎設施的核心。 “雙輪驅動”是指SDN/NFV兩種技術相互促進。“三層重構”是指云、SDN、NFV網絡的改造，主要體現在三個層面，即網絡重構、業務重構和運營重構。如圖1所示。

1)網絡重構結合云、SDN技術，改造傳統電信網絡的基礎設施層，形成云網融合的新基礎設施，增強了IaaS(包括電信云、公有云、私有云等)云能力。

2)業務重構側重于NFV技術的體現。 網絡重構后，網絡形成NFV架構的NFVI層，業務重構主要在NFVI層上靈活快捷地部署各類業務應用，包括應用于云SaaS能力的運營商自營業務(vEPC，vIMS，vBNG， vCPE等)，也包括應用于云PaaS能力的面向第三方的PaaS功能組件庫。

3)運營重構側重于后端運營系統的改造。包括新型虛擬網絡的可運營、可管理性，與傳統網絡無縫銜接，實現端到端閉環自動化。運營重構的目標是打造基于云服務的敏捷運營架構。

對應三層重構，中興通訊研發了未來網絡解決方案ElasticNet。ElasticNet借鑒SDN和NFV框架，引入云技術、大數據和開放等理念構建的分層集中控制、統一管理的軟件可定義的ElasticNet彈性網絡，它采用編排管理層MICTOSTM、業務功能層 Elastic Cloud ServiceTM和基礎設施層Elastic Cloud Infrastructure的三層架構，引入邊緣DC、區域DC和中心DC的多級DC部署方式，以SDN/NFV技術雙輪驅動、MICT-OSTM統一管控的形式構成運營商的目標架構[5]。

3.2 互聯網企業

谷歌B4網絡提供了數據中心間的網絡連接，具體負責數據容災備份等數據中心間的內部流量。B4面臨的問題在于，鏈路流量隨時變化，高峰期流量可達平均流量的2～3倍；因此，為保證高峰期的帶寬需求，必須購買2～3倍的帶寬以及高端路由設備，這就導致數據中心間網絡的成本大大提高。除此之外，增加網絡可視性、穩定性、簡化管理、編程來控制網絡等都是本次網絡改造的動機。谷歌采用SDN技術，使用OpenFlow協議管理數據中心出口路由器，支持基礎路由協議、動態流量工程。在控制器上，根據流量工程得到的數據制定相應策略，下發流表到路由器上，實現路徑的動態調整，充分提升網絡帶寬利用率，大幅降低建網成本。還可以在網絡設備發生故障或應用需求發生變化時，動態分配帶寬，迅速靈活地做出響應。

圖1 ElasticNet架構

騰訊網絡架構承載了豐富的互聯網業務，包括微信、QQ、微博、游戲等，在全國和海外有數十個大中型IDC，超過20萬臺服務器，網絡設備達上萬臺。從2013年開始，騰訊逐步提出數據中心間網絡SDN解決方案。騰訊的SDN應用主要從三個方面進行。一是流量在廣域網的調度，通過BG-PLS的方式，搜集網絡信息并給業務分配最佳路徑，同時，通過SNMP協議，將當前網絡的全部流量信息搜集匯總給控制器，控制器根據這些流量信息再重新優化，簡化網絡協議和標簽下發；二是是云網絡的管理，以OpenFlow協議為基礎，在防火墻前面放置一臺OpenFlow交換機，通過流表控制去往防火墻的流量，以做到負載均衡；三是網絡可視化與控制，以ODL控制器為基礎，收集路由信息并送到控制器，控制器對用戶路徑數、時延等參數進行邏輯分析，并及時調整延時比較差的路徑。

3.3 移動互聯網

PTN在世界范圍內得到了廣泛部署應用。中國的設備商和運營商倡導、支撐了PTN產業的發展，并引領完成了PTN的標準化。面對未來業務的發展需求以及現網運維的壓力，PTN網絡有進一步演進的訴求，同時，SDN轉發與控制分離、集中化的管理、控制架構在PTN網絡展示出了極大的演進優越性，將SDN的先進理念與PTN電信級可靠性、業務高質量的優勢融合，實現PTN向SPTN的平滑演進。

SPTN實現了集中化智能控制、網絡可編程與PTN高效多業務傳送能力、端到端OAM和電信級高可靠性的結合，提升了PTN網絡的資源利用率和開放性，滿足業務的承載需求，打破垂直組網、專網專用的架構，實現網絡智能、動態重組的目的。同時，SPTN有利于跨域業務協同，功能快速集成，感知網絡和業務狀態，實現精細化網絡調優。集中部署的控制采用分層架構，域控制器D-Controller負責一個管理域內的業務分發，跨域控制器H-Controller負責跨域業務分發(如圖2所示)。

