SDN/NFV的發(fā)展與挑戰(zhàn)

趙慧玲，史 凡

（中國電信股份有限公司北京研究院 北京100035）

1 信息網(wǎng)絡發(fā)展的新趨勢

隨著信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，電信網(wǎng)絡IT化、設備軟件化、硬件標準化趨勢日益明顯。網(wǎng)絡流量的不斷增加需要網(wǎng)絡資源的利用率也同步提升。現(xiàn)有的網(wǎng)絡架構和網(wǎng)絡能力，仍然存在著對資源調(diào)度和配置的靈活性不足、對新業(yè)務/應用的開通部署慢、對網(wǎng)絡運營維護的要求高等一系列問題。迫切需要引入新的技術和架構以保持通信網(wǎng)絡持續(xù)發(fā)展的動力，這也是最近幾年以SDN（software defined networking，軟件定義網(wǎng)絡）和NFV（network function virtualization,網(wǎng)絡功能虛擬化）為代表的新型網(wǎng)絡技術得到關注的重要原因。筆者通過長期的觀察、分析和研究，認為未來的通信網(wǎng)絡明顯呈現(xiàn)出如下3個典型的新趨勢。

（1）云化體系成為信息網(wǎng)絡的發(fā)展方向

傳統(tǒng)網(wǎng)絡局限于相對單一的技術、分離的管理和調(diào)度，越來越難以適應互聯(lián)網(wǎng)應用日新月異的變化，以“功能軟件化”、“業(yè)務統(tǒng)一編排”和“硬件云資源池”為主要特征的云化網(wǎng)絡體系逐漸成為必然，通過云化的體系，網(wǎng)絡能夠實現(xiàn)提高資源利用率、降低維護成本和加快業(yè)務部署的目標。

目前，業(yè)界普遍看好的SDN和NFV作為其中的代表，正是云化體系的重要支柱。來自于Infonetics公司的咨詢報告（如圖1所示）顯示，全球的運營商都普遍認識到SDN和NFV的價值，有97%的運營商愿意部署SDN（31家）、93%的運營商計劃部署NFV（29家）。

（2）協(xié)調(diào)層在網(wǎng)絡中的關鍵作用

圖1 Infonetics“SDN and NFV Strategies：Global Service Provider Survey”報告數(shù)據(jù)

在云化網(wǎng)絡的架構中，協(xié)調(diào)層（orchestration）負責業(yè)務的組織、編排、協(xié)同和部署，這也是區(qū)別于傳統(tǒng)網(wǎng)絡不同網(wǎng)絡層面和功能邏輯各自為政的重要基礎。目前，ETSI NFV、IETF、MEF等國際標準組織都明確將Orchestration/Orchestrator（協(xié)調(diào)/編排）視為其云化網(wǎng)絡架構中的關鍵層次，如圖2所示。最早提出SDN概念的ONF也考慮將此納入其中。

使用協(xié)調(diào)層，運營商可以看到網(wǎng)絡的總體視圖和業(yè)務視圖，從而進行全網(wǎng)有效資源調(diào)度。互聯(lián)網(wǎng)運營商（如Google）和電信運營商都認識到Orchestration/Orchestrator對自己網(wǎng)絡的價值，紛紛開展自主研發(fā)，部分廠商已經(jīng)能夠提供商用的Orchestrator功能（系統(tǒng)）。

（3）軟件化成為廣義SDN的核心內(nèi)涵

在云化網(wǎng)絡的代表中，SDN是目前業(yè)界最為公認的新型技術體系，之前ONF提出的以OpenFlow為南向接口協(xié)議的三層架構也是云化網(wǎng)絡的主要架構模型，不過ONF提出的SDN一般被認為是狹義的SDN。

