淺談NFV的產生、發展及影響

摘要：隨著云計算、SDN等相關技術的發展，對現有的網絡提出了新的能力需求：網絡具備高彈性、業務開通分鐘級、網絡部署更低成本等等。NFV技術它利用虛擬化技術，將傳統架構分層解耦，重新按需編排，很大程度上滿足了上述需求。NFV屬于當前為緩和和解決各種行業問題而衍生的新技術，本文主要從NFV產生的行業背景，NFV的實現原理和系統架構，NFV后續的發展方向以及對行業的影響等方面進行闡述，希望能給讀者提供一定的幫助。

關鍵詞：NFV技術;虛擬化技術;架構解耦

前言

NFV是近期發展起來的技術，NFV技術的有低成本、靈活性、高效率的特點，為云計算、SDN的發展提供了前所未有的驅動力。NFV目前還處于發展階段，存在各層級接口標準不夠成熟、完善，制造商還在探索自身的市場定位，運營商缺乏維護和管理經驗等問題。不過在不久的將來，憑借NFV技術特點和特有的優勢，將會助力云計算、SDN向跟高一級的目標發展，成為影響和推動IT、CT行業轉型發展的核心動力。

一、NFV的產生

云計算的產生，帶來了更高的生產效率，更低的成本，更靈活的資源調度與分配，也對網絡的能力和靈活性提出了新的需求。

傳統基礎通信網絡的網元采用軟/硬件一體化設備架構，造成了物理網絡的復雜性、資源利用率不高，設備采購周期長、成本高，實施部署難度大，自動化管理程度不高等，更重要的是，這種封閉型的組網架構，阻礙了云計算的發展，使得云計算無法靈活、動態的按需分配網絡資源，不能高效、公平的分配網絡資源。在各種矛盾和問題的積累下，衍生了一項新技術，網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，縮寫 NFV），它利用虛擬化技術，將網絡節點層級按功能分塊，各功能塊通過軟件方式實現，并將軟件部署到通用的硬件設備上，實現特定的網元功能服務，從而有效的解決了上述問題和矛盾。

2012年，美國AT&T、BT（英國電信）、DT（德國電信）等基礎電信網絡運營商在ETSI（歐洲通信標準協會）提出NFV。據不完全統計，到目前為止，ETSI的NFV ISG（NFV規范組）在通信界全球范圍內已經擁有上百家成員單位以及接近兩百家參與單位。

二、NFV的原理與實現

NFV是將功能軟件解耦后，部署到在通用IT硬件上虛擬出設備上，完成網絡功能的實現。NFV試圖打破傳統電信設備的豎井式體系，將通信網元功能分層解耦并引入新的MANO管理體系實現網元全生命周期管理。與傳統模式相比，主要有兩個方面的變化，一方面是新增虛擬化層，即通過虛擬化軟件將硬件資源池化，根據上層應用需求按需分配資源;另一方面傳統的實體網元設備將由虛擬機替代。

在虛擬化網元模式下，不同業務系統共享硬件資源，資源以流動方式在不同應用間均衡，使得資源的利用率更高。同時網絡擴容通過新增虛擬資源的形式實現，基本不涉及新增硬件調測，響應速度更快。

NVF具有四大基本特征：采用虛擬化技術、通用基礎設施、云化管理和網絡的自動化部署。

（一）虛擬化技術。虛擬化是指將提供資源能力的硬件設備，通過軟件將其抽象重新定義，為業務提供按需分配、統一管理的技術。如將一臺物理服務器通過虛擬化軟件劃分出多個虛擬計算機，每個虛擬計算機可以提供一個獨立的運行環境，而這些虛擬計算機共享同一臺物理服務器的硬件資源。

（二）通用基礎設施。包括統一的標準化計算服務器、存儲設備、網絡設備等。

（三）云化管理。將通用的基礎設施進行虛擬化，形成統一的虛擬資源池，對虛擬資源統一分配和調度，以及對應用和業務的生命周期統一管理。

（四）網絡自動化部署。網絡維護人員操作云管理平臺對網絡進行功能編排（Orchestration），通過統一的資源管理、自動化的流程、資源調度和調整策略，采用事先定義好的網絡服務模板NSD、虛擬網元模板VNFD，進行網絡、網元的創建，實現資源池資源的按需使用，并結合SDN完成自動化配置網絡。

三、NFV的架構

NFV的標準架構主要包括NFVI，VNF和MANO三個模塊。

NFVI（NFV Infrastructure）包含物理資源層和虛擬化層。物理資源層主要包括通用的硬件設備（如通用服務器、交換機、存儲設備等），虛擬化層主要包括基于hypervisor的虛擬化（如VMware vSphere、KVM等）和基于容器的虛擬化技術（如Docker）。NFVI作為通用的虛擬化層，將資源定義為一個池，對資源統一分配和管理，按需為上層的VNF分配資源。

VNF（Virtualization Network Functions）虛擬網絡功能，以軟件的形式提供服務，將功能軟件部署到由NVFI提供的虛擬化基礎設施（如虛擬機、容器）中，實現特定的網元功能服務。VFN可以單獨組網，也可以與傳統的硬件網元（PFV）混合組網，為用戶提供端到端的網絡服務。

