NFV与云计算——电信运营商的机遇与挑战

冯征

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

NFV与云计算
——电信运营商的机遇与挑战

冯征

（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

本文首先对云计算平台和NFV技术进行介绍，然后对NFV与互联网公司的云计算平台进行了对比分析，总结了其中的差异，最后对于电信运营商在NFV部署中需要关注的问题提出了建议。

NFV；云计算；基础设施即服务；虚拟网元；物理网元

在过去的几十年中，通信业中的业务需求主要以语音业务为主，电信运营商占据着产业链和价值链的最高端。但随着互联网的发展和信息时代的到来，百度、阿里巴巴、腾讯等众多互联网公司凭借着云计算技术，快速、便捷、灵活地提供了大量的OTT业务，成功地吸引了广大用户，并获得了可观的经济效益，在通信产业的价值链中占据了一席之地，并日渐扩大。但是，电信运营商并不甘心沦为互联网公司的管道，希望借鉴互联网公司云计算技术的成功经验，以NFV/SDN技术逐步打造全新的网络，以应对OTT的冲击，在新的价值链中获取更大的价值。

国内三大电信运营商也已经将NFV/SDN作为网络发展和演进的重点。2015年，中国移动发布了NovoNet2020愿景、中国联通推出了网络架构CTNT 2.0；2016年中国电信发布了CTNet2025网络架构；三大运营商均希望能够通过NFV和SDN两大基础技术实现网络可编程、部署更灵活、调度更高效、网络更智能、服务更开放、成本更低的总体效果。国际上，美国AT&T更是早在2014年推出了Domain 2.0，目标在2020年实现至少75%的网络虚拟化，并转型为软件公司。

那么，基于云计算平台架构实现的NFV真的能够实现电信运营商的愿景吗？

1 互联网企业的云计算平台

包括阿里、百度、腾讯在内的众多互联网企业的云计算平台均是以虚拟化技术为核心，通过Hypervisor软件将底层的各个x86物理机硬件（包括CPU、内存、硬盘、网卡）纵向切割为相互独立的多个虚拟机，而高层应用软件系统可以横向调用位于不同x86物理硬件上的多个虚拟机构成一个完整的业务应用。

一提起云计算或云计算平台，大家通常会首先聚焦于Hypervisor，其实，Hypervisor只是云计算平台的一个重要组成部分，而虚拟机的创建和组合应用等还需要一套复杂的管理系统，例如创建的虚拟机规格（一个虚拟机拥有多少个CPU核、多大内存等），需要创建多少种规格的虚拟机，在一台物理机上创建几个虚拟机，以及如何将分布在哪些物理机上的哪些虚拟机提供给一个特定的应用系统等。可供选择的Hypervisor产品很多，既有收费的VMware的vSphere、微软的Hyper-V、红帽的Enterprise Virtulization、华为的FusionSphere，也有开源免费的KVM、Xen等；开源免费的KVM、Xen仅提供前述的Hypervisor功能，而大部分收费的Hypervisor均包含了一定的集中管理功能，例如红帽的Enterprise Virtulization就是基于KVM开发的支持虚拟机创建、删除、迁移等的云平台。

成功的大型互联网企业通常是以开源免费的Hypervisor为基础，结合自身的多业务需求、各业务提供模式和管理模式，增加所需的云平台管理功能，并逐步对开源Hypervisor进行优化和定制化开发，使云平台更适合自身的业务开展和新业务加载。例如阿里云（飞天）初期先后采用了成熟的开源Xen和KVM，但为了更好地实现高层应用服务在硬件资源池上的灵活部署和配置管理、监控硬件和应用服务的运行状况、硬件资源的动态调度和分配，对Xen和KVM的核心代码进行了数百项的改动，并自主研发了监控系统、任务/资源调度管理系统、远程过程调用系统、分布式协同系统等，从开源系统演进为了一个封闭的云计算平台系统。图1和图2给出了部分互联网企业的云计算平台架构。

