基于SDN 和NFV 的新型移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究

周 馨

（中移建設(shè)有限公司四川工程分公司，成都 611130）

當(dāng)前，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)發(fā)展正面臨越來越多的挑戰(zhàn)，不僅承受降低資本性支出與運營成本的壓力，還負(fù)擔(dān)快速增長的移動設(shè)備導(dǎo)致的高動態(tài)性移動數(shù)據(jù)負(fù)載，大數(shù)據(jù)、云計算、移動流量等大需求數(shù)據(jù)源的出現(xiàn)，提高全網(wǎng)的服務(wù)質(zhì)量與體驗質(zhì)量的迫切需求，種種因素表明網(wǎng)絡(luò)要保持可持續(xù)發(fā)展的必須條件就是要對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新配置。

世界各大運營商和中國三大運營商相先后發(fā)布了網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)型戰(zhàn)略，三大運營商均期望通過使用軟件定義網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化、云計算等新技術(shù)來對網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)，目標(biāo)是構(gòu)建一個全新的對資源進(jìn)行全局管理調(diào)整、能力全面打開、容量彈性靈活改變并且架構(gòu)能方便、快速擴(kuò)容的網(wǎng)絡(luò)，這張網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)、可擴(kuò)展性高，能較快地轉(zhuǎn)型，為國家“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展戰(zhàn)略提供強(qiáng)有力的支撐。

軟件定義網(wǎng)絡(luò)SDN 和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV 這兩種技術(shù)獨立而又互補(bǔ)，能夠?qū)Ξ?dāng)前網(wǎng)絡(luò)的升級和未來網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)創(chuàng)新起到促進(jìn)作用，控制和轉(zhuǎn)發(fā)路由分離，開放式網(wǎng)絡(luò)接口，軟件和硬件分離以及網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化將促進(jìn)整個行業(yè)的聚焦從硬件轉(zhuǎn)移到軟件，同時現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)將演變向集成化、軟件化、靈活化、智能化、定制化、智能開放的新型移動網(wǎng)絡(luò)。

1 移動網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀

現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)接入的環(huán)境是多種網(wǎng)絡(luò)制式都存在的，向著不斷密集的方向發(fā)展，正在受著來自各種變化需求的壓力：

1.1 從網(wǎng)絡(luò)需求的角度

因為云計算的發(fā)展，當(dāng)前企業(yè)用戶正由企業(yè)內(nèi)網(wǎng)向公有、私有云服務(wù)遷移；近年產(chǎn)生的海量數(shù)據(jù)使數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡(luò)容量需求出現(xiàn)飛速增長；支持復(fù)雜應(yīng)用的移動設(shè)備給網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生巨量的流量對網(wǎng)絡(luò)的負(fù)載能力產(chǎn)生很大壓力。

1.2 從供給設(shè)備的角度

為與網(wǎng)絡(luò)需求相匹配，網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備性能也相應(yīng)提升，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)支持的帶寬容量都有提高。

1.3 從業(yè)務(wù)類型的角度

話音、視頻、數(shù)據(jù)等大量多媒體數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中匯集，各類政府企業(yè)的內(nèi)網(wǎng)流量也轉(zhuǎn)移到公共網(wǎng)絡(luò)中，各處數(shù)據(jù)庫與服務(wù)器不斷相互通信，同時隨著用戶的移動，各種網(wǎng)絡(luò)之間的選擇會導(dǎo)致大量的切換，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性異常增高。

相對于越來越復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，現(xiàn)在的主要問題在于：即使采用了高容量的傳輸技術(shù)和性能更好的通信設(shè)備，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在面對不斷增加的復(fù)雜性、動態(tài)性及海量負(fù)荷時依然越來越不適用，另外由于各類型應(yīng)用程序的增多，用戶對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量、體驗質(zhì)量的追求也不斷提升。

現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)存在靜態(tài)、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、配置工作量大、擴(kuò)展性不足、對廠商產(chǎn)品周期形成依賴能局限性。基于以上分析，5G網(wǎng)絡(luò)需要一種新的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，它需要更加重視用戶、更加靈活、更加開放和易于管理。

相比目前的4G 網(wǎng)絡(luò)，5G 網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)容量在2020年預(yù)計將提升1000倍，頻譜效率、傳輸速率將提升幾十倍，時延將降低5到10倍；這代表5G 網(wǎng)絡(luò)能夠更高效地實現(xiàn)差異化的特殊場景下的業(yè)務(wù)需求。

