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NFV移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )論文
1移動(dòng)業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò )能力的挑戰
移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)是未來(lái)移動(dòng)通信發(fā)展的兩大主要驅動(dòng)力，刻畫(huà)出欣欣向榮的移動(dòng)通信產(chǎn)業(yè)生態(tài)圖景。移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)已經(jīng)顛覆了傳統移動(dòng)通信業(yè)務(wù)模式和用戶(hù)使用體驗方式，并將深刻地影響著(zhù)人們工作生活的方方面面。面向2020年及未來(lái)，移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)信息服務(wù)交互方式進(jìn)一步升級，為用戶(hù)提供增強現實(shí)、虛擬現實(shí)、超高清（3D）視頻等更加身臨其境的極致業(yè)務(wù)體驗。物聯(lián)網(wǎng)擴展了移動(dòng)通信的服務(wù)范圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物的互聯(lián)，使移動(dòng)通信技術(shù)滲透至更加廣闊的行業(yè)和領(lǐng)域。面向2020年及未來(lái)，移動(dòng)醫療、車(chē)聯(lián)網(wǎng)、智能家居、工業(yè)控制、環(huán)境監測等將會(huì )推動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)應用爆發(fā)式增長(cháng)，數以千億的設備將接入網(wǎng)絡(luò )，實(shí)現真正的“萬(wàn)物互聯(lián)”，為移動(dòng)通信帶來(lái)無(wú)限生機。在現有基于專(zhuān)用硬件的網(wǎng)絡(luò )系統架構和組網(wǎng)模式下，網(wǎng)絡(luò )體系架構僵硬、功能平面劃分不合理、網(wǎng)絡(luò )升級維護復雜，基于這一體系繼續演進(jìn)來(lái)應對未來(lái)業(yè)務(wù)需求挑戰是非常困難的。隨著(zhù)IT界網(wǎng)絡(luò )虛擬化技術(shù)思想的逐漸發(fā)展與成熟，電信網(wǎng)絡(luò )也在嘗試引入這兩種技術(shù)，醞釀對網(wǎng)元形態(tài)、組網(wǎng)方式和網(wǎng)絡(luò )架構的全面變革。而網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化（NFV）則是電信網(wǎng)引入虛擬化技術(shù)的整體方案。
2網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化（NFV）技術(shù)簡(jiǎn)介
2.1NFV基本概念
軟件功能虛擬化（NFV）改變網(wǎng)元功能形態(tài)，將原本封閉設備中的網(wǎng)絡(luò )功能釋放出來(lái)，統一承載在虛擬化平臺之上，意在打破電信設備“黑盒子”模式。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的任何一個(gè)位置都按需部署（卸載）虛擬化的網(wǎng)絡(luò )資源，即插即用，提高網(wǎng)絡(luò )靈活度和可擴展性，符合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )不同區域、不同時(shí)間、不同場(chǎng)景差異性需求。另一方面，采用工業(yè)標準化的服務(wù)器、存儲和交換設備替代專(zhuān)用硬件設備，大大降低了組網(wǎng)運維成本。因此，低成本和靈活性是NFV的兩大核心優(yōu)勢。
2.2NFV標準化進(jìn)展情況
