SDN和NFV对未来移动通信网络的影响分析

赵明宇上海贝尔股份有限公司工程师

严学强上海贝尔股份有限公司高级工程师

专家视点

SDN和NFV对未来移动通信网络的影响分析

赵明宇上海贝尔股份有限公司工程师

严学强上海贝尔股份有限公司高级工程师

目前，ICT领域对SDN和NFV的研究方兴未艾。本文结合提出的基于SDN和NFV的未来移动通信网络逻辑和物理架构，分析了SDN和NFV对网络架构、运营、业务创新以及产业生态系统等多个方面的影响，并阐述了SDN和NFV在架构设计、关键技术、协议标准、安全可靠、落地实施等方面面临的众多挑战。

软件定义网络 网络功能虚拟化 影响

1 引言

当前LTE网络正在大规模部署，虽然现有网络的性能已经有了极大的提升，但未来随着用户的进一步激增，及用户对网络服务要求的逐步提高，使得人们不得不对未来网络的基础架构、性能、需求等进行重新思考。阿尔卡特朗讯、IMT2020推进组、ITU-T等纷纷对未来网络的性能及需求进行了预测，认为未来的5G网络应具有Gbit/s的用户体验速率、百万平方公里的连接数、毫秒级的端到端时延及数十Gbit/s的峰值速率等；同时，现有网络架构封闭、扩展困难、新业务成熟周期过长、创新缺乏等缺点也越来越成为影响运营商创收和发展的桎梏，不能满足按需供给、随需而变和灵活快速等的需求。这些都对未来移动通信网络造成了极大的挑战，势必需要一些新的思想和技术来应对这些挑战。而SDN和NFV的出现恰逢其时，适应了网络IT化、硬件标准化、设备软件化、功能模块化和流程自动化的趋势，被认为是未来移动通信网络的两大使能技术，正不断对未来的移动通信网络的众多方面产生重大的影响。

2 SDN/NFV的优点

SDN的基本特征是控制与转发分离、控制集中化和开放接口，通过SDN技术可以实现网络的可编程和网络服务的可定制化。SDN具有众多的优点，归纳总结如下：

（1）易于扩展、升级。控制和转发分离，使得控制面和转发面可以独立演进。

（2）具有全局视图。控制功能作为软件应用程序集中部署于网络操作系统之上，可获得全网视图，便于路由优化和流量工程。

（3）硬件设备标准化，降低成本。软件和硬件解耦，使得底层的转发设备可以不依赖于传统的专有设备，从而实现了硬件的标准化和通用化，降低了CAPEX（资本性支出）。

（4）加快新业务成熟周期。没有专有设备的束缚，可以极大地降低新业务成熟周期。

NFV希望通过使用基于行业标准的X86服务器、存储和交换等通用设备，来取代通信网传统的私有专用的网元设备，采用软件虚拟化技术来实现相应的网络功能。其具有如下优点：

●降低CAPEX

通用硬件成本更低，所需备件更少，所需满足峰值负载的性能冗余开销更少。

●动态迁移，按需部署，资源灵活共享

增加了网络弹性，减少了安装调试所需的时间，而自动化部署进一步减少了时间，可以在几小时甚至是几分钟内部署完成，而不像过去需要几周或几个月。低成本、快速的部署意味着应用可以更容易地上马或删除。

●业务创新灵活快速

基于软件可以方便灵活地进行业务创新及定制，甚至实现Web级的创新速度和模式。

SDN和NFV是相辅相成的，具有很强的互补性，尽管两者可以融合，但并不相互依赖，即网络功能虚拟化可以不依赖于SDN而另行部署。两者的互补性体现在SDN能增强NFV的兼容、易操作等性能，而NFV通过虚拟化及IT编排等技术能提高SDN的灵活性。两者的紧密结合，能更有效地实现网络的开放和创新，可以让运营商快速响应网络的变化，轻松应对不断增长的业务需求。简言之，SDN使得底层网络能更好地响应上层应用的需求，而NFV则使得上层应用能更好地满足和实现用户的需求。

3 SDN和NFV对未来移动通信网络的影响分析

SDN和NFV被认为可以适用于城域网、核心网、承载网、传送网、接入网、家庭网、业务网、网络运行支撑系统（OSS）和业务支撑系统（BSS）等网络的多个部分。本文提出的基于SDN和NFV的未来网络架构逻辑图和物理图分别如图1、2所示。图1中，无线网络控制器主要实现对无线资源的调度和配置，SDN控制器主要实现对数据流的转发控制。认为未来的控制器主要部署在数据中心，按管理区域的大小，数据中心可分为本地、区域和中心3级（见图2）。以下分别从接入网、核心网、IP服务几个方面分析SDN和NFV对未来网络的影响。

