络功能虚拟化NFV

1 NFV简介

1.1 NFV的产生背景

络功能虚拟化（NFV）技术是为了解决现有专用通信设备的不足而产生的。通信行业为了追求设备的高可靠性、高性能，往往采用软件和硬件结合的专用设备来构建 络。比如专用的路由器、CDN、DPI、防火墙等设备，均为专用硬件加专用软件的架构。这些专用通信设备带来高可靠性和高性能的同时，也带来一些问题。 元是软硬件垂直一体化的封闭架构，业务开发周期长、技术创新难、扩展性受限、管理复杂。一旦部署，后续升级改造就受制于设备制造商。 络是复杂而刚性的，由大量单一功能的、专用 络节点和碎片化、昂贵、专用的硬件设备构成。资源不能共享，业务难融合。CAPEX和OPEX居高不下。需要面对大量不同厂家、不同年代、不同设备的采购、设计、集成、IOT、部署、维护运行、升级改造问题。这其中最重要的一点是 络设备投资居高不下，而与此同时运营商 络流量不断增长，收入增长却不明显，形成增量不增收的现象。如果能够打开软硬件垂直一体化的封闭架构，用通用工业化标准的硬件和专用软件来重构 络设备，可以极大地减少 CAPEX，缓解增量不增收的现象。为此，NFV技术应运而生。

1.2 NFV的定义

NFV希望通过标准的IT虚拟化技术，把 络设备统一到工业化标准的高性能、大容量的服务器，交换机和存储平台上。该平台可以位于数据中心、 络节点及用户驻地 等。NFV将 络功能软件化，使其能够运行在标准服务器虚拟化软件上，以便能根据需要安装/移动到 络中的任意位置而不需要部署新的硬件设备。NFV不仅适用于控制面功能，同样也适用于数据面包处理，适用于有线和无线 络。NFV 在这里借鉴了IT设备的设计理念。以常用的X86架构的PC为例，其硬件由统一到工业化标准的CPU、内存、主板、硬盘等组成，统一到工业化标准意味着PC在保证质量的前提下硬件成本可以降到最低。PC的软件和硬件是解耦和的，PC运行不同的软件，即可以拥有不同的功能，处理不同的任务。同理，运营商认为通信设备的硬件，可以由统一到工业化标准的服务器、交换机和存储平台3种设备组成。由于统一到工业化标准，意味着通信设备在保证质量的前提下硬件成本可以降到最低，同时通用硬件保证软件可以在统一的平台开发，软件和硬件实现解耦和。

NFV将 络功能软件化，使其能够运行在标准服务器虚拟化软件上，通用的硬件灌注何种软件，则设备就具有何种功能。

NFV技术理念如图1所示，

图2 NFV技术的进展和应用场景

表1 NFV和SDN的对比

1.4 NFV白皮书介绍

1.4.1 NFV白皮书1.0

1.0引入了NFV的发生环境、意思以及与SDN的相关性。说明了NFV的发生环境以及范例，介绍了NFV的有益之处以及对电信产业前景的改变。阐述了云计算和工业化标准的高容量服务器技术的成熟是 NFV发展的推动力，然而目前NFV仍面临许多挑战，包括可移植性、互操作性、性能的权衡、与现有平台的共存和迁移、管理和业务流程自动化、安全和韧性、 络的稳定性、简化现有的操作、软硬件的集成等诸多问题。

为实现快速进度，在 络运营商的领导下建立的ISG与一些开明的 员通过ETSI的帮助，学习一般在 络中应用的虚拟化技术来胜任一些工作。虽然这个组织自己不会作为一个标准组织，但是它可以参考之前的标准从而确定自己的相关组织工作。

1.4.2 NFV白皮书2.0

2.0简述ETS1里NFV组织的拓展壮大，囊括NFVISG的构成与发展，NFVISG的成长汇 ，包含组织规模、重要成果以及到2014年6 月的进程时间线。着重讲解了NFV已经发布了5个文件，阐述了开源、标准化和NFV这三种因素对运营的影响，现在公布了以下5个文件。

（1） 络功能虚拟化在像表格阐明了 络功能虚拟化现将处理能力危机的领域，大量例子不被包含在指定的管理系统，案例的人员也绝对不是完美没漏洞，所有管理团队对 络功能虚拟化的选取有本身的聚焦点与规划。