2012年10月，由AT&T、德國電信、英國電信、中國移動(dòng)等13個(gè)國際主流運營(yíng)商牽頭，聯(lián)合多家網(wǎng)絡(luò )運營(yíng)商、電信設備供應商和IT設備供應商共同推動(dòng)在ETSI成立網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化工作組（ISG），旨在推動(dòng)NFV技術(shù)框架研究和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。NFV工作組在2013年聚焦于Highlevel文檔的設計，已發(fā)布第一批規范，包括NFVUseCases、Require-ments、ArchitecturalFramework和Terminology的V1版本，以及PoCCal（lProofofConcept）。NFV于2014年上半年發(fā)布了第二個(gè)版本的白皮書(shū)，主要總結NFVISG一年來(lái)各個(gè)工作組的進(jìn)展、對場(chǎng)景、需求、架構等內容進(jìn)行了更新，明確提出NFVISG對于標準化和開(kāi)源社區的態(tài)度。2014年下半年將發(fā)布UseCases、Requirements、ArchitecturalFramework和Terminology的V2版本，以及標準化Gap分析等新版標準文檔。概念驗證（POC）是NFV在2014年的另一項重點(diǎn)工作，通過(guò)CallforProposal和Evaluation等幾個(gè)環(huán)節向產(chǎn)業(yè)界征集NFV產(chǎn)品原型和驗證試驗延時(shí)，以推動(dòng)NFV產(chǎn)業(yè)發(fā)展。
2.3與網(wǎng)絡(luò )虛擬化相關(guān)技術(shù)的關(guān)系
�。�1）NFV與網(wǎng)絡(luò )虛擬化的關(guān)系
網(wǎng)絡(luò )虛擬化（NV）的概念很早就已經(jīng)出現。目前，通常認為網(wǎng)絡(luò )虛擬化是對物理網(wǎng)絡(luò )及其組件（如交換機、端口以及路由器）進(jìn)行抽象，并從中分離網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)流量的一種方式。采用網(wǎng)絡(luò )虛擬化可以將多個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )抽象為一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò )，或者將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò )分割為多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )虛擬化打破了網(wǎng)絡(luò )物理設備層和邏輯業(yè)務(wù)層之間的綁定關(guān)系，每個(gè)物理設備被虛擬化的網(wǎng)元所取代，管理員能夠對虛擬網(wǎng)元進(jìn)行配置以滿(mǎn)足其獨特的需求。由定義可見(jiàn)，網(wǎng)絡(luò )虛擬化主要是針對層二和層三的交換機、端口以及路由器等網(wǎng)絡(luò )組件。網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化則是從電信網(wǎng)業(yè)務(wù)功能形態(tài)的角度，將原本網(wǎng)元設備中的一體化功能分解成多個(gè)邏輯功能組件，實(shí)現在通用硬件平臺上網(wǎng)元功能的重構、部署和遷移�？梢哉J為網(wǎng)絡(luò )虛擬化技術(shù)的概念更加宏觀(guān)和基礎，網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化則面向電信網(wǎng)網(wǎng)元功能具體的需求。
�。�2）NFV與SDN的關(guān)系
從廣義上理解，軟件定義的網(wǎng)絡(luò )（SDN）是一種全新的組網(wǎng)設計思想，通過(guò)網(wǎng)絡(luò )控制與轉發(fā)分離的思想，構建開(kāi)放可編程的網(wǎng)絡(luò )體系結構。SDN與NFV共同被認為是未來(lái)網(wǎng)絡(luò )創(chuàng )新的重要推動(dòng)力量。根據NFV白皮書(shū)的解釋?zhuān)琋FV與SDN間的關(guān)系可以概括為高度互補，彼此獨立。NFV的實(shí)現不必依賴(lài)于SDN技術(shù)。但是兩種技術(shù)方案的結合可以獲得潛在的更大增益。例如，SDN所提出的控制與承載分離的理念有助于增強NFV系統性能，簡(jiǎn)化設計方案，提升與現有部署方案的兼容性和提高運維和網(wǎng)管效率等。同時(shí)，NFV與SDN技術(shù)在充分利用標準化硬件設備方面存在高度的一致。
3基于NFV的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )新型體系架構設計
