NFV三层解耦下的新型网络基础设施

NFV三层解耦下的新型网络基础设施

■ 鞠卫国 张云帆 王跃庆 ︱ 文

NFV网元成为新型网络基础设施

随着5G、人工智能、物联网、“互联网+”以及AR/VR等新技术和新业务的出现与快速加速发展，信息通信业面临新的机遇和挑战，网络转型升级和架构重构成为全球主流运营商的共同追求。NFV采用虚拟化技术，将传统电信专用设备的软件与硬件解耦，基于通用计算、存储、网络设备实现电信网络功能，提升管理和维护效率，增强系统灵活性，激发网络基础设施的潜力。作为网元级解决方案，NFV目标于将原来软硬一体、分散管理的网元实现“软化”“云化”。NFV技术的出现，进一步推动了通信架构从以CO为核心的组网到以DC为核心组网的转变，最终实现网元设备形态与网络架构上的跨越发展。

以DC为网络架构的核心、以NFV网元为基础功能实体已经成为国内外电信运营商共识。例如，中国电信提出网络DC（TeleDC）的概念，将现有的CO的机房用NFV化的网元和管理平台来填充，重塑DC化的新型机房。各级网络DC将主要部署NFVI云资源（计算、存储和网络通用云基础设施），为VNF提供部署、管理和执行环境，并按需部署专用硬件设备。中国移动提出了TIC（Telecom Integrated Cloud，电信集成云）的概念，通过电信云承载NFV，利用NFV打造三层全解耦、全局资源共享的两级电信云使能网络。中国联通目标于构建“核心DC、省级/区域DC和本地DC”三级DC架构，推进端局DC化改造及通信云资源池演进，最终实现NFV化电信网元三层解耦。

图1 新型网络架构示意图

三层解耦是NFV目标架构

NFV架构由硬件层、虚拟化层和虚拟网元层三层以及一个管理编排域（MANO）组成。硬件层主要是指为虚拟网络功能模块的部署、管理和执行提供的硬件资源池，如通用的X86服务器、存储设备、交换机等。虚拟化层的功能是将物理计算/存储/交换资源通过虚拟化转换为虚拟的计算/存储/交换资源池。硬件层和虚拟化层统称为NFVI（网络功能虚拟化基础设施）。虚拟网元层将传统网络功能封装为VNF应用软件，例如vIMS、vBras、vEPC等。管理域（MANO）包括资源、VNF、业务的编排与管理模块（VIM+VNFM+NFVO）。

基于NFV分层解耦的特性和软硬件解耦的开放性不同，可将NFV集成策略分为单厂家模式、硬件解耦模式、虚拟层解耦模式、三层解耦模式与全解耦模式，如图2所示。

图2（a） 单厂家模式

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图2 （b）虚拟层解耦模式

图2 （c） 硬件解耦模式

图2 （d） 三层解耦模式

图2 （e）全解耦模式

单厂家模式：NFV所有模块均由同一厂商（A厂商）提供整体解决方案。优点就是可以实现快速部署，整体系统的性能、稳定性与可靠性都比较理想，不需要进行异构厂商的互通测试与集成。缺点是与传统网络设备一样，存在软硬件一体化和封闭性问题，会再次形成烟囱式部署，不利于灵活的迭代式部署升级。

硬件解耦模式：虚拟化层和虚拟网元层由厂商A提供，硬件基础设施由硬件厂商B提供。该模式主要实现通用硬件与虚拟化层软件解耦，实现多供应商设备混用。优点是上线周期较短，问题定位定界简单。但是虚拟化层不支持异厂家VNF

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虚拟层解耦模式：虚拟网元层由厂商A提供，虚拟化层和硬件基础设施由B厂商提供。该模式倾向于IT化思路，选择最好的硬件平台和虚拟机产品，要求上层应用向底层平台靠拢。优点是基础设施资源可以整体交付，充分共享；支持业务

快速发放、自动扩缩容。

三层解耦模式：虚拟网元由业务厂商A，虚拟化层由厂商B提供，硬件基础设施厂商C提供。三层解耦可以实现通用化、标准化、模块化、分布式部署，架构灵活，也有利于形成竞争，降低成本。缺点是涉及多厂家垂直互通，系统集成维

护难度大，部署周期较长；需要规范和标准化，需要大量的多厂商互通测试，运营复杂度高，要求运营商有很强的集成开发能力和运营能力。

全解耦模式：在三层解耦的基础上，统一实现网络功能的协同、面向业务的编排与资源管理，硬件资源充分共享，业务设计灵活，业务部署自主性高。全解耦架构实现多个模块间解耦，对于

接口的开放性和标准化、集成商的工作、运营商的规划管理和运维均提出了新的、更高的要求，显著增加实际交付的集成工作难度和工作量，在实际工程建设中必须考虑集成交付问题。

需要说明的是以上各方案中都涉及MANO的解耦，涉及运营商自主开发或者第三方的NFVO与不同厂商的VNFM、VIM之间的对接

和打通，屏蔽了供应商间的差异，统一实现网络功能的协同、面向业务的编排与虚拟资源的管理。其中，VNFM与VNF通常为同一厂商（即“专用VNFM”），这种情况下VNF与VNFM之间的接口不需标准化；特殊场景下采用跨厂商的“VNFM”（即“通用VNFM”）。

在上述方案中，硬件解耦模式与虚拟层解耦模式是当前阶段比较务实的两层解耦。此时云操作系统处于中间层，起到承上启下的关键作用，正好为平台与应用软件之间的解耦提供了天然的解决方案。因为云操作系统为应用软件提供的是虚拟机，这个虚拟机运行在硬件和底层软件上，对于应用是透明的。