2 SDN 和NFV 相關(guān)技術(shù)

5G 需要通過網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和基礎(chǔ)設(shè)施平臺的技術(shù)升級應(yīng)對新業(yè)務(wù)場景對網(wǎng)絡(luò)提出的挑戰(zhàn)，需要能夠重新定義控制功能、控制與轉(zhuǎn)發(fā)相分離的移動網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提升處理繁雜業(yè)務(wù)場景的整體能力。

SDN 網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)使用廣泛制定的軟件接口；控制和轉(zhuǎn)發(fā)分開，集中的管理；其核心是控制與數(shù)據(jù)的徹底分開，轉(zhuǎn)發(fā)只保留在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備硬件的最底層，高層實行集中管控，而網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用和功能是可以進(jìn)行編程的。借助開放和可編程的SDN 技術(shù)，運營商能夠部署通用、一致的硬件設(shè)備與高級定制化的軟件來代替造價高額的專用設(shè)備，不再依賴設(shè)備廠商。標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)一致的硬件設(shè)備與虛擬后的網(wǎng)絡(luò)功能讓網(wǎng)絡(luò)可開放和可編程，讓運營商直接進(jìn)行模塊添加便可對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行創(chuàng)新應(yīng)用，迅速上線不同類型的業(yè)務(wù)；這極大地減少了運營商的CAPEX 和OPEX，同時也帶來實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)革新與轉(zhuǎn)型的機(jī)遇。集中管理可以為整個網(wǎng)絡(luò)帶來一致的界面，因而完成對網(wǎng)絡(luò)流量和資源便捷地管理和調(diào)度，顯著提高了網(wǎng)絡(luò)資源利用率，縮減了業(yè)務(wù)的研發(fā)上線時間，給重要應(yīng)用的革新和業(yè)務(wù)的發(fā)展帶來了機(jī)會。SDN 將促使移動網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)功能的完成變得更加高效且符合規(guī)范，讓垂直整合網(wǎng)絡(luò)變得可能，同時在很大程度上促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)的簡單化、靈活化。

NFV 的概念可不再使用特有通信設(shè)備，而使用符合行業(yè)新標(biāo)準(zhǔn)的商業(yè)化硬件設(shè)備，如x86服務(wù)器、交換機(jī)等。基于這些通用設(shè)施，使用虛擬化的方法來完成各種通信設(shè)備的功能，減小CAPEX、OPEX，達(dá)到資源的便捷分享、按需發(fā)布與服務(wù)的快速創(chuàng)新、無縫升級。

NFV 和SDN 是強(qiáng)有力的互補(bǔ)，既可融合又不相互依賴。SDN 給了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、解耦控制和用戶面新的定義，而NFV 再次定義通信基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，把網(wǎng)絡(luò)服務(wù)從專有硬件設(shè)備的緊密聯(lián)系關(guān)系中分離出來。兩個技術(shù)能提供一種廣泛統(tǒng)一的、基于軟件的網(wǎng)絡(luò)方法來對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行抽象和控制。

3 技術(shù)應(yīng)用情況

根據(jù)近年新技術(shù)的應(yīng)用情況，前期建設(shè)上線的移動政企公眾云已經(jīng)對SDN、NFV 技術(shù)進(jìn)行了實施部署，這張通過新技術(shù)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)適合公眾云環(huán)境下的資源統(tǒng)一監(jiān)控和管理架構(gòu)，策略的實現(xiàn)在鼠標(biāo)點擊間完成，滿足云環(huán)境下自動化編排的具體要求，在整體網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、各個模塊、分區(qū)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及主要網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，采用標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)滿足易擴(kuò)充和易管理的需求，采用的新技術(shù)能支持未來公眾云業(yè)務(wù)系統(tǒng)的需求，支持服務(wù)器虛擬化資源池的建設(shè)，包括網(wǎng)絡(luò)接入、安全控制，具備基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)上的可擴(kuò)展性，靈活適應(yīng)未來逐步增加的資源池和用戶規(guī)模，實現(xiàn)了如下突破：

全新的VPC 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)體驗：自定義子網(wǎng)、安全組、虛擬路由器、虛擬防火墻、浮動IP、虛擬負(fù)載均衡等全線網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品。

