NFV移动网络论文

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1移动业务对网络能力的挑战

移动互联网和物联网是未来移动通信发展的两大主要驱动力，刻画出欣欣向荣的移动通信产业生态图景。移动互联网已经颠覆了传统移动通信业务模式和用户使用体验方式，并将深刻地影响着人们工作生活的方方面面。面向2020年及未来，移动互联网信息服务交互方式进一步升级，为用户提供增强现实、虚拟现实、超高清（3D）视频等更加身临其境的极致业务体验。物联网扩展了移动通信的服务范围，从人与人通信延伸到物与物、人与物的互联，使移动通信技术渗透至更加广阔的行业和领域。面向2020年及未来，移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等将会推动物联网应用爆发式增长，数以千亿的设备将接入网络，实现真正的“万物互联”，为移动通信带来无限生机。在现有基于专用硬件的网络系统架构和组网模式下，网络体系架构僵硬、功能平面划分不合理、网络升级维护复杂，基于这一体系继续演进来应对未来业务需求挑战是非常困难的。随着IT界网络虚拟化技术思想的逐渐发展与成熟，电信网络也在尝试引入这两种技术，酝酿对网元形态、组网方式和网络架构的全面变革。而网络功能虚拟化（nfv）则是电信网引入虚拟化技术的整体方案。

2网络功能虚拟化（NFV）技术简介

2.1NFV基本概念

软件功能虚拟化（NFV）改变网元功能形态，将原本封闭设备中的网络功能释放出来，统一承载在虚拟化平台之上，意在打破电信设备“黑盒子”模式。移动网络的任何一个位置都按需部署（卸载）虚拟化的网络资源，即插即用，提高网络灵活度和可扩展性，符合移动网络不同区域、不同时间、不同场景差异性需求。另一方面，采用工业标准化的服务器、存储和交换设备替代专用硬件设备，大大降低了组网运维成本。因此，低成本和灵活性是NFV的两大核心优势。

2.2NFV标准化进展情况

2012年10月，由AT&T、德国电信、英国电信、中国移动等13个国际主流运营商牵头，联合多家网络运营商、电信设备供应商和IT设备供应商共同推动在ETSI成立网络功能虚拟化工作组（ISG），旨在推动NFV技术框架研究和产业化发展。NFV工作组在2013年聚焦于Highlevel文档的设计，已第一批规范，包括NFVUseCases、Require-ments、ArchitecturalFramework和Terminology的V1版本，以及PoCCal（lProofofConcept）。NFV于2014年上半年了第二个版本的白皮书，主要总结NFVISG一年来各个工作组的进展、对场景、需求、架构等内容进行了更新，明确提出NFVISG对于标准化和开源社区的态度。2014年下半年将UseCases、Requirements、ArchitecturalFramework和Terminology的V2版本，以及标准化Gap分析等新版标准文档。概念验证（POC）是NFV在2014年的另一项重点工作，通过CallforProposal和Evaluation等几个环节向产业界征集NFV产品原型和验证试验延时，以推动NFV产业发展。

2.3与网络虚拟化相关技术的关系

（1）NFV与网络虚拟化的关系

网络虚拟化（NV）的概念很早就已经出现。目前，通常认为网络虚拟化是对物理网络及其组件（如交换机、端口以及路由器）进行抽象，并从中分离网络业务流量的一种方式。采用网络虚拟化可以将多个物理网络抽象为一个虚拟网络，或者将一个物理网络分割为多个逻辑网络。网络虚拟化打破了网络物理设备层和逻辑业务层之间的绑定关系，每个物理设备被虚拟化的网元所取代，管理员能够对虚拟网元进行配置以满足其独特的需求。由定义可见，网络虚拟化主要是针对层二和层三的交换机、端口以及路由器等网络组件。网络功能虚拟化则是从电信网业务功能形态的角度，将原本网元设备中的一体化功能分解成多个逻辑功能组件，实现在通用硬件平台上网元功能的重构、部署和迁移。可以认为网络虚拟化技术的概念更加宏观和基础，网络功能虚拟化则面向电信网网元功能具体的需求。

（2）NFV与SDN的关系

从广义上理解，软件定义的网络（SDN）是一种全新的组网设计思想，通过网络控制与转发分离的思想，构建开放可编程的网络体系结构。SDN与NFV共同被认为是未来网络创新的重要推动力量。根据NFV白皮书的解释，NFV与SDN间的关系可以概括为高度互补，彼此独立。NFV的实现不必依赖于SDN技术。但是两种技术方案的结合可以获得潜在的更大增益。例如，SDN所提出的控制与承载分离的理念有助于增强NFV系统性能，简化设计方案，提升与现有部署方案的兼容性和提高运维和网管效率等。同时，NFV与SDN技术在充分利用标准化硬件设备方面存在高度的一致。

3基于NFV的移动网络新型体系架构设计

3.1EPC现网架构特征与不足

支持LTE接入的EPC部分实现了信令面与用户面的分离，信令面网元包括MME、PCRF、HSS等，实现终端设备的鉴权授权、移动性管理、位置更新、签约管理、策略控制和网关选择等功能；用户面网元主要包括S-GW和P-GW，实现用户会话建立、承载管理、IP地址分配等功能。EPC核心网以P-GW为统一的用户面锚点，支持多接入系统，提供统一的移动性管理。WCDMA/GPRS接入、CDMA接入和WLAN接入一侧不同的本地服务网关（SGSN、HSGW等）与P-GW建立会话，由P-GW分配唯一IP地址实现业务数据流的连续性。EPC核心网具备控制与承载分离，多接入系统统一管理、统一业务数据流锚点等功能特性，是未来移动核心网系统演进的基础。随着移动网络业务的日新月异，当前的EPC架构逐渐不能满足业务和运营需求，并存在以下几方面的不足：

