基于SDN 和NFV 的新型移動網(wǎng)絡架構(gòu)研究

周 馨

（中移建設有限公司四川工程分公司，成都 611130）

當前，傳統(tǒng)網(wǎng)絡的演進發(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，還負擔快速增長的移動設備導致的高動態(tài)性移動數(shù)據(jù)負載，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)的服務質(zhì)量與體驗質(zhì)量的迫切需求，種種因素表明網(wǎng)絡要保持可持續(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、網(wǎng)絡功能虛擬化、云計算等新技術(shù)來對網(wǎng)絡重構(gòu)，目標是構(gòu)建一個全新的對資源進行全局管理調(diào)整、能力全面打開、容量彈性靈活改變并且架構(gòu)能方便、快速擴容的網(wǎng)絡，這張網(wǎng)絡適應性強、可擴展性高，能較快地轉(zhuǎn)型，為國家“互聯(lián)網(wǎng)+”的發(fā)展戰(zhàn)略提供強有力的支撐。

軟件定義網(wǎng)絡SDN 和網(wǎng)絡功能虛擬化NFV 這兩種技術(shù)獨立而又互補，能夠?qū)Ξ斍熬W(wǎng)絡的升級和未來網(wǎng)絡的技術(shù)創(chuàng)新起到促進作用，控制和轉(zhuǎn)發(fā)路由分離，開放式網(wǎng)絡接口，軟件和硬件分離以及網(wǎng)絡功能的虛擬化將促進整個行業(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。

1 移動網(wǎng)絡現(xiàn)狀

現(xiàn)在網(wǎng)絡接入的環(huán)境是多種網(wǎng)絡制式都存在的，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)絡需求的角度

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

1.2 從供給設備的角度

為與網(wǎng)絡需求相匹配，網(wǎng)絡傳輸技術(shù)、網(wǎng)絡設備性能也相應提升，網(wǎng)絡技術(shù)支持的帶寬容量都有提高。

1.3 從業(yè)務類型的角度

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

相對于越來越復雜的網(wǎng)絡，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備，傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構(gòu)在面對不斷增加的復雜性、動態(tài)性及海量負荷時依然越來越不適用，另外由于各類型應用程序的增多，用戶對網(wǎng)絡服務質(zhì)量、體驗質(zhì)量的追求也不斷提升。

現(xiàn)有網(wǎng)絡架構(gòu)存在靜態(tài)、結(jié)構(gòu)復雜、配置工作量大、擴展性不足、對廠商產(chǎn)品周期形成依賴能局限性?；谝陨戏治觯?G網(wǎng)絡需要一種新的網(wǎng)絡體系結(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，5G 網(wǎng)絡的系統(tǒng)容量在2020年預計將提升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)絡能夠更高效地實現(xiàn)差異化的特殊場景下的業(yè)務需求。

2 SDN 和NFV 相關技術(shù)

5G 需要通過網(wǎng)絡架構(gòu)和基礎設施平臺的技術(shù)升級應對新業(yè)務場景對網(wǎng)絡提出的挑戰(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)絡結(jié)構(gòu)，提升處理繁雜業(yè)務場景的整體能力。

SDN 網(wǎng)絡體系結(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)絡設備硬件的最底層，高層實行集中管控，而網(wǎng)絡中應用和功能是可以進行編程的。借助開放和可編程的SDN 技術(shù)，運營商能夠部署通用、一致的硬件設備與高級定制化的軟件來代替造價高額的專用設備，不再依賴設備廠商。標準參數(shù)一致的硬件設備與虛擬后的網(wǎng)絡功能讓網(wǎng)絡可開放和可編程，讓運營商直接進行模塊添加便可對網(wǎng)絡進行創(chuàng)新應用，迅速上線不同類型的業(yè)務；這極大地減少了運營商的CAPEX 和OPEX，同時也帶來實現(xiàn)網(wǎng)絡體系結(jié)構(gòu)革新與轉(zhuǎn)型的機遇。集中管理可以為整個網(wǎng)絡帶來一致的界面，因而完成對網(wǎng)絡流量和資源便捷地管理和調(diào)度，顯著提高了網(wǎng)絡資源利用率，縮減了業(yè)務的研發(fā)上線時間，給重要應用的革新和業(yè)務的發(fā)展帶來了機會。SDN 將促使移動網(wǎng)絡基礎功能的完成變得更加高效且符合規(guī)范，讓垂直整合網(wǎng)絡變得可能，同時在很大程度上促進網(wǎng)絡的簡單化、靈活化。