從當前通信網(wǎng)絡形態(tài)和特征多元化的角度出發(fā)，更多聚焦在軟件化的廣義SDN概念可能更有規(guī)模應用的前景，這是因為軟件定義網(wǎng)絡或者軟件定義組網(wǎng)，主要以滿足網(wǎng)絡服務需求為目標，根本目的是使得用戶/應用能夠利用軟件接口充分享有網(wǎng)絡能力，進而通過軟件編程控制網(wǎng)絡的行為。為此，只要能達到“通過引入軟件技術簡化網(wǎng)絡部署，實現(xiàn)運維自動化，支持網(wǎng)絡業(yè)務創(chuàng)新”目標的方案，都是可行的方案，比如，南向接口可以不局限于OpenFlow，眾多已有的成熟協(xié)議也有其空間；而廠商開放基于軟硬件網(wǎng)絡設備的軟件編程API，也能夠支持網(wǎng)絡能力的靈活交付。

2 SDN/NFV的進展

在業(yè)界的共同參與下，以SDN/NFV為代表的云化網(wǎng)絡正面臨著日新月異的變化，下面從標準化、設備和解決方案、運營商實踐等幾個方面探討一下SDN和NFV的進展。

2.1 相關標準的制定

SDN 標準的國際組織主要以ONF、IETF和OpenDaylight為主。

ONF已經(jīng)完成了SDN架構的定義、安全需求和原則、光傳送SDN需求、遷移需求等多個文檔，并完成了南向接口協(xié)議OpenFlow 1.4.x和配置管理協(xié)議OF-Config1.2的制訂。在ONF最近發(fā)布的SDN Architecture白皮書中，在三層架構的基礎上，還增加了管理能力和多個信任域。ONF還成立了Carrier Grade SDN討論組，專門針對運營商網(wǎng)絡在SDN領域的特有需求進行討論，如SDN在大規(guī)模運營商網(wǎng)絡的部署管理、資源管控等。

圖2 云化網(wǎng)絡中Orchestration/Orchestrator的位置

圖3 OpenDaylight對OpenStack的適配

圖4 ETSI提出的通用NFV架構

IETF中的PCE（Path Computation Element）工作組正在推進有狀態(tài)的PCE（stateful PCE）標準，以提供實時流量工程計算中的路徑計算元素和網(wǎng)絡節(jié)點間的相關協(xié)議；I2RS（Interface to the Routing System）工作組希望通過制訂I2RS協(xié)議（也可能重用現(xiàn)有協(xié)議）實現(xiàn)控制器和網(wǎng)絡設備的交互，I2RS的作用 類 似 于ONF的OpenFlow；SPRING工 作 組主要采用多層MPLS標簽技術結合IGP實現(xiàn)SDN控制器下發(fā)路徑控制信息。

OpenDaylight是由Linux基金會推出的一個協(xié)作項目，正在開展的項目包括控制器（controller）、虛擬用戶網(wǎng)絡、OpenFlow協(xié)議數(shù)據(jù)庫、適用于SDN的SNMP等。OpenDaylight已經(jīng)發(fā)布了第一個通用平臺Hydrogen，包括基礎版、運營商版和虛擬化版3個版本，并且已經(jīng)開啟了下一個平臺Helium的工作。同時OpenDaylight最近開放了通用的北向接口，只需在OpenStack中內(nèi)置一個Neutron插件就可與之結合，大大簡化了對OpenStack的要求，加快了控制器與業(yè)務層的適配。圖3給出了OpenDaylight對OpenStack的適配示意。

制訂NFV標準的國際組織以ETSI為主，IETF、ITU和3GPP等也有一定的涉及。

ETSI的NFV工作組于2014年完成并發(fā)布了4個文稿，包括NFV架構、用戶案例、虛擬化要求以及名詞術語，并更新發(fā)布了NFV白皮書2.0版本。ETSI的NFV參考架構如圖4所示。目前NFV工作組正在考慮對業(yè)務鏈的優(yōu)化、Orchestration結構、兼容SDN和NFV的控制器、純虛擬化環(huán)境/半虛擬化環(huán)境的流量調(diào)度等進行深入研究。

IETF中配合NFV進行協(xié)議標準制訂的主要是SFC（Service Function Chaining）工作組，負責制訂業(yè)務路由的標準，解決如何將來自用戶的業(yè)務請求/報文按一定順序經(jīng)過不同的業(yè)務實例進行處理的問題。