那么，互联网企业为何要采用云计算平台呢？阿里巴巴历时5年的“去IOE”行动很好地回答了这个问题。I是IBM小型机、O是Oracle数据库、E是EMC存储设备，IOE就是上述三者组成的传统IT系统；2009年阿里巴巴数据库已经超过了20个RAC节点，成为全亚洲最大的数据库用户，作为电商经常面临秒杀、短时间大量用户涌入的促销活动，IOE无法解决阿里巴巴的问题，再者IOE的设备费动辄几百万，阿里巴巴可能未来的利润都向这3家美国公司“交税”了；阿里巴巴决定“去IOE”，部署自己的阿里云，以通用的、低廉的x86服务器替代了IBM小型机，以开源数据库MySQL+自研数据库OceanBase替代了Oracle，以分布式存储替代了高端存储。现如今阿里云不但承担了阿里巴巴自己的电子商务平台、电子邮件等业务，而且为12306高峰时的余票查询、为海关总署提供数据存取与分析、为国家天文台提供海量数据处理等服务；尤其值得一提的是：阿里云支撑的“双11”，峰值时的交易创建量，2015年为14万笔/秒、2016年为17.5万笔/秒、2017年达到32.5万笔/秒。

图1 某互联网公司的云平台架构示意图

图2 某互联网公司的云平台架构示意图

从阿里云的成功，我们可以看出云计算平台的特点和优势。

第一：软件与硬件解耦。传统IT系统中，IOE提供硬件（I和E）和基础工具（O），而所有的应用服务软件均是由阿里自主开发，即软件商与硬件供货商本身就是解耦的，又何来云计算的“软件与硬件解耦”一说呢？其实这里的“解耦”有两层意思，第一层意思是软件设计架构与硬件基础设施组网结构的解耦，例如最大N台小型机的集群限制了在其上加载的软件的容量；而利用云计算技术能够将更多的硬件指定提供给某一个软件（业务应用），从而支持软件服务的便捷扩容，目前阿里云已经能够支持将1万（10 K）台x86服务器组建为1个云，软件容量几乎没有限制；第二层意思是能够采用廉价的通用x86服务器支持任意的软件应用，从而降低成本。阿里的去IOE行动，多数人看重的是“解耦”的第二层意思，而笔者则认为“解耦”的第一层意思才真正地解决了阿里业务发展的瓶颈，实现了“双11”的辉煌。

第二：快速弹性。通俗地说就是需要多少（资源）给多少（资源），用多少算多少。“天下武功，唯快不破”，互联网公司的经营思路是“看准商机、快速推出服务，不怕犯错，就怕不做”，一项新业务的推出从提出构想、到立项、到业务上线周期很短，不需要严格的业务预测和投入产出比的经济分析，并且由于新业务的发展需要一个时间过程，因此在业务刚推出时，仅需少量的硬件资源即可，若业务发展，则快速扩容，有两种方式，第一种是将虚拟机的规格调大，例如将原先分配给虚拟机的N个CPU核增加为N+1个CPU核；第二种是为软件应用增加同等规格的虚拟机数量；其中，第二种需要软件应用支持多服务器扩展，因为通常在应用软件看来，虚拟机就是物理机，除非云平台能够提供工具，对应用软件屏蔽虚拟机数量，使应用软件将多台虚拟机视为1台物理机；若业务萎缩，则以缩小虚拟机规格或减少虚拟机数量的方式按需缩减硬件资源，这就是所谓的快速弹性。但同时，为了便于新业务的快速加载，需要云平台预先配置一定数量的硬件服务器资源，虽然表面上看来是增加了硬件成本，但是多个将来会成功的软件服务和多个将来会失败的软件服务共用这些预留硬件资源，因此，总体上看硬件成本不会增加，这就要求硬件资源的建设应适度超前于当前的软件容量需求，从某种意义上说，这也是“软件与硬件解耦”的第3层意思。

第三：按需服务/计费。通俗地说就是用多少（资源）算多少（资源）。根据云计算平台提供的服务，可以划分为IaaS（基础设施即服务）、PaaS（平台即服务）和SaaS（软件即服务）3类。IaaS提供基础设施服务，根据客户需求，云平台将一个个虚拟机提供客户，而客户感觉获了所需规格和数量连接在IP网上的物理机，自行开发自己的软件服务；SaaS提供的是一套完整的软件服务，例如天猫、阿里邮箱等；而PaaS提供的服务介于IaaS和SaaS之间，客户感觉获得了所需软件开发工具的物理机，能够节省客户自行开发软件服务的工作量。实际上的云平台可以提供上述一种或两种或全部3种服务，如图2所示。其中PaaS既可以提供给第三方客户，也可以给自己的SaaS提供服务。

