淺談NFV的產(chǎn)生、發(fā)展及影響

摘要：隨著云計算、SDN等相關技術的發(fā)展，對現(xiàn)有的網(wǎng)絡提出了新的能力需求：網(wǎng)絡具備高彈性、業(yè)務開通分鐘級、網(wǎng)絡部署更低成本等等。NFV技術它利用虛擬化技術，將傳統(tǒng)架構分層解耦，重新按需編排，很大程度上滿足了上述需求。NFV屬于當前為緩和和解決各種行業(yè)問題而衍生的新技術，本文主要從NFV產(chǎn)生的行業(yè)背景，NFV的實現(xiàn)原理和系統(tǒng)架構，NFV后續(xù)的發(fā)展方向以及對行業(yè)的影響等方面進行闡述，希望能給讀者提供一定的幫助。

關鍵詞：NFV技術;虛擬化技術;架構解耦

前言

NFV是近期發(fā)展起來的技術，NFV技術的有低成本、靈活性、高效率的特點，為云計算、SDN的發(fā)展提供了前所未有的驅(qū)動力。NFV目前還處于發(fā)展階段，存在各層級接口標準不夠成熟、完善，制造商還在探索自身的市場定位，運營商缺乏維護和管理經(jīng)驗等問題。不過在不久的將來，憑借NFV技術特點和特有的優(yōu)勢，將會助力云計算、SDN向跟高一級的目標發(fā)展，成為影響和推動IT、CT行業(yè)轉(zhuǎn)型發(fā)展的核心動力。

一、NFV的產(chǎn)生

云計算的產(chǎn)生，帶來了更高的生產(chǎn)效率，更低的成本，更靈活的資源調(diào)度與分配，也對網(wǎng)絡的能力和靈活性提出了新的需求。

傳統(tǒng)基礎通信網(wǎng)絡的網(wǎng)元采用軟/硬件一體化設備架構，造成了物理網(wǎng)絡的復雜性、資源利用率不高，設備采購周期長、成本高，實施部署難度大，自動化管理程度不高等，更重要的是，這種封閉型的組網(wǎng)架構，阻礙了云計算的發(fā)展，使得云計算無法靈活、動態(tài)的按需分配網(wǎng)絡資源，不能高效、公平的分配網(wǎng)絡資源。在各種矛盾和問題的積累下，衍生了一項新技術，網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，縮寫 NFV），它利用虛擬化技術，將網(wǎng)絡節(jié)點層級按功能分塊，各功能塊通過軟件方式實現(xiàn)，并將軟件部署到通用的硬件設備上，實現(xiàn)特定的網(wǎng)元功能服務，從而有效的解決了上述問題和矛盾。

2012年，美國AT&T、BT（英國電信）、DT（德國電信）等基礎電信網(wǎng)絡運營商在ETSI（歐洲通信標準協(xié)會）提出NFV。據(jù)不完全統(tǒng)計，到目前為止，ETSI的NFV ISG（NFV規(guī)范組）在通信界全球范圍內(nèi)已經(jīng)擁有上百家成員單位以及接近兩百家參與單位。

二、NFV的原理與實現(xiàn)

NFV是將功能軟件解耦后，部署到在通用IT硬件上虛擬出設備上，完成網(wǎng)絡功能的實現(xiàn)。NFV試圖打破傳統(tǒng)電信設備的豎井式體系，將通信網(wǎng)元功能分層解耦并引入新的MANO管理體系實現(xiàn)網(wǎng)元全生命周期管理。與傳統(tǒng)模式相比，主要有兩個方面的變化，一方面是新增虛擬化層，即通過虛擬化軟件將硬件資源池化，根據(jù)上層應用需求按需分配資源;另一方面?zhèn)鹘y(tǒng)的實體網(wǎng)元設備將由虛擬機替代。