3.1EPC現網(wǎng)架構特征與不足
支持LTE接入的EPC部分實(shí)現了信令面與用戶(hù)面的分離，信令面網(wǎng)元包括MME、PCRF、HSS等，實(shí)現終端設備的鑒權授權、移動(dòng)性管理、位置更新、簽約管理、策略控制和網(wǎng)關(guān)選擇等功能；用戶(hù)面網(wǎng)元主要包括S-GW和P-GW，實(shí)現用戶(hù)會(huì )話(huà)建立、承載管理、IP地址分配等功能。EPC核心網(wǎng)以P-GW為統一的用戶(hù)面錨點(diǎn)，支持多接入系統，提供統一的移動(dòng)性管理。WCDMA/GPRS接入、CDMA接入和WLAN接入一側不同的本地服務(wù)網(wǎng)關(guān)（SGSN、HSGW等）與P-GW建立會(huì )話(huà)，由P-GW分配唯一IP地址實(shí)現業(yè)務(wù)數據流的連續性。EPC核心網(wǎng)具備控制與承載分離，多接入系統統一管理、統一業(yè)務(wù)數據流錨點(diǎn)等功能特性，是未來(lái)移動(dòng)核心網(wǎng)系統演進(jìn)的基礎。隨著(zhù)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的日新月異，當前的EPC架構逐漸不能滿(mǎn)足業(yè)務(wù)和運營(yíng)需求，并存在以下幾方面的不足：
�。�1）架構層面劃分不夠合理
網(wǎng)絡(luò )架構用戶(hù)面和信令面分離的好處在于可以分別按照網(wǎng)絡(luò )功能特性，實(shí)現核心網(wǎng)系統信令面集中部署，用戶(hù)面邊緣分布的優(yōu)化，提升網(wǎng)絡(luò )性能。但目前的層面劃分中，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)仍承擔了復雜的控制功能，與MME等信令面節點(diǎn)交互頻繁。另外，UTRAN/GERAN、CDMA和WLAN系統接入EPC時(shí)，其信令面和用戶(hù)面是合一的，增加了與E-utran協(xié)同組網(wǎng)的難度。
�。�2）多接入系統間協(xié)同能力較弱
EPC架構中實(shí)現了多接入系統基于層三IP地址的統一管理和流移動(dòng)性。體現接入特性的二層則是相互獨立的。運營(yíng)商實(shí)際建網(wǎng)和運維中，每一種接入系統都是獨立組網(wǎng)，異構系統間的資源無(wú)法共享，增加了網(wǎng)絡(luò )OPEX和CAPEX。從用戶(hù)角度看，業(yè)務(wù)數據流只能在接入系統間切換，無(wú)法實(shí)現多接入針對不同業(yè)務(wù)流要求的協(xié)同服務(wù)，再加之異構接入系統協(xié)議存在差異，信息交互，切換流程復雜，不利于提升用戶(hù)體驗。
�。�3）網(wǎng)絡(luò )能力的可擴展性較差
現有EPC網(wǎng)絡(luò )由基于專(zhuān)用硬件的網(wǎng)元設備組成，硬件限定了網(wǎng)元功能的部署位置和性能指標。MME和P-GW設備部署在運營(yíng)商核心域，匯聚層次較高，不利于降低業(yè)務(wù)時(shí)延，容易導致信令處理和流量瓶頸；移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)量隨時(shí)間變化特征明顯，但網(wǎng)絡(luò )規劃時(shí)必須按最高業(yè)務(wù)預測設置節點(diǎn)能力，造成了閑時(shí)資源的極大浪費，固化的硬件節點(diǎn)無(wú)法隨業(yè)務(wù)量變化靈活擴容和縮減，基于硬件設備和物理連接的擴容方法又導致機房組織和拓撲復雜等一系列新的問(wèn)題。
3.2基于NFV的新型移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )架構設想
NFV的核心思想是網(wǎng)元功能的軟件化，理論上任何一種網(wǎng)絡(luò )架構都可以引入NFV技術(shù)實(shí)現網(wǎng)元功能的軟硬件分離。具體到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)元功能虛擬化，除了NFV本身所具備的優(yōu)點(diǎn)特性外，網(wǎng)元功能軟件化和重構給移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )架構演進(jìn)提供了廣闊的創(chuàng )新空間。（1）形成基于虛擬化平臺的通用轉發(fā)面如圖3所示，EPC架構中的P-GW網(wǎng)元除了業(yè)務(wù)數據流轉發(fā)功能外，還具有IP會(huì )話(huà)和承載控制功能。