摘要：從移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景出發(fā)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化概念、網(wǎng)絡(luò)虛擬化演進(jìn)的必要性進(jìn)行分析，指出了移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化需求，并針對(duì)移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化演進(jìn)架構(gòu)趨勢(shì)進(jìn)行探討。

1 引言

隨著智能終端的普及和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的井噴式發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的流量和信令一直處于的爆炸性增長(zhǎng)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)容量和性能本身提出了更高的要求。然而，運(yùn)營(yíng)商的收入和利潤(rùn)卻并不能隨著網(wǎng)絡(luò)中的流量而大幅增長(zhǎng)，甚至是出現(xiàn)負(fù)增長(zhǎng)，形成著名的收入和成本的“剪刀差”現(xiàn)象。究其原因，運(yùn)營(yíng)商的業(yè)務(wù)重心已經(jīng)由語(yǔ)音短信向高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)遷移，就是因?yàn)檫@些高速發(fā)展的移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)給網(wǎng)絡(luò)造成了巨大的負(fù)荷壓力。為了應(yīng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中日益增長(zhǎng)的數(shù)據(jù)流量，運(yùn)營(yíng)商不得不加大投資力度，縮短投資建設(shè)周期，對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行新建、升級(jí)或者改造，造成了巨額的網(wǎng)絡(luò)資本支出(CAPEX，Capital Expenditures)及運(yùn)營(yíng)成本(OPEX，Operational Expenditures)。

如何有效地提高網(wǎng)絡(luò)管理靈活性和設(shè)備的利用率、降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本，這是移動(dòng)寬帶時(shí)代各大運(yùn)營(yíng)商開始不得不正視并認(rèn)真思考的問題。當(dāng)前，傳統(tǒng)以專有硬件為主導(dǎo)的設(shè)備產(chǎn)品架構(gòu)、基于預(yù)先規(guī)劃的建設(shè)模式，已經(jīng)難以適應(yīng)未來高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展的要求，需顛覆傳統(tǒng)電信設(shè)備的認(rèn)識(shí)理念并利用新的技術(shù)理念來支撐新的業(yè)務(wù)模式對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源有定制化的訴求，包括設(shè)備形態(tài)、配置管理、擴(kuò)容升級(jí)等方面，以推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)向基于云化、開放的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)。

信息通信技術(shù)(ICT)融合發(fā)展背景下，電信網(wǎng)絡(luò)將借助于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV，Network Function Virtualization)技術(shù)提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率，降低運(yùn)營(yíng)商OPEX/CAPEX支出，同時(shí)還提供了高可擴(kuò)展性、多網(wǎng)融合的端到端智能管道，為用戶帶來更佳的業(yè)務(wù)使用體驗(yàn)，為運(yùn)營(yíng)商帶來新的利潤(rùn)增長(zhǎng)契機(jī)。

2 NFV技術(shù)

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備由于基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用實(shí)際需求，大多采用專有硬件平臺(tái)獨(dú)立開發(fā)，網(wǎng)元功能與硬件平臺(tái)耦合性高。NFV技術(shù)的目的是為了提供了電信設(shè)備的硬件基礎(chǔ)設(shè)施和上層網(wǎng)絡(luò)功能應(yīng)用的解耦，與當(dāng)前煙囪式、垂直化的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用部署相比較，底層資源(包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源)通過虛擬化技術(shù)進(jìn)行同構(gòu)化和歸一化，并可以被多種上層邏輯網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用所動(dòng)態(tài)共享。如圖1所示，NFV技術(shù)主要設(shè)計(jì)思路是采用通用服務(wù)器硬件平臺(tái)，在服務(wù)器之上運(yùn)行虛擬化軟件并生成虛擬機(jī)，各種網(wǎng)元以軟件的形式運(yùn)行在虛擬機(jī)之上。采用這種架構(gòu)，運(yùn)營(yíng)商將只需維護(hù)統(tǒng)一的虛擬化平臺(tái)，而不同的網(wǎng)元將以虛擬機(jī)的形式運(yùn)行在虛擬化平臺(tái)之上，新增網(wǎng)元或者網(wǎng)元升級(jí)則體現(xiàn)為新的虛擬機(jī)實(shí)例化或虛擬機(jī)中軟件版本升級(jí)。同時(shí)，由于虛擬化技術(shù)屏蔽了底層物理平臺(tái)的差異，跨網(wǎng)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(jī)動(dòng)態(tài)遷移，動(dòng)態(tài)生成等特性，結(jié)合對(duì)虛擬化平臺(tái)的智能管理，根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元的動(dòng)態(tài)擴(kuò)容、縮容，從而本質(zhì)上提高硬件利用率和軟件的可移植性，同時(shí)帶來運(yùn)維的成本和應(yīng)用部署時(shí)間的顯著降低。

