NFV的技术发展现状和未来展望（ 2014年）

多年以前的笔记本里记录了众多书籍的重要内容，在过去很长的一段时间内一直未能系统地进行整理与翻阅；直到现在依然未能完成这一期待与计划。这些笔记本早已记不清来源与归属。

1、NFV技术简介

NFV的全称即为Network Function Virtualized（NFV），其官方释义为"网络功能虚拟化"。直译为"网络功能虚拟化"。简单理解即为将当前使用的专用电信设备迁移至通用的X86 COTS服务器架构上。

如下图所示：当前电信网络使用的各种设备都基于私有平台部署。每个网元都像是独立的小房间，在这种架构下彼此之间无法共享硬件资源。当进行扩容时需要额外配置硬件设施；而缩容后会导致硬件资源闲置且浪费的时间更多；相比之下，在NFV架构中每个网元都被视为独立的应用程序。这些应用可以通过灵活部署在标准服务器、存储和交换设备上构建统一平台结构实现软硬件解耦。这样一来网络架构的弹性显著提升：通过动态调整虚拟资源数量能够实现扩容与降容的目的节省了大量时间并且降低了运营成本。

NFV的技术发展现状和未来展望
图1 NFV的愿景

在 pursuit of 达成这一目标的过程中, NFV 的核心技术架构建立在 当前 IT 行业广泛采用的 云计算 和 虚拟化技术基础之上。 基于通用 COTS（商业-off-the-shelf）计算、存储和网络硬件平台, 在虚拟化技术的支持下实现了对这些基础组件的模块化划分, 并通过相应的管理机制实现对各功能模块的独立配置与动态调配能力。 同时, 在此基础上构建起了 供上层各类应用程序灵活调用 的丰富资源池, 并在此过程中实现了 应用与 硬件设施之间解耦, 并显著提升了资源供给效率——从物理硬件支持下的 天天 到 转为 分钟级响应。

借助云计算技术，应用得以实现弹性伸缩；从而实现了资源与业务负荷的有效匹配；既提升了资源利用率，又确保了系统的响应速度

根据NFV的思想，一个虚拟的4G EPC系统部署方式如下图：

NFV的技术发展现状和未来展望
图2 vEPC部署示意图

在图示中可以看到一个完整的vEPC系统架构包含四个关键组件：两个P/SGW节点、一个移动管理实体（MME）以及一个核心服务器主站单元（HSS）。这些组件各自部署于四个不同的数据中心内，在此架构下它们承担着按照预定的网络配置要求执行相关任务，并负责提供相应的网络服务。

NFV白皮书定义的收益主要如下：

•降低运营商采购/运维成本及能耗。

高效业务推进以缩短研发周期：涉及提高测试和集成效率并缩减建设支出。软件的快速部署替代新的硬件部署

该网络应用可支持多个版本以及多个租户。允许不同应用场景下的用户访问同一平台。通过自然过渡的方式实现了网络资源的共享。

使能不同物理区域以及用户群的业务定制化设置，并支持灵活的弹性扩展能力。

•使能网络开放，业务创新。可能孵化新的利润增长点。

2、NFV技术当前发展现状

自成立以来

至今，NFV-ISG在标准组织上分为几个工作组：

•TSC（Technical Steering Committee）组：负责整个NFV-ISG的总体工作；

AVI（全称）组承担着虚拟化基础设施架构的任务；

•MANO（Management & Orchestration）组：负责管理和编排；

•SA(Software Architecture)组：负责软件架构；

•R&A(Reliability&Avallability)组：负责可靠性和可用性；

•P&P(Performance & Portability)组：负责性能和可携带性；

•Security组：负责安全；

现有TSC已草拟了4个总体标准，并已收尾完毕；其余各工作组正在逐步阐述其文稿内容，整体趋于成熟状态。

4个总体标准包括Use Cases、Architecture Framework以及NFV核心概念的术语定义和Virtualisation Requirements等关键指标。目前已有多家厂商与运营商协同开发下述内容：四个关键指标已成功实现了理论上的突破，并且已经实现了对NFV技术体系的有效验证。

