基于SDN/NFV技术的弹性网络架构及应用

郝男男 中兴通讯股份有限公司综合解决方案总监

薛育红 中兴通讯股份有限公司SDN规划总工程师

基于SDN/NFV技术的弹性网络架构及应用

郝男男 中兴通讯股份有限公司综合解决方案总监

薛育红 中兴通讯股份有限公司SDN规划总工程师

目前，SDN与NFV作为ICT领域发展的热点技术，引起广泛关注。本文阐述了结合SDN与NFV两种技术特点的新一代的弹性网络架构；分析了弹性网络架构的主要特征；并结合现有网络存在的问题，对弹性网络的典型应用场景进行了探讨。

SDN/NFV 弹性网络 开放架构

1 引言

为适应互联网业务和创新商业模式的快速发展和全面渗透，ICT系统三大核心元素——计算、存储和网络中的计算和存储两大元素已经在向着云化、虚拟化的方向发展并日臻成熟，而相对固化的网络则成为ICT系统迈向自动化、软件化的最后一个障碍。为打破传统网络架构日益复杂化、封闭化，使网络更易管控、更为弹性和开放，SDN/NFV技术应运而生，成为下一代网络的重要发展方向。

2 基于SDN/NFV技术的弹性网络架构

SDN的概念核心是控制转发分离，转发设备标准化，控制面集中化，所有控制功能可以通过集中的控制面进行编程实现而无需升级转发面。与SDN相伴而生的NFV技术则主要是利用IT虚拟化技术把现有的软硬件紧耦的网络演化成具有通用性的软平台。SDN与NFV技术都在快速发展，而两种热点技术既有区别又有联系，结合了SDN和NFV双方优势特征的网络将成为下一代网络发展的必然选择。

基于SDN/NFV技术的弹性网络（ElasticNet）架构将二者有机结合，能够提供一个满足多样化功能和需求的开放网络。在这一网络架构下，网元之间的隔离被打破，网络不再是烟囱型的网络，而成为横向打通的、向业务开放的、弹性软件化的网络，它无论从管理、服务、新的商业模式支持上都可以为用户带来更佳的体验，并大幅度降低网络的建设和维护成本。

如图1所示，弹性网络（ElasticNet）总体架构包含SDNForwarder、SDN控制器、不同的VNFs（虚拟网络功能）、VNF编排器、云管理系统等模块。

图1 基于SDN/NFV的弹性网络（ElasticNet）总体架构

弹性网络架构吸收了SDN的基础架构思想，实现网络各个层面的控制面与转发面的分离，而分布于网络各个层面的各类设备都能受其所归属的Controller的统一控制。各个层面Controller之间也存在着控制面的整体协调，以保证开放的理念在全网的各个层面得以贯彻实现。NFV和SDN的目标是一致的，都是为有效实现富有弹性的低成本网络而来，NFV生成并管理软件化的网络功能，并依托通用IT基础资源不断降低成本。借助SDN化的转发面，NFV则可以进一步提升网络的性能，简化对已存在网络的兼容性和促进网络的可操作性。

3 弹性网络架构的应用

从网络演进发展的内在需求来看，基于SDN/NFV的弹性网络架构能够从以下几个方面带来网络的变化：

●通过控制层与转发层的分离，结合对网络资源和接口的封装，使网络得以摆脱硬件的约束；软硬件有效解耦，将网络操作系统标准化，会促进产业链的分工细化，充分竞争；标准化的开放接口，降低设备商的进入门槛，构建充满活力的产业链，便于IT与CT融合；网络进一步软化，利于向云架构演进。

●集中控制提高管理的效率与质量。

●可编程的网络为创新提供无限的潜力，利于运营商更为快捷地提供更丰富的业务，增强其自身竞争力。

弹性网络整体架构充分考虑了网络发展的内在需求，其基本架构特点可适用于大量现有网络场景，覆盖数据中心网络、企业和园区网络以及电信运营商网络的主要应用。例如，数据中心内部网络的虚拟化，数据中心之间的流量调度和协同；政企网络的集中管理与安全控制、运维的优化；运营商网络中的承载网优化，移动网络的云化、虚拟化等。