混合云解決方案：支持MPLS VPN、專線接入VPC；專線及多種VPN 技術(shù)，打通公有云、私有云、傳統(tǒng)數(shù)據(jù)中心，形成混合云網(wǎng)絡(luò)解決方案。

支持超大規(guī)模租戶：使用vxlan 技術(shù)，支持1600萬個互相隔離的虛擬二層網(wǎng)絡(luò)。使用SDN 支持10000個虛擬路由器。使用NFV 將高級網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源池化，隨時擴(kuò)容。

該網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了資源全局調(diào)度、高效運營、業(yè)務(wù)靈活提供、彈性負(fù)載均衡、彈性公網(wǎng)IP、低運營成本的網(wǎng)絡(luò)；底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可無需更換，將多地云資源池統(tǒng)一管理，提供多種云能力，滿足超大規(guī)模用戶需求，在業(yè)務(wù)與網(wǎng)絡(luò)功能上進(jìn)行了創(chuàng)新；使移動公有云具備了同阿里、亞馬遜等公司同等水平的云網(wǎng)絡(luò)能力，可大規(guī)模復(fù)制，對比其他商業(yè)集成方案節(jié)約投資上億元，新型網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的出售也將帶來巨大的經(jīng)濟(jì)價值。

4 技術(shù)應(yīng)用面臨的問題和展望

4.1 面臨的問題

新的體系結(jié)構(gòu)在通信網(wǎng)絡(luò)中的實際應(yīng)用仍存在許多困難，主要有：一是電信級網(wǎng)絡(luò)的性能指標(biāo)要求非常高，這決定了用戶體驗和服務(wù)質(zhì)量。新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下將專有硬件替換成通用硬件，這些通用硬件的性能目前與電信級廠商設(shè)備的性能指標(biāo)依然存在差距。二是傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡(luò)采用了各類自愈、保護(hù)及倒換機(jī)制，目前的新型網(wǎng)絡(luò)的可靠性是否能達(dá)到仍需要反復(fù)驗證與演進(jìn)。三是新網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)與設(shè)備的引進(jìn)必將影響現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)新舊網(wǎng)絡(luò)的對接、控制、協(xié)同，需要在實際應(yīng)用部署中不斷探尋和完善平穩(wěn)過渡的方式。四是新型網(wǎng)絡(luò)的開放性帶來了新安全隱患，比如SDN的三層結(jié)構(gòu)無法很好地與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)安全方法相匹配；NFV 的虛擬化管理層增加了攻擊表面和安全防護(hù)的復(fù)雜性。

4.2 展望

我們可以預(yù)知到新型網(wǎng)絡(luò)可能帶來很多變革：

（1）運維模式變革：因為硬件與軟件的分離，資源可全局動態(tài)配置，打破了以前對電信設(shè)備的維護(hù)模式，這迫使運維能力向軟件方向升級，軟件功能運維與設(shè)備資源運維互相協(xié)作。

（2）運營理念變革：因為新一代網(wǎng)絡(luò)的能力開放，運營的理念從“運營設(shè)備的能力”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑\營網(wǎng)絡(luò)、開發(fā)能力”。大量的業(yè)務(wù)開發(fā)商可進(jìn)入產(chǎn)業(yè)鏈中，系統(tǒng)集成能力、業(yè)務(wù)開發(fā)能力將逐漸成為運營商的核心能力。

（3）運營商組織架構(gòu)變革：目前的組織架構(gòu)以建設(shè)、管理、維護(hù)設(shè)備為主，而新的網(wǎng)絡(luò)下，開發(fā)運維一體化成為趨勢。

（4）生活變革：新網(wǎng)絡(luò)可以很好地支撐物聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用服務(wù)，在生活中將出現(xiàn)各行業(yè)與網(wǎng)絡(luò)融合的場景，如無人駕駛、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居與農(nóng)業(yè)、虛擬導(dǎo)航等。

5 結(jié)束語

基于SDN、NFV 的新型移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)采用控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離，讓功能控制更加集中化，而數(shù)據(jù)面僅進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理轉(zhuǎn)發(fā)，這樣顯著降低了用戶的接入時延，滿足了未來網(wǎng)絡(luò)高容量、高傳輸速率、低時延的需求。SDN 與NFV 這兩個技術(shù)在新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的運用，預(yù)示著IT 與CT 真正的融合已經(jīng)到來，這不僅是對當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)的改革，更是為了使網(wǎng)絡(luò)今后更好的服務(wù)于人類的工作生活。