NFV移動網(wǎng)絡(luò)論文
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1移動業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)能力的挑戰(zhàn)
移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來移動通信發(fā)展的兩大主要驅(qū)動力，刻畫出欣欣向榮的移動通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)圖景。移動互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)顛覆了傳統(tǒng)移動通信業(yè)務(wù)模式和用戶使用體驗(yàn)方式，并將深刻地影響著人們工作生活的方方面面。面向2020年及未來，移動互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)交互方式進(jìn)一步升級，為用戶提供增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、超高清（3D）視頻等更加身臨其境的極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)。物聯(lián)網(wǎng)擴(kuò)展了移動通信的服務(wù)范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物的互聯(lián)，使移動通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。面向2020年及未來，移動醫(yī)療、車聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監(jiān)測等將會推動物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用爆發(fā)式增長，數(shù)以千億的設(shè)備將接入網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)真正的“萬物互聯(lián)”，為移動通信帶來無限生機(jī)。在現(xiàn)有基于專用硬件的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)和組網(wǎng)模式下，網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)僵硬、功能平面劃分不合理、網(wǎng)絡(luò)升級維護(hù)復(fù)雜，基于這一體系繼續(xù)演進(jìn)來應(yīng)對未來業(yè)務(wù)需求挑戰(zhàn)是非常困難的。隨著IT界網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)思想的逐漸發(fā)展與成熟，電信網(wǎng)絡(luò)也在嘗試引入這兩種技術(shù)，醞釀對網(wǎng)元形態(tài)、組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的全面變革。而網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（nfv）則是電信網(wǎng)引入虛擬化技術(shù)的整體方案。
2網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)簡介
2.1NFV基本概念
軟件功能虛擬化（NFV）改變網(wǎng)元功能形態(tài)，將原本封閉設(shè)備中的網(wǎng)絡(luò)功能釋放出來，統(tǒng)一承載在虛擬化平臺之上，意在打破電信設(shè)備“黑盒子”模式。移動網(wǎng)絡(luò)的任何一個位置都按需部署（卸載）虛擬化的網(wǎng)絡(luò)資源，即插即用，提高網(wǎng)絡(luò)靈活度和可擴(kuò)展性，符合移動網(wǎng)絡(luò)不同區(qū)域、不同時(shí)間、不同場景差異性需求。另一方面，采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化的服務(wù)器、存儲和交換設(shè)備替代專用硬件設(shè)備，大大降低了組網(wǎng)運(yùn)維成本。因此，低成本和靈活性是NFV的兩大核心優(yōu)勢。
2.2NFV標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)展情況
2012年10月，由AT&T、德國電信、英國電信、中國移動等13個國際主流運(yùn)營商牽頭，聯(lián)合多家網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、電信設(shè)備供應(yīng)商和IT設(shè)備供應(yīng)商共同推動在ETSI成立網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化工作組（ISG），旨在推動NFV技術(shù)框架研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。NFV工作組在2013年聚焦于Highlevel文檔的設(shè)計(jì)，已第一批規(guī)范，包括NFVUseCases、Require-ments、ArchitecturalFramework和Terminology的V1版本，以及PoCCal（lProofofConcept）。