电信IP网络中如何引入SDN/NFV？

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文：鞠卫国 张云帆 冯小芳 江苏省邮电规划设计院

随着业务的高速发展，电信网络已成为提供涵盖文本、语音、视频等多媒体业务的融合网络，其应用领域也逐步向社会生活的各个方面渗透，深刻改变着人们的生产和生活方式。然而，随着互联网业务的蓬勃发展，电信网络越来越无法满足高效、灵活的业务承载需求，网络发展面临管理运维复杂、网络创新困难、设备资源利用率低等一系列问题。近年来，SDN（Soft  Defined  Network， 软件定义网络）和 NFV（Network Function Virtualization， 网络功能虚拟化）技术的研究在国内外通信领域和互联网领域持续升温，SDN/NFV 技术在传统通信网络领域引入了互联网化的思想，为传统网络的转型带来了新的技术思路。

一 新技术带来新思路
SDN/NFV日渐成熟
SDN和NFV作为两种不同的新网络技术，是网络演化的两个抓手，分别从网络架构和设备架构进行创新。通过引入SDN技术，实现网络软硬件解耦以及软件功能云化，电信运营商可以像运营DC中软件一样运营网络，网络基础硬件变成云数据中心。基于NFV 技术在网元虚拟化以后，新的运营商承载网通过使用SDN技术来实现网络的按需构建。
SDN技术经过前期理论的构建与完善以及过去几年火热的传播和探讨之后，运营商在SDN/NFV上已经不再停留在概念层面，而是越来越聚焦，目前已经在数据中心网络、IP承载网和光传输网等多个方向进行了开发和应用。从当前通信业发展趋势来看，通信网络正按照SDN所阐述的数据与转发分离的理念快速发展演化。但是，在城域网、IDC域内和域间互联组网以及大客户广域网组网等对SDN/NFV有强烈需求的场景还没有可行的解决方案，需要进一步展开研究。

由于SDN/NFV对现有电信网络的架构改变较大，因此网络在演进过程中需要细致与合理的安排，在充分保护现有投资的基础上，制定有效的实施策略。

二 SDN/NFV架构透析
SDN的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并实现可编程化控制。由于各个技术领域的特点不同，在实际操作中对于SDN的理解也有所不同。经过近些年的发展，业界将SDN归纳为一种新的方法论或者架构：SDN实现了控制与转发解耦以及智能控制集中化；在SDN架构中，底层网络拓扑和功能的抽象化，对于上层应用实现了可视化；利用可编程接口，允许外部的系统去控制网络的配置、业务部署、运维以及转发行为。SDN的关键特征包括：集中控制、优化全局效率；开放接口、加快业务上线；网络抽象、屏蔽底层差异。

SDN架构分为应用层、控制层、基础设施层（转发层）三个层面：应用层包括各种不同的业务和应用以及对应用的编排；控制层主要负责处理数据平面资源，维护网络拓扑、状态信息等；基础设施层负责基于流表的数据处理、转发和状态收集。随着SDN技术逐渐应用到现网之中，人们发现管理功能依然是有需要的，管理功能主要实现对上述三个层面的配置以及安全管理，包括在数据平面实现对网元层设备的初始配置；在控制平面实现对SDN应用程序控制范围的策略配置以及系统的性能监控；在应用平面实现SLA的相关配置。
NFV概念最早由ETSI组织于2012年10月提出，是指通过IT虚拟化技术，利用标准化的通用IT设备来实现各种网络设备功能。NFV的本质是实现硬件资源与软件功能的解耦，其最终目标是通过标准的x86服务器、存储和交换设备来取代通信网中私有专用的网元。一方面，基于x86标准的IT设备成本低廉，能够为运营商节省巨大的投资成本；另一方面，开放的API接口能帮助运营商获得更多、更灵活的网络能力。
NFV的关键特征包括：上层业务云化，底层硬件标准化；分层运营，加快业务上线与创新。

整个NFV架构可分为三个部分。第一部分是 NFVI（NFV Infrastructure）：NFV基础设施包括物理资源、虚拟化层及其上的虚拟资源，其中物理资源包含计算、存储、网络三部分。硬件资源，是承担着计算、存储和内外部互联互通任务的设备。第二部分是虚拟网元与网管：包括VNF与EMS。VNF（Virtualize Network Function）：软件化后的网元部署在虚拟机上，其功能与接口和非虚拟化时保持一致。EMS（Element Management System）：主要完成传统的网元管理功能及虚拟化环境下的新增功能。第三部分是MANO（NFV  Management andOrchestration）： 包括Orchestrator、VNFM与VIM。Orchestrator 负责网络业务、VNF与资源的总体管理，是整个NFV架构的控制核心。VNFM（VNF Manager）主要负责VNF的资源及生命周期等相关管理，如网元的实例化、扩容与缩容等功能。VIM（Virtualize Infrastructure Management）即虚拟化基础设置管理系统，主要功能是实现对整个基础设施层资源（包含硬件资源和虚拟资源）的管理和监控。

