SDN/NFV技術對電信網(wǎng)絡架構的價值和引入要點分析

史凡 中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

解云鵬 中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

胡曉娟 中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

王波 中國電信集團公司業(yè)務經(jīng)理，高級工程師

網(wǎng)絡技術——未來網(wǎng)絡專題

SDN/NFV技術對電信網(wǎng)絡架構的價值和引入要點分析

史凡 中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

解云鵬 中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

胡曉娟 中國電信股份有限公司北京研究院高級工程師

王波 中國電信集團公司業(yè)務經(jīng)理，高級工程師

電信運營商的傳統(tǒng)網(wǎng)絡架構存在著一系列的不足，在互聯(lián)網(wǎng)化的大趨勢下亟待進行革新和演進。SDN/NFV技術在解決現(xiàn)有電信網(wǎng)絡架構弊端方面，具有明顯的優(yōu)勢和價值。本文基于對網(wǎng)絡架構的解析，結合SDN/NFV的各自特點，針對性提出其引入的價值點、典型場景和技術部署的難點，希望拋磚引玉，引起業(yè)界同仁的關注和重視。

網(wǎng)絡 架構 SDN NFV

1 引言

經(jīng)過多年的發(fā)展，目前電信運營商網(wǎng)絡基本上都形成了各專業(yè)網(wǎng)架構基本扁平、IT和業(yè)務平臺承載在基礎網(wǎng)絡之上且逐步發(fā)生融合的垂直架構，但該架構比較封閉，網(wǎng)絡功能與業(yè)務能力耦合度高，網(wǎng)絡設備以分布式控制為主，種類眾多，缺乏統(tǒng)一的全局網(wǎng)絡視圖。

這一封閉的網(wǎng)絡架構特征可以滿足傳統(tǒng)電信化的以網(wǎng)絡為核心的業(yè)務提供模式，也在支撐現(xiàn)有互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡和業(yè)務發(fā)展方面發(fā)揮了重要的作用；但隨著基礎業(yè)務和新興業(yè)務領域的互聯(lián)網(wǎng)化發(fā)展，已經(jīng)越來越難以匹配網(wǎng)絡能夠主動適配業(yè)務需求的趨勢了。

具體來說，現(xiàn)有的電信網(wǎng)絡主要需要解決以下幾個難題：

（1）擴展性問題

現(xiàn)有網(wǎng)絡的功能和能力主要由單一專業(yè)的設備和軟硬件決定，通用化不足，導致了網(wǎng)絡類型龐雜、設備數(shù)量眾多，在上層業(yè)務和應用提出新的承載要求和容量彈性伸縮需求時，無法快速、有效地得到滿足。

（2）開放性問題

現(xiàn)有網(wǎng)絡的網(wǎng)元與業(yè)務的耦合度較高，往往因為單一業(yè)務功能形成專有的網(wǎng)絡環(huán)境，自上而下出現(xiàn)獨立的“煙囪群”，資源不能共享，接口難以開放，無法便捷地被快速變化的互聯(lián)網(wǎng)應用所調用。

（3）集約化問題

現(xiàn)有網(wǎng)絡的建設、部署和運營，主要基于骨干、省、本地的架構進行，影響業(yè)務提供的統(tǒng)一性和有效性。

2 SDN和NFV對網(wǎng)絡架構演進的價值

SDN是一種網(wǎng)絡架構的創(chuàng)新，其基于網(wǎng)絡云化來重新定義網(wǎng)絡架構，主要借助轉發(fā)和控制分離來實現(xiàn)網(wǎng)絡的虛擬化，通過將整網(wǎng)作為資源池，可進行統(tǒng)一集中調度，提升用戶體驗和提高網(wǎng)絡利用率，并開放API，支持流量經(jīng)營。

NFV則是業(yè)務使能的創(chuàng)新，其著重在設備的云化，重新定義設備的基礎架構，主要通過軟硬件解耦實現(xiàn)網(wǎng)絡功能的虛擬化，利用硬件作為資源池，根據(jù)業(yè)務量的變化自動動態(tài)伸縮，提高硬件利用率和靈活高效部署。

具體來說，SDN/NFV的技術特點和影響主要表現(xiàn)在：

（1）轉發(fā)與控制分離，利用集中控制增強網(wǎng)絡智能

SDN控制器的引入以及對轉發(fā)設備控制面的剝離將會形成轉發(fā)面與控制面物理上的分離，并形成一個SDN控制器同時控制多臺轉發(fā)設備的集中控制形式。這樣就簡化了對基礎設施（轉發(fā)層設備）的要求，并將網(wǎng)絡的“大腦”轉移到了可以相對集中部署的控制器中，從而便于智能操作系統(tǒng)的實施。