毫無疑問，NFV技術(shù)理念將對(duì)傳統(tǒng)電信運(yùn)營(yíng)商及電信設(shè)備商思路帶來顛覆性的沖擊。對(duì)運(yùn)營(yíng)商而言，這是擺脫廠商專有設(shè)備的限制，實(shí)現(xiàn)更高效靈活、自動(dòng)化的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與經(jīng)營(yíng)的良好契機(jī)，然而卻無法重用現(xiàn)網(wǎng)的固有投資;對(duì)傳統(tǒng)電信設(shè)備商而言，除了需要在商用成品(COTS，Commercial Off-The-Shelf)服務(wù)器硬件平臺(tái)上滿足電信高標(biāo)準(zhǔn)業(yè)務(wù)需求，同時(shí)將與更多的IT軟件開發(fā)商展開競(jìng)爭(zhēng)。NFV技術(shù)是通信技術(shù)(CT，Communication Technology)與信息技術(shù)(IT，InformationTechnology)融合的集中體現(xiàn)，它的提出在是IT硬件平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)CT技術(shù)的思路，其將對(duì)IT和CT領(lǐng)域各自的開發(fā)模式和產(chǎn)品規(guī)劃的沖擊不言而喻。IT與CT之間的互相滲入將引入并鼓勵(lì)更多的競(jìng)合。

為了更快推動(dòng)NFV理念的推廣和產(chǎn)品和實(shí)現(xiàn)，2012年10月，13家運(yùn)營(yíng)商發(fā)起在ETSI組織下正式成立網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化工作組，即ETSI ISG NFV，致力于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的需求定義和系統(tǒng)架構(gòu)制定。ETSI NFV工作組的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)移動(dòng)和固定網(wǎng)絡(luò)各個(gè)網(wǎng)元在開放IT平臺(tái)上的虛擬化，以更低成本、更靈活運(yùn)營(yíng)應(yīng)對(duì)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代難以預(yù)測(cè)的動(dòng)態(tài)業(yè)務(wù)需求，并擺脫對(duì)廠家專用硬件系統(tǒng)、封閉軟件平臺(tái)的依賴，致力于制定網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的相關(guān)需求，并對(duì)系統(tǒng)框架進(jìn)行定義與設(shè)計(jì)，同時(shí)對(duì)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究并提供相關(guān)的差距分析(Gap Analysis)。但是，由于ETSI NFV并不是嚴(yán)格意義上的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織，本身并不制定國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)，而是以技術(shù)白皮書、需求文檔發(fā)布以及聯(lián)絡(luò)函(Liaison)形式輸出并影響產(chǎn)業(yè)界及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織。然而，ETSI NFV作為NFV領(lǐng)域最有影響力的研究組織，截止目前，ETSI NFV擁有超過170家成員單位，涵蓋幾乎所有IT和CT領(lǐng)域的頂級(jí)運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商、IT廠商，包括Cisco、Ericsson、Huawei、HP、Dell、Intel在內(nèi)的等眾多廠家積極反饋，明確表示對(duì)NFV的歡迎和支持。2014年11月，ETSINFV組織已完成第一階段工作，發(fā)布NFV技術(shù)白皮書第三版，進(jìn)展符合業(yè)界預(yù)期。