在虛擬化網(wǎng)元模式下，不同業(yè)務系統(tǒng)共享硬件資源，資源以流動方式在不同應用間均衡，使得資源的利用率更高。同時網(wǎng)絡擴容通過新增虛擬資源的形式實現(xiàn)，基本不涉及新增硬件調(diào)測，響應速度更快。

NVF具有四大基本特征：采用虛擬化技術、通用基礎設施、云化管理和網(wǎng)絡的自動化部署。

（一）虛擬化技術。虛擬化是指將提供資源能力的硬件設備，通過軟件將其抽象重新定義，為業(yè)務提供按需分配、統(tǒng)一管理的技術。如將一臺物理服務器通過虛擬化軟件劃分出多個虛擬計算機，每個虛擬計算機可以提供一個獨立的運行環(huán)境，而這些虛擬計算機共享同一臺物理服務器的硬件資源。

（二）通用基礎設施。包括統(tǒng)一的標準化計算服務器、存儲設備、網(wǎng)絡設備等。

（三）云化管理。將通用的基礎設施進行虛擬化，形成統(tǒng)一的虛擬資源池，對虛擬資源統(tǒng)一分配和調(diào)度，以及對應用和業(yè)務的生命周期統(tǒng)一管理。

（四）網(wǎng)絡自動化部署。網(wǎng)絡維護人員操作云管理平臺對網(wǎng)絡進行功能編排（Orchestration），通過統(tǒng)一的資源管理、自動化的流程、資源調(diào)度和調(diào)整策略，采用事先定義好的網(wǎng)絡服務模板NSD、虛擬網(wǎng)元模板VNFD，進行網(wǎng)絡、網(wǎng)元的創(chuàng)建，實現(xiàn)資源池資源的按需使用，并結(jié)合SDN完成自動化配置網(wǎng)絡。

三、NFV的架構

NFV的標準架構主要包括NFVI，VNF和MANO三個模塊。

NFVI（NFV Infrastructure）包含物理資源層和虛擬化層。物理資源層主要包括通用的硬件設備（如通用服務器、交換機、存儲設備等），虛擬化層主要包括基于hypervisor的虛擬化（如VMware vSphere、KVM等）和基于容器的虛擬化技術（如Docker）。NFVI作為通用的虛擬化層，將資源定義為一個池，對資源統(tǒng)一分配和管理，按需為上層的VNF分配資源。

VNF（Virtualization Network Functions）虛擬網(wǎng)絡功能，以軟件的形式提供服務，將功能軟件部署到由NVFI提供的虛擬化基礎設施（如虛擬機、容器）中，實現(xiàn)特定的網(wǎng)元功能服務。VFN可以單獨組網(wǎng)，也可以與傳統(tǒng)的硬件網(wǎng)元（PFV）混合組網(wǎng)，為用戶提供端到端的網(wǎng)絡服務。

MANO（Management and Orchestration）管理與編排，主要有三分部分組成：NFVO、NFVM 和VIM 。其中NFVO負責與OSS/BSS對接，NFVM負責對VNF管理，VIM負責對虛擬化基礎設施（NFVI）管理。并且各類虛擬網(wǎng)元（NFV）、物理網(wǎng)元（PFV）經(jīng)過MANO的合理編排后，才能使整個系統(tǒng)發(fā)揮應有的作用。

VIM（Virtualised Infrastructure Manager）虛擬基礎設施管理器，主要負責對NFVI進行管理和資源分配，各VNF所需的虛擬化資源（如計算、存儲和網(wǎng)絡等）由VIM統(tǒng)一分配，例如VMWare的vCenter，對Esxi上的VM進行資源的管理分配和調(diào)度等。

VNFM（VNF Manager）虛擬化網(wǎng)絡功能管理器，主要負責VNF開啟/關閉，NVF資源使用情況及生命周期等相關管理，如網(wǎng)元功能的創(chuàng)建/刪除、擴容與縮容等功能。