图1 基于SDN和NFV的未来网络逻辑架构图

3.1 固定接入

对固定接入网来说，接入链路通常是网络中的主要瓶颈，极大地影响用户的服务体验。因此，对接入链路上资源的有效管理至关重要。

（1）HTTP自适应流的优化

当前视频传输是网络流量中的大头，且所占比例还在不断上升。目前的HTTP自适应流等机制，容易造成低比特率视频流的服务体验变差。而采用SDN控制流到队列的映射，可以在保证视频流优先级的同时，兼顾带宽可以公平地被所有队列共享。

（2）虚拟家庭网关

现有的家庭网关因为控制和转发的紧耦合，升级及业务创新受限。而采用SDN之后，将家庭网关的控制功能集中在本地的数据中心，这样管理实施、升级维护、版本控制、创新应用等将变得灵活简单。

（3）适用于企业的接入网络切片场景

使用网络切片技术可以将单一的物理网络划分成多个相互独立的虚拟网络，基于SDN和NFV的企业网，可以根据不同的业务类型、QoS保证、特定服务等要求，划分成不同的网络切片。终端用户通过接入节点接入到网络中来，可以将接入节点看作为虚拟网络分片的端点，SDN控制器根据不同的业务需求，将不同的网络分片相应的转发规则下发到接入节点，使得用户的不同业务流只在对应的网络分片中转发。

3.2 无线接入

运营商正面临投入产出剪刀差、不断提升的用户体验要求、新的增收业务所带来的新设备（如M2M）的特殊接入需求、多接入技术的共存等问题和挑战。对移动网络要求能够：经济有效地处理大量的流量、为新类型的接入设备提供定制化的网络服务、网络虚拟分片以支持RAN共享和异构多接入技术。这些新要求及SDN和NFV所能带来的好处成为了运营商部署SDN/NFV的主要驱动力。

（1）无线网络资源动态配置

基于SDN和NFV，通过无线网络的分片，可以实现对无线资源的动态分配。通常情况下，运营商通过分片，可以将RAN、传输网等的大部分网络容量用于正常的业务应用。但如某地突然发生重大的公共安全事件时，可以通过SDN控制器和RAN侧的无线网络控制器，下发事先预置的规则给相应地区的网络设备，来重新配置RAN的无线资源和传输网的网络资源，以应对紧急突发事件的爆发式容量需求。

（2）Wi-Fi流量卸载优化

Wi-Fi对于移动网络的流量卸载具有重要的作用，然而现在的Wi-Fi和3GPP接入技术之间无法进行自动切换及流量优化。而对基于SDN和NFV的移动网络来说，能够方便地实现Wi-Fi流量卸载及优化。当用户进入授信的WLAN接入区域时，SDN及无线网络控制器根据该用户的策略信息，将新的转发规则下发到相关接入和传输节点，从而将数据流量改为Wi-Fi接入。反之，当Wi-Fi信号质量不好或链路拥挤时，可重新切回到3GPP接入方式。

3.3 灵活的IP服务

基于SDN和NFV的网络能够提供非常灵活的IP服务，使得网络时延、带宽可方便配置，网络资源可以自动调整，新的业务应用可以快速部署。

（1）基于SDN/NFV的服务链

一个端到端的业务往往需要预先定义一系列的网络操作，来对流量进行控制。这些操作事先固定集成在相应的网络设备上，而如家庭用户、企业用户等的服务链模式，所包含的路由和功能各不相同，所以这种预先固定集成的方法缺乏灵活性。而采用SDN和NFV技术，可以灵活实现动态调整相关链路及功能服务。通过SDN控制器和网络编排设备，可以将组成此服务链所需的一系列路由和网络功能，制定出网络规则，下发给相应的计算、存储、转发等网络设备，从而实现不同服务链与数据流的映射。

（2）软件定义VPN

传统的VPN，由网络边缘节点终结，需要人工或半人工来进行手动配置。而基于SDN和NFV实现的软件定义VPN则可以实现自动配置。将接入节点的控制与转发分离，控制功能集中部署在最近的数据中心，为便于配置及扩展升级，对接入节点的转发功能也考虑采用虚拟化实现。当用户接入时，虚拟转发设备根据控制器下发的或事先配置的转发规则，处理相应的数据流。