由于NFV技術(shù)顛覆了傳統(tǒng)電信封閉專用平臺(tái)的思想，同時(shí)引入靈活的彈性資源管理理念，因此，ETSI NFV提出了突破傳統(tǒng)網(wǎng)元功能限制、全新通用的NFV架構(gòu)如圖2所示。NFV技術(shù)主要由3個(gè)域構(gòu)成：網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施(NFVI，NFV Infrastructure)、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF，VirtualizedNetwork Function)和NFV管理與編排(MANO，Management and Orchestration)。

■VNF是網(wǎng)元功能的軟件實(shí)現(xiàn)，運(yùn)行于NFVI之上，比如EPC網(wǎng)元、IMS網(wǎng)元等的邏輯實(shí)現(xiàn)。

■NFVI包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)硬件資源與其相應(yīng)的虛擬化資源，以及虛擬化層，支持VNF的資源調(diào)用，比如COTS服務(wù)器、通用交換機(jī)等。

■NFVMANO在NFV框架中集中了所有NFV相關(guān)的管理功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)NFVI和VNF的管理以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)編排功能和支持虛擬化的物理/軟件資源和VNF的生命周期管理。

NFV概念架構(gòu)為NFV在不同場(chǎng)景下的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用提供了理論參考，功能模塊與接口標(biāo)準(zhǔn)將圍繞概念架構(gòu)進(jìn)行制定。

3 移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化

由于移動(dòng)核心網(wǎng)具有大量不同功能的硬件網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，因此被業(yè)界認(rèn)為是最適合并最早可以實(shí)現(xiàn)虛擬化的場(chǎng)景之一。虛擬化的移動(dòng)核心網(wǎng)通過利用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)界服務(wù)器、交換機(jī)和存儲(chǔ)設(shè)備部署網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用降低組網(wǎng)復(fù)雜度，自由靈活的網(wǎng)絡(luò)彈性在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率的同時(shí)降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本，與SDN技術(shù)結(jié)合提高與網(wǎng)絡(luò)邊緣應(yīng)用(如防火墻、DPI、視頻加速等)的組網(wǎng)與業(yè)務(wù)鏈串聯(lián)可擴(kuò)展性。

3.1 移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化場(chǎng)景

傳統(tǒng)移動(dòng)核心網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示，其組成網(wǎng)元根據(jù)所執(zhí)行主要功能可以劃分為如下幾類：控制面、用戶面和用戶數(shù)據(jù)三類網(wǎng)元。其中，控制面網(wǎng)元包括MME/SGSN、PCRF;用戶面網(wǎng)元包括S-GW、P-GW;用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)元包括HSS。控制面設(shè)備主要處理移動(dòng)性管理、會(huì)話管理等功能，以控制信令交互為主;用戶面設(shè)備則主要處理用戶數(shù)據(jù)的交換與轉(zhuǎn)發(fā)、計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)處理等功能，同時(shí)接受控制面設(shè)備信令控制;用戶數(shù)據(jù)網(wǎng)元?jiǎng)t存儲(chǔ)用戶簽約靜態(tài)數(shù)據(jù)，以類似于數(shù)據(jù)庫(kù)操作為主，同時(shí)接受控制面設(shè)備信令控制。

移動(dòng)核心網(wǎng)通過NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元在同一硬件平臺(tái)上的部署，尤其適合控制面網(wǎng)元設(shè)備主要處理控制信令，由于COTS服務(wù)器計(jì)算能力較強(qiáng)，適合處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移和信令交互等流程。

3.2 移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化演進(jìn)架構(gòu)

移動(dòng)核心網(wǎng)向NFV方向演進(jìn)架構(gòu)如圖4所示，所有網(wǎng)元將統(tǒng)一部署于通用服務(wù)器硬件(H/W)之上，通過虛擬化層抽象為歸一化虛擬資源提供給上層移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)元軟件應(yīng)用調(diào)用。其中，對(duì)于用戶面設(shè)備，針對(duì)處理用戶高速數(shù)據(jù)，需要對(duì)其進(jìn)行必要的硬件加速功能，如通過Intel的DPDK套裝或者SR-IOV繞過虛擬化層直接調(diào)用硬件資源，提高COTS服務(wù)器上的吞吐量性能。

