當(dāng)前通信設(shè)備中SDN和NFV的應(yīng)用

楊傳福

（湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，湖南 長沙 410126）

自2013年以來，4G網(wǎng)絡(luò)開始商用，并迅速在全國范圍內(nèi)普及，給人們的生活帶來了許多便利。但是隨著人們對網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用進(jìn)一步加深，越來越多的領(lǐng)域在嘗試著與信息技術(shù)結(jié)合發(fā)展，于是對網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)提出了新的要求。在這種背景下，5G信息系統(tǒng)問世，目的在于進(jìn)一步的提升網(wǎng)絡(luò)的速度、提升網(wǎng)絡(luò)的可靠度、降低網(wǎng)絡(luò)的延遲來拓展其應(yīng)用領(lǐng)域和增強(qiáng)其服務(wù)性。當(dāng)前，以5G信息系統(tǒng)為核心的通信技術(shù)發(fā)展成為了大眾密切關(guān)注的問題，其傳輸?shù)男屎桶踩猿蔀榱酥攸c(diǎn)研究對象。

1 SDN和NFV技術(shù)的優(yōu)勢

SDN結(jié)構(gòu)是由基礎(chǔ)設(shè)備層、控制實(shí)施層和技術(shù)應(yīng)用層所組成的，基礎(chǔ)設(shè)備層由一些只有轉(zhuǎn)發(fā)功能的“白盒設(shè)備”組成，所謂“白盒設(shè)備”是指設(shè)備沒有控制功能，只存在轉(zhuǎn)發(fā)功能的設(shè)備，這些設(shè)備根據(jù)控制層的指令能夠?qū)⑺邢嚓P(guān)的數(shù)據(jù)快速分配到用戶間和設(shè)備間，使得整個傳輸過程更加簡便，節(jié)省了許多中轉(zhuǎn)環(huán)節(jié)，于是效率大大提升，控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，也有利于網(wǎng)絡(luò)的智能化、自動化和硬件的標(biāo)準(zhǔn)化，打破設(shè)備本身的技術(shù)和標(biāo)準(zhǔn)限制；控制實(shí)施層是由一個或多個控制器組成，SDN控制器是整個網(wǎng)絡(luò)的核心，控制的集中化有利于從更宏觀的角度調(diào)配傳輸帶寬、傳輸路徑等網(wǎng)絡(luò)資源，提高資源的利用率、降低傳輸時延、減少網(wǎng)絡(luò)擁塞；技術(shù)應(yīng)用層主要是網(wǎng)絡(luò)功能應(yīng)用，可以通過SDN的可編程性，可以把底層“白盒設(shè)備”配置成各種虛擬網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)不同的業(yè)務(wù)需求，然后通過SDN控制器實(shí)現(xiàn)各個網(wǎng)絡(luò)QoS保證，與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比，增強(qiáng)了差異化服務(wù)和靈活性，也有利于新業(yè)務(wù)的快速測試和部署。因此，SDN技術(shù)在通信中應(yīng)用，能夠極大的提升信息的傳輸效率、改善數(shù)據(jù)傳輸滯后問題，而且還可以根據(jù)不同用戶需求定制服務(wù)，提升用戶感知度。

SDN結(jié)構(gòu)除了三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)之外，還有北向接口和南向接口，北向接口是技術(shù)應(yīng)用層和控制實(shí)施層之間的連接接口，北向接口可以將看作技術(shù)應(yīng)用層對控制實(shí)施層可編程的接口，此接口是統(tǒng)一的、開放的接口；南向是負(fù)責(zé)控制實(shí)施層和基礎(chǔ)設(shè)備層之間通信的接口，南向接口必須要標(biāo)準(zhǔn)化，只有標(biāo)準(zhǔn)化的南向接口才能真正擺脫硬件設(shè)備的束縛，賦予設(shè)備虛擬化各種網(wǎng)絡(luò)功能的前提。

