網絡功能虛擬化：離電信運營商有多遠？

中國移動研究院 | 崔春風、黃金日、曹振

如何解決移動網絡面臨的一系列問題和挑戰？越來越多的運營商認為，答案在于“網絡功能虛擬化（NFV）”。

隨著智能終端和支持3G的數據卡/筆記本電腦的迅猛發展，移動互聯網業務在過去幾年內呈指數型增長。這是不爭的事實。然而在數據的背后，一直為大家所忽略的是移動運營商為應對流量增長而付出的種種艱辛。

實際上，和指數增長的數據流量形成鮮明對比的是，運營商的收入和利潤增長率只有個位數，甚至出現負增長。究其原因，就是因為這些高速發展的移動寬帶業務給移動網絡帶來了巨大的壓力，為了應付日益增長的數據流量，運營商們不得不加大投資力度，對無線網絡進行各種升級、改造或者新建，造成了巨額的投資及運維成本。

不難預見并理解，未來幾年隨著移動互聯網的進一步發展，移動網絡的壓力將會越來越大，移動運營商正面臨空前的挑戰。

如何有效地降低運維成本、提高網絡設備的利用率，甚至加快業務開發上線的時間從而有效應對移動互聯網時代的挑戰？這是當下各大運營商開始不得不正視并認真思考的問題。問題的解決，恐怕得先從對傳統電信設備的認識，包括設備形態、開發調試方式、網絡維護與升級等開始。

私有及專有VS開放及通用

電信網絡里充斥著大量的私有專用設備。本質上來說，傳統電信設備具有兩大特點：私有及專用，即基于廠家的私有平臺(proprietary platform)，通過專用器件如DSP、FPGA、ASIC等進行開發。

私有，意味著不同廠家之間的互操作性、兼容性都很差；專用，意味著可編程性、可移植性很差，二次開發慢。進一步來說，行業進入的門檻高，開發人員數量相對較少。這些從某種意義上看，都限制了行業的競爭與業務創新。此外，設備開發周期長、測試及驗證手段復雜且耗時。隨著移動互聯網需求的飛速增加，對設備升級換代，對創新業務的及時引入要求相應提高，而這些恰恰是“笨重”的傳統設備及繁瑣的開發驗證流程難以滿足的。不僅如此，這些設備在電信網絡里消耗著巨大的電能，同時利用率低且很難被替換。

在理解了電信設備這些特點之后，讓我們再換個角度看看IT行業。

與電信網私有、專用的特點形成鮮明對比的是，IT行業素以開放、通用著稱。接口開放，例如標準的PCIe總線、標準以太網接口，有利于不同廠家、不同設備間的互聯互通，同時降低行業門檻，鼓勵競爭與創新；基于通用的處理平臺進行開發，可移植性好，而且開發容易，相應地，新業務的開發周期短，業務上線快，系統升級方便，網絡運維靈活。

IT與電信融合：ETSI NFV ISG簡介

如何解決移動網絡面臨的以上問題和挑戰？越來越多的運營商認為答案在于“網絡功能虛擬化(Network Functions Virtualisation，NFV)”。

通過引入在數據中心里廣泛應用、成熟的虛擬化技術，NFV的主要設計思路是硬件平臺采用通用服務器，服務器之上運行虛擬化軟件并生成虛擬機，各種網元以軟件的形式運行在虛擬機當中。采用這種架構，運營商將維護一個統一的虛擬化平臺，而不同的網元將以虛擬機的形式運行在虛擬化平臺之上，新增網元或者網元的升級則體現為新虛擬機的導入或虛擬機中軟件版本的變更。同時，由于虛擬化技術屏蔽了底層物理平臺的差異，跨網元、跨廠家的硬件資源共享問題將迎刃而解。并且，利用虛擬機動態遷移，動態生成等特性，結合對虛擬化平臺的智能管理，根據業務量的變化實現網元的動態擴容，縮容，從而實現對硬件資源更高效的利用。

為了推動NFV理念的更快實現，加速產業界的成熟，2012年10月，ETSI組織下正式成立了網絡功能虛擬化NFV工作組，致力于實現網絡虛擬化的需求定義和系統架構制定。該工作組的思路正是借鑒IT業的開放與通用特性，更確切的是“將IT領域內得到廣泛并成功應用的虛擬化技術引入傳統電信領域，通過采用標準IT服務器、交換機和存儲設備達到實現傳統電信網絡功能（如路由，交換、基站等）的目的”。如下是幾個可能利用虛擬化技術來實現電信網元的例子：

● 無線網絡/基站虛擬化

● 核心網網元例如GGSN、SGSN等虛擬化

● CDN虛擬化

● DPI虛擬化

● IP網元，例如CG-NAT，BRAS等虛擬化

● 用戶側設備，例如：防火墻，路由器，乃至機頂盒的虛擬化

NFV的主要工作目標是實現移動和固定網絡各個網元在開放IT平臺上的虛擬化，從而以更低成本、更靈活運營應對移動互聯網時代難以預測的動態業務需求，并擺脫對廠家專用硬件系統、封閉軟件平臺的依賴。

NFV工作組的主要工作內容為制定網絡功能虛擬化的相關需求，并對系統框架進行定義與設計，同時對關鍵技術進行相關研究并提供相關的Gap Analysis，但工作組本身并不制定標準，而是主要以白皮書、需求文檔發布以及Liaison形式輸出并影響產業界及相關標準化組織。