ITU-T發(fā)布了Y.3300(Y.SDN-FR)“Framework of Software-Defined Networking”，基 本 符 合ETSI提 出 的 架 構；3GPP SA1/SA2/SA3著重研究NFV對網(wǎng)絡的整體影響，SA5則關注NFV在ETSI的進展，并研究關于原有3GPP網(wǎng)絡管理相關標準在虛擬化方面的更新。

圖5 CCSA TC3 SVN相關工作

目前，我國的通信標準化協(xié)會（CCSA）也與時俱進，在國內(nèi)主導SDN/NFV標準化工作，已經(jīng)在多個TC開展了SDN/NFV的研究工作，主要涉及TC1、TC3、TC5、TC6等。

其 中，在TC3下 特 設 了SVN（Software Virtualization Network）研究組，目前重點聚焦對于基于SDN的智能管道技術和基于虛擬化的核心網(wǎng)的研究，一方面從網(wǎng)絡架構上保持對全局的把握，另一方面從具體實現(xiàn)上找尋云化網(wǎng)絡的落地點。SVN相關標準在CCSA體系中的情況如圖5所示。

2.2 傳統(tǒng)設備廠商的轉型

在SDN和NFV的浪潮中，受到最大挑戰(zhàn)的就是傳統(tǒng)的硬件廠商，他們明顯感受到危機，正逐步加快向網(wǎng)絡軟件廠商、網(wǎng)絡解決方案提供商轉型?？傮w上，這些廠商希望基于既有優(yōu)勢地位，結合SDN發(fā)展趨勢以及以一些特定場景（如云數(shù)據(jù)中心網(wǎng)絡）作為突破口，繼續(xù)提供相應的系統(tǒng)和方案。目前有如下幾種典型做法。

·類型1：發(fā)布SDN控制器并開源，利用XMPP等南向接口管控疊加網(wǎng)絡，實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化，降低對其傳統(tǒng)設備的影響，并快速提供相關能力。

·類型2：推出軟件解決方案，通過改進虛擬網(wǎng)絡設備實現(xiàn)，支持多種虛擬化產(chǎn)品及管理平臺。

·類型3：主導OpenDaylight開源項目，希望得到相關控制器的主導權，借助硬件接口開放來交付網(wǎng)絡能力。

在SDN核心部件控制器的軟件實現(xiàn)上，目前呈現(xiàn)出多元化發(fā)展的勢頭。雖然多數(shù)廠商采用開源代碼，并基于通用硬件實現(xiàn)，但在軟件的功能上并不完全開放，只有少部分商業(yè)代碼（收費）才能提供完整的功能集，因此仍然存在一定的封閉性；同時，對于控制器性能的調(diào)優(yōu)（如底層硬件和開發(fā)代碼/語言的配合），也需要借助廠商自身的硬件系統(tǒng)實現(xiàn)，純粹基于標準x86的控制器往往難以達到電信級要求，暫時無法統(tǒng)一。

對于NFV設備來說，目前運營商的使用場景相對明確（如核心網(wǎng)IMS、虛擬EPC等），使得廠商的開發(fā)力度相對更快。以核心網(wǎng)虛擬化為例，多數(shù)廠商都提出了其設備研發(fā)的roadmap（產(chǎn)品路線圖），基本上以2015年提供商用設備為主，部分廠商甚至已經(jīng)發(fā)布商用版本，并在某些運營商中得到了應用和部署。

2.3 電信運營商態(tài)度的轉變

在SDN提出初期，由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡的“包袱”較大，許多電信運營商都采取了相對謹慎的態(tài)度，在研發(fā)的投入上特別是應用實踐上，相對于互聯(lián)網(wǎng)公司（如Google）較為緩慢。但隨著自身需求的不斷梳理明確，特別是產(chǎn)業(yè)鏈各方支持力度的加大，電信運營商基本上也都將SDN/NFV視為未來發(fā)展的重點，并積極投身其中。

