SDN/NFV技术对电信网络架构的价值和引入要点分析

史凡 中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师

解云鹏 中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师

胡晓娟 中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师

王波 中国电信集团公司业务经理，高级工程师

网络技术——未来网络专题

SDN/NFV技术对电信网络架构的价值和引入要点分析

史凡 中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师

解云鹏 中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师

胡晓娟 中国电信股份有限公司北京研究院高级工程师

王波 中国电信集团公司业务经理，高级工程师

电信运营商的传统网络架构存在着一系列的不足，在互联网化的大趋势下亟待进行革新和演进。SDN/NFV技术在解决现有电信网络架构弊端方面，具有明显的优势和价值。本文基于对网络架构的解析，结合SDN/NFV的各自特点，针对性提出其引入的价值点、典型场景和技术部署的难点，希望抛砖引玉，引起业界同仁的关注和重视。

网络 架构 SDN NFV

1 引言

经过多年的发展，目前电信运营商网络基本上都形成了各专业网架构基本扁平、IT和业务平台承载在基础网络之上且逐步发生融合的垂直架构，但该架构比较封闭，网络功能与业务能力耦合度高，网络设备以分布式控制为主，种类众多，缺乏统一的全局网络视图。

这一封闭的网络架构特征可以满足传统电信化的以网络为核心的业务提供模式，也在支撑现有互联网网络和业务发展方面发挥了重要的作用；但随着基础业务和新兴业务领域的互联网化发展，已经越来越难以匹配网络能够主动适配业务需求的趋势了。

具体来说，现有的电信网络主要需要解决以下几个难题：

（1）扩展性问题

现有网络的功能和能力主要由单一专业的设备和软硬件决定，通用化不足，导致了网络类型庞杂、设备数量众多，在上层业务和应用提出新的承载要求和容量弹性伸缩需求时，无法快速、有效地得到满足。

（2）开放性问题

现有网络的网元与业务的耦合度较高，往往因为单一业务功能形成专有的网络环境，自上而下出现独立的“烟囱群”，资源不能共享，接口难以开放，无法便捷地被快速变化的互联网应用所调用。

（3）集约化问题

现有网络的建设、部署和运营，主要基于骨干、省、本地的架构进行，影响业务提供的统一性和有效性。

2 SDN和NFV对网络架构演进的价值

SDN是一种网络架构的创新，其基于网络云化来重新定义网络架构，主要借助转发和控制分离来实现网络的虚拟化，通过将整网作为资源池，可进行统一集中调度，提升用户体验和提高网络利用率，并开放API，支持流量经营。

NFV则是业务使能的创新，其着重在设备的云化，重新定义设备的基础架构，主要通过软硬件解耦实现网络功能的虚拟化，利用硬件作为资源池，根据业务量的变化自动动态伸缩，提高硬件利用率和灵活高效部署。

具体来说，SDN/NFV的技术特点和影响主要表现在：

（1）转发与控制分离，利用集中控制增强网络智能

SDN控制器的引入以及对转发设备控制面的剥离将会形成转发面与控制面物理上的分离，并形成一个SDN控制器同时控制多台转发设备的集中控制形式。这样就简化了对基础设施（转发层设备）的要求，并将网络的“大脑”转移到了可以相对集中部署的控制器中，从而便于智能操作系统的实施。

（2）硬件设备通用化，设备形态归一化

NFV的快速成熟会推进网络硬件设备通用化的进程，目前网络中多类型的硬件设备的局面将逐渐被打破，如BRAS、SR、MME、HSS、PCRF、OCS等设备未来很可能将会被“统一的、标准化的硬件平台（X86服务器）+专用软件（VNF功能）”所取代，从而降低设备成本，简化网络的部署要求，实现资源的灵活调度。

（3）网络提供开放可编程能力，吸引第三方应用

SDN引入实现了转发面协议和应用接口的开放，其中前者允许SDN控制器控制转发设备的配置以及相关转发行为，后者使运营商或者应用APP能够根据自己的需要灵活增加、删除业务，并允许用户进行定制或二次开发。

转发面协议和应用接口的开放使得网络纵向上具备开放可编程的能力，能够快速满足用户的各种业务需求，提升用户的体验，对第三方应用具备较强的吸引力。

此外，引入SDN/NFV的网络将会具备全局视图和全局优化的能力，以及更加灵活的业务部署和快速业务创新能力，同时网络智能化管理和业务自动化部署能力也将得到进一步提升。