（2）NFV需求文档描述了NFV框架下服务模式的技术要求和业务需求。

（3）NFV体系架构文件刻画了NFV的功效架构和设计思想，为虚构化的 络性能和底层虚拟化根底架构。经过区分不一样的地方，并且总结它们之中的按照比对的地方，它为了好多NFV完成计划解决了困难。NFVISG赞扬别的单位来使用这个计划，以确立哪些地方和按照比对的东西落到别的地方。

（4）NFV术语文件作为NFVISG文档中一个术语的公共储存空间，力求调整整个行业的NFV术语。它旨在消除软件和 络产业之间的语言障碍。

（5）NFV ISGProof of Concept Frame 文件描述了行业参与者参与 NFVISG工作的方法，并通过概念验证的方式实现 NFV 生态系统成长的过程。要落实很多文件中达成的共同认识其实就是朝着NFV所要求的目标又往前前行了很大一段路程。其实他们也就是 NFVISG 这个组织在最开始的时候所发行有关联的输出相关文件。

2 NFV关键技术

NFV新型 络采用两横三纵的体系架构，如图3所示，

图4端设备虚拟化应用场景

vCPE为固 宽带用户提供宽带上 、多设备组 等基本应用，同时满足PPPoE拨 认证流程．对运维系统、计费系统和用户体验没有任何影响。在vCPE的研发工作中，利用SDN／NFV技术。尽可能将 关的功能上移到 络侧，降低实体 关的复杂度和成本嗍；新业务在 络侧部署，有利于开发、运维和灵活部署；同时，用户侧设备在 络上只有简单的二层交换功能．设备的简化保证了低成本和维护的简化，也降低了用户使用的复杂性。

3.2 接入设备虚拟化

对于运营商来说，接入 系统包括移 接入、固 接人、无线接入、宽带接人等类型，是 络侧面向用户的最前端．往往也是 络中最复杂的一部分，因而很可能会成为 络瓶颈。传统的接入 系统中使用了大量的专用硬件产品，各 元互联的接口多、协议流程复杂、兼容性差，直接拉高了运营商基础 络的建设成本。特别是目前接入 技术需要在远端街道或者大楼处安装有源 络设备．这些 络设备的功耗又必须控制在一定范围内，以节省电能。采用NFV技术可以使用标准rI-设备来代替专用硬件，从而将 元功能从底层的硬件中剥离出来，将复杂的处理功能放置于头端系统，实现按需弹性扩展和自动化部署。当前的接入 络设备往往由一个统一的机构来运营，NFV的虚拟化可以实现多租户的优势．即多个机构可以共用一套接人设备。每个机构使用分配给自己的虚拟 络设备，不会跟其他机构冲突圆。多个不同场景下的功能和控制平面虚拟化如图5所示，

图6 理 络虚拟化应用场景

底层利用NFv虚拟化技术将单一的物理设备按逻辑划分为多个承载不同业务的虚拟设备，在此基础上结合SDN集中控制技术完成数据中心间的组 。顶层利用电信运营商提供的开放API。不同租户可以按需配置资源。自主部署创新业务．不同业务通过不同的虚拟接入 按需调用底层虚拟资源，从而实现多业务场景下的应用隔离。

4 NFV面临挑战

4.1 可靠性问题

传统的电信 络采用高可靠性的专用设备，可靠性达99.999%， 而采用虚拟化技术的通用服务器设备其可靠性明显低于传统的专用电信设备（一般通用服务器设备可靠性只能达到99.9%）。为了满足电信级设备高可靠性的要求，NFV的组件需在多个方面提供与传统电信设备相当的性能，包括故障率、检测时间、恢复时间以及检测和恢复的成功率。引入NFV后，原有软硬一体化设备分成了三层，同时还引入MANO（NFV Management and Orchestration，NFV管理和编排）， 而 MANO也深度介入 元的自动伸缩等流程中，对整个 元的可靠性带来了深刻的影响。为了满足电信级设备99.999%的高可靠性，硬件资源层、虚拟资源层、VNF和 MANO如何协同，VNF与MANO如何配合等都会影响到整个系统的可靠性。这需要建立一套完整的可靠性体系并对三层如何协同提出明确的要求。