在國外，傳統(tǒng)的國際電信企業(yè)AT&T在2013年9月就提出了“Domain Program 2.0”設備采購計劃，要求對網(wǎng)絡各個組成部分的硬件和軟件平臺分別進行采購，并且要在2014年9月公布相關技術要求，供應商可從中獲悉AT&T未來對內(nèi)置于其SDN和NFV所需的設備需求。Telefonica則提出了在CPE、DPI等5個場景下引入NFV，并明確其在2016年全網(wǎng)30%的設備要實現(xiàn)虛擬化。Vodafone則已經(jīng)在德國的現(xiàn)網(wǎng)漫游PGW中采用了虛擬化技術，并基于通用服務器成功驗證了核心網(wǎng)軟硬件分離功能以及基于SDN的業(yè)務鏈能力。

在國內(nèi)，中國電信成立了集團級的云計算重點實驗室，以云數(shù)據(jù)中心為切入點，探索SDN技術，希望借此解決云平臺網(wǎng)絡資源池的功能、性能、安全性、擴展性等核心問題，制定多數(shù)據(jù)中心跨地域組網(wǎng)方案，優(yōu)化數(shù)據(jù)中心節(jié)點間的流量調(diào)度，同時探索利用SDN+NFV技術提供面向云計算服務的網(wǎng)絡增值業(yè)務。其中，中國電信股份有限公司北京研究院還自主研發(fā)控制器等SDN核心組件，積極參考Floodlight、Ryu、NOX、MUL等開源技術實現(xiàn)，針對運營商數(shù)據(jù)中心需求設計控制器，可支持多租戶網(wǎng)絡、虛擬防火墻等典型網(wǎng)絡服務。此外，中國移動和中國聯(lián)通也結合自身的需求，分別提出了SDN 2.0和SCN（service customized network）的概念，將相關技術從實驗室推向現(xiàn)網(wǎng)。

3 SDN/NFV面臨的挑戰(zhàn)

作為一個新興事物，SDN/NFV不可能是盡善盡美的，在其逐步研究和試驗部署的過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些值得關注的問題，亟待研究解決。概括來說，SDN當前面臨如下六大挑戰(zhàn)。

（1）接口/協(xié)議標準化的問題

主導SDN的ONF也開始強調(diào)Drive，對于南向接口不再局限于OpenFlow，同時北向接口以RESTful為主，希望借助IT的思路并采用模型/模板的方式，通過每個廠商公布自己的模型，就可以實現(xiàn)互通和控制。在SDN應用層的實現(xiàn)上，VMware和OpenStack各成體系，非常類似于手機操作系統(tǒng)中的iOS和Android。為此，SDN標準體系是否要統(tǒng)一或能否統(tǒng)一還有爭論。

（2）安全性的問題

SDN的集中控制方式及開放性將使得控制器的安全性成為潛在風險，需要建立一整套隔離、防護和備份機制來確保其安全穩(wěn)定運行。具體來說，控制器本身的安全（如頑健性、單點故障）、控制器和應用層之間的安全（如授權及認證、安全隔離）、控制器和轉發(fā)設備之間的安全（如數(shù)據(jù)通道安全、訪問控制一致性）都缺乏有效的解決方案。

（3）SDN設備的關鍵性能

現(xiàn)有ASIC芯片架構都是基于傳統(tǒng)的IP或以太網(wǎng)尋址和轉發(fā)設計的，無法在SDN架構下維持設備的高性能，特別是基于OpenFlow的專用芯片架構及實現(xiàn)方案還有待開發(fā)。通過實驗室測試發(fā)現(xiàn)，許多組網(wǎng)關鍵指標（如流表容量、流表學習速度、流表轉發(fā)速率、轉發(fā)時延等）在不同廠商設備上的差異極大，難以達到商用標準。

（4）SDN的集中控制理念

SDN的集中控制理念在網(wǎng)絡控制架構體系方面還沒有得到一致的認同，需要進一步研究明確控制架構的層次劃分和控制層面的組成。由于網(wǎng)絡專業(yè)類別的不同，是需要專業(yè)控制器還是通用控制器進行按需組件？在控制器實現(xiàn)方式上，除了之前提到的多樣化的問題，還存在網(wǎng)絡不同域中的控制器層次架構不一致的情況，如在數(shù)據(jù)中心中采用單層架構、在移動核心網(wǎng)中采用三層架構。同時，南向接口中除了支持OpenFlow外，還存在多種選擇，如BGP、SNMP等，在北向接口方面ONF也明確了不同的場景將使用不同的北向接口，而對東西向接口的研究工作剛剛開展，暫時沒有較為一致的認識。

