網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化：離電信運(yùn)營商有多遠(yuǎn)？

中國移動研究院 | 崔春風(fēng)、黃金日、曹振

如何解決移動網(wǎng)絡(luò)面臨的一系列問題和挑戰(zhàn)？越來越多的運(yùn)營商認(rèn)為，答案在于“網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）”。

隨著智能終端和支持3G的數(shù)據(jù)卡/筆記本電腦的迅猛發(fā)展，移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)在過去幾年內(nèi)呈指數(shù)型增長。這是不爭的事實。然而在數(shù)據(jù)的背后，一直為大家所忽略的是移動運(yùn)營商為應(yīng)對流量增長而付出的種種艱辛。

實際上，和指數(shù)增長的數(shù)據(jù)流量形成鮮明對比的是，運(yùn)營商的收入和利潤增長率只有個位數(shù)，甚至出現(xiàn)負(fù)增長。究其原因，就是因為這些高速發(fā)展的移動寬帶業(yè)務(wù)給移動網(wǎng)絡(luò)帶來了巨大的壓力，為了應(yīng)付日益增長的數(shù)據(jù)流量，運(yùn)營商們不得不加大投資力度，對無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種升級、改造或者新建，造成了巨額的投資及運(yùn)維成本。

不難預(yù)見并理解，未來幾年隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的進(jìn)一步發(fā)展，移動網(wǎng)絡(luò)的壓力將會越來越大，移動運(yùn)營商正面臨空前的挑戰(zhàn)。

如何有效地降低運(yùn)維成本、提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的利用率，甚至加快業(yè)務(wù)開發(fā)上線的時間從而有效應(yīng)對移動互聯(lián)網(wǎng)時代的挑戰(zhàn)？這是當(dāng)下各大運(yùn)營商開始不得不正視并認(rèn)真思考的問題。問題的解決，恐怕得先從對傳統(tǒng)電信設(shè)備的認(rèn)識，包括設(shè)備形態(tài)、開發(fā)調(diào)試方式、網(wǎng)絡(luò)維護(hù)與升級等開始。

私有及專有VS開放及通用

電信網(wǎng)絡(luò)里充斥著大量的私有專用設(shè)備。本質(zhì)上來說，傳統(tǒng)電信設(shè)備具有兩大特點(diǎn)：私有及專用，即基于廠家的私有平臺(proprietary platform)，通過專用器件如DSP、FPGA、ASIC等進(jìn)行開發(fā)。

私有，意味著不同廠家之間的互操作性、兼容性都很差；專用，意味著可編程性、可移植性很差，二次開發(fā)慢。進(jìn)一步來說，行業(yè)進(jìn)入的門檻高，開發(fā)人員數(shù)量相對較少。這些從某種意義上看，都限制了行業(yè)的競爭與業(yè)務(wù)創(chuàng)新。此外，設(shè)備開發(fā)周期長、測試及驗證手段復(fù)雜且耗時。隨著移動互聯(lián)網(wǎng)需求的飛速增加，對設(shè)備升級換代，對創(chuàng)新業(yè)務(wù)的及時引入要求相應(yīng)提高，而這些恰恰是“笨重”的傳統(tǒng)設(shè)備及繁瑣的開發(fā)驗證流程難以滿足的。不僅如此，這些設(shè)備在電信網(wǎng)絡(luò)里消耗著巨大的電能，同時利用率低且很難被替換。

在理解了電信設(shè)備這些特點(diǎn)之后，讓我們再換個角度看看IT行業(yè)。

與電信網(wǎng)私有、專用的特點(diǎn)形成鮮明對比的是，IT行業(yè)素以開放、通用著稱。接口開放，例如標(biāo)準(zhǔn)的PCIe總線、標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)接口，有利于不同廠家、不同設(shè)備間的互聯(lián)互通，同時降低行業(yè)門檻，鼓勵競爭與創(chuàng)新；基于通用的處理平臺進(jìn)行開發(fā)，可移植性好，而且開發(fā)容易，相應(yīng)地，新業(yè)務(wù)的開發(fā)周期短，業(yè)務(wù)上線快，系統(tǒng)升級方便，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維靈活。