随着软件定义VPN的出现，使得企业可在任何地点以简单的设备即可建立“虚拟”企业，降低了门槛，这样中小微企业也可以使用VPN服务，而不像传统上只有大型企业和组织机构才有实力使用。这将成为运营商新的营收来源。

（3）动态网络适配

人的流动性常会打破所需资源原有的平衡，如人们工作和家庭位置的不同导致网络潮汐效应，某次大规模的聚会导致网络资源不够用等，都会影响用户体验的质量。而SDN和NFV技术可以使得网络动态适配这种变化。如某地突然由于人员聚集导致网络拥塞，需要扩大Wi-Fi覆盖，提高容量。网络控制器根据反馈的相应区域的网络状态，采用迁移技术，在此区域就近的数据中心部署一个新的CDN（ContentDelivery Network，内容分发网络）缓存，即所谓的移动CDN，以缓解网络的拥塞状况。而当聚会结束时，又可恢复网络到平常的状态。

3.4 对运营模式和业务创新模式的影响

（1）对运营模式的影响

SDN和NFV使得网络管理高度自动化，这将对运营商现有的运营维护体系带来巨大的破坏力。现有的运维体系需要部署数十甚至数百个不同厂商的专用的网络管理工具，需要消耗大量的人力物力，成立专门的运营部门来配置、管理、监控这些多样性的设备。前期投入巨大，运维成本高，扩展升级困难。运营商一直想摆脱这种束缚，而SDN和NFV通过网络的可编程化和应用软件的虚拟化，实现了对网络管理和系统维护的自动化，大大降低了所需的运维人员和设备。

（2）对业务创新模式的影响

当前运营商创新困难的主要原因是新业务的产业周期过长，往往是运营商发现用户所需的新业务，提出需求→设备制造商分析需求→提交标准组织标准化→设备制造商实现→运营商测试并上线。极不灵活，周期基本以年计算。而互联网厂商创新速度非常快：需求发现→设计→开发→上线，并且可根据用户的反馈实时改进，即“永远是Beta版本”，周期以周天，甚至小时计算。运营商现有的这种业务创新能力，远远落后于互联网厂商，为了避免被彻底管道化，运营商也在积极探索，而SDN和NFV的出现给运营商带来了希望，使得运营商可以真正地“活”用网络，自行设计，自己主导，实现Web级的业务创新。

3.5 对产业生态系统的影响

SDN和NFV所带来的软硬件解耦、硬件标准化、应用软件虚拟化等，对整个产业链上各个主体都带来重大的影响和冲击，颠覆现有生态系统的同时也意味着会带来大量的创新和机会，有可能使得产业重新洗牌。SDN和NFV也引起了处在产业链不同位置的主体对相关产品开发思路的变化，开源的思想、共同协作、DevOps（生产和运营）等越来越引起重视和思考。

（1）对互联网公司的影响

互联网公司希望借助SDN和NFV，优化数据中心节点间流量调度，实现网络配置的自动化，提高网络利用率，构建资源相对集中、廉价、高效、按需分配的云基础设施，同时突破传统电信行业的壁垒。因此，对SDN和NFV持积极的态度。

（2）对传统设备制造商的影响

标准化的硬件设备，极大地削弱了传统专用硬件设备所带来的利润。传统电信设备制造商希望维护已有的利益，但面对SDN和NFV的大潮，不得不跟进或转型，并积极进行知识产权布局，试图主导技术发展方向，抢占战略地位。

（3）对电信运营商的影响

电信运营商希望借助SDN和NFV摆脱对制造商专有设备的捆绑和路径依赖，大幅降低CAPEX和OPEX，提高业务创新的灵活性，实现网络的智能化管控和自动化配置。但对现有网络的改动“牵一发而动全身”，出于对已有投资的保护等因素考虑，总体说来，对SDN和NFV持谨慎的态度。

（4）对SDN/NFV初创企业的影响

SDN和NFV将催生如虚拟化、通用硬件、网络操作系统、现场集成等初创企业。初创企业则希望借助SDN和NFV，抓住新的市场机会，打破现有产业格局。因此，对SDN和NFV持激进的态度。