（5）互操作性方面的問題

各廠商對SDN標準的支持程度有差異，實現(xiàn)互操作有一定難度。僅以相對標準化程度較好的OpenFlow為例，不同版本協(xié)議也存在兼容性問題，如使用最多的OpenFlow 1.0和OpenFlow 1.3就不能兼容；而且不同廠商實現(xiàn)OpenFlow時功能上取舍不一，迫使ONF不得不推出OpenFlow v1.0.1一致性認證。

（6）不能很好地滿足云計算服務網(wǎng)絡需求

作為SDN典型應用的云數(shù)據(jù)中心場景，現(xiàn)有開源的Orchestrator尚不能很好地滿足云計算服務網(wǎng)絡需求，包括難以高效實現(xiàn)租戶網(wǎng)絡隔離，VxLAN等疊加網(wǎng)絡技術的配置復雜；不支持防火墻、負載均衡等基本網(wǎng)絡功能與虛擬機組網(wǎng)的有機整合等。

而相對應用和試驗更快的NFV的情況也未見樂觀，主要面臨著如下四大挑戰(zhàn)。

（1）可靠性問題

傳統(tǒng)核心網(wǎng)采用高可靠性的專用電信設備，可靠性達到99.999%（俗稱“5個9”），但虛擬化后的設備基于通用服務器，而通用服務器的可靠性明顯低于傳統(tǒng)的專用電信設備。

（2）數(shù)據(jù)存儲轉發(fā)性能問題

設備性能主要體現(xiàn)在設備的計算能力、數(shù)據(jù)轉發(fā)能力及存儲能力上，而虛擬化設備的性能瓶頸主要集中在I/O接口數(shù)據(jù)轉發(fā)上。從目前測試的結果看，和傳統(tǒng)設備相比大概有30%～40%的性能損失，未來目標是將性能損失減少到10%之內(nèi)。

（3）業(yè)務部署方式問題

傳統(tǒng)網(wǎng)絡采取的是先根據(jù)所部署業(yè)務進行網(wǎng)絡容量測算，然后進行硬件設備集采，再進行到貨調(diào)試上線的流程，而在虛擬化網(wǎng)絡中，硬件采用虛擬化硬件池中的資源，由MANO實現(xiàn)業(yè)務編排、虛擬資源需求計算及申請，完成網(wǎng)絡能力部署，這使得現(xiàn)有業(yè)務部署的流程需要打破和革新，對現(xiàn)行的設備采購模式和運維模式都會產(chǎn)生較大的沖擊。

（4）虛擬化架構中標準問題

以核心網(wǎng)虛擬化為例，目前需要標準化的內(nèi)容并非電信網(wǎng)絡架構、功能，更多集中在管理接口方面，且涉及多個標準化組織及開源組織，難度極大。同時，虛擬化架構對當前電信標準的影響分析還未完成，其中MANO是GAP分析的核心。

4 結束語

可以看出，以SDN/NFV為代表和核心的云化網(wǎng)絡代表著未來信息發(fā)展的重要趨勢，特別是網(wǎng)絡軟件化和虛擬化已經(jīng)開始影響整個網(wǎng)絡世界的格局，不論是在標準化、設備和產(chǎn)業(yè)化方面，還是在試驗開發(fā)和應用部署方面，都取得了重要進展，成為業(yè)界公認的發(fā)展趨勢。

但不論是在技術還是產(chǎn)業(yè)鏈其他環(huán)節(jié)上，對于SDN和NFV來說，還有不少難題和挑戰(zhàn)，總體上目前處于概念驗證PoC的階段，只有產(chǎn)業(yè)鏈各方共同努力，對于上述問題進行針對性的研究和試驗，通過實踐不斷完善和推進，借助市場來檢驗，SDN/NFV技術才能在傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡演進中起到關鍵的作用。