基于NFV技術的未來通信網絡架構與運維體系＊

王大鵬 上海貝爾股份有限公司高級產品經理

沈蕾 上海貝爾股份有限公司技術標準總監

鄒立 上海貝爾軟件有限公司研發經理

基于NFV技術的未來通信網絡架構與運維體系＊

王大鵬 上海貝爾股份有限公司高級產品經理

沈蕾 上海貝爾股份有限公司技術標準總監

鄒立 上海貝爾軟件有限公司研發經理

NFV技術的不斷發展給通信網絡帶來了深刻的變化。這些變化在提升了網絡的靈活性、擴展性、簡單性的同時，也帶來了一些傳統網絡在建設和管理過程中所未曾面對的問題。本文討論了基于NFV技術的未來通信網絡架構與運維體系，并分析了包括網絡體系架構、人員技能、運維流程等方面將發生的相應變化，為實現通信網絡向功能虛擬化演進提供基本原理與依據。

NFV 體系架構 運維體系

1 引言

NFV的出現對電信設備供應商既是一次挑戰，也是一次機遇。運營商面臨著移動互聯網應用的迅猛發展，帶寬的需求量逐漸變大，而相應的收益并沒有呈現線性增加，在運營成本和收益上面臨著雙重壓力。引入NFV旨在降低成本、降低系統復雜性、增加業務靈活性，從而使運營商更具有競爭力。

NFV的出現將改變電信設備供應商的傳統銷售模式，各類專有硬件的銷售將被運營商統一建設的云計算資源池所取代，業務系統的虛擬化版本以軟件的形式進行銷售。在銷售業績和各類網元產品的升級方面均帶來了巨大的挑戰。

另一方面，NFV將加速電信設備供應商在IT和CT兩個方面的融合。通過在電信產品中逐步加入和豐富IT相關的關鍵技術，提升產品的開放性和通用性，并在此基礎上進一步激發新產品的創新，為產業鏈的整合和發展提供更強的推動力。

2 NFV的發展階段

著眼于全球范圍內NFV理念與實踐、標準與部署，NFV的發展將經歷3個階段，即探索期、試驗期、商用部署期。

自2010年起，行業便開始了對NFV進行研究，探索期內標準化組織進行了積極的活動和相關理論的研究；從2013年開始，NFV進入了試驗期，全球范圍內的主流運營商與主流電信設備供應商便開始合作，在實驗室里進行相關技術和產品試制和驗證工作，目前中國運營商也分別開展了相關的實驗室測試工作；接下來的3年，將是各種虛擬化的網絡功能集中開始部署的階段，產業環境將步入商業使用期。

3 基于NFV技術的未來通信網絡架構

通過引入NFV，通信網絡將在靈活性、擴展性、簡單性方面得到提升。圖1展示了網絡功能虛擬化NFV如何完成水平模式向垂直模式轉變，即傳統的軟件與硬件綁定模式轉變為網絡功能軟件部署于通用服務器、存儲、交換機組成的云計算資源池上。同時，部署管理、策略管理、通用生命周期管理框架等共性功能被提取至云平臺中，從而實現虛擬化NFV基礎架構資源的統一管理和調度。

這種模式的轉變將促使電信運營商的運維體系發生改變。在新的體系下由一個機構或部門負責維護共享的NFV基礎架構，同時該基礎架構被另外一些機構或部門來運維虛擬化的網絡功能，為企業或終端用戶提供諸如VoLTE、EPC、IMS、CDN、IPTV等業務。

圖1 網絡架構從垂直模式向水平模式遷移

圖2 NFV端到端系統架構

隨著京東、迪信通等以業務運營為主的虛擬運營商和以鐵塔公司為代表基礎架構服務提供商的出現，基于NFV技術的通信網絡將演進出以提供業務為主的虛擬化網絡功能服務提供商，和以提供基礎架構為主的虛擬化網絡基礎架構提供商。虛擬化網絡功能提供商將專注于如何提升業務服務水平，而基礎架構提供商將專注于如何提升共享基礎架構的穩定性和性能。

作為通信網絡的演進方向，端到端的NFV系統架構中包括實例側與相應的管理側（見圖2）。實例側包含通用硬件、虛擬化軟件、業務網元軟件、OSS系統等。管理側包括虛擬資源管理器、虛擬網元管理器以及編排器等。