網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化實(shí)現后，P-GW形成獨立的轉發(fā)功能組件和IP會(huì )話(huà)和承載控制功能組件。IP會(huì )話(huà)和承載控制功能可抽取出來(lái)，與其他控制功能組件交互實(shí)現對用戶(hù)會(huì )話(huà)和承載的統一控制。僅保留轉發(fā)功能的P-GW不再是流量的匯聚點(diǎn)，而是普通轉發(fā)節點(diǎn)，實(shí)現接入、匯聚和核心域全局扁平化網(wǎng)絡(luò )。（2）屏蔽底層協(xié)議棧差異的統一控制面不同接入系統的業(yè)務(wù)流程（鑒權/授權、業(yè)務(wù)接入請求、切換等）和信元類(lèi)型（用戶(hù)標識、位置信息、無(wú)線(xiàn)和連接信息、QoS等）大體相近，下層協(xié)議棧的協(xié)議各自不同（GTP、PMIP等）。硬件網(wǎng)元功能與協(xié)議棧的綁定造成異構系統間信息交互復雜，協(xié)同工作困難。網(wǎng)絡(luò )功能虛擬化實(shí)現后，底層協(xié)議棧的差別可由虛擬化平臺統一處理，網(wǎng)元功能組件之間采用統一的消息格式和數據結構傳遞信息，完成業(yè)務(wù)流程。這樣既可以消除控制節點(diǎn)間協(xié)議適配造成的額外開(kāi)銷(xiāo)，也可以實(shí)現異構接入系統間全局資源共享和協(xié)同控制功能。全面提升控制面處理能力�；谏鲜鲈O計思路，基于NFV的新型移動(dòng)架構層面更加清晰，轉發(fā)面更加扁平，可更好地適應未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)需求。和承載控制功能，形成全網(wǎng)集中的控制平面�；谔摂M化平臺，軟件形態(tài)的功能組件可以部署到網(wǎng)絡(luò )的任意位置，通過(guò)標準化的消息接口和數據格式交換信息，完成業(yè)務(wù)流程。實(shí)現全網(wǎng)信息同步、接入協(xié)同和資源調度。全網(wǎng)架構采用云平臺實(shí)現�？煽焖賹�(shí)現網(wǎng)絡(luò )控制功能重構，轉發(fā)面行為定義，未來(lái)運營(yíng)商也可以按需組合，靈活編排，有利于新業(yè)務(wù)的快速開(kāi)發(fā)和部署。云管理平臺用于分配存儲、計算及網(wǎng)絡(luò )等資源，全局監控資源利用情況，根據所需動(dòng)態(tài)地分配網(wǎng)絡(luò )資源，提升網(wǎng)絡(luò )建設和運營(yíng)效率。
3.3基于NFV新型架構的關(guān)鍵技術(shù)
基于上述的新型網(wǎng)絡(luò )架構，可以引入多樣化的網(wǎng)絡(luò )關(guān)鍵技術(shù)。（1）網(wǎng)元功能重構核心網(wǎng)網(wǎng)關(guān)功能可以分解為會(huì )話(huà)管理、地址分配、資源管理等控制面功能，這部分網(wǎng)元功能從網(wǎng)關(guān)設備中抽取出來(lái)，與移動(dòng)性管理、PCC等構成全局控制面�？刂破魍ㄟ^(guò)控制功能的編排形成到業(yè)務(wù)邏輯，統一控制轉發(fā)面設備的行為。整個(gè)系統都可以部署在數據中心服務(wù)器，不必依賴(lài)龐雜的專(zhuān)用硬件和物理連接。（2）異構接入系統協(xié)同移動(dòng)CDN業(yè)務(wù)對優(yōu)化全網(wǎng)流量負載，優(yōu)化業(yè)務(wù)時(shí)延有極高的價(jià)值，但如何實(shí)現內容的高效分發(fā)、用戶(hù)移動(dòng)性以及與不同終端能力適配是需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。
4結束語(yǔ)
NFV相關(guān)研究目前處于架構和技術(shù)方案設計、初步概念驗證階段，要實(shí)際應用到現網(wǎng)，還有基礎設施平臺選擇、核心網(wǎng)云管理架構設計和轉發(fā)面性能加速等關(guān)鍵問(wèn)題需要解決。但NFV技術(shù)本身的價(jià)值以及對網(wǎng)絡(luò )體系架構的創(chuàng )新推動(dòng)作用，正在被越來(lái)越多的研究組織、運營(yíng)商和設備制造商所認可。NFV將成為未來(lái)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )架構演進(jìn)的必由之路。
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