IT與電信融合：ETSI NFV ISG簡介

如何解決移動網(wǎng)絡(luò)面臨的以上問題和挑戰(zhàn)？越來越多的運(yùn)營商認(rèn)為答案在于“網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(Network Functions Virtualisation，NFV)”。

通過引入在數(shù)據(jù)中心里廣泛應(yīng)用、成熟的虛擬化技術(shù)，NFV的主要設(shè)計思路是硬件平臺采用通用服務(wù)器，服務(wù)器之上運(yùn)行虛擬化軟件并生成虛擬機(jī)，各種網(wǎng)元以軟件的形式運(yùn)行在虛擬機(jī)當(dāng)中。采用這種架構(gòu)，運(yùn)營商將維護(hù)一個統(tǒng)一的虛擬化平臺，而不同的網(wǎng)元將以虛擬機(jī)的形式運(yùn)行在虛擬化平臺之上，新增網(wǎng)元或者網(wǎng)元的升級則體現(xiàn)為新虛擬機(jī)的導(dǎo)入或虛擬機(jī)中軟件版本的變更。同時，由于虛擬化技術(shù)屏蔽了底層物理平臺的差異，跨網(wǎng)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(jī)動態(tài)遷移，動態(tài)生成等特性，結(jié)合對虛擬化平臺的智能管理，根據(jù)業(yè)務(wù)量的變化實現(xiàn)網(wǎng)元的動態(tài)擴(kuò)容，縮容，從而實現(xiàn)對硬件資源更高效的利用。

為了推動NFV理念的更快實現(xiàn)，加速產(chǎn)業(yè)界的成熟，2012年10月，ETSI組織下正式成立了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化NFV工作組，致力于實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的需求定義和系統(tǒng)架構(gòu)制定。該工作組的思路正是借鑒IT業(yè)的開放與通用特性，更確切的是“將IT領(lǐng)域內(nèi)得到廣泛并成功應(yīng)用的虛擬化技術(shù)引入傳統(tǒng)電信領(lǐng)域，通過采用標(biāo)準(zhǔn)IT服務(wù)器、交換機(jī)和存儲設(shè)備達(dá)到實現(xiàn)傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)功能（如路由，交換、基站等）的目的”。如下是幾個可能利用虛擬化技術(shù)來實現(xiàn)電信網(wǎng)元的例子：

● 無線網(wǎng)絡(luò)/基站虛擬化

● 核心網(wǎng)網(wǎng)元例如GGSN、SGSN等虛擬化

● CDN虛擬化

● DPI虛擬化

● IP網(wǎng)元，例如CG-NAT，BRAS等虛擬化

● 用戶側(cè)設(shè)備，例如：防火墻，路由器，乃至機(jī)頂盒的虛擬化

NFV的主要工作目標(biāo)是實現(xiàn)移動和固定網(wǎng)絡(luò)各個網(wǎng)元在開放IT平臺上的虛擬化，從而以更低成本、更靈活運(yùn)營應(yīng)對移動互聯(lián)網(wǎng)時代難以預(yù)測的動態(tài)業(yè)務(wù)需求，并擺脫對廠家專用硬件系統(tǒng)、封閉軟件平臺的依賴。

NFV工作組的主要工作內(nèi)容為制定網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的相關(guān)需求，并對系統(tǒng)框架進(jìn)行定義與設(shè)計，同時對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行相關(guān)研究并提供相關(guān)的Gap Analysis，但工作組本身并不制定標(biāo)準(zhǔn)，而是主要以白皮書、需求文檔發(fā)布以及Liaison形式輸出并影響產(chǎn)業(yè)界及相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)化組織。