可见，云计算平台成功的关键是在于将“Hypervisor+管理系统”做强，其一是要够大，即一个“云”里支持的服务器数量要多，越大的“云”越能够实现同一资源池内多个应用系统的容量扩展，例如同一“云”内部署了A、B、C、D 4个应用系统，当A或A和C需要扩容时，若所需服务器数量超出了“云”的支持范围，则需要将C调整割接至另一个“云”，而将现有资源给A扩容；其二是虚拟机资源调度的算法要好（性能要优），毕竟同一物理机上的多个虚机需要共享/竞争同一物理机的资源；其三可控和便于维护，毕竟x86服务器的可靠性不如小型机和专用硬件，因此，实时掌控各应用软件和各物理机的运行状态是十分重要的。

“Hypervisor+管理系统”主要是靠软件实现，而软件又恰恰是互联网公司的强项，成功的互联网公司云计算平台均是将大量的人力投入到了云平台技术当中，从最初的开源到当前的闭源的发展历程。以阿里为例，技术保证部约1200人，负责近50万台服务器的运维，其中700人负责开发运维监控工具。

2 电信运营商的NFV

2.1 NFV的技术实现

鉴于互联网企业云平台的巨大成功， 2012 年10 月，以AT&T为首的多家运营商在ETSI发起成立了一个新的网络功能虚拟化标准工作组NFV ISG，并于2015年1月发布了NFV（Network Functions Virtualisation，网络功能虚拟化）基础设施综述技术白皮书，提供了NFV的参考架构图，如图3所示。

图3 NFV的参考架构图

NFV是将“网络功能”虚拟化，什么是“网络功能”？就是网络中的各个网元，对应到IMS域就是IMS CSCF、IMS AS等，对应到EPC核心网就是MME、S-GW、P-GW等。ETSI在白皮书中描述了基于NFVI技术的NFV的应用愿景，包括移动基站、移动核心网及IMS、固定接入网络、家庭环境、VNF网络功能转发表、CDN、NFVIass、NFVPass、VNFass等。

如图3所示，Virtualisation Layer的实体就是Hypervisor，将底层的各个计算资源、存储资源、网络资源硬件实体切割为相互独立的多个虚拟机，构成NFVI（NFV基础设施）；VNF就是虚拟化实现的网元，例如vMME（虚拟化的MME）；一个VNF通常需要多个不同规格的虚拟机，由VNFM将需求（vMME所需各种规格

虚拟机的数量）提交给VIM，由VIM控制Hypervisor完成VNF的创建；而NFVO提供了一种对VNF编排的手段，可根据运营/商业支撑系统的指令或基础信息完成对NFVI中全部资源的高层管理。EMS完成OMC功能，与VNF同厂家，完成无论是VNF网元还是PNF网元（例如vMME、MME）均需完成的局数据配置；VIM与Hypervisor现阶段应为同厂家，VNFM与VNF通常为同厂家，VIM+VNFM+NFVO构成MANO；NFVI+MANO构成一套完整的云计算平台，向VNF+EMS提供IaaS服务。

可见，NFV并不是“网络虚拟化”，对电信运营商现有网络架构、网元功能和接口协议没有任何改变，只是网元设备形态的改变（从设备制造商的专用硬件改变为通用的X86服务器），以及有可能引起的网元设备布局（机房、局址）的改变。

图4 传统物理网元与NFV虚拟化网元对比示意图

图4将传统物理网元与NFV虚拟化网元的实现方式进行对比如下：物理网元由电信设备供货商的专用硬件、加载在专用硬件上的平台软件和网元应用软件3部分组成。专用硬件由NFV云平台的通用COTS机硬件与“Hypervisor+VIM”共同替代；专用的平台软件则需要修改增强为VNF基础服务软件以适配Hypervisor，以尽量调优系统性能，另外，为了充分发挥云计算平台架构的优势，厂家可以重构自身的软件系统架构，剥离能够为多网元（例如vS-GW和vPGW）共用的部分构成云化中间件作为自己的PaaS工具；而网元应用软件则可以移至NFV云平台；同时，NFV平台还需增加VNFM和NFVO，2个NFV平台管理模块，其中VNFM应由VNF厂家提供。