NFV于2014年上半年了第二個版本的白皮書，主要總結(jié)NFVISG一年來各個工作組的進(jìn)展、對場景、需求、架構(gòu)等內(nèi)容進(jìn)行了更新，明確提出NFVISG對于標(biāo)準(zhǔn)化和開源社區(qū)的態(tài)度。2014年下半年將UseCases、Requirements、ArchitecturalFramework和Terminology的V2版本，以及標(biāo)準(zhǔn)化Gap分析等新版標(biāo)準(zhǔn)文檔。概念驗(yàn)證（POC）是NFV在2014年的另一項(xiàng)重點(diǎn)工作，通過CallforProposal和Evaluation等幾個環(huán)節(jié)向產(chǎn)業(yè)界征集NFV產(chǎn)品原型和驗(yàn)證試驗(yàn)延時(shí)，以推動NFV產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
2.3與網(wǎng)絡(luò)虛擬化相關(guān)技術(shù)的關(guān)系
（1）NFV與網(wǎng)絡(luò)虛擬化的關(guān)系
網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NV）的概念很早就已經(jīng)出現(xiàn)。目前，通常認(rèn)為網(wǎng)絡(luò)虛擬化是對物理網(wǎng)絡(luò)及其組件（如交換機(jī)、端口以及路由器）進(jìn)行抽象，并從中分離網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的一種方式。采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以將多個物理網(wǎng)絡(luò)抽象為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，或者將一個物理網(wǎng)絡(luò)分割為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)虛擬化打破了網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備層和邏輯業(yè)務(wù)層之間的綁定關(guān)系，每個物理設(shè)備被虛擬化的網(wǎng)元所取代，管理員能夠?qū)μ摂M網(wǎng)元進(jìn)行配置以滿足其獨(dú)特的需求。由定義可見，網(wǎng)絡(luò)虛擬化主要是針對層二和層三的交換機(jī)、端口以及路由器等網(wǎng)絡(luò)組件。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化則是從電信網(wǎng)業(yè)務(wù)功能形態(tài)的角度，將原本網(wǎng)元設(shè)備中的一體化功能分解成多個邏輯功能組件，實(shí)現(xiàn)在通用硬件平臺上網(wǎng)元功能的重構(gòu)、部署和遷移?？梢哉J(rèn)為網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的概念更加宏觀和基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化則面向電信網(wǎng)網(wǎng)元功能具體的需求。
（2）NFV與SDN的關(guān)系
從廣義上理解，軟件定義的網(wǎng)絡(luò)（SDN）是一種全新的組網(wǎng)設(shè)計(jì)思想，通過網(wǎng)絡(luò)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離的思想，構(gòu)建開放可編程的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)。SDN與NFV共同被認(rèn)為是未來網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的重要推動力量。根據(jù)NFV白皮書的解釋，NFV與SDN間的關(guān)系可以概括為高度互補(bǔ)，彼此獨(dú)立。NFV的實(shí)現(xiàn)不必依賴于SDN技術(shù)。但是兩種技術(shù)方案的結(jié)合可以獲得潛在的更大增益。例如，SDN所提出的控制與承載分離的理念有助于增強(qiáng)NFV系統(tǒng)性能，簡化設(shè)計(jì)方案，提升與現(xiàn)有部署方案的兼容性和提高運(yùn)維和網(wǎng)管效率等。同時(shí)，NFV與SDN技術(shù)在充分利用標(biāo)準(zhǔn)化硬件設(shè)備方面存在高度的一致。
3基于NFV的移動網(wǎng)絡(luò)新型體系架構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1EPC現(xiàn)網(wǎng)架構(gòu)特征與不足