NFV定义的技术架构如下图所示：

NFV的技术发展现状和未来展望
图3 NFV参考架构

相较于现有网络架构中的独立业务网络和开放服务系统（OSS），NFV采用了系统性的方法从纵向上进行了拆解与重构，并基于NFV架构设计将该方案在纵向方向划分为三层结构：

在基础设施层面：NFVI作为NFV Infrastructure的缩略形式，则相当于一个资源集合体。从云计算角度来看，则相当于一个资源集合体。在虚拟化映射过程中，则表现为多个地理分布的数据中心通过高速通信网络相互连接。其中，在虚拟化过程中需将实际运行中的物理计算、存储以及数据交换等资源转化为虚拟化的计算、存储以及数据交换资源池。这种转换有助于构建一个统一且可扩展的云原生架构。

虚拟网络层对应现有各电信业务网络体系，在此架构下每个物理网元都被映射至一个虚拟网元VNF。在此过程中，VNF所需资源需被划分为虚拟化的计算、存储和交换资源，并由NFVI技术平台进行承载支持。尽管如此,VNF之间的功能交互依然遵循传统网络定义的信令接口规范（3GPP标准与ITU-T标准），而VNF相关的业务网管系统仍采用NE-EMS-NMS架构进行配置与管理。

核心业务支持平台：核心业务支持平台即是当前采用的OSS/BSS系统，在虚拟化实施过程中需对其配置进行重要优化。

从横向看，分为两个域：

•业务网络域：就是目前的各电信业务网络。

管理编排域：相较于传统网络而言，NFV显著增加了专门用于统一配置与协调各服务组件的专门机构——即MANO（Management and Automation Network Operations）。该机构的主要职责包括协调并配置整个NFVI资源体系的规划与配置工作；处理业务网络与NFVI资源之间的对应关系及相互联系；涵盖并执行与OSS相关的业务流程设计与实施；其内部结构由VIM（Virtual Integration Module）、VNFM（Virtual Network Function Manager）以及Orchestrator三个核心组件构成；分别承担对NFVI、VNF以及NS这三个层次的服务管理职责。

基于NFV技术的核心理念

按照这样的编排流程进行操作后可以看出

采用NFV部署一个网络服务的示意图如下所示：

NFV的技术发展现状和未来展望
图4 一个业务网络部署示意图

目前基于NFV的技术架构框架，在众多厂家都已经完成了POC测试及验证工作，并包括了vIMS、vEPC、vCPE以及vCDN等多个系统，在WRC2014年会上进行了展示并成功证明了NFV技术的有效性

3、NFV技术存在问题分析

尽管从技术角度来看NFV定义标准是可行的，在商用之前必须解决的技术难题使得这一目标仍然难以实现。

NFV项目因目标设定过大而在第一阶段即将结束时仅达成了4个总体规范；其余工作组所定义的相关规范尚未完成；许多问题则被延迟至第二阶段进行解决；因此目前该标准与完全成熟仍存在一定的差距

IOT与兼容性问题：NFV提出的架构非常庞大，在其定义中新增了许多接口（参见图4），将传统的电信设备供应商拆分为若干层级：包括硬件设备供应商、虚拟化管理软件供应商、虚拟化电信网络软件供应商、NFVO（NFV Orchestrator）软件供应商以及NFV系统集成商；这种划分使得原来的单一供应商模式转变为由多家供应商共同完成软硬件集成的过程。通过协作实现各接口的具体功能定义后，在同一个组织主导标准制定时相比起开放协作的方式而言，在技术标准上可能会存在一定的不足；而如何确保各厂商设备间的兼容性则会成为一个亟待解决的问题