从而，进一步对应到上述的现网架构的问题，SDN/NFV的价值主要在于：

●简化网络，实现柔性

SDN降低了对基础设施的要求（只关注纯转发），NFV则进一步促进了硬件的标准化和归一化，都使得网络资产可以由重变轻，从而网络资源和能力能够根据业务所需进行扩容和缩容，缩短Time to Market的时间。

●软硬件解耦，能力开放

软硬件解耦后，使得网络的智能进一步从网元设备中解放出来，促成了网络的智能操作系统/平台的形成，通过开放的API，降低了业务对网络穿透的要求和难度，可以加快网络能力的对外开放。

●集中调度，促进集约

在SDN架构中的控制器及NFV架构中的Orchestrator等的设计，加强了网络资源的集中管理，向下可以与基础网络设施融合加快能力引入，向上可以和IT系统（如OSS）整合方便业务调用，从而在单一的体系/系统下使得业务对网络的集约调配。

●集中运营，破除壁垒

在SDN和NFV的体系中，都强调了统一运营平台或系统的概念（如NFV中的MANO），这在技术上和架构上提供了集中运营的基础和理念，为将网络管理和控制权力的上收提供了技术手段。

3 SDN/NFV在运营商现网中引入的典型场景

对于电信运营商来说，虽然SDN/NFV对于整体网络架构有着非凡的意义，但也不太可能是在全新的网络基础上引入和部署的，需要充分考虑现网存量的特点和需求。总体来说，在IP网、传输网、IDC和IMS等多个场景下，SDN/NFV都有其特殊的价值。

（1）IP网

目前，IP骨干网虽然具备大容量、扁平化的特点，但是在流量调度方面还缺乏足够的灵活性，使得网络的可扩展性不足，难以对应用需求进行快速响应。目前的IP骨干网多数采用IGPMetric和BGP策略进行流量调度，IGPMetric牵一发而动全身，缺乏全局视图；BGP策略管控复杂，难以大范围使用。

为此，基于SDN对转发设备进行抽象和简化，使得现有的路由器平台在分布式路由协议的基础上，借助标准化的南向接口协议，可实现设备功能抽象（降低路由器设备的复杂度），实现灵活的控制与转发。

而IP城域网主要存在的问题是业务能力与网络设备功能相关。其中，部分设备功能复杂，部署与维护困难，如层次化QoS应用等。此外，设备功能升级困难，影响新业务快速部署。

为此，可以在城域网内推进智能边缘的虚拟化，BRAS/SR/MSE采用标准化服务器，降低对硬件要求；而业务功能采用模块化软件实现，新业务功能不再依赖物理硬件，升级及部署简单。同时，结合业务链技术，还可以提升网络智能化管理和业务自动化部署能力。

（2）传输网

目前的传输网主要采用静态网管配置方式，并且与所承载的应用和客户网络是分离的，因此无法有效地应对越来越多的动态业务需求，如面对业务发展产生的临时性大带宽需求、按需求迅速地开通、修改和拆除电路连接的能力。同时，目前开通一条传输专线业务往往需要几周甚至几个月的时间，而专线业务的合同服务期限至少是几个月到几年。为了支持未来动态的网络业务应用模式，要求能够在几分钟甚至几秒钟的时间内开通业务，而且为了进一步提高效率和降低成本，用户申请和配置网络带宽等属性须尽可能减少人为干预。

为此，可以利用SDN的开放性和集中控制的特点，实现对跨厂商、跨域组网环境的统一控制和管理。还可以通过北向API接口的标准化和开放，在传送网上提供多项新型业务，例如虚拟传送网业务（VTNS）、带宽按需点播（BoD）、客户自定义的路径选择等。借助开放API接口，传送网还能够感知客户层的动态业务需求，包括带宽、时延、位置和时间段等；传送SDN控制器可以根据这些业务信息，实现更好的服务响应和更高的网络资源利用率。

（3）IDC

目前，IDC网络已经无法满足云计算调度和共享的需求，主要表现在：

●云资源池内部网络设备众多，网络特征复杂，基于繁杂的点对点手工配置，拖累用户需求响应速度。

●网络拓扑难以清晰展现，特别是租户网络系统与整体云资源网络无法呈现对应关系，导致运维复杂。

●无法灵活实现多租户环境，租户之间隔离难度大，网络资源无法灵活共享与调度，特别是涉及到跨云数据中心的组网。

●不同租户的网络流量、安全策略、性能要求等不同，资源池网络无法动态感知租户的需求，造成资源浪费或过载。

为此，SDN引入可以实现对IDC网络策略的统一配置以及对网络资源的灵活调度。一方面通过SDN控制器感知IDC链路带宽利用率，收集、分析IDC内外的流量分布情况，通过统一计算，调配可用链路，并生成转发路径下发给数据中心转发设备，实现链路带宽资源的有效利用（目前Google利用SDN已经将链路利用率提高到90%以上）；另一方面，当虚拟机迁移时，SDN控制器可感知到虚拟机迁移前后的源、目的位置，并将源交换机上的相关策略转移到目的交换机上，提供跨DC的大二层网络条件，并支持网络策略的同步迁移。