MANO（Management and Orchestration）管理與編排，主要有三分部分組成：NFVO、NFVM 和VIM 。其中NFVO負責與OSS/BSS對接，NFVM負責對VNF管理，VIM負責對虛擬化基礎設施（NFVI）管理。并且各類虛擬網元（NFV）、物理網元（PFV）經過MANO的合理編排后，才能使整個系統發揮應有的作用。

VIM（Virtualised Infrastructure Manager）虛擬基礎設施管理器，主要負責對NFVI進行管理和資源分配，各VNF所需的虛擬化資源（如計算、存儲和網絡等）由VIM統一分配，例如VMWare的vCenter，對Esxi上的VM進行資源的管理分配和調度等。

VNFM（VNF Manager）虛擬化網絡功能管理器，主要負責VNF開啟/關閉，NVF資源使用情況及生命周期等相關管理，如網元功能的創建/刪除、擴容與縮容等功能。

NFVO（Network Functions Virtualization Orchestration）網絡功能虛擬化編排器，負責接收編排任務，對VNF與資源編排從而完成總體管理，是整個NFV架構的控制核心。NFVO還負責對NS（網絡服務）、VNF生命周期的管理和NFVI各類資源的管理，進行統一協調，對各類虛擬網元進行資源分配，保證網元間協同工作，完成整個網絡的部署和優化。

四、NFV的發展

（一）架構解耦

1.單一廠家

單一廠家模式，硬件、功能軟件以及管理軟件均由同一廠家生產、開發以及統一集成，這種模式下只能實現同一廠家不同網元硬件資源共享，網絡編排能力通過廠家私有協議實現。由于是軟件硬件同廠家，因此在出廠前就做了各種測試、優化和聯合調試，這種模式下的整個系統的兼容性好，協同能力高。并通過廠家提供的一套管理系統進行操作管理，系統維護難道低，操作簡單。但自主性差，各層間接口不開放，功能的優化依賴廠家，以及后續的系統擴建和個性化功能需求增減均也受到廠家的約束。

2.二層解耦

二層解耦分為兩種：一種是資源層和功能層解耦，另一種是軟硬件解耦。

資源層是指提供處理能力的虛擬化平臺（包括物理硬件和虛擬化軟件），功能層是指實現特定網元功能的軟件。資源層只負責提供處理能力，對上層提供統一標準的能力調用接口，供上層的功能軟件調用。用戶可以根據需要選擇功能軟件和虛擬化平臺廠家，也可以針對個性化需求自行研發功能軟件，部署到不同廠家的虛擬化平臺上。這種模式下，用戶有一定的自主權，也帶來更多的競爭性，一定程度上保證用戶的選擇權。但運行管理需要多套管理系統對不同層級分別進行管理，同時還需要獨立的編排器，增加了網絡的復雜性和維護難度，各廠家間的權責劃分不清晰，對故障的排查和處理帶來一定的難度。

軟硬件解耦是指虛擬化軟件和功能軟件為同一廠家集成，硬件可以是不同廠家的通用服務器。這種模式，部署起來比較簡單，只需要將廠家集成好的鏡像安裝到通用服務器即可。管理系統也由廠家提供，對網元管理的一體化服務使后期的操作維護較為簡單。同時，用戶的自主性偏差，基本只能選擇廠家，而不能實現自主優化系統和自研軟件的部署。

3.三層解耦

三層解耦是功能軟件、虛擬化層和硬件的解耦。自上而下全解耦，各個層級均可自主性的選擇廠家，形成了一個更加開放，更加具有競爭力的平臺。硬件廠家提供通用的服務器硬件，通過IPMI進行操作和管理;虛擬化層提供虛擬化軟件和虛擬化管理平臺平臺，對硬件資源進行抽象池化和分配，供上層功能軟件調用;功能軟件層只需部署滿足需求的功能軟件即可。這種模式下，用戶可以分層級采購，有更多的價格優勢。廠家為了引導用戶同時使用自己的軟件和硬件，將會為用戶提供更多的功能或服務。用戶也可以對虛擬化層軟件和功能軟件自研，極大的用提升用戶的自主能力，使系統能有更高的性價比。但是，用戶不但需要協調各層級之間的對接、各廠家之間的對接，還需要有更強的技術團隊進行操作維護，導致系統的兼容性不高，權責模糊界線增多，后期的運維成本將大幅度增加。

4.發展方向

NFV未來的演進可能包含兩個階段：過渡階段和成熟階段。

在過渡階段，NVF將在傳統的業務架構上嘗試引入功能軟硬件解耦，主要表現為將功能軟件從專用硬件上剝離，遷移到基于通用硬件虛擬化的VM上，實現特定的網元功能。

在成熟階段，NFV架構將實現完全解耦（三層解耦），各層次定義完善標準化接口，有一套成熟、完善的管理系統和支撐體系，完成資源的分配、對業務的自動化部署以及對網元全生命周期管理。這也將是業務部署的主要方式。