三 SDN策略分析
SDN对于电信运营商的主要价值包括敏捷快速的业务能力与全局网络视角。敏捷快速的业务能力体现在SDN赋予网络元素的可编程性，在大大提高网络资源使用效率的同时，便于开展新的业务。全局视角是指通过SDN可以实现对多厂家、多层次、多设备形态网络的全网可视可管控。经过几年的发展，SDN 并未给运营商带来多少新业务，在网络和业务自动化、网络流量调优等运维方面的应用成为SDN最重要的应用。
总的来说，当前电信SDN的主要场景及应用包括：在数据中心：vDC（virtual Data Center，虚拟数据中心）、DCI（Data CenterInterconnect， 数据中心互联）；在骨干网上：T-SDN（Transport-SDN，传输 SDN）、IP骨干网调优、IP+光跨层协；
在城域网中：MBB（Mobile Broadband，移动宽带业务）简化运维、智能政企专线、业务链（Service Chain）。

SDN秉承的技术理念与传统IP网络的分布式路由架构有着本质的区别，如何在尽可能小的改造现有网络的基础上，引入SDN技术并发挥其优势，需要开展一定的试验验证。纵观目前业内比较成功的SDN实践项目，大都在数据中心网络中开展SDN技术的相关验证并取得了一定的成果。其原因在于数据中心网络架构、技术、业务相对简单，对于新技术的引入较为容易。传统DC存在3大不足：业务开通时间长、资源利用率低、业务和资源扩展限制在单个物理DC。通过SDN改造，首先可以实现DC内部资源虚拟化，支持多租户云业务；其次通过SDN 改造DCI，实现DC东西流量的最优，支持跨云业务的多租户虚拟资源；最后，DC内资源和DC间资源协同打通构建面向租户的虚拟网络。

与此同时，采用SDN新建DCI全互联平面，连接中心和区域DC，承载DC之间东西流量。DCI控制器只负责DCI网络的IP+光统一调度实现流量和效率最优，不感知DC内业务。跨DC的租户资源通过overlay方式实现资源协调，租户DC内资源和DCI资源协同，面向租户端到端提供虚拟资源，计算网络流量协同最优。

四 NFV策略分析
NFV通过软硬件解耦及功能抽象，强调采用VM方式实现网络功能，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。
NFV使用包括业务场景如下：电信业务面向业务规模的变化，对资源的需求经常发生弹性扩展的业务与应用；多业务系统之间需要共享计算、网络、存储等池化资源的场景；需要进行业务快速上线部署的业务场景；根据优化业务的性能需求，对业务部署的物理位置有动态变化要求的业务场景。
电信网络NFV的主要应用场景：（1）vIMS（virtualIP Multimedia Subsystem， 虚拟IP多媒体子系统），应用场景包括vIMS提供基本话音、RCS（Rich Communication Services，富媒体融合通信）、UC（会议、话务台、Cloud PBX）；业务驱动定义 vEPC（virtual Evolved Packet Core，虚拟演进分组核心网）网络，包括语音（最短路径）、M2M（集中运营）、Internet业务（最佳体验）三个应用场景；固网NFV应用场景有vCPE (virtual Customer premises equipment，用户驻地设备 )，vBRAS(virtual Broadband Remote Access Server，宽带远程接入服务器 )。

从全球来看，vIMS和vEPC是各大运营商向NFV演进考虑的主要切入点。借助虚拟演进分组核心网（vEPC），运营商获得一个灵活的架构，能够扩展移动工作负载以支持不同的流量配置。vIMS虚拟化应用软件采用全分布式架构，通过程序和数据分离实现无状态和去中心化，最大化基于业务感知的弹性伸缩能力，这有助于移动运营商进一步降低运营支出和资本支出，在过渡到新IP时实现新的业务。与此同时，核心网云化使得原统一网管分为虚拟网元管理和云化资源管理两部分，对网管体系和网管系统均提出全新的要求，需尽早介入，尽早深入剖析，谨慎论证。

NFV成熟度不高，适合大处着眼小处着手，逐渐催熟。NFV网络要可交付可运营，集成开发是核心能力，NFV系统存在由CT厂商集成（以华为、阿朗等CT厂商自顶向下进行系统集成，确保系统的整体性能和稳定运行能力）、由IT厂商集成（以HP、联想等IT厂商自底向上进行系统集成，确保系统的整体性能和稳定运行能力）、由运营商自己集成（由移动自己进行系统集成，自己确保系统的可运营能力，能力要求较高）的三种可能。
SDN控制网络的动态连接，NFV实现灵活的网络功能，SDN/NFV互为使能。用SDN和NFV技术变革，一举改变过去网络的结构性问题，让网络聪明起来、灵活起来。互联网化软件架构、全自动的调度、大数据智能、开放的产业链，从而实现极致的用户体验，这是电信网络适应互联网时代的必然之路。SDN发展相对成熟，在DC和DCI场景优先引入部署，但SDN跨厂商互通困难，在多厂商网元共存的网络，可能需要分域分厂家部署SDN，通过协同层打通跨域的SDN实现。SDN的标准仍存在大量没有标准化的空白领域，例如控制器与协同层之间的北向接口，控制器之间是否需要增加新的东西向接口等。NFV发展相对缓慢，标准化等都还有待完善，各厂商的MANO目前均没有实现跨厂商互通，这使得NFV目前无法实现真正意义上的按需弹性部署的期望。

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