移動互聯網另一個典型應用是核心網。傳統核心網網元種類繁多，硬件資源難共享，網絡擴容、升級代價高，因此，虛擬化核心網已成為網絡演進的必然趨勢。隨著IT虛擬化技術的發展，標準組織、電信運營商、電信設備商均開展了核心網虛擬化的研發工作。

基于NFV和SDN技術，通過將核心網網元各類功能虛擬化，實現軟硬件解耦，軟件模塊加載并運行于虛擬機之上，通過虛擬化技術屏蔽硬件平臺差異。另外，通過虛擬機的劃分細化硬件分配粒度，一塊刀片可將硬件資源分配給多個虛擬機，多個網元功能可集成于一塊刀片之上，可極大地提升資源利用率。核心網功能虛擬化之后，網元容量、網絡類型可根據實際需求靈活部署、動態調整，提升了網絡的彈性和敏捷性。為進一步提升虛擬網絡媒體面性能，還可將媒體面轉發功能剝離，通過SDN交換機實現媒體流的高效轉發和轉發功能的就近分布式部署。

圖2 SPTN架構

3.4 云數據中心

隨著云計算的興起，云數據中心vDC成為未來電信網絡的核心節點，其承載了各類NFV云化軟件及IT系統，實現ICT融合，同時，也成為網絡的一部分，實現“云”和“網絡”資源的統一規劃部署和調度。云數據中心是ElasticNet架構應用的最典型場景，SDN/NFV技術在其中充分融合，目前已經開始商用部署。如圖3所示。

云數據中心關鍵特性之一是虛擬化。基礎設施層采用通用的服務器或網絡設備，通過虛擬化技術將計算、存儲、網絡進行虛擬化，形成VM。一個或多個VM可提供給租戶使用，這就改變了傳統的機架出租、服務器出租等模式，可以充分提升服務器的利用率、充分利舊、降低能耗和支持多租戶。這里涉及的主要技術有X86/ARM芯片的虛擬化功能、虛擬抽象層KVM/VMWARE等中間件功能。通過上層的調度，還可以實現VM的遷移、跨數據中心VM集群等功能，增加業務部署和開展的靈活性。

云數據中心關鍵特性之二是業務靈活部署。云化后的數據中心在計算虛擬機上可以部署各項服務業務，也可以部署原網絡設備上的上層功能模塊，每個VM都成為一個組件，可以提供給不同的租戶使用。并且通過NFV的服務鏈還可以將功能模塊串接起來，使業務的靈活定制成為可能。存儲虛擬化后，可以方便地給用戶提供“云盤”等服務。

云數據中心關鍵特性之三是集中控制。采用SDN/NFV技術后，通過NFV的MANO和SDN控制器來實現資源和業務的統一調度。統一管理平臺上有業務和網絡的整體視圖，可以通過制定策略來進行最優的控制。同時，管理平臺提供北向接口，供第三方APP調用，可以實現用戶定制業務。

圖3 云數據中心組網架構

網絡虛擬化是數據中心的核心之一，可靈活采用Overlay和端到端SDN控制兩種組網方案。Overlay方案是當前應用的主流，虛擬化采用VxLAN技術。一般情況下，用虛擬機vSwitch作為VTEP點。在端到端SDN控制和對性能、時延要求比較苛刻的場景可以采用物理交換機作為VTEP點。SDN控制器支持混合組網方案，同時，采用分布式路由，跨子網的流量無需經過集中設備中轉，可有效降低流量迂回和網絡時延。

3.5 5G網絡

移動互聯網和物聯網的需求是邁向5G的主要驅動力。新型移動互聯網要求連續廣域覆蓋，以用戶的移動性和業務連續性為目標，為用戶提供連續高業務速率體驗，單位面積吞吐量顯著提升。物聯網則要求支持各種終端設備接入，終端接入能力是4G的100倍，可支持達到100億終端同時接入。另外，從用戶感受出發，需要為用戶提供隨時在線的低時延、高可靠性業務，業務時延是4G的1/5，達到5ms。終端需要綠色低碳節能，續航能力是4G網絡的10倍，終端可用5～10天，因此，5G不是一種單純的網絡技術或簡單被定義為全新的無線接入技術。不同于以往以技術為中心的方式，而是采用了以體驗為中心的方式，通過集成多種無線接入技術提供極限體驗來滿足用戶的不同需求[6]。