在新的架構中，系統自下而上被劃分為硬件層、云資源管理層、虛擬化網元層。市場通常要求3層之間保持相對獨立，之間通過標準化的接口實現不同供應商產品之間的兼容性。

硬件層與云資源管理層之間的兼容性相對較為成熟，開源軟件OpenStack作為基礎架構管理層對X86通用服務器可以起到較好的支持。但云資源管理層在兩個方面仍存在較大的挑戰：一個是面向網絡功能業務運維要求實現自動化程度較高的管理流程；另一個是對包括SDN、跨數據中心等復雜網絡的有效管理。云資源管理層與虛擬化網元層之間因供應商產品間兼容性問題，通常實現困難較大。從目前全球主流運營商進行實驗室測試和試商用的情況來看，虛擬網元與云資源管理通常由同一供應商提供，從一定程度上加速了NFV向商業部署的速度。

4 NFV帶來運維體系的演進

基于NFV技術的未來網絡架構發生的改變將對運維系統產生深刻的影響，包括操作流程、人員技能、管理工具、指標要求等都需要改變。

（1）運維流程

新業務的上線通過基于NFV平臺的自動化部署來實現；上線后相應的保障、故障告警、故障分析、系統恢復等都由NFV平臺自動執行。ETSI的NFV相關標準化規范詳細定義了各種流程的觸發以及系統內部的操作流程，設計的總體理念：盡量減少人為的干預，讓物理資源實現充分共享的前提下，提高復雜網絡功能系統的生命周期管理自動化水平，從而同時降低固定資產和運維成本的投入，并且讓系統的易用性得到大幅增強。

NFV基礎架構可以按需為網絡功能的部署提供資源，這也將改變網絡服務提供商的業務發展和運維支撐的模式。傳統運營商的業務一般需要提前幾個月甚至更久的時間，根據對業務發展的預測來認真進行規劃，而基于NFV來進行業務的部署可以實時地根據業務情況動態地調度云數據中心里的資源，并且優先選擇物理位置貼近終端或者企業用戶的資源來提升服務質量。業務管理部門可以根據業務發展需求靈活地增加和減少資源，既增加了靈活性也大幅降低了探索新業務帶來的財務風險。

新體系架構中相關角色在運維過程中所承擔的責任和工作范疇有著不同的分工。NFV平臺的建設和維護部門提供虛擬化資源、配置調度引擎、公共基本服務模塊（如負載均衡、防火墻等）等，而負責虛擬化網絡功能建設和運維的部門加載虛擬化的網元軟件，由NFV平臺自動根據需求調用相應虛擬化資源拼裝成可供服務的上線業務。

從宏觀上來看，系統的建設和運維全周期，將包括規劃與設計階段、產品生命周期管理階段以及網絡功能運行維護階段。規劃與設計階段主要圍繞系統建設目標（如承載的網絡元類別）和容量規模進行設計；產品生命周期管理階段，主要進行基礎架構建設，云平臺搭建，擬承載虛擬化網元的部署準備等；網絡功能運行維護階段，將實現業務開通、保障和計費。

（2）人員技能

基于NFV技術的未來電信網絡架構的演進對運維流程產生了深刻的影響，電信技術與IT技術的融合對參與系統的運維團隊也提出了技能方面的新要求。

對于NFV基礎架構的管理人員，要求除了傳統的數據中心IT運維技能，還要求對虛擬網元的架構有一定的理解，例如當業務網元生命周期管理過程中需要進行手動擴容縮容的時候，操作人員要能夠理解業務的基本需求。

對于虛擬網絡功能的管理人員，要求除掌握業務部署和管理的能力外，還要對云相關的IT技術有一定了解，例如當業務出現故障告警時，能夠識別故障中是否由基礎架構相關的因素導致。

（3）靈活計費模式

網元的虛擬化實現讓業務的管理復雜度降低，操作更簡單，業務上線時間更短、更容易，對于不成功的業務下線導致的財務風險也就更低。這將激發虛擬運營商為代表的產業鏈上游對業務拓展的熱情，并且隨著NFV的技術的發展，產業鏈劃分將更加細化。圖3描述了這種變化，終端和企業用戶將使用由虛擬化網絡功能服務提供商所提供的服務，并繳納相應的業務使用費用。而網絡功能服務提供商除了需要支付自有人員的人工成本和運營費用外，還要依賴于另外兩個角色：網絡功能基礎架構服務供應商和網絡功能軟件供應商。

網絡功能基礎架構服務提供商，通常由大型網絡運營商搭建云計算基礎架構的部門來擔任，負責NFV基礎架構的建設和維護。包括計算、存儲和網絡連接等資源被虛擬化之后，一方面提供給運營商自行運維的業務來使用，另一方面也可以租給虛擬運營商等網絡功能虛擬化服務提供商來使用。

