SDN与NFV技术对运营商后续网络的影响

随着云计算、大数据等新兴信息技术业务应用的规模落地,新业务应用对网络的需求越来越高,运营商的通信网络已进入快速变革时期。灵活性、易扩展和简单易用将成为运营商未来网络必须具备的基本能力,用户能按需自助开通质量可保证的虚拟网络将成为未来网络的关键。因此,SDN和NFV技术的出现迅速成为运营商关注的重点。

1.SDN和NFV技术特点

SDN 最大特点是实现了控制和转发分离,网络设备分离为单独的控制设备及转发设备,转发设备功能简单化,控制与转发间遵循标准的Openflow 协议,使得设备和网络性能更佳高效,进一步细分产业链;网络资源控制集中,计算资源、存储资源和转发资源池化,全网的控制集中到一点,通过控制器可以控制全网,可以有效提高网络资源的管理和控制效率;提供可编程接口,控制器提供丰富开放的可编程API接口灵活编排变化,可以通过软件对网络的资源、拓扑、策略、路由等内容进行动态定义。

SDN 能有效提高全网资源使用效率,提升了网络虚拟化能力并革命式的创新了网络架构。集中式的控制层可完成路由测算、资源集中监控、拓扑管理等功能,精确采集全网资源使用情况,安全隔离不同用户间的虚拟网络;应用层通过开放丰富接口提供可编程环境,采用软件优化网络功能、调度监控网络资源,提高网络资源的使用率和网络质量,同时将虚拟网络配置的能力开放给最终用户,满足用户按需调整网络的需求。

NFV 采用虚拟化技术,将传统的通信设备功能与硬件解耦,采用通用的计算、存储、网络设备实现通信网络功能,打破了专有硬件对网络的限制。NFV有助于提升网络建设、管理和维护的效率。在NFV 方式下,新业务的上线、更新由传统的硬件建设和割接转变为软件加载过程,建设周期大大缩短。结合云计算资源池的规模优势,可以实现多种业务共享资源和集中化管理,大幅提升管理和维护效率。

2.SDN与NFV 之间的关系

从以上概念可以看出,SDN 和NFV 都采用了控制与承载分离的思想,并都试图通过软件定义的形式实现基本控制功能,两者最基本的区别及关联关系体现在以下几方面。

(1) NFV 的核心是网络功能的虚拟化;SDN 的核心是软件定义网络。也就是说NFV 的落脚点在传统网络的网元功能实现的变革上,而SDN 的落脚点体现在IP网络策略及路由转发的软件集中控制上。

(2)NFV与SDN没有直接的关系,二者的着眼点不相同,其应用场景在很大程度上是不重合的,只是在少部分应用上有交集,也就是说两者有一定的互补性,但并不相互依赖。如SDN 的控制器可以部署在NFV 架构上,可以通过SDN 控制NFV 架构中各虚拟网元之间的IP 数据分组转发的集中控制。

(3)NFV 可以不依赖于SDN 部署,SDN 技术不是NFV 架构中必须部署的技术。但对于规模不断扩展的云数据中心,可以采用SDN 技术控制和均衡各虚拟机资源,以便更好的连接和控制这些虚拟机,最终使数据中心更加可控管理。

(4) 针对IP大网,如果逐步采用SDN 架构,其相应的SDN 控制器也可以设置在NFV 架构的云平台上。

总之,SDN和NFV两种技术之间没有直接相互依存的关系,但在局部应用上有一定的交集和互补性。

3.运营商网络发展遇到的问题

国家宽带政策的大力推进和LTE高速无线接入技术的商用部署,使得互联网流量出现急速增长,同时大量新业务的出现也对网络服务质量提出了更高的要求。当前运营商网络面临的问题主要表现在以下几个方面。