（4）IMS

现有的IMS网络中，硬件资源均处于设备专用状态，不同的设备间硬件资源无法统筹调度。同时，各地的IMS设备独立建设，暂未实现跨地域的直接互通，资源也就无法统一进行调度。这些都造成了IMS网络在提供互联网相关的多媒体业务方面和提供政企业务方面的能力不足。

NFV技术在资源灵活调度方面的优势可以满足IMS设备多媒体业务的资源需求，如IM、RCS业务等。这样可以便于资源灵活调度，实现错峰消谷，满足突发业务的资源需求。同时，虚拟化的IMS网络在资源组织方面可以隔离部分资源，满足资源专有性的安全需求；还可以快速调度资源，为政企客户快速组织专有IMS网络。典型网络引入SDN/NFV分析参见表1。

4 运营商网络引入SDN和NFV的技术挑战

表1 典型网络引入SDN/NFV分析

然而，在现有存量网络基础上的逐步演进，引入SDN和NFV还需要考虑相关的技术问题，特别是在具体部署和实施上，还有很多细节需要考虑。

当前，对于运营商来说，SDN/NFV的引入主要面临以下几方面的挑战：

（1）标准化问题

目前，SDN标准众多（尤其是南向接口），多个标准组织分庭抗争，无法形成合力。SDN标准体系是否要统一或能够统一还有争论，SDN控制器的实现方式、控制器件的东西向接口等方面规范均有待完善。NFV则引入了MANO云管理架构，对原运维管理层次进行了重新划分，形成纵横两个维度的管理体系，但与相关体系/系统间的接口只定义了功能，并未指明具体要求及如何实现，急需加以明确和规范。

（2）安全性和可靠性问题

SDN的集中控制方式及开放性使得安全性成为潜在风险，如应用访问授权及认证问题、虚拟化后的网络隔离问题、控制器本身的安全问题等，需要从芯片到系统建立一整套安全机制来确保其安全稳定运行。此外，传统的电信网络设备需要5个9的高可靠性，而采用NFV虚拟化技术的通用设备显然不能达到该要求。

（3）性能问题

现有ASIC芯片架构无法满足SDN对性能的需求，现有厂商设备在SDN组网关键指标（流表容量、流表学习速度、流表转发速率、转发时延等）上无法满足商用要求，基于OpenFlow的专用芯片架构及实现方案还有待开发。同时，通用设备的计算/存储能力虽然已能与电信专用设备相比拟，但其转发性能目前仍大大低于电信专用设备。

（4）网络平滑演进问题

SDN的引入将带来网络能力开放化及管理控制集中化等网络架构上的改变，如何实现从现有网络平台向新网络架构的平滑演进，解决网络的兼容性和混合组网等对运营商提出了新难题。

5 结束语

从上述分析可见，传统的电信运营商在面向互联网应用的网络架构转型过程中，SDN/NFV是解决原有网络不足的重要手段和途径，具有非常现实的价值和意义。但在具体网络中部署需要结合运营商的现实场景，特别是存量网络的特点，进行针对性的方案设计和考虑。同时，SDN/NFV的技术本身也存在着不少的难题和部署障碍，需要进一步深入研究给出对策。

此外，从运营机制、人才队伍、研发模式等方面，也是SDN/NFV能否真正落实，发挥效用的必要条件，限于篇幅，在此没有重点介绍，但也是运营商从业人员需要关注和思考的方面。

1 韦乐平.SDN的战略性思考.2014中国信息通信业发展高层论坛.2014,9

2 夏旭,史凡,胡晓娟,毛聪杰,王波.基于SDN的弹性和绿色移动网.电信技术.2014,4

TheAnalysis of theValue andNodusaboutSDN/NFVonTelecomNetwork Architecture

There are lots of disadvantages in the traditional telecom network architecture, as is needed to be innovated, especially with the fast develop of Internet.We find that the SDN/NFV technology have its obvious value in solving the problems mentioned on the network architecture. This paper will show you the distinguishing feature of SDN/NFV and the value，scenes and nodus on its deployment in existed network, following with the analysis on network architecture.We want to getenough attentiononthis issue from the readers.

NetworkArchitecture,SDN,NFV

2015-03-10）