ITU確定了5G的三個主要應用場景。一是移動寬帶(MBB)，面向4K/8K超高清視頻、全息技術、增強現實/虛擬現實等應用，主要特征是更高的數據容量；二是工業互聯網，海量傳感器部署于物流、智慧城市等眾多領域，傳感器設備非常密集，大部分是非移動的；三是高可靠低時延通信，特別是當5G應用于無人駕駛、遠程機器人控制等實時應用領域，要求超低的端到端時延，通常不能超過幾毫秒。上述應用對速度、容量、覆蓋率、安全性等都有不同的要求，這就需要5G網絡以靈活的方式構建，形成5G網絡中的“三朵云”。運營商則可以對速率、容量和覆蓋率等網絡性能指標進行靈活動態的調整和合理部署，從而滿足不同應用的個性化需求。如圖4所示。

5G時代，運營商需要一個統一運營、統一部署和統一操作的網絡架構，RAN控制域、承載網控制域、核心網控制域三域協同，實現從“云、管、端”的全業務控制與運營。通過SDN/NFV技術的部署，實現網絡能力的開放，優化數據傳輸路徑，控制業務數據靠近轉發云和接入云邊緣，有效降低網絡傳輸時延；通過構建面向業務的網絡能力開放接口，滿足業務的差異化需求并提升業務的部署效率，提供全新的運營模式和盈利空間；進行“網絡切片”化，通過網絡編排與管理系統針對具體場景需求對網絡進行功能剪裁及資源分片，按需構建不同的邏輯網絡實例，并在其上進行各自的業務應用、業務控制，實現面向業務場景的按需適配的網絡架構，從而滿足5G多樣化場景的差異化需求[7]。

3.6 運營商網絡CO重構

如何改造現網中存在的大量通信機房和通信設備，如何能夠既充分利用現有的機房資源，又逐步實現傳統網絡向SDN/NFV新網絡的轉型，成為擺在運營商面前的一道難題，CO(Central Off i ce)重構成為當前運營商研究的重點課題[8]。

從圖5中可以看出，ElasticNet架構中SDN/NFV網絡將以多級DC架構(中心DC、區域DC和邊緣DC)為基礎。與互聯網公司相比，數量眾多、接近用戶的屬地化邊緣DC將成為電信運營商的核心優勢和重要資產。邊緣DC主要承擔了本地網的各項業務，成為CO重構的重點[9]。

圖4 5G網絡切片

圖5 邊緣DC的CO重構

CO重構的目標是縮減現有的眾多機房，通過形成邊緣DC適應SDN/NFV的引入，降低運營商的CAPEX和OPEX，提升用戶體驗。CO重構需要考慮的因素很多，首先是要考慮機房的面積、電力、光纖資源是否足夠。考慮到邊緣DC需要服務20萬寬帶用戶，40萬無線用戶，1萬政企用戶，機房面積至少在150m2以上。其次是需要新業務的引入步驟。業務控制強相關、偏重于計算能力的網元和功能將優先進行虛擬化改造進入DC，而對于高轉發要求的網元改造時機尚不成熟，如AR/CR等高端路由器，另外涉及光傳輸、無線射頻等偏物理層的網元也不適合虛擬化改造。綜合考慮，未來邊緣DC中包含的虛擬化網元主要有vBNG控制面、vCPE控制面、vOLT控制面、vCDN、vEPC用戶面、vBBU控制面等幾類[10]。

CO重構帶來的好處是明顯的：一是設備數量的大幅下降，BNG虛擬化后，預計數量下降80%；二是通過vCDN緩存下降到邊緣DC，穿越城域網的流量大幅降低；三是網絡實現SDN化，業務實現NFV化，在邊緣DC做到了集中管理，降低了運維成本；四是用戶規模、業務類型可做到靈活擴展。

4 結束語

在“互聯網+”大時代，無論是互聯網企業還是電信運營商，都需要在技術、管理等方面去適應、去改變。互聯網作為一種基礎設施，其技術進步是支撐“互聯網+”戰略的前提。SDN/NFV作為學術界和工業界廣泛認可的新技術是未來網絡的關鍵支撐技術。SDN/NFV還有很長的路要走，在產業鏈整合、觀念轉變、技術進步等方面還存在不少問題。通過產業鏈上下游的共同努力，SDN/NFV有望取得成功。

參考文獻

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[10]張嗣宏.C O機房重構推進邊緣D C建設[E B/O L].(2016-2-22)[2016-08-02].http：//www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_technologies/2016/2016_2/magazine/201602/t20160222_448512.html