NFVO（Network Functions Virtualization Orchestration）網(wǎng)絡功能虛擬化編排器，負責接收編排任務，對VNF與資源編排從而完成總體管理，是整個NFV架構的控制核心。NFVO還負責對NS（網(wǎng)絡服務）、VNF生命周期的管理和NFVI各類資源的管理，進行統(tǒng)一協(xié)調(diào)，對各類虛擬網(wǎng)元進行資源分配，保證網(wǎng)元間協(xié)同工作，完成整個網(wǎng)絡的部署和優(yōu)化。

四、NFV的發(fā)展

（一）架構解耦

1.單一廠家

單一廠家模式，硬件、功能軟件以及管理軟件均由同一廠家生產(chǎn)、開發(fā)以及統(tǒng)一集成，這種模式下只能實現(xiàn)同一廠家不同網(wǎng)元硬件資源共享，網(wǎng)絡編排能力通過廠家私有協(xié)議實現(xiàn)。由于是軟件硬件同廠家，因此在出廠前就做了各種測試、優(yōu)化和聯(lián)合調(diào)試，這種模式下的整個系統(tǒng)的兼容性好，協(xié)同能力高。并通過廠家提供的一套管理系統(tǒng)進行操作管理，系統(tǒng)維護難道低，操作簡單。但自主性差，各層間接口不開放，功能的優(yōu)化依賴廠家，以及后續(xù)的系統(tǒng)擴建和個性化功能需求增減均也受到廠家的約束。

2.二層解耦

二層解耦分為兩種：一種是資源層和功能層解耦，另一種是軟硬件解耦。

資源層是指提供處理能力的虛擬化平臺（包括物理硬件和虛擬化軟件），功能層是指實現(xiàn)特定網(wǎng)元功能的軟件。資源層只負責提供處理能力，對上層提供統(tǒng)一標準的能力調(diào)用接口，供上層的功能軟件調(diào)用。用戶可以根據(jù)需要選擇功能軟件和虛擬化平臺廠家，也可以針對個性化需求自行研發(fā)功能軟件，部署到不同廠家的虛擬化平臺上。這種模式下，用戶有一定的自主權，也帶來更多的競爭性，一定程度上保證用戶的選擇權。但運行管理需要多套管理系統(tǒng)對不同層級分別進行管理，同時還需要獨立的編排器，增加了網(wǎng)絡的復雜性和維護難度，各廠家間的權責劃分不清晰，對故障的排查和處理帶來一定的難度。

軟硬件解耦是指虛擬化軟件和功能軟件為同一廠家集成，硬件可以是不同廠家的通用服務器。這種模式，部署起來比較簡單，只需要將廠家集成好的鏡像安裝到通用服務器即可。管理系統(tǒng)也由廠家提供，對網(wǎng)元管理的一體化服務使后期的操作維護較為簡單。同時，用戶的自主性偏差，基本只能選擇廠家，而不能實現(xiàn)自主優(yōu)化系統(tǒng)和自研軟件的部署。

3.三層解耦

三層解耦是功能軟件、虛擬化層和硬件的解耦。自上而下全解耦，各個層級均可自主性的選擇廠家，形成了一個更加開放，更加具有競爭力的平臺。硬件廠家提供通用的服務器硬件，通過IPMI進行操作和管理;虛擬化層提供虛擬化軟件和虛擬化管理平臺平臺，對硬件資源進行抽象池化和分配，供上層功能軟件調(diào)用;功能軟件層只需部署滿足需求的功能軟件即可。這種模式下，用戶可以分層級采購，有更多的價格優(yōu)勢。廠家為了引導用戶同時使用自己的軟件和硬件，將會為用戶提供更多的功能或服務。用戶也可以對虛擬化層軟件和功能軟件自研，極大的用提升用戶的自主能力，使系統(tǒng)能有更高的性價比。但是，用戶不但需要協(xié)調(diào)各層級之間的對接、各廠家之間的對接，還需要有更強的技術團隊進行操作維護，導致系統(tǒng)的兼容性不高，權責模糊界線增多，后期的運維成本將大幅度增加。