(1)网络速度还比较慢,流量费用太高

随着云计算、物联网等各种业务应用的规模使用,现在的网络速度还远远不能满足业务应用的要求,移动医疗、远程教育等系统时常发生视频图像出现马赛克、掉线等;李克强总理之前曾经说过,他到一些国家访问时发现,有些发展中国家的网速都比北京快。在2015年4月14日召开的一季度经济形势座谈会上,李克强总理讲到“现在很多人,到什么地方先问‘有没有WiFi’,就是因为我们的流量费太高了”,现在流量费很贵,1G就要70多元,这可能会成为用户个性化业务应用发展的一大障碍。

(2)网络服务虚拟化能力缺失

云计算技术使存储和计算资源逐步实现了虚拟化,能够灵活地为用户提供业务,动态地进行规模扩展。网络作为承载整个数据通信业务的基础资源,一直未能真正地实现虚拟化,从而网络的相关能力很难对外开放并灵活地根据业务需求进行动态的适配和扩展。同时,网络资源也很难真正作为一种服务提供给用户,往往以带宽、安全策略、SLA等形式来间接满足用户对网络的相关需求。

(3)网络利用率和服务质量的矛盾

以传统IP网络为例,无连接和逐跳分布式路由控制的特性,导致整网带宽很难均衡发展,利用率高的链路难以保证服务质量,利用率低的链路存在资源浪费。在这种情况下,一方面,网络存在整体轻载、局部重载的情况;另一方面,很难保证所承载业务的服务质量。

(4)新技术引入周期较长

传统网络的新技术引入需要经历漫长的周期,包括技术预研、方案制定、标准化推进、设备实现、现网升级/试点等多个环节,将所有环节打通往往需要很长时间,而且在其发展过程中还可能出现新的技术方案将之代替。网络业务更新方式周期漫长、成本巨大,而且有很大的不确定性,当具备部署条件时可能原始需求已经有所变化。

综上所述,运营商的网络在网络速度、资费、虚拟化、服务质量、网络效率和新技术引入等方面面临巨大挑战。为了加快网络速度,提升网络部署的灵活性、有效性,缩短部署时间,应提升网络的软件化程度和可编程能力,进而提高网络对业务的开放程度。SDN 和NFV技术的出现为解决上述问题提供了有效途径。

4.SDN与NFV典型应用场景分析

(1)云计算数据中心 SDN 应用场景分析

云计算数据中心是当前运营商可商用部署SDN的主要场景,SDN 组网方案应重点满足虚拟私有云和用户个性化的增值业务需求等。

虚拟私有云要求云数据中心网络能够为租户提供可自助开通、自助配置、自助管理的隔离网络,具体包括:支持租户即时开通虚拟网络;支持租户自配置虚拟网络,包括定义任意的子网IP网段、网段间访问策略等;支持租户自管理自己的虚拟网络,包括监控虚拟网络的流量、拓扑等;租户之间相互要安全隔离,私有数据彼此不能访问。

虚拟私有云要求不同租户之间的网络不仅需要隔离,还要求网络之间可以复用IP 地址段、任意创建子网等。另外,为租户提供的虚拟网络应是抽象的、逻辑的拓扑,不包含物理网络的VLAN、IP 地址、ACL等信息。虚拟网络仅呈现给租户租用的云主机之间、网段之间的访问关系和网络流量情况等。

以上功能实现要采用SDN技术,在云数据中心网络架构层面提供网络抽象功能,将物理网络抽象成多个逻辑网络,并将租户对逻辑网络的操作映射为物理网络操作。

租户个性化的增值业务需求是指租户按照自有业务需求,使几类流量依次通过不同的功能网元,通过部署灵活的转发策略,实现多条链路的流量均衡,提升链路资源利用率,实现资源使用最大化;同时能为用户提供增值的网络服务,包括防火墙业务、负载均衡业务、VPN 业务等。

(2)移动核心网 NFV 应用场景分析

NFV典型应用是在一些CPU密集,对网络吞吐能力要求比较高的场景,如移动核心网。随着移动数据流量的迅猛增长,物联网、大数据、移动医疗等越来越多的业务需求出现,这既给运营商网络带来了扩容和运维压力,也要求运营商以更低的成本做好流量经营,以提升数据流量的收入,如构建流量识别和分析、视频优化、流量压缩等网络增值能力。

