摘要：從移動互聯網時代背景出發，對網絡功能虛擬化概念、網絡虛擬化演進的必要性進行分析，指出了移動核心網虛擬化需求，并針對移動核心網虛擬化演進架構趨勢進行探討。

1 引言

隨著智能終端的普及和移動互聯網業務的井噴式發展，網絡中的流量和信令一直處于的爆炸性增長，對網絡容量和性能本身提出了更高的要求。然而，運營商的收入和利潤卻并不能隨著網絡中的流量而大幅增長，甚至是出現負增長，形成著名的收入和成本的“剪刀差”現象。究其原因，運營商的業務重心已經由語音短信向高速數據業務遷移，就是因為這些高速發展的移動寬帶業務給網絡造成了巨大的負荷壓力。為了應對網絡中日益增長的數據流量，運營商不得不加大投資力度，縮短投資建設周期，對移動網絡進行新建、升級或者改造，造成了巨額的網絡資本支出(CAPEX，Capital Expenditures)及運營成本(OPEX，Operational Expenditures)。

如何有效地提高網絡管理靈活性和設備的利用率、降低網絡運維成本，這是移動寬帶時代各大運營商開始不得不正視并認真思考的問題。當前，傳統以專有硬件為主導的設備產品架構、基于預先規劃的建設模式，已經難以適應未來高速數據業務發展的要求，需顛覆傳統電信設備的認識理念并利用新的技術理念來支撐新的業務模式對網絡資源有定制化的訴求，包括設備形態、配置管理、擴容升級等方面，以推動網絡向基于云化、開放的網絡架構演進。

信息通信技術(ICT)融合發展背景下，電信網絡將借助于網絡功能虛擬化(NFV，Network Function Virtualization)技術提高網絡設備的利用率，降低運營商OPEX/CAPEX支出，同時還提供了高可擴展性、多網融合的端到端智能管道，為用戶帶來更佳的業務使用體驗，為運營商帶來新的利潤增長契機。

2 NFV技術

傳統網絡設備由于基于網絡應用實際需求，大多采用專有硬件平臺獨立開發，網元功能與硬件平臺耦合性高。NFV技術的目的是為了提供了電信設備的硬件基礎設施和上層網絡功能應用的解耦，與當前煙囪式、垂直化的網絡應用部署相比較，底層資源(包括計算、存儲和網絡資源)通過虛擬化技術進行同構化和歸一化，并可以被多種上層邏輯網絡應用所動態共享。如圖1所示，NFV技術主要設計思路是采用通用服務器硬件平臺，在服務器之上運行虛擬化軟件并生成虛擬機，各種網元以軟件的形式運行在虛擬機之上。采用這種架構，運營商將只需維護統一的虛擬化平臺，而不同的網元將以虛擬機的形式運行在虛擬化平臺之上，新增網元或者網元升級則體現為新的虛擬機實例化或虛擬機中軟件版本升級。同時，由于虛擬化技術屏蔽了底層物理平臺的差異，跨網元、跨廠家的硬件資源共享問題將迎刃而解。并且，利用虛擬機動態遷移，動態生成等特性，結合對虛擬化平臺的智能管理，根據業務量的變化實現網元的動態擴容、縮容，從而本質上提高硬件利用率和軟件的可移植性，同時帶來運維的成本和應用部署時間的顯著降低。

毫無疑問，NFV技術理念將對傳統電信運營商及電信設備商思路帶來顛覆性的沖擊。對運營商而言，這是擺脫廠商專有設備的限制，實現更高效靈活、自動化的網絡建設與經營的良好契機，然而卻無法重用現網的固有投資;對傳統電信設備商而言，除了需要在商用成品(COTS，Commercial Off-The-Shelf)服務器硬件平臺上滿足電信高標準業務需求，同時將與更多的IT軟件開發商展開競爭。NFV技術是通信技術(CT，Communication Technology)與信息技術(IT，InformationTechnology)融合的集中體現，它的提出在是IT硬件平臺上實現CT技術的思路，其將對IT和CT領域各自的開發模式和產品規劃的沖擊不言而喻。IT與CT之間的互相滲入將引入并鼓勵更多的競合。

為了更快推動NFV理念的推廣和產品和實現，2012年10月，13家運營商發起在ETSI組織下正式成立網絡功能虛擬化工作組，即ETSI ISG NFV，致力于實現網絡虛擬化的需求定義和系統架構制定。ETSI NFV工作組的目標是實現移動和固定網絡各個網元在開放IT平臺上的虛擬化，以更低成本、更靈活運營應對移動互聯網時代難以預測的動態業務需求，并擺脫對廠家專用硬件系統、封閉軟件平臺的依賴，致力于制定網絡功能虛擬化的相關需求，并對系統框架進行定義與設計，同時對關鍵技術進行相關研究并提供相關的差距分析(Gap Analysis)。但是，由于ETSI NFV并不是嚴格意義上的國際標準化組織，本身并不制定國際標準，而是以技術白皮書、需求文檔發布以及聯絡函(Liaison)形式輸出并影響產業界及相關標準化組織。然而，ETSI NFV作為NFV領域最有影響力的研究組織，截止目前，ETSI NFV擁有超過170家成員單位，涵蓋幾乎所有IT和CT領域的頂級運營商、設備商、IT廠商，包括Cisco、Ericsson、Huawei、HP、Dell、Intel在內的等眾多廠家積極反饋，明確表示對NFV的歡迎和支持。2014年11月，ETSINFV組織已完成第一階段工作，發布NFV技術白皮書第三版，進展符合業界預期。