3.1 弹性数据中心

随着数据中心规模的快速增长以及云计算的部署，在网络的管理、业务的支撑、绿色节能等方面对数据中心网络提出了更多要求。例如，网络管理需要更加高效和集中，以具备管理数万台物理服务器，数十万台虚拟机的大规模数据中心的能力。另外，在虚拟机部署和迁移、虚拟多租户业务支撑、数据中心内部高效灵活组网等方面都需要网络本身具备更强大的能力。

在数据中心引入弹性网络架构，可以优化云服务性能，大幅提高数据中心资源利用率。数据中心通过灵活的策略配置来精细化调整其内部的东西向流量，可以更容易地通过感知应用QoS要求和底层网络负载，及时进行流量调度，保证SLA和提升网络的带宽利用率。

基于弹性网络架构的未来数据中心网络方案如图2所示。

图2 弹性数据中心架构方案

基于SDN的未来数据中心网络方案主要有三大组件，即SDN控制器、VM（VirtualMachine）管理器以及DC（DataCentre）管理器。其中，SDN控制器主要用于实现对网络设备（包括驻留在服务器的vSwitch）的集中管理和控制；VM管理器主要用于实现VM的管理，包括VM的创建、部署和迁移等；DC管理器主要用于实现整体的协同和控制，主要实现VM管理器与SDN控制器的协同，实现数据中心计算、存储、网络资源的统一协调和控制。

弹性数据中心网络的特点和优势主要体现在以下几个方面：

（1）集中高效的网络管理和运维

弹性网络架构下的SDN控制器拥有全网的静态拓扑及动态转发信息，可实施全网的高效管理和优化，更有利于网络故障的快速定位和排除。

（2）灵活组网与多路径转发

数据中心网络的转发规则和动作由SDN控制器统一控制和下发，能有效避免环路，能根据业务的需求通过转发流表的控制，实现多路径转发和负载均衡，大幅提高网络的可靠性和利用率。

（3）智能的虚拟机部署和迁移

虚拟机的部署和迁移需要网络的配合。在弹性数据中心网络方案中，通过DC、VM管理器以及SDN控制器协同实现虚拟机的智能化部署和迁移。

（4）计算+存储+网络的IaaS服务

可实现网络资源的虚拟化，并按需提供；同时，结合DC管理器实现SDN控制器与VM管理器的协同，从而实现计算、存储资源与网络资源的无缝协同，向用户提供按需的计算+存储+网络资源的IaaS服务。

3.2 弹性的政企园区网

政企网络与政企领域应用的结合使得网络个性化需求增多，网络面临众多困难，主要表现在：

（1）网络安全方面

政企类网络中存在大量的内、外部用户及应用，用户之间的隔离、网络及应用访问权限需统一地安全控制，网络自身安全需要更好地保障。

（2）维护效率方面

大型企业的网络规模大，网络功能及应用复杂，需更加集中、高效和智能地维护和管理。

（3）应用叠加方面

需网络具备良好的可扩展性以支持业务的灵活叠加，保障所承载业务的质量，具备业务感知和控制能力，适应应用创新的需求。

基于弹性网络架构的政企网络可对原有网络进行有效优化。通过引入SDN/NFV技术，使得经常性地对于网络配置、网络拓扑的调整变得智能、灵活。SDN/ NFV技术可加快业务变更的速度，并在对网络流量优化要求高的场景中提供对网络全局细粒度的管控能力，更好地满足不同业务的要求。

进一步拓展到园区网领域，弹性网络架构的应用可使得网络更容易管理和扩展。弹性架构可以让用户使用策略、模板等手段精细化地调整网络流量，也可以更加方便地增加新的特性和功能；网络故障在软件的抽象环境中也更容易定位和解决。另外，网络的软件化，便于IPv6和IPv4双栈/DS-LITE的快速部署，使园区网在IPv4向IPv6的演进更为快捷和灵活。

3.3 弹性的承载网

面对互联网业务的快速发展和冲击，传统运营商迫切需要更加开放的网络。基于SDN/NFV的弹性网络架构同样可应用于运营商网络，从无线核心网、承载网到接入网逐步进入并改造运营商传统网络架构。其中，弹性承载网架构主要针对移动回传、汇聚、骨干传送以及跨层跨域的互联等场景应用（见图3）。本文以移动回传为例说明弹性承载网架构的应用。