为此,移动网络需要构建一个更加开放、灵活、高效的架构,利用NFV 技术,通过统一的虚拟化软、硬件平台,使软件功能与硬件解耦,实现硬件资源的高效利用、网络功能的快速灵活增强。以达到降低成本,提升管理和维护效率, 增强系统灵活性的目的,使网络更加灵活和简单;使得资源可以充分灵活共享,实现新业务的快速开发和部署,并可以基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等功能。

5.SDN与NFV对运营商后续网络影响

5.1对运营商后续组网的影响

(1)SDN 对后续组网的影响

SDN如在网络中应用,对运营商后续组网将会产生以下两个方面影响。

a. 总体网络架构将发生变化:网络从功能上将分离成控制、转发两个层面,需要新增控制与转发层面的组网。在转发层面,与当前的IP网络及IDC内部相类似,仍可依照规模及功能分为接入、汇聚、核心3个层面。

b. 节约网络资源:通过资源灵活调度,可以均衡使用并节约网络资源,转发层面的端口、链路数量比当前网络的需求要相对会少一些。

(2) NFV对后续组网的影响

现阶段NFV技术对于运营商传统网络的路由策略和局数据设置总体上不会产生太大的影响,主要原因如下。

a. NFV 对运营商网络中各类功能网元的在网形态有较大的改变,即由传统软硬一体化网元变为基于统一云平台的NFV虚拟功能网元,每个功能网元在逻辑上与传统网元的功能及地位完全相同。

b. NFV 中各个虚拟功能网元与传统网元一样有容量上限的限制,网络扩容需要以新增逻辑网元的形式实现。

c. NFV 虚拟功能网元的对外接口及链路配置仍然需要,只是由原来的实体接口/链路变为虚拟的接口/链路。

d. NFV虚拟功能网元之间的容灾仍需在业务层面考虑并实现,NFV架构主要考虑站点内虚拟机、云资源中硬件资源的内部可靠性。即网元间组池、异地容灾备份等网络级的安全性要求仍需要依据原业务网络层面的机制实现。

虽然NFV架构下运营商网络的逻辑组网结构、路由策略和局数据设置等原则总体不变,但是由于新增虚拟资源管理等内容,因此在数据配置与管理方面需要新增加针对虚拟机编号、地址、端口等的管理,目前具体需要管理的内容由于大量接口及功能相关规范未完成而尚不明确。

5.2 网络运营模式将发生变化

SDN/NFV不仅从根本上将变革运营商的网络,还将对运营商的网络运营模式产生变化,以往运营商疆域式的运营模式不再适合SDN/NFV的建设和运营。

分层化的平台架构直接影响运营商的网络运营模式。现在的网络架构下,运营商采用专业网管、网元垂直管理和专有硬件管理等模式;网络功能虚拟化后,运营商现有的运营模式将发生改变,具体体现在虚拟网元业务网管、虚拟化资源池管理、硬件资源池管理、数据中心管理和跨域跨业务协同管理等方面。

将会使运营商的组织机构发生变化。SDN/NFV的引入,将会导致运营商网络的架构发生大的改变,运营商将建设各种数据中心,使其成为NFV的基础设施,并在数据中心广泛采用SDN技术。当前,运营商的IT部门和网络部门是分离的,未来网络的运营将和IT合为一体。因此,运营商必须重建自己的业务开发团队和业务流程,运营商首先需要在组织架构上实现调整,对于IT的定位将从支撑转换为运营。其次,运营商各种新业务的开发,测试和上线也和传统业务也将不同。

运营商通过对网络和其他资源能力的开放和有效整合,进一步会提升资源的集约化运营。SDN天然支持网络虚拟化,能有效做到网络资源的切片隔离,同时强调网络能力的开放,可以及时引入新型的应用来应对未知的商用模型,可以为OTT提供其所需求的网络等能力来适配其业务需求;NFV强调多网元共享相同的云基础设施、多厂家共存减少锁定和部署自动化将为运营商的集约化运营打下良好的基础。