4.發(fā)展方向

NFV未來的演進可能包含兩個階段：過渡階段和成熟階段。

在過渡階段，NVF將在傳統(tǒng)的業(yè)務架構上嘗試引入功能軟硬件解耦，主要表現(xiàn)為將功能軟件從專用硬件上剝離，遷移到基于通用硬件虛擬化的VM上，實現(xiàn)特定的網(wǎng)元功能。

在成熟階段，NFV架構將實現(xiàn)完全解耦（三層解耦），各層次定義完善標準化接口，有一套成熟、完善的管理系統(tǒng)和支撐體系，完成資源的分配、對業(yè)務的自動化部署以及對網(wǎng)元全生命周期管理。這也將是業(yè)務部署的主要方式。

五、NVF的對行業(yè)發(fā)展的影響

NFV是通信領域的一次重大變革，可在通信網(wǎng)的各個領域內(nèi)應用，對網(wǎng)絡影響極其重大，企業(yè)（包括通信運營商和產(chǎn)品制造商）在網(wǎng)絡架構和組織、運營理念、管理流程和企業(yè)組織架構等方面都可能面臨深層轉(zhuǎn)型。

（一）通信產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)生變革

在運營商方面，當前運營商采購模式為“軟硬一體”，即采購的硬件設備已預裝授權的軟件。新模式下，運營商統(tǒng)一采購硬件平臺，可單獨采購所需網(wǎng)元功能的軟件和虛擬化軟件，產(chǎn)業(yè)鏈細化為功能軟件提供商、虛擬化產(chǎn)品提供商、通用硬件設備制造商、集成商。

制造商方面，傳統(tǒng)設備制造商可能轉(zhuǎn)型為虛擬化軟件提供商，在運營商統(tǒng)一建設模式下，運營商將負責整合硬件設備、虛擬化產(chǎn)品及NFV網(wǎng)元軟件功能，或由專門的系統(tǒng)集成商集成后提供給運營商。

（二）網(wǎng)絡架構調(diào)整

新型網(wǎng)絡架構將以數(shù)據(jù)中心為基礎，各數(shù)據(jù)中心以云計算技術進行組織并放置NFV虛擬化的通信網(wǎng)元，各數(shù)據(jù)中心間通過以SDN技術實現(xiàn)調(diào)度的IP承載網(wǎng)絡進行連接。未來網(wǎng)絡發(fā)生的根本性變化將圍繞以下三個技術：傳統(tǒng)機房改造為數(shù)據(jù)中心，機房內(nèi)采用云計算架構組織;傳統(tǒng)通信網(wǎng)元通過NFV虛擬化技術實現(xiàn)軟件化;通過SDN技術實現(xiàn)數(shù)據(jù)中心內(nèi)和數(shù)據(jù)中心間的IP資源及策略調(diào)度。

（三）維護管理發(fā)生變

NFV后網(wǎng)絡管理對象發(fā)生變化，網(wǎng)元虛擬化后軟硬件解耦，網(wǎng)管對象發(fā)生變化，對資源管理、故障管理、性能管理帶來一定影響。

1.網(wǎng)絡管理的對象發(fā)生較大變化。管理對象從單一網(wǎng)元轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M網(wǎng)元、虛擬機、物理機及相互映射關系;物理資源、虛擬資源、網(wǎng)絡服務之間的關系都是可變的，不再是靜態(tài)一一對應關系，被管對象之間一對多或多對多的關系，使得網(wǎng)元故障、配置和性能管理變的相對復雜。

2.傳統(tǒng)網(wǎng)管體系功能均需要調(diào)整。資源管理需定義新的管理對象的數(shù)據(jù)模型;制定故障上報流程、故障關聯(lián)功能要求;定義新的性能指標及上報流程;統(tǒng)一采集平臺相關的功能、流程需要針對新的管理對象進行定義。