值得一提的是，NFV這一思想得到幾乎所有的主流運(yùn)營商的支持，在工作組成立的短短2個月之內(nèi)，由運(yùn)營商反饋的關(guān)于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的關(guān)鍵問題超過50個。不僅如此，包括Cisco、Ericsson、HP、Huawei、Intel在內(nèi)的等眾多廠家積極反饋，明確表示對NFV的歡迎和支持。截至目前，已有會員61個及78個參與公司，涵蓋幾乎所有IT和電信領(lǐng)域的頂級運(yùn)營商、設(shè)備商、IT廠商。

NFV的理念將對電信運(yùn)營商及傳統(tǒng)電信設(shè)備商帶來巨大的沖擊。對運(yùn)營商而言，這是擺脫廠商專有設(shè)備鎖定，實現(xiàn)更高效靈活的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與經(jīng)營的關(guān)鍵。一旦虛擬化技術(shù)成功應(yīng)用于電信網(wǎng)元，可以預(yù)見，運(yùn)營商們將享受由此帶來的諸多優(yōu)勢，例如：

● 隨著IT設(shè)備價格的大幅下降與普及，利用標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器實現(xiàn)電信網(wǎng)元將極大降低設(shè)備投資與開發(fā)成本（顯然，一臺標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器的價格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一個專用的電信設(shè)備）；

● 利用虛擬化技術(shù)的能耗管理、虛擬機(jī)遷移等技術(shù)，可有效降低系統(tǒng)耗能，實現(xiàn)節(jié)能減排；

● 提高設(shè)備的資源利用率，從另一方面意味著降低成本。

● 基于通用、開放的平臺環(huán)境，有利于鼓勵創(chuàng)新，加速業(yè)務(wù)開發(fā)、調(diào)試與上線，這對運(yùn)營商縮短推出新業(yè)務(wù)的時間，乃至實現(xiàn)差異化服務(wù)都有重大意義；

● 通用開放的平臺環(huán)境同樣有利于業(yè)務(wù)的更新與升級；

● 利用虛擬機(jī)的隔離機(jī)制，便于在同一平臺上實現(xiàn)對多制式（例如：GSM，TD-SCDMA和TDLTE），多服務(wù)（如CDN，LBS），乃至多版本（測試版本，正式版本），甚至多運(yùn)營商業(yè)務(wù)的有效支持。

對傳統(tǒng)電信廠商而言，毫無疑問，NFV提出的用通用平臺代替自身專用私有平臺的思路，將對其開發(fā)模式直至產(chǎn)品線帶來巨大沖擊。同時，開放平臺的引入將鼓勵并產(chǎn)生更多的競爭。

中國移動在NFV的探索

作為國內(nèi)在研發(fā)方面投入最多，與國際新技術(shù)保持緊密同步的運(yùn)營商，中國移動從NFV成立之初就積極參與其中。我們共同撰寫并向產(chǎn)業(yè)界發(fā)布了《網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化白皮書》，同時還積極參與其中的各個工作組的相關(guān)活動。不僅如此，早在2009年開始，中國移動就已經(jīng)在無線接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及IP承載網(wǎng)的虛擬化進(jìn)行不斷的探索，并取得了不少的成就和經(jīng)驗。本節(jié)將就此作簡單介紹。

在無線接入網(wǎng)的虛擬化探索方面，首先，為了驗證通用處理平臺在無線信號處理方面的能力，我們在基于x86的標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器上采用純軟件的方式嘗試實現(xiàn)GSM、TD-SCDMA以及TD-LTE的無線信號處理，目前此套原型機(jī)系統(tǒng)，在GSM、TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)上已經(jīng)完成了與商用終端通信的目標(biāo)，TD-LTE標(biāo)準(zhǔn)的原型機(jī)也與模擬終端完成了測試工作。由此證明在通用IT平臺上實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)物理層信號實時處理的可能性。然而，測試過程中我們也發(fā)現(xiàn)，該原型機(jī)的性能相較于傳統(tǒng)設(shè)備還有很大差距，并且，支持一個8天線的TD-LTE載波需要近10個CPU核，相應(yīng)的功率性能比很低。

