當前通信設備中SDN和NFV的應用

楊傳福

（湖南省郵電規劃設計院有限公司，湖南 長沙 410126）

自2013年以來，4G網絡開始商用，并迅速在全國范圍內普及，給人們的生活帶來了許多便利。但是隨著人們對網絡的應用進一步加深，越來越多的領域在嘗試著與信息技術結合發展，于是對網絡通信系統提出了新的要求。在這種背景下，5G信息系統問世，目的在于進一步的提升網絡的速度、提升網絡的可靠度、降低網絡的延遲來拓展其應用領域和增強其服務性。當前，以5G信息系統為核心的通信技術發展成為了大眾密切關注的問題，其傳輸的效率和安全性成為了重點研究對象。

1 SDN和NFV技術的優勢

SDN結構是由基礎設備層、控制實施層和技術應用層所組成的，基礎設備層由一些只有轉發功能的“白盒設備”組成，所謂“白盒設備”是指設備沒有控制功能，只存在轉發功能的設備，這些設備根據控制層的指令能夠將所有相關的數據快速分配到用戶間和設備間，使得整個傳輸過程更加簡便，節省了許多中轉環節，于是效率大大提升，控制與轉發分離，也有利于網絡的智能化、自動化和硬件的標準化，打破設備本身的技術和標準限制；控制實施層是由一個或多個控制器組成，SDN控制器是整個網絡的核心，控制的集中化有利于從更宏觀的角度調配傳輸帶寬、傳輸路徑等網絡資源，提高資源的利用率、降低傳輸時延、減少網絡擁塞；技術應用層主要是網絡功能應用，可以通過SDN的可編程性，可以把底層“白盒設備”配置成各種虛擬網絡，實現不同的業務需求，然后通過SDN控制器實現各個網絡QoS保證，與傳統網絡相比，增強了差異化服務和靈活性，也有利于新業務的快速測試和部署。因此，SDN技術在通信中應用，能夠極大的提升信息的傳輸效率、改善數據傳輸滯后問題，而且還可以根據不同用戶需求定制服務，提升用戶感知度。

SDN結構除了三層網絡結構之外，還有北向接口和南向接口，北向接口是技術應用層和控制實施層之間的連接接口，北向接口可以將看作技術應用層對控制實施層可編程的接口，此接口是統一的、開放的接口；南向是負責控制實施層和基礎設備層之間通信的接口，南向接口必須要標準化，只有標準化的南向接口才能真正擺脫硬件設備的束縛，賦予設備虛擬化各種網絡功能的前提。

根據以上描述，SDN架構拓撲如下圖所示：

圖1 SDN網絡體系架構

NFV技術則主要是以一些通用性軟件為主，利用虛擬化技術來提升承載功能，進而降低基礎網絡設備的建設成本和運營成本，提升網絡的靈活性。一般而言，NFV需要通過軟硬件的解耦，使得網絡設備開放化，而抽象的功能能夠使網絡資源得到更為靈活的應用，使得信息工程能夠脫離硬件設備而存在并且傳輸，這為系統內業務的部署提供了良好的基礎。由于NFV既可以存在于物理服務器中又可以存在于虛擬服務器中，只是在具體的實踐過程中需要對整體的架構進行整改，這是一項難度較大的技術。所以，在具有的使用過程中，NFV都是運用于軟件平臺內支持SDN技術。此外，其內部還存在專用的管理系統，因此能夠很好的滿足云計算的需要，在5G通信系統中能夠很好的連接應用。

1.1 SDN技術

1.1.1 集中控制

SDN能夠集中控制，進而使控制系統與轉發系統分離開來，這種功能的實現得益于其控制器。該控制器能夠快速獲取全局的靜態拓撲、動態轉發、資源故障等信息，并且能夠根據現有的資源，實現合理的配置，使得資源得到統一的調配，優化了資源的利用方案。

1.1.2 開放接口

設備應用和網絡的集成需要開放的接口來提供支撐，而SDN恰好具備開放式的南北向接口，能夠為應用提供所需的網絡資源。另一方面，由于該技術對設備沒有限制，在開發式的接口下，用戶可以根據自己的需要去利用網絡資源，開展新型的網絡業務。這一模式能夠縮短新業務的成熟周期，為網絡服務的發展提供便利。

1.1.3 網絡虛擬化

以開放性的接口為依托，能夠將基礎物理轉發設備隔離，進一步利用軟件技術，將物理網絡與邏輯網絡分離，進而實現虛擬化的設置。這種虛擬化的業務發展促進了網絡租戶的需要，逐步形成了完整的虛擬世界。