考慮到未來NFV與SDN技術(shù)的結(jié)合，移動(dòng)核心網(wǎng)的SDN/NFV愿景架構(gòu)如圖5所示。移動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化的網(wǎng)元在部署到統(tǒng)一的數(shù)據(jù)中心以實(shí)現(xiàn)集中化部署，提供網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維效率，同時(shí)將控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離。架構(gòu)中的控制面網(wǎng)元通過南向接口控制通用轉(zhuǎn)發(fā)面交換機(jī)完成用戶數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和疏導(dǎo)，有利于實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)的統(tǒng)一高效的管理和控制策略以及控制面/轉(zhuǎn)發(fā)面的可擴(kuò)展性，實(shí)現(xiàn)從封閉黑盒的網(wǎng)絡(luò)走向開放可編程的移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)。

3.3標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)現(xiàn)狀

當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)虛擬化研究處于起步階段，ETSI NFV第一階段已完成NFV技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)景和關(guān)鍵需求梳理，目前已啟動(dòng)第二階段工作，重點(diǎn)關(guān)注NFV架構(gòu)與接口的規(guī)范化、生態(tài)系統(tǒng)與演進(jìn)、可靠性與安全等方面問題;3GPP SA5正在評(píng)估NFV引入對(duì)傳統(tǒng)的網(wǎng)管影響;ITU也正在進(jìn)行核心網(wǎng)的控制網(wǎng)元和控制轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)發(fā)分離架構(gòu)研究; CCSA TC3和TC5分別完成《核心網(wǎng)控制網(wǎng)元虛擬化技術(shù)研究》、《移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)需求及架構(gòu)(SAME)研究》等多個(gè)研究立項(xiàng)，推動(dòng)核心網(wǎng)虛擬化的需求明確和標(biāo)準(zhǔn)制定工作。

NFV技術(shù)在標(biāo)準(zhǔn)研究同時(shí)，在產(chǎn)業(yè)鏈生態(tài)系統(tǒng)方面也正在逐步形成，電信設(shè)備商及其上下游廠商，都在積極搶占核心網(wǎng)虛擬化商用產(chǎn)品制高點(diǎn)。傳統(tǒng)電信設(shè)備商，華為、愛立信、阿朗、中興、諾基亞、思科為了維護(hù)各自電信領(lǐng)域的市場(chǎng)，正在全力轉(zhuǎn)向在提供傳統(tǒng)專有硬件解決方案同時(shí)提供電信虛擬化解決方案;通用服務(wù)器廠家HP、DELL，通用芯片廠家Intel、AMD等相關(guān)行業(yè)，為了通過NFV技術(shù)進(jìn)一步打開電信市場(chǎng)，其積極程度毫不遜色;傳統(tǒng)電信儀表廠家思博倫也針對(duì)電信虛擬化趨勢(shì)提供網(wǎng)絡(luò)虛擬化的測(cè)試解決方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文從網(wǎng)絡(luò)虛擬化概念入手，闡述了NFV技術(shù)的優(yōu)勢(shì)及其在移動(dòng)核心網(wǎng)的應(yīng)用，詳細(xì)分析了移動(dòng)核心網(wǎng)未來虛擬化的演進(jìn)趨勢(shì)。隨著流量爆炸的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代來臨，面對(duì)如何降低網(wǎng)絡(luò)部署成本，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)資源的可擴(kuò)展性和運(yùn)維的靈活性，提供多租戶、虛擬運(yùn)營(yíng)粒度的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能力等方面重要挑戰(zhàn)，NFV技術(shù)在ICT融合背景下開始成為影響未來通信業(yè)長(zhǎng)期發(fā)展的關(guān)鍵因素之一。