NFV 的概念可不再使用特有通信設備，而使用符合行業(yè)新標準的商業(yè)化硬件設備，如x86服務器、交換機等?；谶@些通用設施，使用虛擬化的方法來完成各種通信設備的功能，減小CAPEX、OPEX，達到資源的便捷分享、按需發(fā)布與服務的快速創(chuàng)新、無縫升級。

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

3 技術(shù)應用情況

根據(jù)近年新技術(shù)的應用情況，前期建設上線的移動政企公眾云已經(jīng)對SDN、NFV 技術(shù)進行了實施部署，這張通過新技術(shù)進行規(guī)劃建設的網(wǎng)絡適合公眾云環(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)絡架構(gòu)、各個模塊、分區(qū)網(wǎng)絡架構(gòu)及主要網(wǎng)絡技術(shù)方面，采用標準化技術(shù)滿足易擴充和易管理的需求，采用的新技術(shù)能支持未來公眾云業(yè)務系統(tǒng)的需求，支持服務器虛擬化資源池的建設，包括網(wǎng)絡接入、安全控制，具備基礎網(wǎng)絡架構(gòu)上的可擴展性，靈活適應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)絡業(yè)務體驗：自定義子網(wǎng)、安全組、虛擬路由器、虛擬防火墻、浮動IP、虛擬負載均衡等全線網(wǎng)絡產(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。使用SDN 支持10000個虛擬路由器。使用NFV 將高級網(wǎng)絡服務資源池化，隨時擴容。

該網(wǎng)絡構(gòu)建了資源全局調(diào)度、高效運營、業(yè)務靈活提供、彈性負載均衡、彈性公網(wǎng)IP、低運營成本的網(wǎng)絡；底層網(wǎng)絡設備可無需更換，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)務與網(wǎng)絡功能上進行了創(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)絡能力，可大規(guī)模復制，對比其他商業(yè)集成方案節(jié)約投資上億元，新型網(wǎng)絡業(yè)務的出售也將帶來巨大的經(jīng)濟價值。

4 技術(shù)應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)絡中的實際應用仍存在許多困難，主要有：一是電信級網(wǎng)絡的性能指標要求非常高，這決定了用戶體驗和服務質(zhì)量。新型網(wǎng)絡架構(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備的性能指標依然存在差距。二是傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡采用了各類自愈、保護及倒換機制，目前的新型網(wǎng)絡的可靠性是否能達到仍需要反復驗證與演進。三是新網(wǎng)絡系統(tǒng)與設備的引進必將影響現(xiàn)有網(wǎng)絡，實現(xiàn)新舊網(wǎng)絡的對接、控制、協(xié)同，需要在實際應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的復雜性。

4.2 展望

我們可以預知到新型網(wǎng)絡可能帶來很多變革：

（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備的維護模式，這迫使運維能力向軟件方向升級，軟件功能運維與設備資源運維互相協(xié)作。

（2）運營理念變革：因為新一代網(wǎng)絡的能力開放，運營的理念從“運營設備的能力”轉(zhuǎn)變?yōu)椤斑\營網(wǎng)絡、開發(fā)能力”。大量的業(yè)務開發(fā)商可進入產(chǎn)業(yè)鏈中，系統(tǒng)集成能力、業(yè)務開發(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、管理、維護設備為主，而新的網(wǎng)絡下，開發(fā)運維一體化成為趨勢。

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

5 結(jié)束語

基于SDN、NFV 的新型移動網(wǎng)絡架構(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)絡架構(gòu)中的運用，預示著IT 與CT 真正的融合已經(jīng)到來，這不僅是對當前網(wǎng)絡的改革，更是為了使網(wǎng)絡今后更好的服務于人類的工作生活。