1.2 NFV技術

1.2.1 控制支出成本

傳統專用設備造價高，可替代性低。每當基礎專用設備出現問題，必須采用相同型號的機器替換才能夠使通信系統運行。但是在采用NFV技術后，通用的服務器能夠代替專用服務器，減少了專用設備的需求，降低了設備成本，通信網絡體系的構建成本得到了有效的把控。

1.2.2 動態遷移性更強

NFV技術能夠利用軟件與硬件的解耦來提升網絡彈性，進而縮短設備的調配周期。在系統遷移過程中，靈活性大大增強，容錯率也高，調試者可以根據實際的需要進行刪減，工作的效率大幅度提升。

1.2.3 業務創新性更優

當網絡功能軟件化時，其功能的遷移性增加，那么開展新型業務也能夠更加便捷。在NFV技術支撐下，業務的創新性更優，開發新的業務周期縮短，而且基于信息傳輸的安全性，業務的質量得到了根本的保障。

1.2.4 業務快速部署

傳統傳輸設備的擴容周期從需求發起到設備正式入網運行需要幾個月的時間，新業務的部署甚至需要半年到1年的時間，采用NFV架構后，網絡的自動化管理和敏捷性將大大提升，擴容周期可能只需要幾個小時，甚至是幾分鐘，新業務的部署也僅需幾周的時間，真正實現業務的快速響應和快速部署。

1.3 SDN和NFV的關系

1.3.1 誕生的前提

SDN的誕生主要是由于政企、校園網絡的需求，主要通過控制和轉發分離，從而實現網絡控制的集中化、業務的靈活調度，在傳統的網絡設備和NFV的設備上均可用部署；NFV主要源自通信運營商的需求，通過軟硬件解耦，實現網絡功能虛擬化，業務隨時隨需部署，可以做到業務的個性化定制和快速響應，提高用戶的體驗。

1.3.2 功能的側重點

SDN是軟件定義網絡，也就是通過軟件編程的方式來給予底層網絡設備不同的功能，形成不同的網絡，從而實現網絡策略和路由轉發都集中在軟件控制器上，側重點是網絡連接控制；NFV是網絡功能虛擬化，針對的是傳統網絡網元功能上，側重于網絡功能的實現。

1.3.3 應用的場景

SDN和NFV均可單獨部署，也沒有直接關系，應用場景在很大程度上也不重合，如云數據中心，可以采用SDN技術控制，以均衡和調整各種虛擬機資源，實現更加可控的管理。SDN和NFV兩種技術雖然沒有直接關系，但是有很強的互補性，SDN可以推動NFV功能部署的便捷性，而NFV可以增加功能部署的靈活性，兩者相互結合，能夠產生遠大于單個技術的價值，可以能大限度地滿足用戶對服務速度、業務調整和操作方便的要求。

2 將SDN和NFV技術引入5G網絡所帶來的好處

2.1 實現網絡功能的全面編程化

要實現對網絡功能的全面編程，首先需要有效的將SDN和NFV技術融合到通信網絡的構建中去，確保硬件設備的控制層能夠和數據層相互獨立，更好的將網絡硬件的底層功能保存下來，避免因信息傳輸而功能受損。這樣，控制器的功能會更加集中，有利于實現全面化的編程。

2.2 促進結構創新，提升業務開發效率

在我國進入信息時代以來，各大運營商都在想方設法的擺脫繁雜設備的束縛，致力于尋求性能更加集中化的硬件設備。SDN技術的開放性和全面編程性正好滿足了他們的需要，能夠代替部分高成本的硬件設備。如此一來，各大運營商不用絞盡腦汁去升級軟件設備，來支持網絡應用的需要，整個網絡系統也變得更加具有親和力。另一方面，區域全網的統一能夠帶來管理和使用上的便利，運營商管理起來十分方便，而用戶在使用的過程中，也能得到更好的體驗。于是，新的網絡結構形成，隨著人們的需要，這種網絡構架還在持續性變化，創新調整結構模型。結構上的創新往往是圍繞著業務的需要來進行的，因此，當前網絡業務的發展飛速，利用現有的網絡資源，能夠快速生成開發出新的業務模型，業務的成熟周期大大縮減。