4 SDN和NFV面临的挑战

SDN和NFV作为使能技术，被认为能够对未来移动通信网络带来全方位、多层次的重大影响，但也正因为如此，使得其在架构设计、关键技术、协议标准、安全可靠、落地实施等方面面临众多的挑战。

4.1 SDN面临的挑战

（1）接口/协议的标准化和互操作性问题

南北向接口是统一标准还是厂家只需公布自己的接口？是否需要东西向接口？不同厂家的控制器间如何实现互操作？

（2）安全性问题

目前，还缺乏安全控制机制，包括控制器本身的安全问题、控制器和应用层之间，以及控制器和底层存储转发设备之间的安全问题。对于集中控制，如何避免单点故障的风险，对于如OpenFlow协议，当有大量突发的第一次数据流，或单点故障恢复后的大量数据流重建时，对网络性能带来巨大的挑战。

（3）通用硬件的关键性能及指标

目前，符合SDN要求的专用芯片还不成熟，SDN组网关键指标（如流表容量、流表学习速度、流表转发速率、转发时延等）性能还不能满足商用化的需求。

（4）控制器实现方式

针对不同网络采用专用的控制器？控制器间如何协作？控制器间采用何种层次架构？都有待研究。同时，大规模网络的集中管理、配置、资源追踪、故障定位等都会带来巨大的挑战。

（5）原子抽象问题

要实现对网络的可编程，就需要对底层网络的转发、控制逻辑等抽象为原子操作和流程，同时对现有的网络功能进行重构。

4.2 NFV面临的挑战

（1）通用设备的性能和可靠性问题

虚拟化的网络相比传统电信网，有较大的性能损失，而通用设备的可靠性也低于传统专用的电信设备，因此如何提高通用设备的性能，并满足电信级可靠性的要求，是一个极大的挑战。

（2）系统集成及运维管理问题

虚拟化网络的业务部署方式与传统网络完全不同，对现行的设备采购、运维、管理等模式也要做相应的改变。从NFV的架构看，需要实现NFVI、VNF以及业务网络的集成，涉及的系统、厂家、地域、设备、接口等都非常多，是一个庞大的系统集成工程。虚拟化网络如何集成、运维，并实现网络资源按需部署、统一编排等目标是一个巨大的挑战。

（3）虚拟化架构中的标准的问题

NFV的目标宏大，同时将原来封闭私有的电信设备分解为多个层次，所涉及的接口及协议标准众多，牵涉的组织众多，与现有电信标准化的工作方式不同，而许多规范还尚未开始制定，距离标准成熟任重道远。

（4）网络虚拟化的实现问题

当前网络虚拟化的技术并不成熟，当大量的存储、转发、计算等网络资源分布在不同的数据中心时，如何通过虚拟化来动态实现这些资源的按需分配也是面临的一个巨大技术挑战。

5 结束语

SDN和NFV的适时出现，对于解决现有网络遇到的问题，同时满足未来网络的需求，指明了方向，从广度和深度上都对电信领域带来了重大的影响。当前，对SDN和NFV的研究几乎深入到了电信领域的方方面面，并且已经有众多的试验网络在测试运行；未来，随着人们在网络架构、协议标准、芯片、系统集成、落地实施等方面的进一步研究，SDN和NFV将有可能改变电信领域的整个生态环境。

1 韦乐平.SDN∶战略层面的思考.电信网技术.2014,12

2 马军锋,侯乐青.SDN技术标准及产业发展分析.电信网技术.2014,6

3 赵慧玲,史凡.SDN/NFV的发展与挑战.电信科学.2014,8

4 IMT-2020(5G)推进组.白皮书.5G愿景与需求.2014,5

5 ONF White Paper.Software-Defined Networking∶The New NormforNetworks.4,2012

6 Mark M.Clougherty,Christopher A.White,Harish Viswanathan,ColinL.Kahn.,etal.SDN在IP网络演进中的作用.电信科学.2014,5

Analysis of the Impact ofSDNandNFVonthe Future Mobile Network

Now，SDN and NFV are the hotspots in the field of ICT technology. In this paper, based on the proposed SDN/ NFV-based future mobile logical and physical network architecture, systematically analyzes the impacts of SDN/NFVon the network architecture, operations, business innovation and industrial ecological system, and then expounds the challenges that SDN/NFVare facing in the aspects of architecture designing, key technology, protocol, standard, security, reliability and realizing forSDN/NFVproducts.

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2015-03-30）