根據(jù)以上描述，SDN架構(gòu)拓?fù)淙缦聢D所示：

圖1 SDN網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)

NFV技術(shù)則主要是以一些通用性軟件為主，利用虛擬化技術(shù)來提升承載功能，進(jìn)而降低基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的建設(shè)成本和運(yùn)營成本，提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性。一般而言，NFV需要通過軟硬件的解耦，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開放化，而抽象的功能能夠使網(wǎng)絡(luò)資源得到更為靈活的應(yīng)用，使得信息工程能夠脫離硬件設(shè)備而存在并且傳輸，這為系統(tǒng)內(nèi)業(yè)務(wù)的部署提供了良好的基礎(chǔ)。由于NFV既可以存在于物理服務(wù)器中又可以存在于虛擬服務(wù)器中，只是在具體的實(shí)踐過程中需要對整體的架構(gòu)進(jìn)行整改，這是一項(xiàng)難度較大的技術(shù)。所以，在具有的使用過程中，NFV都是運(yùn)用于軟件平臺內(nèi)支持SDN技術(shù)。此外，其內(nèi)部還存在專用的管理系統(tǒng)，因此能夠很好的滿足云計算的需要，在5G通信系統(tǒng)中能夠很好的連接應(yīng)用。

1.1 SDN技術(shù)

1.1.1 集中控制

SDN能夠集中控制，進(jìn)而使控制系統(tǒng)與轉(zhuǎn)發(fā)系統(tǒng)分離開來，這種功能的實(shí)現(xiàn)得益于其控制器。該控制器能夠快速獲取全局的靜態(tài)拓?fù)?、動態(tài)轉(zhuǎn)發(fā)、資源故障等信息，并且能夠根據(jù)現(xiàn)有的資源，實(shí)現(xiàn)合理的配置，使得資源得到統(tǒng)一的調(diào)配，優(yōu)化了資源的利用方案。

1.1.2 開放接口

設(shè)備應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)的集成需要開放的接口來提供支撐，而SDN恰好具備開放式的南北向接口，能夠?yàn)閼?yīng)用提供所需的網(wǎng)絡(luò)資源。另一方面，由于該技術(shù)對設(shè)備沒有限制，在開發(fā)式的接口下，用戶可以根據(jù)自己的需要去利用網(wǎng)絡(luò)資源，開展新型的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。這一模式能夠縮短新業(yè)務(wù)的成熟周期，為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的發(fā)展提供便利。

1.1.3 網(wǎng)絡(luò)虛擬化

以開放性的接口為依托，能夠?qū)⒒A(chǔ)物理轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備隔離，進(jìn)一步利用軟件技術(shù)，將物理網(wǎng)絡(luò)與邏輯網(wǎng)絡(luò)分離，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬化的設(shè)置。這種虛擬化的業(yè)務(wù)發(fā)展促進(jìn)了網(wǎng)絡(luò)租戶的需要，逐步形成了完整的虛擬世界。

1.2 NFV技術(shù)

1.2.1 控制支出成本

傳統(tǒng)專用設(shè)備造價高，可替代性低。每當(dāng)基礎(chǔ)專用設(shè)備出現(xiàn)問題，必須采用相同型號的機(jī)器替換才能夠使通信系統(tǒng)運(yùn)行。但是在采用NFV技術(shù)后，通用的服務(wù)器能夠代替專用服務(wù)器，減少了專用設(shè)備的需求，降低了設(shè)備成本，通信網(wǎng)絡(luò)體系的構(gòu)建成本得到了有效的把控。

1.2.2 動態(tài)遷移性更強(qiáng)

NFV技術(shù)能夠利用軟件與硬件的解耦來提升網(wǎng)絡(luò)彈性，進(jìn)而縮短設(shè)備的調(diào)配周期。在系統(tǒng)遷移過程中，靈活性大大增強(qiáng)，容錯率也高，調(diào)試者可以根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行刪減，工作的效率大幅度提升。