2.3 促進整體網絡的高效運營

SDN在網絡系統中的應用具有廣闊的前景，在當前的技術應用中，該技術已經表現出了很強的功能性。基于SDN技術的開放性，整體網絡的運營效率都得到了提升，相關的運轉功能也變得更加合理。而NFV正好能夠與SDN實現互補，當兩者融合時，其結構上雖然都具有相互獨立性，例如，NFV的部署可以完全不依賴SDN進行，但是這兩者在功能上相互配合，在提升網絡的運營效率上起了很大的作用。尤其是在兩種技術結合使用后，網絡服務能夠從專用的硬件設備中分離出來，單單依靠軟件解碼來實現，使得信息的傳輸過程更加便捷且高效，這整個過程的可操作性也十分強。

3 基于SDN和NFV在5G移動網絡架構的詳細設計

隨著網絡的普及，在線用戶的數量與日俱增，網絡設備和流量的需求越來越高，這些現象給當前的網絡運營帶來了極大的壓力。為了改善當前的大壓力局面，開啟5G網絡模式成為了勢在必行的策略，5G網絡聯合了大數據、物聯網等新技術，其綜合性強，能夠滿足社會各個階層的需要。此外，它還具備高的傳輸性、可編程性強、拓展性強、結構和功能靈活。反觀傳統的網絡架構，需要依靠大量的基站、網絡服務點來完成信息的轉化和傳輸，缺乏集中控制中心，無線網絡的優化成為了高難度問題。而且因為設備繁雜，專業設備較多，設備的適配性較差，給設備的維修帶來了許多不必要的麻煩。當移動網絡架構融合了SDN和NFV技術后，能夠優化繁雜的配置參數，調整網絡資源的配置，優化管理層面的技術問題，對虛擬化的網絡進行集中管控。其架構優勢有以下幾點：

第一，能夠使新的服務系統快速進入部署階段，網絡的自動化程度高，動態的再配能力強。

第二，進一步分離用戶平面與控制平面，為獨立部署做好準備。

第三，網絡的架構能夠有實體化轉向虛擬化，實現功能的軟件化和模塊化，為資源和服務的調整提供便利；

第四，降低了信息傳輸的滯后性，減少網絡的冗余性，進而提升傳輸的效率。

3.1 無線網路資源動態配置

在SDN和NFV技術支撐下，網絡架構能夠實現動態調配。一般信息的傳輸需要借助分片，將傳輸網等應用到正常的業務開展中，信息就能夠實現正常的傳輸。但是當網絡容量瞬時劇增時，會引發安全事故，此時，利用SDN控制器和NFV技術能夠將既定的資源規則打破，重新對無線資源進行配置，實現安全運行。因此，在構建5G通信系統時，融合SDN和FNV技術對網絡進行架構是實現資源動態配置的關鍵。

3.2 硬件設備的標準化

利用SDN和NFV技術，能夠將硬件的專用化轉變為硬件的標準化，這在構建5G網絡系統中具有重要意義。因為專用性過強的網絡系統不具備可替代性，其硬件設備一旦崩潰，將需要耗費大量的維修工程。而標準化的硬件設備就能夠實現靈活的替代，一旦出現故障，能夠在短時間內恢復。因此，采用SDN標準化的開發接口，并在NFV高性能的服務器上運行，讓硬件設備更加通用化。這樣，對網絡流量的控制就能夠更加靈活的實現，線上資源的調整和配置也能夠快捷實現。

3.3 網絡功能的虛擬化

構建虛擬化的網絡功能對5G系統而言價值巨大，是5G網絡能夠由于4G的基本前提。在傳統的網絡系統中，其整個體系相對封閉，內在邏輯性較差，有許多網絡重復問題。但是如果耗費大量的精力去梳理，則會得不償失。此時，只需要利用NFV中X86的通用硬件和虛擬化技術，就能夠對網絡功能中的軟件進行處理，抽象并解碼出實際需要的軟件設備，脫離硬件設備的控制。這種虛擬化網絡功能的實現，讓我們設備的智能化程度提升，網絡傳輸體系能夠自主實現對故障的隔離，而且，在一定程度上能夠自我修復，提升了網絡運營的靈活性，能夠給用戶帶去更好的服務。

4 結束語

在未來，通信設備的發展將會朝著全面虛擬化進行，整個網絡構架就需要具備更強的傳輸容量，這樣才能夠容納大量的信息。移動網絡端的容量增大，另一方面還能夠增加用戶的使用體驗，提升產品的性能。而且在未來，移動終端的形式將發生重大改變，這就意味著通信系統的靈活性和拓展性要更高。當前5G技術在采用了SDN和NFV技術的基礎上能夠滿足當前的社會需求，實現對數據傳輸和數據存儲的分離，提升設備的使用效率，隨著信息技術的進一步發展，網絡通信硬件設備將成為過去式，技術的發展將迎來新的春天。