图3 弹性承载网的典型应用场景

4G阶段基站建设规模的迅速增加引发移动回传网的重大难题。虽然现有的移动回传采用了IP技术，实现了多业务承载，但在满足移动回传业务灵活部署需求的同时，也带来了组网部署的难题。大量汇聚层、接入层的设备开启3层路由，部署MPLS、BGP、TE、BFD等技术，网络部署及运维难度大幅提升。以大型城域网为例，原有网络规模为300～500节点，移动回传网的引入使其规模扩大至5000～2万节点，导致其运维工作量大大增加，故障定位和排除难度大，且网络稳定性和可靠性面临极大考验。

弹性承载架构的引入通过控制和转发分离，网络控制部分向上集中形成虚拟化集群系统。在接入层面，接入设备作为系统的远端节点接入集群系统，类似集群系统的远端模块或者端口扩展，从而实现减少网络节点、简化网络架构、适应多种组网和拓扑、易于扩展、统一运维、降低设备成本和运维支出。

汇聚层采用双节点集群的方式，实现管理和控制平面统一，降低网络设计、部署和维护的复杂度，提高网络的可靠性和灵活性；而转发平面则相对独立，承载业务流量并提高设备的利用率。接入层和汇聚层设备融合为统一的虚拟资源，接入层的大量业务操作优化为设备内部进行处理，进而减少了网络部署节点数目，简化了网络架构。

移动回传网的虚拟化业务处理集中在中心控制节点，接入层节点收到数据包，按照约定规则进行转发处理，中心控制节点对业务调度进行统一管理和调整，并下发给转发节点执行。通过这种方式充分利用中心控制节点强大的处理能力，大幅简化了接入层节点，从而降低了整体的建设成本和运维成本。

3.4 弹性的移动网络

弹性移动网络架构主要包含4个层面：

（1）基于SDN/NFV的云化控制网元（CloudNF）。

（2）无线回传网络的虚拟化。

（3）IT平台的云化增强，有效完成对网络的管理支持和新型IT应用的快捷开发。

（4）支持集中化和非集中化部署的云化无线接入。基于SDN/NFV的弹性架构打破了传统以网元划分设备的界限，重新定义了移动网络架构，有效构建面向电信领域的云网络。

CloudNF是弹性移动网络架构中重要的组成部分，包含业务层、控制层和转发层。控制与转发层面支持OpenFlow标准接口。在控制层中包含了支持Open-Stack的CMP、控制器、在控制器上的网管/数据/控制面部分、用户面网元的控制逻辑部分和用户面复杂处理部分。该架构优先在IMS众多网元上实现基于通用平台的虚拟化，其次在2/3G网络中实现SGSN/GGSN网元的SDN化和xGW的SDN化演进。

弹性移动网络架构可以为运营商网络带来众多价值，主要表现在：

●SGSN/GGSN/SGW/PGW/SBC等控制/转发分离后，其分离的控制面可集中建设、调度和运维，有利于运营商降低TCO。

●CS/PS/IMS等用户面网元的控制面虚拟化调度，设备容量不再受设备槽位等物理因素制约，消除设备的容量瓶颈。

●转发面只做快速转发，处理简单，性能提升可达10数倍；转发面可分布式部署，就近分流，利于转发效率的提升。

●控制层的接口开放，可快速引入新业务（如在GGSN/GW上增加内容优化、杀毒等增值服务），利于业务扩展能力的增强。

●通过虚拟网元技术来快速生成虚拟移动网络满足虚拟运营场景需求。

4 结束语

SDN/NFV技术正在引领传统的、封闭的网络不断走向开放。基于SDN/NFV的弹性网络架构基于业务和网络发展的要求，为ICT领域的参与者提供了一种切实可行的网络演进方式。弹性网络架构的核心理念是弹性与开放，在提供弹性灵活网络能力的同时，一方面将网络能力向应用开放，另一方面则是促进产业生态的开放。正如ICT行业的计算和存储所经历的过程一样，SDN/NFV技术正在网络领域影响着产业链的变迁。在可以预见的未来，会有更多的参与者加入到这个开放系统中，不断推进基于SDN/NFV的弹性网络架构的发展完善。

1 Software-defined Networking∶The New Norm for Networks. WhitePaper.ONF.2013

2 软件定义网络(SDN)研究报告.CCSATC1.2012

3 Network Functions Virtualisation(NFV)(2014).http∶//portal. etsi.org/Portals/0/TBpages/NFV/Docs/NFV_White_Paper3. pdf

2015-03-20）