在此經(jīng)驗基礎(chǔ)上，為了提高系統(tǒng)性能，我們進(jìn)一步提出了專用硬件加速器的思路，采用專用硬件對部分計算復(fù)雜度高的物理層功能模塊進(jìn)行處理，同時采用CPU處理層2、層3及剩余物理層功能。在最新的研究進(jìn)展中，我們與合作伙伴一起，共同開發(fā)出了相應(yīng)的原型機(jī)，該原型機(jī)采用商用LTE協(xié)議棧。基于此平臺，我們成功展示了世界上首個端到端ping呼叫演示。進(jìn)一步的分析表明，一臺標(biāo)準(zhǔn)具有8個核的服務(wù)器可實現(xiàn)支持?jǐn)?shù)十個的LTE載波，大大提高了CPU的處理效率。我們因此認(rèn)為這種架構(gòu)將是實現(xiàn)接入網(wǎng)基站虛擬化的有效方案之一。

在核心網(wǎng)方面，中國移動于2009年初在主導(dǎo)的分布式業(yè)務(wù)網(wǎng)（DSN）研究項目中首次提出了在通用x86平臺上采用虛擬機(jī)搭載移動核心網(wǎng)控制面功能的思想并展開驗證。聯(lián)合業(yè)界共同對開源及商用IMS系統(tǒng)、軟交換系統(tǒng)進(jìn)行的虛擬化可行性實驗結(jié)果表明，從吞吐量及包延時的角度來看，虛擬化技術(shù)對核心網(wǎng)功能的影響可接受。繼而研發(fā)完成了集網(wǎng)元功能分布化、網(wǎng)元平臺虛擬化、資源管理集中化技術(shù)為一體的新一代核心網(wǎng)演示系統(tǒng)。2012年至今，公司內(nèi)部開始對核心網(wǎng)虛擬化進(jìn)行引入策略、具體實現(xiàn)方案及標(biāo)準(zhǔn)化的布局與研究，已經(jīng)在CCSA及ITU建立核心網(wǎng)虛擬化項目，并積極籌備在3GPP、 NFV等組織中貢獻(xiàn)成果。

在IP接入和承載方面，中國移動從NFV白皮書發(fā)布起，就開始緊密關(guān)注于IP承載網(wǎng)絡(luò)的NFV方面的研究、產(chǎn)業(yè)發(fā)展和標(biāo)準(zhǔn)化。最近，我們與合作伙伴一起完成了跨數(shù)據(jù)中心NFV的原型系統(tǒng)，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡(luò)中負(fù)載均衡器、防火墻等功能的虛擬化和彈性擴(kuò)展，并且正在將NFV的理念擴(kuò)展到IP接入網(wǎng)中的CPE設(shè)備，使得用戶CPE的網(wǎng)絡(luò)功能能夠定制化，并且緊密跟蹤該領(lǐng)域的標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展，推動NFV中的業(yè)務(wù)鏈（Service Chain）技術(shù)在IETF的標(biāo)準(zhǔn)化。

結(jié)束語

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)時代的到來，電信運(yùn)營商們面對如何降低成本，提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的靈活性，乃至加快業(yè)務(wù)上線，實現(xiàn)差異化服務(wù)等方面承擔(dān)著越來越大的壓力和挑戰(zhàn)。

在此背景下，虛擬化技術(shù)攜其在IT行業(yè)的成功，開始進(jìn)入運(yùn)營商的視野，得到越來越多的關(guān)注。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，正在成為電信行業(yè)未來發(fā)展的一個重要趨勢，勢必成為未來影響電信產(chǎn)業(yè)格局的一大關(guān)鍵因素。