引入SDN/NFV后,通信产业生态环境将发生改变,在原有基础上增加了虚拟化厂商、通用硬件厂商、现场集成厂商。运营商角色也将发生改变,需要网络业务规划和云架构规划,现场集成及云环境下网元性能保证等多业务协同运营。

5.3 SDN与NFV对运营商后续网络维护的影响

(1) 维护体系结构将发生变化

NFV引入将对现有维护体系产生较大影响。现有网络一般按照分专业维护的模式(例如无线、交换、数据、承载、传输等),每个专业维护的相关网元包括硬件、软件、网络配置、业务质量等方面的内容。NFV 引入后,维护体系的变化主要体现在以下两方面:

a. 各实体功能网元演变为以软件形态存在的虚拟网元,传统分专业维护依然存在,但是不再针对设备硬件进行维护。

b. 新增加NFV云维护专业:针对各数据中心NFV 架构的虚拟资源管理,包括相应的调度软件、云资源池硬件、云站点IP 网络的维护等。

(2) 各专业网络维护方式将发生变化

NFV架构对于运营商网络的维护将产生很大的影响,从机房、设备管理、故障处理、质量保障、等方面均提出全新的要求。

机房将需要按照IDC机房标准改造,设备入网将以软件形态的虚拟网元入网,不涉及硬件割接入网,但涉及虚拟机资源的核算与调配,路由及局数的维护方式将会不变,但需增加NFV虚拟资源配置,软硬件的维护方式不变,但需增加NFV资源调度软件的维护,硬件维护将统一由云资源维护团队负责,网络质量保障方面虚拟资源运行有效性、可靠性等对业务应用质量存在不同程度的潜在影响等。

(3) 更有利于集中化的管控

NFV的核心是将软件从现有厂家各异的硬件平台中剥离出来,随着IT计算能力的不断增强,单个虚拟网元的能力会快速增加,更加有利于网元的集中化部署和管控。在SDN 网络中,控制器可实现对全网资源、运行情况的管理、控制,涵盖了当前网络的网管功能,维护的相关工作通过控制器管理实现。同时,控制器提供了丰富API编程,可以部署灵活的维护管理任务,快速实现网络的各类维护需求。

(4) 网络扩容和新业务部署将更加灵活快速

由于网络扩容和业务部署采用软件加载到相应的虚拟机中的方式来实现,一般情况下不涉及硬件扩容、割接等工作。因此,可以更加快速、高效灵活的实现。

(5) 需新增NFV网管支撑系统,并与现有网管系统连接

按照NFV 标准架构,为便于虚拟资源的动态管理,特别定义了NFV网管支撑域,实现虚拟资源管理和调度、虚拟网元的生命周期管理等功能,该网管支撑域分别由NFVO(Network Function Virtual Orchestrator)、VNFM(Virtual Network Function Management )、VIM(Virtual Infrastructure Management)组成。 NFVO 实现统一的资源管理与调度;VNFM 实现虚拟化网元生命周期管理,包括虚拟网元的生成、变更、删除等;VIM 实现对虚拟化资源、硬件资源池的统一管理。

6.SDN 与NFV应用展望

随着SDN和NFV技术不断完善,对运营商后续网络将产生革命性的变化,其对运营商的价值与可行性在不断的研讨和实践中已经得到初步验证,形成了部分商用的场景和解决方案。2015年是业界开始逐渐试点和发展SDN和NFV的一年,相信它们在运营商的实际应用中会得到进一步完善,运营商的网络质量将会更加优化,将会以高质量网络匹配云计算、大数据等新兴信息技术业务应用发展对网络的需求,大大提升用户体验,会为运营商业务规模化运营打下良好的基础。

原文发布于微信公众号 - SDNLAB(SDNLAB)

原文发表时间:2015-04-27

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