支持LTE接入的EPC部分實(shí)現(xiàn)了信令面與用戶面的分離，信令面網(wǎng)元包括MME、PCRF、HSS等，實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備的鑒權(quán)授權(quán)、移動性管理、位置更新、簽約管理、策略控制和網(wǎng)關(guān)選擇等功能；用戶面網(wǎng)元主要包括S-GW和P-GW，實(shí)現(xiàn)用戶會話建立、承載管理、IP地址分配等功能。EPC核心網(wǎng)以P-GW為統(tǒng)一的用戶面錨點(diǎn)，支持多接入系統(tǒng)，提供統(tǒng)一的移動性管理。WCDMA/GPRS接入、CDMA接入和WLAN接入一側(cè)不同的本地服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGSN、HSGW等）與P-GW建立會話，由P-GW分配唯一IP地址實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的連續(xù)性。EPC核心網(wǎng)具備控制與承載分離，多接入系統(tǒng)統(tǒng)一管理、統(tǒng)一業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流錨點(diǎn)等功能特性，是未來移動核心網(wǎng)系統(tǒng)演進(jìn)的基礎(chǔ)。隨著移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的日新月異，當(dāng)前的EPC架構(gòu)逐漸不能滿足業(yè)務(wù)和運(yùn)營需求，并存在以下幾方面的不足：
（1）架構(gòu)層面劃分不夠合理
網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)用戶面和信令面分離的好處在于可以分別按照網(wǎng)絡(luò)功能特性，實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)系統(tǒng)信令面集中部署，用戶面邊緣分布的優(yōu)化，提升網(wǎng)絡(luò)性能。但目前的層面劃分中，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)仍承擔(dān)了復(fù)雜的控制功能，與MME等信令面節(jié)點(diǎn)交互頻繁。另外，UTRAN/GERAN、CDMA和WLAN系統(tǒng)接入EPC時(shí)，其信令面和用戶面是合一的，增加了與E-utran協(xié)同組網(wǎng)的難度。
（2）多接入系統(tǒng)間協(xié)同能力較弱
EPC架構(gòu)中實(shí)現(xiàn)了多接入系統(tǒng)基于層三IP地址的統(tǒng)一管理和流移動性。體現(xiàn)接入特性的二層則是相互獨(dú)立的。運(yùn)營商實(shí)際建網(wǎng)和運(yùn)維中，每一種接入系統(tǒng)都是獨(dú)立組網(wǎng)，異構(gòu)系統(tǒng)間的資源無法共享，增加了網(wǎng)絡(luò)OPEX和CAPEX。從用戶角度看，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流只能在接入系統(tǒng)間切換，無法實(shí)現(xiàn)多接入針對不同業(yè)務(wù)流要求的協(xié)同服務(wù)，再加之異構(gòu)接入系統(tǒng)協(xié)議存在差異，信息交互，切換流程復(fù)雜，不利于提升用戶體驗(yàn)。
（3）網(wǎng)絡(luò)能力的可擴(kuò)展性較差
現(xiàn)有EPC網(wǎng)絡(luò)由基于專用硬件的網(wǎng)元設(shè)備組成，硬件限定了網(wǎng)元功能的部署位置和性能指標(biāo)。MME和P-GW設(shè)備部署在運(yùn)營商核心域，匯聚層次較高，不利于降低業(yè)務(wù)時(shí)延，容易導(dǎo)致信令處理和流量瓶頸；移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化特征明顯，但網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)必須按最高業(yè)務(wù)預(yù)測設(shè)置節(jié)點(diǎn)能力，造成了閑時(shí)資源的極大浪費(fèi)，固化的硬件節(jié)點(diǎn)無法隨業(yè)務(wù)量變化靈活擴(kuò)容和縮減，基于硬件設(shè)備和物理連接的擴(kuò)容方法又導(dǎo)致機(jī)房組織和拓?fù)鋸?fù)雜等一系列新的問題。
3.2基于NFV的新型移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)想
NFV的核心思想是網(wǎng)元功能的軟件化，理論上任何一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)都可以引入NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能的軟硬件分離。具體到移動網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元功能虛擬化，除了NFV本身所具備的優(yōu)點(diǎn)特性外，網(wǎng)元功能軟件化和重構(gòu)給移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)提供了廣闊的創(chuàng)新空間。（1）形成基于虛擬化平臺的通用轉(zhuǎn)發(fā)面如圖3所示，EPC架構(gòu)中的P-GW網(wǎng)元除了業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流轉(zhuǎn)發(fā)功能外，還具有IP會話和承載控制功能。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化實(shí)現(xiàn)后，P-GW形成獨(dú)立的轉(zhuǎn)發(fā)功能組件和IP會話和承載控制功能組件。IP會話和承載控制功能可抽取出來，與其他控制功能組件交互實(shí)現(xiàn)對用戶會話和承載的統(tǒng)一控制。