基于NFV技術的移動通信網絡發展趨勢

中國移動通信集團廣東有限公司 王 華

1 引言

網絡功能虛擬化（NFV：Network Function Virtualization）已成為近年來新一代移動通信網絡發展的熱點，從多方面影響著整個通信網絡產業的發展方向和進程。NFV被認為是下一代移動通信網絡變革的關鍵技術之一，已納入移動通信網絡的發展大綱。隨著移動通信網絡的發展，尤其在4G網絡的部署和商用，整個移動通信網絡已經向扁平化、IP化演進。傳統的軟件和硬件結合組建網絡的方式，造成資源不易共享，業務無法交叉融合，升級改造難，使得網絡運營成本負擔太重。為了打破這種垂直封閉的一體化架構，NFV

技術應運而生。

2 NFV技術簡介

NFV簡單的理解就是把網絡通信設備從目前專用平臺遷移到標準化、高性能、大容量的服務器上。在行業標準服務器硬件上運行軟件實現網絡功能，并且可以根據需要遷移到網絡中的各個位置，而不需要安裝新設備。當前移動通信網絡使用的各種網絡設備，均是在私有平臺部署的，各種網元都是封閉的機框，各種機框間硬件資源無法共享，網絡設備擴容必須增加相應的硬件資源，縮容后硬件資源又將閑置，耗時長，彈性差，成本高。而NFV就是使各種網元變成了獨立的應用，靈活部署在基于標準的服務器，存儲，交換機構建的統一平臺上，每個應用可以快速增加減少虛擬資源來達到快速縮擴容的目的，大大提升網絡的彈性[1]。基于上述目標，NFV技術以云計算和虛擬化技術為基礎，將通用的COTS計算/存儲/網絡硬件設備通過虛擬化技術可以分解成多種虛擬資源，供上層各種應用使用，同時通過虛擬化技術，使得軟件應用與硬件解耦，使得資源的供給速度大大提高。圖1為NFV的標準架構。

圖1 NFV標準架構

3 移動通信網絡架構現狀

移動通信網絡從2G、3G逐步演進到LTE，已是包含多種接入技術的網絡。不僅包括GSM、TD_SCDMA、WCDMA、TDDLTE、FDDLTE等3GPP接入技術，而且包括CDMA2000、WLAN等非3GPP接入技術[2]。傳統的移動通信網絡協同能力有限，融合交互能力不強，無法實現高效的資源協同調度、移動性管理和網絡安全管理等功能。在下一代移動通信的研究中，運營商越來越認識到網絡容量提升的重要性和迫切性。

傳統移動通信網絡都是基于專有網絡硬件平臺實現的，隨著網絡流量的迅速增長和新型互聯網業務需求的不斷涌現，僅僅通過增加新網元和新接口來擴容和增添新功能，將導致升級困難、擴展性查、資源利用率低、運維困難、能耗高、成本大等問題。在傳統的移動通信網絡架構中都是采用集中式一體化的錨定網關模式，而這種架構中，網絡業務收斂模式過于單一，將使得網絡對業務感知適配能力差，不同業務的控制和承載管理不夠動態。這樣一來，導致缺乏網元功能的可編程能力和網絡的可編排能力，都無法靈活的構建功能配置和業務升級部署。如今移動通信網絡越來越復雜，設備種類繁多、架構臃腫，性能提升緩慢，導致運營商的維保成本巨大。現有的接入側不能實現無縫切換，核心側控制面過于分散，數據面過于集中，使得成本和收益形成剪刀差。現行這種垂直一體化的封閉網絡體系和耦合私有的網元架構，注定了很多網絡行為的不確定性，難以滿足可控、可管的Qos標準[3]。為此，亟需要進行網絡架構的變革，一方面去降低網絡擴容、升級改造的難度，另一方面去降低運營商網絡建設運維的成本。