（四）網(wǎng)絡維護方式發(fā)生變革

在NFV架構下，運維模式發(fā)生較大變化，傳統(tǒng)劃分的專業(yè)維護層面的維護依然存在，并新增云維護專業(yè)相關內(nèi)容。維護內(nèi)容變成了三大塊：硬件維護、云維護和業(yè)務維護。三大內(nèi)容的維護邊界需要重新劃分和定義，維護團隊需要重新組織，并對維護人員的技能提出新的要求。

六、NFV帶來的效應

（一）釋放價值、高敏捷性和提節(jié)省資金

一個系統(tǒng)、功能平臺或者是一臺功能設備，主要分為能力資源層（簡稱能力層）、功能實現(xiàn)層（簡稱功能層）。能力層負責提供處理能力，功能層負責調(diào)用能力資源實現(xiàn)特定功能。傳統(tǒng)模式下，功能層和能力層是同廠家緊耦合的，升級或擴建需要同時采購軟硬件。升級擴容不能精準按需，能力層與功能層匹配由廠家定義，造成資源利用率不受控。

而NFV就較好解決這個問題，將能力層池化統(tǒng)一管理和分配，可以將資源過剩的單個設備按需劃小再分配，也可以將多個資源不足的設備能力按需聚合，為上層應用提供能力服務。虛擬化技術還提供對上層應用無感知的資源的彈性伸縮，對上層應用無感知進行位置遷移等能力。使資源能夠充分利用，為業(yè)務的開通、維護管理提供更智能的手段。

多層解耦的開放式架構，提供了更具競爭性的行業(yè)平臺。而用戶將獲得更大的價格優(yōu)勢，同比之下將可以生產(chǎn)更多產(chǎn)品或提供更多服務，創(chuàng)造更多的價值。NFV的特點還將使得SDN網(wǎng)絡環(huán)境部署變得更低成本，統(tǒng)一管理變得更靈活高效，促進SDN的發(fā)展。

（二）行業(yè)效應

新技術革命影響主要表現(xiàn)在兩方面。一方面，新技術革命促進了行業(yè)生產(chǎn)力的發(fā)展。分層解耦，促使分工細化，造就了生產(chǎn)效率的提升。NFV打破了傳統(tǒng)的固化的系統(tǒng)架構，將IT和CI融合到一起，一定程度上解放了生產(chǎn)力，促進了生產(chǎn)力的發(fā)展。NFV將會推動行業(yè)內(nèi)生產(chǎn)力各要素的變革，引發(fā)了人們觀念和思維方式的更新，拓展了創(chuàng)造性思維，為行業(yè)乃至社會的發(fā)展奠定了基礎。

另一方面，新技術革命使產(chǎn)業(yè)結(jié)構發(fā)生變化。隨著NFV的推進和發(fā)展，使得從事網(wǎng)絡功能設備生產(chǎn)和銷售的企業(yè)，不再需要同時具備硬件生產(chǎn)和軟件研發(fā)的能力;原來生產(chǎn)通用硬件設備的廠商，可以更關注與設備的性能提升;后期企業(yè)內(nèi)部、行業(yè)內(nèi)部的分工協(xié)助關系和生產(chǎn)關系將進優(yōu)化和調(diào)整，使之更適應于NFV帶來的生產(chǎn)力發(fā)展，推動IT和CT業(yè)向更高一級的目標邁進。

參考文獻：

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[2]陳曉敏，朱明星，楊森，周圣.NFV架構及其優(yōu)勢挑戰(zhàn)[J].通信電源技術.2020（06）：178-179.

作者簡介：

黃勇（1984-），男，漢族，廣西河池市，本科，中級工程師職稱，主要研究方向：云網(wǎng)融合。