1.2.3 業(yè)務(wù)創(chuàng)新性更優(yōu)

當(dāng)網(wǎng)絡(luò)功能軟件化時，其功能的遷移性增加，那么開展新型業(yè)務(wù)也能夠更加便捷。在NFV技術(shù)支撐下，業(yè)務(wù)的創(chuàng)新性更優(yōu)，開發(fā)新的業(yè)務(wù)周期縮短，而且基于信息傳輸?shù)陌踩?，業(yè)務(wù)的質(zhì)量得到了根本的保障。

1.2.4 業(yè)務(wù)快速部署

傳統(tǒng)傳輸設(shè)備的擴(kuò)容周期從需求發(fā)起到設(shè)備正式入網(wǎng)運(yùn)行需要幾個月的時間，新業(yè)務(wù)的部署甚至需要半年到1年的時間，采用NFV架構(gòu)后，網(wǎng)絡(luò)的自動化管理和敏捷性將大大提升，擴(kuò)容周期可能只需要幾個小時，甚至是幾分鐘，新業(yè)務(wù)的部署也僅需幾周的時間，真正實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速響應(yīng)和快速部署。

1.3 SDN和NFV的關(guān)系

1.3.1 誕生的前提

SDN的誕生主要是由于政企、校園網(wǎng)絡(luò)的需求，主要通過控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)控制的集中化、業(yè)務(wù)的靈活調(diào)度，在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和NFV的設(shè)備上均可用部署；NFV主要源自通信運(yùn)營商的需求，通過軟硬件解耦，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，業(yè)務(wù)隨時隨需部署，可以做到業(yè)務(wù)的個性化定制和快速響應(yīng)，提高用戶的體驗(yàn)。

1.3.2 功能的側(cè)重點(diǎn)

SDN是軟件定義網(wǎng)絡(luò)，也就是通過軟件編程的方式來給予底層網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不同的功能，形成不同的網(wǎng)絡(luò)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)策略和路由轉(zhuǎn)發(fā)都集中在軟件控制器上，側(cè)重點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)連接控制；NFV是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，針對的是傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元功能上，側(cè)重于網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)。

1.3.3 應(yīng)用的場景

SDN和NFV均可單獨(dú)部署，也沒有直接關(guān)系，應(yīng)用場景在很大程度上也不重合，如云數(shù)據(jù)中心，可以采用SDN技術(shù)控制，以均衡和調(diào)整各種虛擬機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)更加可控的管理。SDN和NFV兩種技術(shù)雖然沒有直接關(guān)系，但是有很強(qiáng)的互補(bǔ)性，SDN可以推動NFV功能部署的便捷性，而NFV可以增加功能部署的靈活性，兩者相互結(jié)合，能夠產(chǎn)生遠(yuǎn)大于單個技術(shù)的價值，可以能大限度地滿足用戶對服務(wù)速度、業(yè)務(wù)調(diào)整和操作方便的要求。

2 將SDN和NFV技術(shù)引入5G網(wǎng)絡(luò)所帶來的好處

2.1 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的全面編程化

要實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)功能的全面編程，首先需要有效的將SDN和NFV技術(shù)融合到通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中去，確保硬件設(shè)備的控制層能夠和數(shù)據(jù)層相互獨(dú)立，更好的將網(wǎng)絡(luò)硬件的底層功能保存下來，避免因信息傳輸而功能受損。這樣，控制器的功能會更加集中，有利于實(shí)現(xiàn)全面化的編程。

2.2 促進(jìn)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新，提升業(yè)務(wù)開發(fā)效率