（2）硬件設備通用化，設備形態(tài)歸一化

NFV的快速成熟會推進網(wǎng)絡硬件設備通用化的進程，目前網(wǎng)絡中多類型的硬件設備的局面將逐漸被打破，如BRAS、SR、MME、HSS、PCRF、OCS等設備未來很可能將會被“統(tǒng)一的、標準化的硬件平臺（X86服務器）+專用軟件（VNF功能）”所取代，從而降低設備成本，簡化網(wǎng)絡的部署要求，實現(xiàn)資源的靈活調度。

（3）網(wǎng)絡提供開放可編程能力，吸引第三方應用

SDN引入實現(xiàn)了轉發(fā)面協(xié)議和應用接口的開放，其中前者允許SDN控制器控制轉發(fā)設備的配置以及相關轉發(fā)行為，后者使運營商或者應用APP能夠根據(jù)自己的需要靈活增加、刪除業(yè)務，并允許用戶進行定制或二次開發(fā)。

轉發(fā)面協(xié)議和應用接口的開放使得網(wǎng)絡縱向上具備開放可編程的能力，能夠快速滿足用戶的各種業(yè)務需求，提升用戶的體驗，對第三方應用具備較強的吸引力。

此外，引入SDN/NFV的網(wǎng)絡將會具備全局視圖和全局優(yōu)化的能力，以及更加靈活的業(yè)務部署和快速業(yè)務創(chuàng)新能力，同時網(wǎng)絡智能化管理和業(yè)務自動化部署能力也將得到進一步提升。

從而，進一步對應到上述的現(xiàn)網(wǎng)架構的問題，SDN/NFV的價值主要在于：

●簡化網(wǎng)絡，實現(xiàn)柔性

SDN降低了對基礎設施的要求（只關注純轉發(fā)），NFV則進一步促進了硬件的標準化和歸一化，都使得網(wǎng)絡資產可以由重變輕，從而網(wǎng)絡資源和能力能夠根據(jù)業(yè)務所需進行擴容和縮容，縮短Time to Market的時間。

●軟硬件解耦，能力開放

軟硬件解耦后，使得網(wǎng)絡的智能進一步從網(wǎng)元設備中解放出來，促成了網(wǎng)絡的智能操作系統(tǒng)/平臺的形成，通過開放的API，降低了業(yè)務對網(wǎng)絡穿透的要求和難度，可以加快網(wǎng)絡能力的對外開放。

●集中調度，促進集約

在SDN架構中的控制器及NFV架構中的Orchestrator等的設計，加強了網(wǎng)絡資源的集中管理，向下可以與基礎網(wǎng)絡設施融合加快能力引入，向上可以和IT系統(tǒng)（如OSS）整合方便業(yè)務調用，從而在單一的體系/系統(tǒng)下使得業(yè)務對網(wǎng)絡的集約調配。

●集中運營，破除壁壘

在SDN和NFV的體系中，都強調了統(tǒng)一運營平臺或系統(tǒng)的概念（如NFV中的MANO），這在技術上和架構上提供了集中運營的基礎和理念，為將網(wǎng)絡管理和控制權力的上收提供了技術手段。

3 SDN/NFV在運營商現(xiàn)網(wǎng)中引入的典型場景

對于電信運營商來說，雖然SDN/NFV對于整體網(wǎng)絡架構有著非凡的意義，但也不太可能是在全新的網(wǎng)絡基礎上引入和部署的，需要充分考慮現(xiàn)網(wǎng)存量的特點和需求。總體來說，在IP網(wǎng)、傳輸網(wǎng)、IDC和IMS等多個場景下，SDN/NFV都有其特殊的價值。

（1）IP網(wǎng)

目前，IP骨干網(wǎng)雖然具備大容量、扁平化的特點，但是在流量調度方面還缺乏足夠的靈活性，使得網(wǎng)絡的可擴展性不足，難以對應用需求進行快速響應。目前的IP骨干網(wǎng)多數(shù)采用IGPMetric和BGP策略進行流量調度，IGPMetric牽一發(fā)而動全身，缺乏全局視圖；BGP策略管控復雜，難以大范圍使用。

為此，基于SDN對轉發(fā)設備進行抽象和簡化，使得現(xiàn)有的路由器平臺在分布式路由協(xié)議的基礎上，借助標準化的南向接口協(xié)議，可實現(xiàn)設備功能抽象（降低路由器設備的復雜度），實現(xiàn)靈活的控制與轉發(fā)。

而IP城域網(wǎng)主要存在的問題是業(yè)務能力與網(wǎng)絡設備功能相關。其中，部分設備功能復雜，部署與維護困難，如層次化QoS應用等。此外，設備功能升級困難，影響新業(yè)務快速部署。