业务网络级别的自组网（SON）技术发展滞后，这制约着网络级弹性伸缩能力的提升：依照NFV架构，在新虚拟网功能（VNF）资源实现自动部署方面已取得进展（由MANO实现了自动化部署），但传统运维架构仍依赖于传统的EMS/NMS机制进行各VNF间连接与话务路由配置；由此可知，在当前架构下难以做到灵活接入单个VNF；因此必须推动业务网络级别的自组网技术发展以实现各VNF即插即用；然而由于需要对多厂商共存的多款VNF进行自组网配置，在技术和管理层面都面临较大挑战；

虚拟化的可靠性技术：传统电信应用通常要求至少达到五个九的可靠性水平，在实施虚拟化后并不能降低其所需的最低可靠度标准；为了实现传统电信应用的整体可靠运行，在采用COTS设备进行虚拟化部署时，则需要特别关注硬件系统的可靠性和软件系统的兼容性；相比之下，在采用COTS设备进行虚拟化部署时，在硬件层面可能面临性能瓶颈限制，在软件层面则需相应地需通过提高软件系统的可靠性水平来弥补这一不足；

网络虚拟化技术尚处于起步阶段：相较于计算和存储虚拟化的成熟发展而言，在网络虚拟化技术方面仍存在明显不足。软件定义网路（SDN）尚未完全成熟，在当前应用环境下其类型较为繁多。如何将其成功整合至Network Function Virtualization（NFVI）架构中仍面临较大挑战风险。对于电信业务网来说，在实际应用场景中通常由多个分散的节点构成，并需要配置大量网络资源来支撑运行；这些资源需要分别分解到数据中心内部局域网资源以及数据中心之间的传输介质上；此外还需考虑业务网与接入网之间的承载资源分配问题；而这些关键环节都需要实现虚拟化与自动化操作；目前而言这一过程仍需依赖传统的承载/传输网管系统来进行管理；随着软件定义网路技术的进步，在其广泛应用后将有望与NFV形成协同效应。

系统集成问题：NFV致力于实现业务网络自动化部署的目标。从体系结构来看是一个庞大的 ICT 系统整合项目，并涵盖了 NFVI 集成、VNF 集成以及业务网络集成功能。这些方面都涉及到各种系统（设备）、供应商（厂商）、地域分布以及接口设计等多个维度。项目的技术难度较现有公共云与私有云解决方案更高；尽管实现了自动化的部署目标，但在实际操作中需要处理规划阶段（如网络规划）、实施阶段（设备安装）、调试阶段（性能测试）、升级阶段（功能扩展）、优化阶段（性能调优）以及运维阶段（日常管理）等多个环节的工作，并且每个环节都需要依次完成相应的任务；展望未来如何高效地完成整个部署方案将是极具挑战性的任务；这对集成商的技术能力提出了极高的要求。

4、NFV技术未来展望

尽管NFV技术尚未完全成熟仍面临诸多挑战 但这些问题均是可以解决的 我们有理由相信通过业界共同努力 在未来三年至五年内NFV将实现成熟商用

通过前面各节的分析可以看出, NFV代表了一个宏大的架构体系,这一架构体系对传统网络部署方式而言则是一种彻底的革新.该架构体系进一步拓宽了运营商基础设施的范畴,将数据中心设备、承载网设备、虚拟化软件系统以及MANO（管理平面）系统全面纳入运营商基础设施体系中.这些系统的业务部署实现了完全的软硬件融合,从而使得业务系统的部署实现了完全的软硬件融合.同时,该架构体系还实现了资源与业务需求的高度动态平衡,使得资源利用率达到了前所未有的优化水平.

基于NFV架构实施后，在网运营效率和服务质量方面将实现显著提升。该网络的部署周期由数月缩短至几小时，在网扩容周期则由几周优化至几分钟级别。通过引入NFV技术体系支持的新业务部署周期也将进一步压缩至数周内即可完成安装调试工作，并最终使运营商实现“大象舞动”的能力目标