在我國進(jìn)入信息時代以來，各大運(yùn)營商都在想方設(shè)法的擺脫繁雜設(shè)備的束縛，致力于尋求性能更加集中化的硬件設(shè)備。SDN技術(shù)的開放性和全面編程性正好滿足了他們的需要，能夠代替部分高成本的硬件設(shè)備。如此一來，各大運(yùn)營商不用絞盡腦汁去升級軟件設(shè)備，來支持網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的需要，整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)也變得更加具有親和力。另一方面，區(qū)域全網(wǎng)的統(tǒng)一能夠帶來管理和使用上的便利，運(yùn)營商管理起來十分方便，而用戶在使用的過程中，也能得到更好的體驗(yàn)。于是，新的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)形成，隨著人們的需要，這種網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架還在持續(xù)性變化，創(chuàng)新調(diào)整結(jié)構(gòu)模型。結(jié)構(gòu)上的創(chuàng)新往往是圍繞著業(yè)務(wù)的需要來進(jìn)行的，因此，當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的發(fā)展飛速，利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源，能夠快速生成開發(fā)出新的業(yè)務(wù)模型，業(yè)務(wù)的成熟周期大大縮減。

2.3 促進(jìn)整體網(wǎng)絡(luò)的高效運(yùn)營

SDN在網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中的應(yīng)用具有廣闊的前景，在當(dāng)前的技術(shù)應(yīng)用中，該技術(shù)已經(jīng)表現(xiàn)出了很強(qiáng)的功能性?；赟DN技術(shù)的開放性，整體網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營效率都得到了提升，相關(guān)的運(yùn)轉(zhuǎn)功能也變得更加合理。而NFV正好能夠與SDN實(shí)現(xiàn)互補(bǔ)，當(dāng)兩者融合時，其結(jié)構(gòu)上雖然都具有相互獨(dú)立性，例如，NFV的部署可以完全不依賴SDN進(jìn)行，但是這兩者在功能上相互配合，在提升網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營效率上起了很大的作用。尤其是在兩種技術(shù)結(jié)合使用后，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)能夠從專用的硬件設(shè)備中分離出來，單單依靠軟件解碼來實(shí)現(xiàn)，使得信息的傳輸過程更加便捷且高效，這整個過程的可操作性也十分強(qiáng)。

3 基于SDN和NFV在5G移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計

隨著網(wǎng)絡(luò)的普及，在線用戶的數(shù)量與日俱增，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和流量的需求越來越高，這些現(xiàn)象給當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營帶來了極大的壓力。為了改善當(dāng)前的大壓力局面，開啟5G網(wǎng)絡(luò)模式成為了勢在必行的策略，5G網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合了大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)，其綜合性強(qiáng)，能夠滿足社會各個階層的需要。此外，它還具備高的傳輸性、可編程性強(qiáng)、拓展性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)和功能靈活。反觀傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，需要依靠大量的基站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)點(diǎn)來完成信息的轉(zhuǎn)化和傳輸，缺乏集中控制中心，無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化成為了高難度問題。而且因?yàn)樵O(shè)備繁雜，專業(yè)設(shè)備較多，設(shè)備的適配性較差，給設(shè)備的維修帶來了許多不必要的麻煩。當(dāng)移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)融合了SDN和NFV技術(shù)后，能夠優(yōu)化繁雜的配置參數(shù)，調(diào)整網(wǎng)絡(luò)資源的配置，優(yōu)化管理層面的技術(shù)問題，對虛擬化的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行集中管控。其架構(gòu)優(yōu)勢有以下幾點(diǎn)：

第一，能夠使新的服務(wù)系統(tǒng)快速進(jìn)入部署階段，網(wǎng)絡(luò)的自動化程度高，動態(tài)的再配能力強(qiáng)。

第二，進(jìn)一步分離用戶平面與控制平面，為獨(dú)立部署做好準(zhǔn)備。

第三，網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)能夠有實(shí)體化轉(zhuǎn)向虛擬化，實(shí)現(xiàn)功能的軟件化和模塊化，為資源和服務(wù)的調(diào)整提供便利；