為此，可以在城域網(wǎng)內推進智能邊緣的虛擬化，BRAS/SR/MSE采用標準化服務器，降低對硬件要求；而業(yè)務功能采用模塊化軟件實現(xiàn)，新業(yè)務功能不再依賴物理硬件，升級及部署簡單。同時，結合業(yè)務鏈技術，還可以提升網(wǎng)絡智能化管理和業(yè)務自動化部署能力。

（2）傳輸網(wǎng)

目前的傳輸網(wǎng)主要采用靜態(tài)網(wǎng)管配置方式，并且與所承載的應用和客戶網(wǎng)絡是分離的，因此無法有效地應對越來越多的動態(tài)業(yè)務需求，如面對業(yè)務發(fā)展產生的臨時性大帶寬需求、按需求迅速地開通、修改和拆除電路連接的能力。同時，目前開通一條傳輸專線業(yè)務往往需要幾周甚至幾個月的時間，而專線業(yè)務的合同服務期限至少是幾個月到幾年。為了支持未來動態(tài)的網(wǎng)絡業(yè)務應用模式，要求能夠在幾分鐘甚至幾秒鐘的時間內開通業(yè)務，而且為了進一步提高效率和降低成本，用戶申請和配置網(wǎng)絡帶寬等屬性須盡可能減少人為干預。

為此，可以利用SDN的開放性和集中控制的特點，實現(xiàn)對跨廠商、跨域組網(wǎng)環(huán)境的統(tǒng)一控制和管理。還可以通過北向API接口的標準化和開放，在傳送網(wǎng)上提供多項新型業(yè)務，例如虛擬傳送網(wǎng)業(yè)務（VTNS）、帶寬按需點播（BoD）、客戶自定義的路徑選擇等。借助開放API接口，傳送網(wǎng)還能夠感知客戶層的動態(tài)業(yè)務需求，包括帶寬、時延、位置和時間段等；傳送SDN控制器可以根據(jù)這些業(yè)務信息，實現(xiàn)更好的服務響應和更高的網(wǎng)絡資源利用率。

（3）IDC

目前，IDC網(wǎng)絡已經(jīng)無法滿足云計算調度和共享的需求，主要表現(xiàn)在：

●云資源池內部網(wǎng)絡設備眾多，網(wǎng)絡特征復雜，基于繁雜的點對點手工配置，拖累用戶需求響應速度。

●網(wǎng)絡拓撲難以清晰展現(xiàn)，特別是租戶網(wǎng)絡系統(tǒng)與整體云資源網(wǎng)絡無法呈現(xiàn)對應關系，導致運維復雜。

●無法靈活實現(xiàn)多租戶環(huán)境，租戶之間隔離難度大，網(wǎng)絡資源無法靈活共享與調度，特別是涉及到跨云數(shù)據(jù)中心的組網(wǎng)。

●不同租戶的網(wǎng)絡流量、安全策略、性能要求等不同，資源池網(wǎng)絡無法動態(tài)感知租戶的需求，造成資源浪費或過載。

為此，SDN引入可以實現(xiàn)對IDC網(wǎng)絡策略的統(tǒng)一配置以及對網(wǎng)絡資源的靈活調度。一方面通過SDN控制器感知IDC鏈路帶寬利用率，收集、分析IDC內外的流量分布情況，通過統(tǒng)一計算，調配可用鏈路，并生成轉發(fā)路徑下發(fā)給數(shù)據(jù)中心轉發(fā)設備，實現(xiàn)鏈路帶寬資源的有效利用（目前Google利用SDN已經(jīng)將鏈路利用率提高到90%以上）；另一方面，當虛擬機遷移時，SDN控制器可感知到虛擬機遷移前后的源、目的位置，并將源交換機上的相關策略轉移到目的交換機上，提供跨DC的大二層網(wǎng)絡條件，并支持網(wǎng)絡策略的同步遷移。

（4）IMS

現(xiàn)有的IMS網(wǎng)絡中，硬件資源均處于設備專用狀態(tài)，不同的設備間硬件資源無法統(tǒng)籌調度。同時，各地的IMS設備獨立建設，暫未實現(xiàn)跨地域的直接互通，資源也就無法統(tǒng)一進行調度。這些都造成了IMS網(wǎng)絡在提供互聯(lián)網(wǎng)相關的多媒體業(yè)務方面和提供政企業(yè)務方面的能力不足。