由于NFV技術顛覆了傳統電信封閉專用平臺的思想，同時引入靈活的彈性資源管理理念，因此，ETSI NFV提出了突破傳統網元功能限制、全新通用的NFV架構如圖2所示。NFV技術主要由3個域構成：網絡功能虛擬化基礎設施(NFVI，NFV Infrastructure)、虛擬網絡功能(VNF，VirtualizedNetwork Function)和NFV管理與編排(MANO，Management and Orchestration)。

■VNF是網元功能的軟件實現，運行于NFVI之上，比如EPC網元、IMS網元等的邏輯實現。

■NFVI包括計算、存儲和網絡硬件資源與其相應的虛擬化資源，以及虛擬化層，支持VNF的資源調用，比如COTS服務器、通用交換機等。

■NFVMANO在NFV框架中集中了所有NFV相關的管理功能，實現對NFVI和VNF的管理以及對網絡業務編排功能和支持虛擬化的物理/軟件資源和VNF的生命周期管理。

NFV概念架構為NFV在不同場景下的實現和應用提供了理論參考，功能模塊與接口標準將圍繞概念架構進行制定。

3 移動核心網虛擬化

由于移動核心網具有大量不同功能的硬件網絡設備，因此被業界認為是最適合并最早可以實現虛擬化的場景之一。虛擬化的移動核心網通過利用標準工業界服務器、交換機和存儲設備部署網絡應用降低組網復雜度，自由靈活的網絡彈性在提高網絡資源利用率的同時降低網絡運維成本，與SDN技術結合提高與網絡邊緣應用(如防火墻、DPI、視頻加速等)的組網與業務鏈串聯可擴展性。

3.1 移動核心網虛擬化場景

傳統移動核心網架構如圖3所示，其組成網元根據所執行主要功能可以劃分為如下幾類：控制面、用戶面和用戶數據三類網元。其中，控制面網元包括MME/SGSN、PCRF;用戶面網元包括S-GW、P-GW;用戶數據網元包括HSS。控制面設備主要處理移動性管理、會話管理等功能，以控制信令交互為主;用戶面設備則主要處理用戶數據的交換與轉發、計費數據處理等功能，同時接受控制面設備信令控制;用戶數據網元則存儲用戶簽約靜態數據，以類似于數據庫操作為主，同時接受控制面設備信令控制。

移動核心網通過NFV技術實現網元在同一硬件平臺上的部署，尤其適合控制面網元設備主要處理控制信令，由于COTS服務器計算能力較強，適合處理狀態轉移和信令交互等流程。

3.2 移動核心網虛擬化演進架構

移動核心網向NFV方向演進架構如圖4所示，所有網元將統一部署于通用服務器硬件(H/W)之上，通過虛擬化層抽象為歸一化虛擬資源提供給上層移動核心網網元軟件應用調用。其中，對于用戶面設備，針對處理用戶高速數據，需要對其進行必要的硬件加速功能，如通過Intel的DPDK套裝或者SR-IOV繞過虛擬化層直接調用硬件資源，提高COTS服務器上的吞吐量性能。

考慮到未來NFV與SDN技術的結合，移動核心網的SDN/NFV愿景架構如圖5所示。移動核心網虛擬化的網元在部署到統一的數據中心以實現集中化部署，提供網絡的運維效率，同時將控制面與轉發面分離。架構中的控制面網元通過南向接口控制通用轉發面交換機完成用戶數據的轉發和疏導，有利于實現全網的統一高效的管理和控制策略以及控制面/轉發面的可擴展性，實現從封閉黑盒的網絡走向開放可編程的移動軟網絡。

3.3標準、產業現狀

當前網絡虛擬化研究處于起步階段，ETSI NFV第一階段已完成NFV技術的應用場景和關鍵需求梳理，目前已啟動第二階段工作，重點關注NFV架構與接口的規范化、生態系統與演進、可靠性與安全等方面問題;3GPP SA5正在評估NFV引入對傳統的網管影響;ITU也正在進行核心網的控制網元和控制轉轉發分離架構研究; CCSA TC3和TC5分別完成《核心網控制網元虛擬化技術研究》、《移動軟網絡需求及架構(SAME)研究》等多個研究立項，推動核心網虛擬化的需求明確和標準制定工作。

NFV技術在標準研究同時，在產業鏈生態系統方面也正在逐步形成，電信設備商及其上下游廠商，都在積極搶占核心網虛擬化商用產品制高點。傳統電信設備商，華為、愛立信、阿朗、中興、諾基亞、思科為了維護各自電信領域的市場，正在全力轉向在提供傳統專有硬件解決方案同時提供電信虛擬化解決方案;通用服務器廠家HP、DELL，通用芯片廠家Intel、AMD等相關行業，為了通過NFV技術進一步打開電信市場，其積極程度毫不遜色;傳統電信儀表廠家思博倫也針對電信虛擬化趨勢提供網絡虛擬化的測試解決方案。

4 結語

本文從網絡虛擬化概念入手，闡述了NFV技術的優勢及其在移動核心網的應用，詳細分析了移動核心網未來虛擬化的演進趨勢。隨著流量爆炸的移動互聯網時代來臨，面對如何降低網絡部署成本，加強網絡資源的可擴展性和運維的靈活性，提供多租戶、虛擬運營粒度的網絡服務能力等方面重要挑戰，NFV技術在ICT融合背景下開始成為影響未來通信業長期發展的關鍵因素之一。