第四，降低了信息傳輸?shù)臏笮?，減少網(wǎng)絡(luò)的冗余性，進(jìn)而提升傳輸?shù)男省?/p>

3.1 無線網(wǎng)路資源動態(tài)配置

在SDN和NFV技術(shù)支撐下，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)動態(tài)調(diào)配。一般信息的傳輸需要借助分片，將傳輸網(wǎng)等應(yīng)用到正常的業(yè)務(wù)開展中，信息就能夠?qū)崿F(xiàn)正常的傳輸。但是當(dāng)網(wǎng)絡(luò)容量瞬時劇增時，會引發(fā)安全事故，此時，利用SDN控制器和NFV技術(shù)能夠?qū)⒓榷ǖ馁Y源規(guī)則打破，重新對無線資源進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)安全運(yùn)行。因此，在構(gòu)建5G通信系統(tǒng)時，融合SDN和FNV技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行架構(gòu)是實(shí)現(xiàn)資源動態(tài)配置的關(guān)鍵。

3.2 硬件設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化

利用SDN和NFV技術(shù)，能夠?qū)⒂布膶Ｓ没D(zhuǎn)變?yōu)橛布臉?biāo)準(zhǔn)化，這在構(gòu)建5G網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中具有重要意義。因?yàn)閷Ｓ眯赃^強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)不具備可替代性，其硬件設(shè)備一旦崩潰，將需要耗費(fèi)大量的維修工程。而標(biāo)準(zhǔn)化的硬件設(shè)備就能夠?qū)崿F(xiàn)靈活的替代，一旦出現(xiàn)故障，能夠在短時間內(nèi)恢復(fù)。因此，采用SDN標(biāo)準(zhǔn)化的開發(fā)接口，并在NFV高性能的服務(wù)器上運(yùn)行，讓硬件設(shè)備更加通用化。這樣，對網(wǎng)絡(luò)流量的控制就能夠更加靈活的實(shí)現(xiàn)，線上資源的調(diào)整和配置也能夠快捷實(shí)現(xiàn)。

3.3 網(wǎng)絡(luò)功能的虛擬化

構(gòu)建虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能對5G系統(tǒng)而言價值巨大，是5G網(wǎng)絡(luò)能夠由于4G的基本前提。在傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，其整個體系相對封閉，內(nèi)在邏輯性較差，有許多網(wǎng)絡(luò)重復(fù)問題。但是如果耗費(fèi)大量的精力去梳理，則會得不償失。此時，只需要利用NFV中X86的通用硬件和虛擬化技術(shù)，就能夠?qū)W(wǎng)絡(luò)功能中的軟件進(jìn)行處理，抽象并解碼出實(shí)際需要的軟件設(shè)備，脫離硬件設(shè)備的控制。這種虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能的實(shí)現(xiàn)，讓我們設(shè)備的智能化程度提升，網(wǎng)絡(luò)傳輸體系能夠自主實(shí)現(xiàn)對故障的隔離，而且，在一定程度上能夠自我修復(fù)，提升了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的靈活性，能夠給用戶帶去更好的服務(wù)。

4 結(jié)束語

在未來，通信設(shè)備的發(fā)展將會朝著全面虛擬化進(jìn)行，整個網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架就需要具備更強(qiáng)的傳輸容量，這樣才能夠容納大量的信息。移動網(wǎng)絡(luò)端的容量增大，另一方面還能夠增加用戶的使用體驗(yàn)，提升產(chǎn)品的性能。而且在未來，移動終端的形式將發(fā)生重大改變，這就意味著通信系統(tǒng)的靈活性和拓展性要更高。當(dāng)前5G技術(shù)在采用了SDN和NFV技術(shù)的基礎(chǔ)上能夠滿足當(dāng)前的社會需求，實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)傳輸和數(shù)據(jù)存儲的分離，提升設(shè)備的使用效率，隨著信息技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)通信硬件設(shè)備將成為過去式，技術(shù)的發(fā)展將迎來新的春天。