NFV技術在資源靈活調度方面的優(yōu)勢可以滿足IMS設備多媒體業(yè)務的資源需求，如IM、RCS業(yè)務等。這樣可以便于資源靈活調度，實現(xiàn)錯峰消谷，滿足突發(fā)業(yè)務的資源需求。同時，虛擬化的IMS網(wǎng)絡在資源組織方面可以隔離部分資源，滿足資源專有性的安全需求；還可以快速調度資源，為政企客戶快速組織專有IMS網(wǎng)絡。典型網(wǎng)絡引入SDN/NFV分析參見表1。

4 運營商網(wǎng)絡引入SDN和NFV的技術挑戰(zhàn)

表1 典型網(wǎng)絡引入SDN/NFV分析

然而，在現(xiàn)有存量網(wǎng)絡基礎上的逐步演進，引入SDN和NFV還需要考慮相關的技術問題，特別是在具體部署和實施上，還有很多細節(jié)需要考慮。

當前，對于運營商來說，SDN/NFV的引入主要面臨以下幾方面的挑戰(zhàn)：

（1）標準化問題

目前，SDN標準眾多（尤其是南向接口），多個標準組織分庭抗爭，無法形成合力。SDN標準體系是否要統(tǒng)一或能夠統(tǒng)一還有爭論，SDN控制器的實現(xiàn)方式、控制器件的東西向接口等方面規(guī)范均有待完善。NFV則引入了MANO云管理架構，對原運維管理層次進行了重新劃分，形成縱橫兩個維度的管理體系，但與相關體系/系統(tǒng)間的接口只定義了功能，并未指明具體要求及如何實現(xiàn)，急需加以明確和規(guī)范。

（2）安全性和可靠性問題

SDN的集中控制方式及開放性使得安全性成為潛在風險，如應用訪問授權及認證問題、虛擬化后的網(wǎng)絡隔離問題、控制器本身的安全問題等，需要從芯片到系統(tǒng)建立一整套安全機制來確保其安全穩(wěn)定運行。此外，傳統(tǒng)的電信網(wǎng)絡設備需要5個9的高可靠性，而采用NFV虛擬化技術的通用設備顯然不能達到該要求。

（3）性能問題

現(xiàn)有ASIC芯片架構無法滿足SDN對性能的需求，現(xiàn)有廠商設備在SDN組網(wǎng)關鍵指標（流表容量、流表學習速度、流表轉發(fā)速率、轉發(fā)時延等）上無法滿足商用要求，基于OpenFlow的專用芯片架構及實現(xiàn)方案還有待開發(fā)。同時，通用設備的計算/存儲能力雖然已能與電信專用設備相比擬，但其轉發(fā)性能目前仍大大低于電信專用設備。

（4）網(wǎng)絡平滑演進問題

SDN的引入將帶來網(wǎng)絡能力開放化及管理控制集中化等網(wǎng)絡架構上的改變，如何實現(xiàn)從現(xiàn)有網(wǎng)絡平臺向新網(wǎng)絡架構的平滑演進，解決網(wǎng)絡的兼容性和混合組網(wǎng)等對運營商提出了新難題。

5 結束語

從上述分析可見，傳統(tǒng)的電信運營商在面向互聯(lián)網(wǎng)應用的網(wǎng)絡架構轉型過程中，SDN/NFV是解決原有網(wǎng)絡不足的重要手段和途徑，具有非?，F(xiàn)實的價值和意義。但在具體網(wǎng)絡中部署需要結合運營商的現(xiàn)實場景，特別是存量網(wǎng)絡的特點，進行針對性的方案設計和考慮。同時，SDN/NFV的技術本身也存在著不少的難題和部署障礙，需要進一步深入研究給出對策。

此外，從運營機制、人才隊伍、研發(fā)模式等方面，也是SDN/NFV能否真正落實，發(fā)揮效用的必要條件，限于篇幅，在此沒有重點介紹，但也是運營商從業(yè)人員需要關注和思考的方面。

1 韋樂平.SDN的戰(zhàn)略性思考.2014中國信息通信業(yè)發(fā)展高層論壇.2014,9

2 夏旭,史凡,胡曉娟,毛聰杰,王波.基于SDN的彈性和綠色移動網(wǎng).電信技術.2014,4

TheAnalysis of theValue andNodusaboutSDN/NFVonTelecomNetwork Architecture

There are lots of disadvantages in the traditional telecom network architecture, as is needed to be innovated, especially with the fast develop of Internet.We find that the SDN/NFV technology have its obvious value in solving the problems mentioned on the network architecture. This paper will show you the distinguishing feature of SDN/NFV and the value，scenes and nodus on its deployment in existed network, following with the analysis on network architecture.We want to getenough attentiononthis issue from the readers.

NetworkArchitecture,SDN,NFV

2015-03-10）