4.2 数据转发性能问题

设备的性能主要体现在设备的计算能力、 数据转发能力和存储能力等方面。NFV 络的性能瓶颈目前主要集中在I/O接口数据转发能力上。未来可通过底层设备定制、操作系统优化、业务层软件优化等方式逐步提高转发性能。

4.3 业务部署方式问题

传统 络的业务部署方式为：根据业务需求测算业务 络的容量→采购软硬件设备→到货调试→上线，而采用NFV 络后，业务部署方式将发生很大变化，将变为：由MANO实现业务编排、虚拟资源需求计算及申请→虚拟化的资源池提供相应资源→上线。业务部署方式的变化将对运营商现行的设备采购模式、运维模式产生较大的冲击， 未来NFV 络如何集成和运维将成为一个巨大的挑战。

5 NFV发展前景探究

NFV是运营商从维护自身利益的角度提出的新的设备架构，大部分运营商都愿意支持NFV的方向，这个方向就是通过标准的IT虚拟化技术，把 络设备统一到工业化标准的高性能、大容量的服务器，交换机和存储平台上。NFV作为一种新生的设备架构和产品形态，体现了运营商对通信设备虚拟化的需求，但同时也和SDN等技术相辅相成，共同作用带来通信产业的变革。

作为ICT融合与 络重构的核心技术，NFV以虚拟化和云化技术为基础，能够实现业务的快速部署与自动化运维，从而成为目前主流运营商推进 络转型的首选。但是，长期以来，由于技术难度复杂等诸多原因，NFV推进速度一直慢于SDN，成为妨碍 络重构实现的最大阻力。

SDN/NFV产业联盟技术专家委员会主任曹蓟光博士指出，过去一年，SDN/NFV所倡导的 络开放化、虚拟化、智能化、融合化的技术理念得到了越来越广泛的认同，成为全球业界普遍看好的促进现 升级演进、未来 络技术创新的重要技术途径，将加速 络产业生态的深刻调整。NFV推动硬件和软件解耦，以及软件功能的分层解耦，进一步细化和拉长产业链环节，产业重心将由硬向软调整，软件公司特别是第三方系统集成商的产业价值凸显。

过去一年，中国厂商加快战略布局，NFV产品与解决方案日益成熟，对于NFV技术与产业发展方向的掌控力进一步增强。电信运营商迈入向信息服务转型的关键发展阶段，构建一张“资源可全局调度、能力可全面开放、容量可弹性伸缩、架构可灵活调整”的新一代 络成为运营商 络演进发展的重要方向。

未来两年，NFV将率先在虚拟化BRAS、虚拟化CPE、虚拟化EPC、虚拟化IMS以及虚拟化路由器等五大应用场景落地，中国NFV商用化发展路径进一步清晰。VNF生命周期管理、性能、可靠性、安全、集成部署、开放互联等是当前NFV技术发展的核心问题，也是未来5年牵引NFV技术产业发展的重要方向。经过过去两年的技术标准竞合，目前各国际标准化组织间的NFV标准化定位更加清晰，ETSI主导NFV基础架构,推动PoC验证；IETF完善IP协议体系，构建 络虚拟化能力；3GPP面向移动核心 演进需求、聚焦 络资源切片；OPNFV立足开源和集成，主导最佳实践。

未来五年，中国NFV市场呈加速发展态势，SDN/NFV的市场将会覆盖数据中心组 ，DCI互联、光 络、接入 、移动核心 、IMS等领域，国内市场规模接近2500亿,产业规模效应初显。5年内，中国NFV产业将处于以技术竞合、试点应用、理念培育为特征的发展初期阶段。发展重点是推动技术架构的统一、接口的标准化，推动符合电信级要求的产品逐步成熟，打造开放系统平台，推进多厂商的集成。未来5~10年，中国NFV产业将进入以技术成熟、规模部署、运营变革为特征的融合应用阶段。届时，开放 络目标架构更加清晰，平台和接口标准化程度更高，产品和解决方案日益成熟，合作共赢的产业生态基本形成。

NFV的部署将是一个渐进的过程，未来几年，传统 络和NFV将共存发展，NFV将按照的“需求导向，业务驱动，效率优先，从易到难”原则，先在业务(如AS、RCS)层面和控制面 元(如IMS、MME)部署，然后再在转发和媒体层部署。从长远来看，NFV有利于降低 络建设和运营成本，但目前尚处于起步阶段，它的实施将是一个漫长的过程。