2.2 NFV与互联网企业云平台的异同

既然NFV是借鉴互联网企业云计算平台的成功经验演进而来，那么，我们对标互联网企业的云平台，来看一下NFV是否也能为电信运营商带来同样的好处。

第一，软件与硬件解耦。相同的是，均可基于通用的COTS部署；不同的是互联网企业自己开发云平台软件和自有应用软件，依靠自有云平台软件的强大调度算法解除应用软件容量的瓶颈限制（互联网企业真正的痛点）；电信运营商按照现有模式，向供应商采购云平台软件和网元应用软件，且存在云平台软件与网元应用软件异厂家和同厂家两种情况，由于电信网络天然支持多网元分担业务，单网元容量限制并不是电信运营商的痛点；若考虑安全冗余后的“COTS硬件（计算资源+存储资源+交换机等IP组网设备）+Hypervisor+VIM+云化中间件”+“VNFM +NFVO”的网元分摊价格低于“专用硬件+专用平台软件”的价格，则能够降低电信运营商的建设成本。

第二，互联网企业云计算平台是百花齐放、百家争鸣，各个互联网企业的云平台各不相同，以开源软件作为切入点，量身打造适用于自己业务模式的封闭系统；而ETSI为NFV定义了一套云计算平台的统一标准（NFV基于开源的OpenStack框架，由于之前OpenStack是基于KVM开发的，因此，KVM常常成为默认的Hypervisor。如图3所示的NFV组件和接口均在IPA0XX规范中统一规范），其目的在于能够将不同厂家提供的云平台软件和VNF软件集成在一起提供SaaS服务（构造VNF网元）；因此，在云平台软件与VNF软件非同厂家时，各自均会存在版本升级，需要双方不断地磨合、适配，以提高整体性能；但若云平台软件与VNF软件同厂家时，则由于只有位于同一云平台内的VNF能够实现资源调配和共享，从而会产生N个VNF厂家为“小云”。

第三，每个互联网企业通常仅会基于一套虚拟化技术打造自己的各个云计算平台；而电信运营商为了引入技术竞争和得到更好的商务价格，通常会选用2个或更多的云平台软件厂家，导致VNF厂家的网元应用软件需能够适配多种技术的云平台软件，以获得更多的竞标机会。

第四，互联网企业推出应用服务通常自成体系，不需与其它系统互通，例如微信业务只为按照微信客户端的用户提供服务，不需要与Facebook用户互通，且为自主开发，因而能够实现新功能的快速迭代；但电信运营商的网络需支持多厂商的VNF组网，以便于公开招标降低建设成本；尤其是移动运营商还需要支持国际漫游，因而每个新功能、新业务的开展，均需要首先制订规范和标准、然后是厂家进行设备软件开发、再招标采购、再设备到货安装、再联网调测、最后才能投入商用，尤其是对现网影响较大的功能还需要一个现网试点测试的过程，因此，一项新业务新功能的上线通常需要至少一年的时间，而基于NFV平台仅能够缩短“设备到货”的时间，约2个月，且还是在增加投资预留资源的情况下；因此，电信运行商即使部署了NFV仍难以实现新业务的快速迭代。

第五，互联网企业提供的应用服务均属于增值业务，国家对其服务的安全可靠性和业务时延没有硬性的要求，而电信运营商提供的服务则必须是电信级的服务，例如微信故障，用户看不了朋友圈，但是仍可以短信或电话的方式通信，但如果电信运营商的网络故障，用户无法打电话或者中断所有的上网业务，则其造成的影响将是非常巨大的；另外，互联网业务的QoS等级相对较低，秒级的时延和业务中断，用户的业务体验几乎不受影响，而语音业务一个音节20 ms，1 s的分组丢失将对用户体验产生较大的影响；因此，电信网络的安全稳定对NFV提出了更高的要求，通常的云平台软件对硬件故障检测的时延约为1 s，为此，VNF厂家通常靠Guest OS等VNF基础软件实现虚拟机故障检测，从而及时地启动主备虚拟机之间的故障倒换。并且，NFV的云平台软件通常会采用SR-IOV和DPDK等数据加速技术。