五、NVF的對行業發展的影響

NFV是通信領域的一次重大變革，可在通信網的各個領域內應用，對網絡影響極其重大，企業（包括通信運營商和產品制造商）在網絡架構和組織、運營理念、管理流程和企業組織架構等方面都可能面臨深層轉型。

（一）通信產業鏈發生變革

在運營商方面，當前運營商采購模式為“軟硬一體”，即采購的硬件設備已預裝授權的軟件。新模式下，運營商統一采購硬件平臺，可單獨采購所需網元功能的軟件和虛擬化軟件，產業鏈細化為功能軟件提供商、虛擬化產品提供商、通用硬件設備制造商、集成商。

制造商方面，傳統設備制造商可能轉型為虛擬化軟件提供商，在運營商統一建設模式下，運營商將負責整合硬件設備、虛擬化產品及NFV網元軟件功能，或由專門的系統集成商集成后提供給運營商。

（二）網絡架構調整

新型網絡架構將以數據中心為基礎，各數據中心以云計算技術進行組織并放置NFV虛擬化的通信網元，各數據中心間通過以SDN技術實現調度的IP承載網絡進行連接。未來網絡發生的根本性變化將圍繞以下三個技術：傳統機房改造為數據中心，機房內采用云計算架構組織;傳統通信網元通過NFV虛擬化技術實現軟件化;通過SDN技術實現數據中心內和數據中心間的IP資源及策略調度。

（三）維護管理發生變

NFV后網絡管理對象發生變化，網元虛擬化后軟硬件解耦，網管對象發生變化，對資源管理、故障管理、性能管理帶來一定影響。

1.網絡管理的對象發生較大變化。管理對象從單一網元轉變為虛擬網元、虛擬機、物理機及相互映射關系;物理資源、虛擬資源、網絡服務之間的關系都是可變的，不再是靜態一一對應關系，被管對象之間一對多或多對多的關系，使得網元故障、配置和性能管理變的相對復雜。

2.傳統網管體系功能均需要調整。資源管理需定義新的管理對象的數據模型;制定故障上報流程、故障關聯功能要求;定義新的性能指標及上報流程;統一采集平臺相關的功能、流程需要針對新的管理對象進行定義。

（四）網絡維護方式發生變革

在NFV架構下，運維模式發生較大變化，傳統劃分的專業維護層面的維護依然存在，并新增云維護專業相關內容。維護內容變成了三大塊：硬件維護、云維護和業務維護。三大內容的維護邊界需要重新劃分和定義，維護團隊需要重新組織，并對維護人員的技能提出新的要求。

六、NFV帶來的效應

（一）釋放價值、高敏捷性和提節省資金

一個系統、功能平臺或者是一臺功能設備，主要分為能力資源層（簡稱能力層）、功能實現層（簡稱功能層）。能力層負責提供處理能力，功能層負責調用能力資源實現特定功能。傳統模式下，功能層和能力層是同廠家緊耦合的，升級或擴建需要同時采購軟硬件。升級擴容不能精準按需，能力層與功能層匹配由廠家定義，造成資源利用率不受控。

而NFV就較好解決這個問題，將能力層池化統一管理和分配，可以將資源過剩的單個設備按需劃小再分配，也可以將多個資源不足的設備能力按需聚合，為上層應用提供能力服務。虛擬化技術還提供對上層應用無感知的資源的彈性伸縮，對上層應用無感知進行位置遷移等能力。使資源能夠充分利用，為業務的開通、維護管理提供更智能的手段。

多層解耦的開放式架構，提供了更具競爭性的行業平臺。而用戶將獲得更大的價格優勢，同比之下將可以生產更多產品或提供更多服務，創造更多的價值。NFV的特點還將使得SDN網絡環境部署變得更低成本，統一管理變得更靈活高效，促進SDN的發展。

（二）行業效應

新技術革命影響主要表現在兩方面。一方面，新技術革命促進了行業生產力的發展。分層解耦，促使分工細化，造就了生產效率的提升。NFV打破了傳統的固化的系統架構，將IT和CI融合到一起，一定程度上解放了生產力，促進了生產力的發展。NFV將會推動行業內生產力各要素的變革，引發了人們觀念和思維方式的更新，拓展了創造性思維，為行業乃至社會的發展奠定了基礎。

另一方面，新技術革命使產業結構發生變化。隨著NFV的推進和發展，使得從事網絡功能設備生產和銷售的企業，不再需要同時具備硬件生產和軟件研發的能力;原來生產通用硬件設備的廠商，可以更關注與設備的性能提升;后期企業內部、行業內部的分工協助關系和生產關系將進優化和調整，使之更適應于NFV帶來的生產力發展，推動IT和CT業向更高一級的目標邁進。

參考文獻：

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[2]陳曉敏，朱明星，楊森，周圣.NFV架構及其優勢挑戰[J].通信電源技術.2020（06）：178-179.

作者簡介：

黃勇（1984-），男，漢族，廣西河池市，本科，中級工程師職稱，主要研究方向：云網融合。