（1）架构层面划分不够合理

网络架构用户面和信令面分离的好处在于可以分别按照网络功能特性，实现核心网系统信令面集中部署，用户面边缘分布的优化，提升网络性能。但目前的层面划分中，网关节点仍承担了复杂的控制功能，与MME等信令面节点交互频繁。另外，UTRAN/GERAN、CDMA和WLAN系统接入EPC时，其信令面和用户面是合一的，增加了与E-utran协同组网的难度。

（2）多接入系统间协同能力较弱

EPC架构中实现了多接入系统基于层三IP地址的统一管理和流移动性。体现接入特性的二层则是相互独立的。运营商实际建网和运维中，每一种接入系统都是独立组网，异构系统间的资源无法共享，增加了网络OPEX和CAPEX。从用户角度看，业务数据流只能在接入系统间切换，无法实现多接入针对不同业务流要求的协同服务，再加之异构接入系统协议存在差异，信息交互，切换流程复杂，不利于提升用户体验。

（3）网络能力的可扩展性较差

现有EPC网络由基于专用硬件的网元设备组成，硬件限定了网元功能的部署位置和性能指标。MME和P-GW设备部署在运营商核心域，汇聚层次较高，不利于降低业务时延，容易导致信令处理和流量瓶颈；移动网络业务量随时间变化特征明显，但网络规划时必须按最高业务预测设置节点能力，造成了闲时资源的极大浪费，固化的硬件节点无法随业务量变化灵活扩容和缩减，基于硬件设备和物理连接的扩容方法又导致机房组织和拓扑复杂等一系列新的问题。

3.2基于NFV的新型移动网络架构设想

NFV的核心思想是网元功能的软件化，理论上任何一种网络架构都可以引入NFV技术实现网元功能的软硬件分离。具体到移动网络网元功能虚拟化，除了NFV本身所具备的优点特性外，网元功能软件化和重构给移动网络架构演进提供了广阔的创新空间。（1）形成基于虚拟化平台的通用转发面如图3所示，EPC架构中的P-GW网元除了业务数据流转发功能外，还具有IP会话和承载控制功能。网络功能虚拟化实现后，P-GW形成独立的转发功能组件和IP会话和承载控制功能组件。IP会话和承载控制功能可抽取出来，与其他控制功能组件交互实现对用户会话和承载的统一控制。仅保留转发功能的P-GW不再是流量的汇聚点，而是普通转发节点，实现接入、汇聚和核心域全局扁平化网络。（2）屏蔽底层协议栈差异的统一控制面不同接入系统的业务流程（鉴权/授权、业务接入请求、切换等）和信元类型（用户标识、位置信息、无线和连接信息、QoS等）大体相近，下层协议栈的协议各自不同（GTP、PMIP等）。硬件网元功能与协议栈的绑定造成异构系统间信息交互复杂，协同工作困难。网络功能虚拟化实现后，底层协议栈的差别可由虚拟化平台统一处理，网元功能组件之间采用统一的消息格式和数据结构传递信息，完成业务流程。这样既可以消除控制节点间协议适配造成的额外开销，也可以实现异构接入系统间全局资源共享和协同控制功能。全面提升控制面处理能力。基于上述设计思路，基于NFV的新型移动架构层面更加清晰，转发面更加扁平，可更好地适应未来移动网络业务需求。和承载控制功能，形成全网集中的控制平面。基于虚拟化平台，软件形态的功能组件可以部署到网络的任意位置，通过标准化的消息接口和数据格式交换信息，完成业务流程。实现全网信息同步、接入协同和资源调度。全网架构采用云平台实现。可快速实现网络控制功能重构，转发面行为定义，未来运营商也可以按需组合，灵活编排，有利于新业务的快速开发和部署。云管理平台用于分配存储、计算及网络等资源，全局监控资源利用情况，根据所需动态地分配网络资源，提升网络建设和运营效率。

3.3基于NFV新型架构的关键技术

基于上述的新型网络架构，可以引入多样化的网络关键技术。（1）网元功能重构核心网网关功能可以分解为会话管理、地址分配、资源管理等控制面功能，这部分网元功能从网关设备中抽取出来，与移动性管理、PCC等构成全局控制面。控制器通过控制功能的编排形成到业务逻辑，统一控制转发面设备的行为。整个系统都可以部署在数据中心服务器，不必依赖庞杂的专用硬件和物理连接。（2）异构接入系统协同移动CDN业务对优化全网流量负载，优化业务时延有极高的价值，但如何实现内容的高效分发、用户移动性以及与不同终端能力适配是需要解决的关键问题。

4结束语

NFV相关研究目前处于架构和技术方案设计、初步概念验证阶段，要实际应用到现网，还有基础设施平台选择、核心网云管理架构设计和转发面性能加速等关键问题需要解决。但NFV技术本身的价值以及对网络体系架构的创新推动作用，正在被越来越多的研究组织、运营商和设备制造商所认可。NFV将成为未来移动网络架构演进的必由之路。

作者：陈凯 刘旭 朱浩 单位：工业和信息化部电信研究院通信标准研究所