第六，互联网企业的应用服务不存在精准的业务预测，自然也就不存在满足期，而且成功和失败的应用服务交织，因此，“快速弹性”对于互联网企业的云平台非常重要，成功的应用服务需要随时扩容、失败和过期的应用服务需要随时的缩容，以腾出宝贵的硬件资源给成功的应用服务，而且其为用户提供的应用服务没有长期的承诺，不划算的应用服务可以随时退出历史舞台。而由于体制的原因，电信运营商提供的新业务和新功能，必须有业务预测和经济评价，还有工程建设满足期，招标采购购买的容量是一定的，扩容需要购买Licence，即使有硬件资源的预留，其软件容量也“弹不上去”，而失败的新业务也已经购买了Licence，“弹下去”意义也不大，同时由于有对用户的长期承诺，无法舍弃；因此，“快速弹性”对于NFV来说，其实意义不大。

3 运营商该如何部署NFV和云计算

通过对互联网企业的云计算平台和电信运营商的NFV技术分析和对比，虽然二者均是基于虚拟化技术实现的云平台，但在技术实现上仍存在较大的差异。

首先：互联网企业在用廉价的COTS机替代IOE的过程中，将原先从IOE采购的技术成本转化为了自己的人工成本，从而降低了平台建设成本；但同时大型的互联网企业也配备了上千人的专业团队负责云平台软件的日常维护和技术更新，其总体成本到底是减少了还是增加了其实只有互联网企业自己知道。而电信运营商的NFV，从图4中可以看到，替换厂家专用硬件板卡的不仅仅是COTS机（含服务器和局域网组网设备，可能还有磁盘阵列），还有需要采购的“Hypervisor+VIM+VNFM+NFVO+厂家云化中间件”；其中Hypervisor是开源免费的，但“VIM+VNFM+NFVO+厂家云化中间件”可是需要花钱的，建设成本会降低吗？恐怕未必。可见，云计算并不一定会节省投资。

4.2.2 冠状动脉造影质量不佳和QFR分析不规范导致的风险 QFR评估受冠状动脉造影采集方法与分析人员分析技术的影响，采集造影质量不佳或分析人员分析不规范均会增加QFR评估出现错误的风险。FAVOR Ⅱ China临床试验研究方案要求应对冠状动脉造影医师进行造影采集规范化培训及对QFR分析人员进行QFR分析规范化培训，临床试验结果显示上述培训可控制冠状动脉造影质量不佳和QFR分析不规范导致的风险[16]。

其次，互联网企业真正看重的是云计算平台能够实现自主研发的新业务应用快速推向市场和弹性扩容（注：可扩容到几乎无限大）；适应市场发展的自主研发的新服务才是收入增加的源泉；而除了具有贝尔实验室基因的AT&T外，电信运营商并不具备电信设备的软件开发能力，即使“赶鸭子上架”开发出了相应的VNF软件，耗费的人力物力暂且不说，只说软件的功能和稳定性以及时效性和对硬件资源的占用与具有数十年乃至百年经验的传统电信设备制造商的产品相比也不会占优，那么就只能受厂家的Licence控制了；如果采用先按需使用Licence，年底价格谈判结算的模式，是否能够解开这个死局呢？

NFV还能够为运营商带来哪些好处呢？

其一，设备硬件平台和配套设施的归一化。各电信设备供应商的专用硬件的尺寸、配电端子、电源线的种类和数量、散热方式、功耗等装机环境差些较大。采用有限种类的通用硬件构建统一的硬件资源池，更加便于机房环境的准备。

其二，便于择优选择电信软件设备供应商，简单地说，就是基于统一的硬件，更加便于厂家设备的替换，当然，这个替换不应仅以价格为依据；其实，电信运营商网络质量的优劣，一方面取决于网络规划设计，另一方面厂家设备的功能和性能也是非常重要的，同质竞争，软件为王，选择更优的软件供应商，有利于厂家之间的质量竞争，也有利于电信运营商打造精品网络。

那么，电信运营商部署NFV和云计算平台还应该注意哪些方面的问题呢？

（1） “I层”收敛。所谓“I层”就是指“Hypervisor+VIM”厂家，为VNF网元提供IaaS服务。运营商自主开发和维护I层，或者选定技术实例较强的少数I层厂家签署战略合作协议，使VNF厂家能够集中精力与尽量少的I层厂家进行磨合、适配和调优，从而节省其人力物力，将更多的精力专注于VNF功能开发。