4 NFV技術對移動通信網絡的影響

NFV技術利用軟硬件解耦及功能抽象，以虛擬化技術降低昂貴的設備成本費，根據業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離等步驟，讓運營商將承載各種網絡功能的通用硬件與云計算虛擬化技術相結合，實現網元虛擬化和虛擬網絡可編程，簡化網絡升級的步驟和降低購買新專用網絡硬件的成本，把網絡技術重點放到部署新的網絡軟件上。從而將IT產業的標準化的硬件平臺和云計算平臺的優勢引入電信領域，構建了一個更加開放、靈活、高效的網絡架構。NFV對運營商網絡中各類功能網元的在網形態有了明顯的改變，即基于統一云平臺的NFV虛擬功能網元取代了傳統軟硬一體化網元，虛擬的接口/鏈路代替了原來的實體接口/鏈路，但每個功能網元在邏輯上與傳統網元的功能及地位完全相同。同時，NFV架構還考慮了站點內虛擬機、云資源中硬件資源的內部可靠性，即網元間組池，異地容災備份等網絡級的安全性要求[4]。

目前，移動通信網絡的接入網、核心網和 IMS 網絡是 NFV 的重點目標網絡。我們以移動通信網絡的核心網為例，將移動通信網絡的核心網網元的控制與轉發完全分離，剝離網元的控制功能，由控制面負責移動性管理和會話管理，轉發面不再參與控制管理[5]。在NFV方案中，將MME、PGW、SGW、SGSN、GGSN、PCRF、CG等核心網網元均作為虛擬網絡功能（VNF），以虛擬機的形態部署在NFVI虛擬化平臺上。這樣核心網網元功能能通過資源虛擬化技術，使用NFVI提供的計算、轉發、存儲等資源。這樣一來，功能的升級和新功能的引入對硬件平臺的依賴性小，網絡改造效率高。不需要改變網絡拓撲，就可以增加計算、存儲、連接等網絡擴容資源。動態的共享平臺實現了網絡功能資源互補性或峰谷互補性，達到了資源的節省和節能減排的作用。在核心網的NFV部署場景中，網絡邏輯架構沒有發生改變，而將云平臺中的虛擬化網元實現高效的部署與有效的管理，而移動網絡管理架構與虛擬化平臺實現深度融合[6]。此外，不同網元功能的實體已經不在具有原有的硬件形態，而是虛擬軟件形態集中統一部署在云計算數據中心，將網絡實體功能的子模塊進行更深層次的解耦和重分配，實現移動網絡架構的重新定義。圖2為vEPC系統的NFV部署圖。

圖2 vEPC系統的NFV部署圖

5 結束語

綜上所述，隨著移動通信網絡的發展，下一代網絡必將引進更多的IT技術，這也促使CT與IT兩個領域的技術不斷融合，在業務模式上日漸趨同。移動端互聯網應用是未來移動通信網絡的主流業務，為了應對這種移動互聯網的浪潮，NFV的研究已經深入到電信領域的諸多方面，成為了運營商關注的重點。NFV所提出的軟硬件解耦，虛擬化等技術，將改變現有移動通信網絡的架構和設備形態，進而對下一代移動通信網絡的部署、運營管理方式和電信領域的商業模式帶來深刻的影響。

[1]劉慧,李俠宇,朱浩．未來移動通信網絡架構演進及其關鍵技術研究[J]．電信網技術,2015(12)∶30-34．

[2]夏旭,毛聰杰,史凡,孫震強,王波．基于SDN/NFV的演進移動核心網研究[J]．互聯網天地,2015(04)∶18-22．

[3]孫金霞,孫紅芳,韋芳．關于NFV與SDN的基本概念及應用思考[J]．電信工程技術與標準化,2014,27(08)∶1-5．

[4]倪慧,譚仕勇,胡偉華．基于SDN與NFV的移動核心網演進[J]．電信網技術,2014(08)∶16-19．

[5]Khaled Almustafa,Mamdouh Alenezi．Cost Analysis of SDN/NFV Architecture over 4G Infrastructure[J]．Procedia Computer Science,2017,113．

[6]Rogerio C．Turchetti,Elias P．Duarte Jr．．NFV‐FD∶ Implementation of a failure detector using network virtualization technology[J]． International Journal of Network Management,2017,27(6)．