網絡功能軟件供應商通常由傳統電信業務設備供應商演進而來，負責虛擬化網元軟件的發布和維護。與傳統軟硬件綁定的模式不同，虛擬化的網絡功能軟件按使用規模和時間向網絡功能服務提供商收取租賃費用。

圖3 基于NFV技術業務的靈活計費關系

圖4 VNF網元軟件生命周期管理

（4）VNF生命周期管理

在傳統網元業務生命周期管理模式下，包括安裝、擴容、升級等操作通常需要較長時間和經歷相對非常復雜的過程，而且在這個過程中的絕大多數工作更多依靠運維管理人員和工程師手動完成。為了盡量降低由手動操作引入的系統性風險，通常需要遵循一套繁雜嚴格的管理流程，這帶來了時間和成本上的雙重開銷。

NFV為網元軟件的生命周期管理帶來了更多的自動化的操作方式，讓管理操作更加簡便，增加了靈活性，降低了運維管理成本和故障導致的開銷。圖4描述了虛擬化網元軟件在進行生命周期管理的不同階段劃分，包括策略制定、計劃、上線前準備、運行態維護、計劃內操作。

（5）NFV生態系統

包括通用硬件供應商、云管理平臺軟件供應商、虛擬化網元軟件供應商、運營商共同組成了NFV生態環境系統。不同的商用產品通過開放接口相互合作，實現端到端的解決方案。

與此同時，開源軟件在NFV生態系統的發展過程中起到了非常重要的作用，例如OpenStack等開源軟件在行業標準的實現過程中起著積極的影響。開源軟件在核心功能實現，API接口定義和實現，關鍵功能插件，云化應用的部署方法描述的格式定義等已經有相應的實現，從一定程度上正在成為事實上的行業標準。主流的開源軟件，通常都有若干企業發行商業版本，并提供相應商業支持。

NFV生態系統為網絡功能虛擬化帶來多種價值，包括整合經驗成熟的網絡功能，例如LBaaS和FWaaS等，方便復雜的大型虛擬化網絡業務的集成。

（6）NFV基礎架構平臺

NFV的實現基于云計算技術，與傳統業務的部署模式相比，硬件獨占性被削弱，因此從業務角度評估，計算、存儲和網絡配置等物理設備成本均有所降低。然而，NFV基礎架構的服務標準必須符合電信級的穩定性標準，因此必須通過一套專業的NFV基礎架構管理軟件才能實現HA模式、SLA管理、故障定位與告警等功能。

NFV平臺除實現虛擬層功能外，也應該提供VNF生命周期管理過程中需要的管理功能，以及面向網元部署的資源編排和調度功能。在網絡方面，除了兼容通用網絡設備的管理外，也應該支持對軟件定義網絡產品SDN的集成能力。

5 結束語

NFV技術已經進入了快速發展的階段，上下游產業鏈逐漸成熟，國際上主流電信服務提供商開始將NFV技術從實驗室逐漸引入到試商用和商用網絡。在電信網絡的網絡架構發生轉變的同時，運維體系也將進行相應的改變。隨著核心功能平臺和組件間接口標準化的逐漸完成，電信網絡將在未來3年快速完成向基于NFV技術的未來網絡的演進。

1 Network FunctionsVirtualisation–IntroductoryWhitePaper. http://portal.etsi.org/nfv/nfv_white_paper.pdf

2 TheNISTDefinitionofCloudComputing.National Instituteof Standards and Technology.US Department of Commerce. SpecialPublication 800-145,PeterMelland Timothy Grance. 9,2011

3 Service Quality of Cloud-Based Applications.Eric Bauerand RandeeAdams.Wiley-IEEEPress.2013

4 Eric Bauer and Randee Adams.Reliability and Availability of CloudComputing.Wiley-IEEEPress.2012

NFVBased FutureTelecom Network System Architectureand OperationModel

The fastdevelopmentofNFV technology bringssignificantchanges to communicationnetworks.Notonly benefitssuchasflexibility,scalability,simplicity,butalsonew challengeshavebeen introduced to telecom’snetworkarchitecture designand operation.ThispaperdiscussesNFV based future telecom network system architectureandoperationmodel,and analyzesthechangesinnetworkarchitecture,skills,operationwork flow,andetc.Itprovidesthebasicprinciplesfortheevolution tonetwork functionvirtualization.

NFV,architecture,operation andmaintenance system

2015-01-10）

國家科技重大專項項目（2012ZX03005-009）資助