值得一提的是，NFV這一思想得到幾乎所有的主流運營商的支持，在工作組成立的短短2個月之內，由運營商反饋的關于網絡功能虛擬化的關鍵問題超過50個。不僅如此，包括Cisco、Ericsson、HP、Huawei、Intel在內的等眾多廠家積極反饋，明確表示對NFV的歡迎和支持。截至目前，已有會員61個及78個參與公司，涵蓋幾乎所有IT和電信領域的頂級運營商、設備商、IT廠商。

NFV的理念將對電信運營商及傳統電信設備商帶來巨大的沖擊。對運營商而言，這是擺脫廠商專有設備鎖定，實現更高效靈活的網絡建設與經營的關鍵。一旦虛擬化技術成功應用于電信網元，可以預見，運營商們將享受由此帶來的諸多優勢，例如：

● 隨著IT設備價格的大幅下降與普及，利用標準服務器實現電信網元將極大降低設備投資與開發成本（顯然，一臺標準服務器的價格遠遠低于一個專用的電信設備）；

● 利用虛擬化技術的能耗管理、虛擬機遷移等技術，可有效降低系統耗能，實現節能減排；

● 提高設備的資源利用率，從另一方面意味著降低成本。

● 基于通用、開放的平臺環境，有利于鼓勵創新，加速業務開發、調試與上線，這對運營商縮短推出新業務的時間，乃至實現差異化服務都有重大意義；

● 通用開放的平臺環境同樣有利于業務的更新與升級；

● 利用虛擬機的隔離機制，便于在同一平臺上實現對多制式（例如：GSM，TD-SCDMA和TDLTE），多服務（如CDN，LBS），乃至多版本（測試版本，正式版本），甚至多運營商業務的有效支持。

對傳統電信廠商而言，毫無疑問，NFV提出的用通用平臺代替自身專用私有平臺的思路，將對其開發模式直至產品線帶來巨大沖擊。同時，開放平臺的引入將鼓勵并產生更多的競爭。

中國移動在NFV的探索

作為國內在研發方面投入最多，與國際新技術保持緊密同步的運營商，中國移動從NFV成立之初就積極參與其中。我們共同撰寫并向產業界發布了《網絡功能虛擬化白皮書》，同時還積極參與其中的各個工作組的相關活動。不僅如此，早在2009年開始，中國移動就已經在無線接入網、核心網以及IP承載網的虛擬化進行不斷的探索，并取得了不少的成就和經驗。本節將就此作簡單介紹。

在無線接入網的虛擬化探索方面，首先，為了驗證通用處理平臺在無線信號處理方面的能力，我們在基于x86的標準服務器上采用純軟件的方式嘗試實現GSM、TD-SCDMA以及TD-LTE的無線信號處理，目前此套原型機系統，在GSM、TD-SCDMA標準上已經完成了與商用終端通信的目標，TD-LTE標準的原型機也與模擬終端完成了測試工作。由此證明在通用IT平臺上實現無線網絡物理層信號實時處理的可能性。然而，測試過程中我們也發現，該原型機的性能相較于傳統設備還有很大差距，并且，支持一個8天線的TD-LTE載波需要近10個CPU核，相應的功率性能比很低。

在此經驗基礎上，為了提高系統性能，我們進一步提出了專用硬件加速器的思路，采用專用硬件對部分計算復雜度高的物理層功能模塊進行處理，同時采用CPU處理層2、層3及剩余物理層功能。在最新的研究進展中，我們與合作伙伴一起，共同開發出了相應的原型機，該原型機采用商用LTE協議棧。基于此平臺，我們成功展示了世界上首個端到端ping呼叫演示。進一步的分析表明，一臺標準具有8個核的服務器可實現支持數十個的LTE載波，大大提高了CPU的處理效率。我們因此認為這種架構將是實現接入網基站虛擬化的有效方案之一。

在核心網方面，中國移動于2009年初在主導的分布式業務網（DSN）研究項目中首次提出了在通用x86平臺上采用虛擬機搭載移動核心網控制面功能的思想并展開驗證。聯合業界共同對開源及商用IMS系統、軟交換系統進行的虛擬化可行性實驗結果表明，從吞吐量及包延時的角度來看，虛擬化技術對核心網功能的影響可接受。繼而研發完成了集網元功能分布化、網元平臺虛擬化、資源管理集中化技術為一體的新一代核心網演示系統。2012年至今，公司內部開始對核心網虛擬化進行引入策略、具體實現方案及標準化的布局與研究，已經在CCSA及ITU建立核心網虛擬化項目，并積極籌備在3GPP、 NFV等組織中貢獻成果。

在IP接入和承載方面，中國移動從NFV白皮書發布起，就開始緊密關注于IP承載網絡的NFV方面的研究、產業發展和標準化。最近，我們與合作伙伴一起完成了跨數據中心NFV的原型系統，實現了數據中心網絡中負載均衡器、防火墻等功能的虛擬化和彈性擴展，并且正在將NFV的理念擴展到IP接入網中的CPE設備，使得用戶CPE的網絡功能能夠定制化，并且緊密跟蹤該領域的標準化發展，推動NFV中的業務鏈（Service Chain）技術在IETF的標準化。

結束語

隨著移動互聯網時代的到來，電信運營商們面對如何降低成本，提高網絡資源利用率，加強網絡運維的靈活性，乃至加快業務上線，實現差異化服務等方面承擔著越來越大的壓力和挑戰。

在此背景下，虛擬化技術攜其在IT行業的成功，開始進入運營商的視野，得到越來越多的關注。網絡功能虛擬化，正在成為電信行業未來發展的一個重要趨勢，勢必成為未來影響電信產業格局的一大關鍵因素。