僅保留轉(zhuǎn)發(fā)功能的P-GW不再是流量的匯聚點(diǎn)，而是普通轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)接入、匯聚和核心域全局扁平化網(wǎng)絡(luò)。（2）屏蔽底層協(xié)議棧差異的統(tǒng)一控制面不同接入系統(tǒng)的業(yè)務(wù)流程（鑒權(quán)/授權(quán)、業(yè)務(wù)接入請求、切換等）和信元類型（用戶標(biāo)識、位置信息、無線和連接信息、QoS等）大體相近，下層協(xié)議棧的協(xié)議各自不同（GTP、PMIP等）。硬件網(wǎng)元功能與協(xié)議棧的綁定造成異構(gòu)系統(tǒng)間信息交互復(fù)雜，協(xié)同工作困難。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化實(shí)現(xiàn)后，底層協(xié)議棧的差別可由虛擬化平臺統(tǒng)一處理，網(wǎng)元功能組件之間采用統(tǒng)一的消息格式和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳遞信息，完成業(yè)務(wù)流程。這樣既可以消除控制節(jié)點(diǎn)間協(xié)議適配造成的額外開銷，也可以實(shí)現(xiàn)異構(gòu)接入系統(tǒng)間全局資源共享和協(xié)同控制功能。全面提升控制面處理能力。基于上述設(shè)計(jì)思路，基于NFV的新型移動架構(gòu)層面更加清晰，轉(zhuǎn)發(fā)面更加扁平，可更好地適應(yīng)未來移動網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)需求。和承載控制功能，形成全網(wǎng)集中的控制平面?；谔摂M化平臺，軟件形態(tài)的功能組件可以部署到網(wǎng)絡(luò)的任意位置，通過標(biāo)準(zhǔn)化的消息接口和數(shù)據(jù)格式交換信息，完成業(yè)務(wù)流程。實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)信息同步、接入?yún)f(xié)同和資源調(diào)度。全網(wǎng)架構(gòu)采用云平臺實(shí)現(xiàn)?？煽焖賹?shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制功能重構(gòu)，轉(zhuǎn)發(fā)面行為定義，未來運(yùn)營商也可以按需組合，靈活編排，有利于新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署。云管理平臺用于分配存儲、計(jì)算及網(wǎng)絡(luò)等資源，全局監(jiān)控資源利用情況，根據(jù)所需動態(tài)地分配網(wǎng)絡(luò)資源，提升網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營效率。
3.3基于NFV新型架構(gòu)的關(guān)鍵技術(shù)
基于上述的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，可以引入多樣化的網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)。（1）網(wǎng)元功能重構(gòu)核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能可以分解為會話管理、地址分配、資源管理等控制面功能，這部分網(wǎng)元功能從網(wǎng)關(guān)設(shè)備中抽取出來，與移動性管理、PCC等構(gòu)成全局控制面?？刂破魍ㄟ^控制功能的編排形成到業(yè)務(wù)邏輯，統(tǒng)一控制轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的行為。整個系統(tǒng)都可以部署在數(shù)據(jù)中心服務(wù)器，不必依賴龐雜的專用硬件和物理連接。（2）異構(gòu)接入系統(tǒng)協(xié)同移動CDN業(yè)務(wù)對優(yōu)化全網(wǎng)流量負(fù)載，優(yōu)化業(yè)務(wù)時(shí)延有極高的價(jià)值，但如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)容的高效分發(fā)、用戶移動性以及與不同終端能力適配是需要解決的關(guān)鍵問題。
4結(jié)束語
NFV相關(guān)研究目前處于架構(gòu)和技術(shù)方案設(shè)計(jì)、初步概念驗(yàn)證階段，要實(shí)際應(yīng)用到現(xiàn)網(wǎng)，還有基礎(chǔ)設(shè)施平臺選擇、核心網(wǎng)云管理架構(gòu)設(shè)計(jì)和轉(zhuǎn)發(fā)面性能加速等關(guān)鍵問題需要解決。但NFV技術(shù)本身的價(jià)值以及對網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)的創(chuàng)新推動作用，正在被越來越多的研究組織、運(yùn)營商和設(shè)備制造商所認(rèn)可。NFV將成為未來移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)演進(jìn)的必由之路。
作者：陳凱 劉旭 朱浩 單位：工業(yè)和信息化部電信研究院通信標(biāo)準(zhǔn)研究所