（3）加强硬件资源池的设计和施工能力。传统物理网元，通常由厂家负责或指导完成机架内部和机架之间的连接，而设计和施工人员更关注的是厂家设备与外部系统的连接，例如连接电源、接地、接入IP网络等；而NFV相当于将传统设备拆开来，由运营商的设计单位和施工人员负责所有部件的连接，数百台服务器构成的资源池需要上千根的连线，一旦连错了一个端口，差错排障的工作量是极为巨大的。

（4） 加强维护能力。NFV仅是设备物理形态的改变，其原有的网络组织路由和局数据不变，同时增加了对资源池硬件本身以及硬件资源池上各个VNF及VNFC（构成一个VNF的多个虚拟机）的维护和管理。

（5）在各个方面实现软件与硬件的解耦，预留硬件资源以便于软件容量的扩展，尽力解决厂家软件Licence的瓶颈限制。

（6）电信运营商的维护人员在新业务开通、日常的网络排障中积累了不少的工作经验，可以利用云计算平台开放的架构自主开发一些维护工具，以提高工作效率，当然这有些超出了NFV的范畴，属于私有云的范畴。

（7）有能力的话，可以避开电信软件设备提供商的范畴，自主开发一些互联网增值业务应用，服务客户满意。

（8）原有的电信网络规划和设计仍旧不能放松，NFV仅是网元设备物理形态的改变，并没有对2G/3G/4G/IMS等网络架构的改变，原先的工作一点没少。

4 结束语

云计算来势凶猛，NFV的脚步越来越近，虽然NFV脱胎于云计算平台，但互联网公司的成功模式并不一定适用于电信运营商。部分厂家已经能够提供成熟的NFV产品，电信运营商需要在NFV的实践中逐步摸索和积累经验，为即将到来的基于NFV的5G网络建设打下坚实的基础。总之，NFV和云计算对于电信运营商来说是机遇和挑战并存，衷心地期望电信运营商能够利用好NFV，让NFV为电信运营商创造更大的价值。

[1] 吕红卫. 运营商私有云平台建设探究[J]. 电信工程技术与标准化，2016(1).

NFV and cloud computing, the opportunities and challenges of telecom operator

FENG Zheng
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

At first, this paper introduces the technology of cloud computing platform and NFV, then the NFV and cloud computing platform with the Internet company has carried on the comparison and analysis,summed up the differences among them, the last in NFV deployment for telecom operators need to pay attention to the problems are proposed.

NFV; cloud computing; IaaS; virtual network function; physical network function

TP39

A

1008-5599（2017）12-0001-08

2017-11-25

冯征教授级高级工程师，中国移动通信集团设计院有限公司资深专家，中国移动技术咨询委员会网络领域专家组成员。长期从事交换专业工程咨询设计工作，主持编制中国移动2G/3G融合核心网总体建设方案、中国移动2G/3G/4G融合核心网总体建设方案、中国移动VoLTE核心网总体建设方案。获得住房和城乡建设部颁发的优秀工程设计金奖1项、银奖2项。

工信部组织召开《工业互联网平台应用指南》专题研讨会

11月27日，工业和信息化部信息化和软件服务业司在北京组织召开《工业互联网平台应用指南》专题研讨会。工信部信息化和软件服务业司司长谢少锋、副司长安筱鹏以及部分地方工业和信息化主管部门有关负责人参加会议。

工业互联网平台是工业资源汇聚共享的载体，工业全要素链接的枢纽，是工业互联网的核心。编制《工业互联网平台应用指南》是贯彻落实《国务院关于深化“互联网+先进制造业 发展工业互联网的指导意见》、推动工业互联网平台建设和应用推广的重要举措，对于指导各类企业建设、发展和应用工业互联网平台，构建基于工业互联网平台的制造业新生态具有重要意义。与会专家听取了关于《工业互联网平台应用指南》编制工作方案的汇报，并重点围绕企业用什么样的工业互联网平台、如何应用工业互联网平台、如何发挥政策引导作用等问题进行了深入研讨交流。 （来源：工业和信息化部官网)