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从满足NFV引入的目标要求来看，三层解耦模式与全解耦模式更符合网络云化的演进需求，也是主流运营商的选择方式，有利于在统一的网络基础设施上灵活快速的部署新的网络业务，VNF、虚拟化层和硬件层具备演进能力，是网络重构的核心目标之一。

NFV三层解耦关键问题

整体而言，NFV虚拟化层与硬件解耦的成熟度相对较高，虚拟化层与上层VNF的解耦成熟度低。目前主要通过测试认证的方式来确保虚拟化层和上层应用解耦，没有一套完善的方法体系来明确相关的要求，存在配对测试样本少、测试用例无法覆盖生产环境中各种潜在的不兼容性等诸多问题。在集成对接问题中，云资源池与NFV网元的对接问题占了一半以上，成为后续NFV三层解耦推进过程中的突出问题。

接口规范不成熟，解耦配对测试量巨大。VNF与虚拟化层之间的适配无标准可依，开源社区只提供了参考实现，各厂家在社区版上的增强差异大，集成经验可复制性差，需要长期的积累和迭代才能逼近标准的三层解耦，对接问题层出不穷。以业界进行的vIMS三层解耦全配对测试为例（见图3），一个VNF就有4×5×3=60组配对。

图3 vIMS三层解耦全配对测试示意图虚拟网元与虚拟化层解耦是关键。三层解耦要求任何厂家、类型的VNF，不应与专用硬件或任何特定品牌、型号的通用硬件存在绑定关系。例如，不应因为某VNF使用SR-IOV网络加速

机制，而要求服务器必须使用某厂商或品牌的网卡。VNF设计时应实现业务处理层、链路层和数据层的彼此分离，以支撑业务模块的无状态化、迅速迁移以动态扩缩容等方面的需求。

云资源池对于NFV的承载问题。ETSI定义的NFVI+VIM能力基本可由现网云资源池提供，但还有一些差距。NFVI基本以 OpenStack 为事实标准，基于Openstack的VIM云管功能已比较成熟，但针对运营商场景，VIM 遇到了平台稳定性、可靠性、性能、虚拟网络转发能力等方面的挑战。因此，主流CT和IT厂商，在开源社区版Openstack 基础上进行了运营级调优，开发了

针对运营商的VIM产品。但 OpenStack 的不同软件版本都需要进行验证测试，工作量很大。另外，各类应用场景对 NFVI 的需求差异较大，面向于高速转发的加速能力，需要从软件（HyperVisior、操作系统、AVS/AVP等）和硬件等多层面进行性能优化，支持SR-IOV、PCI-Passthrough及

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DPDK等各种加速能力。

图4 云资源池架构与NFV架构对比

业界解耦测试最新进展

中国电信积极进行vIMS与vBRAS全解耦技术验证测试及外场试点，于2017年年中完成vBRAS三层解耦测试，对（新华三、中兴、诺基亚贝尔、赛特斯等）多家主流厂商的vBRAS在4个不同厂商（新华三、中兴、VMware、华为）的虚拟化平台上进行了交叉测试，达到了预期的解耦目的。中国移动以IMS虚拟化为切入点开展NFV现网商用工作，并行推进技术研究、实验室测试和外场试点三项工作。当前已经进展到第三阶段，试点以构建NFV商用能力为目标，全面验证虚拟化NB-IoT核心网、IMS、短信中心的端到端业务提供能力和软硬解耦模式下的NFV全系统能力。中国移动完成了包括3个基础设施层厂商、3个编排器厂商、4个虚拟网元厂商、1个SDN控制器厂商在内的三层解耦集成配对。中国联通以NB-IoT、vIMS、vBRAS为切入点，推进试点部署，采用软硬件解耦方案，正在评估三层/全解耦模式。AT&T主导开源社区ONAP，推动以自身为生态圈核心的全解耦模式，基于开源OpenStack研发AIC（ATT Integrated Cloud）。截至2017年年底，AT&T宣称其网络虚拟化程度已经达到55%，计划于2018年年底演进为基于容器的NC1.0（Network Cloud）。

OPNFV聚焦于NFVI+VIM领域，通过系统集成、部署和测试，构建NFV开放参考平台。主要工作包括：（1）NFV组件的集成，以及集成环

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中国电信业CHINA TELECOMMUNICATIONS TRADE境的自动化构建和部署；（2）面向关键NFV场景的持续集成和自动化测试，以确保该开放平台符合NFV行业需求。（3）NFV开放平台新需求和新特性持续更新，与主流社区紧密合作以推进代码更新和能力优化。2018年5月发布第6个版本Fraser，在测试能力、新的运营商级特性、跨网络项目和生态的协同等方面更进一步。ETSI于2018年1月在法国总部组织了第二次NFV互操作测试，包括10家MANO、7家VIM、15家VNF，发布了统一的API规范，该规范致力于实现多厂商NFV产品的互操作性，并使运营商能够加快技术的推广。

分层解耦是运营商网络重构的核心议题，得益于x86硬件架构的开放性，二层软硬件解耦已经可部署，但是鉴于电信庞大的网络层级架构，三层解耦仍然存在诸多障碍。NFV的远期目标是实现硬件、虚拟层、上层应用与管理模块的完全解耦，实现资源共享的使能网络。当前主要面临标准进度慢、集成难度大、运维复杂三大挑战。本文以NFV网元成为未来网络基础设施这一主题为切入点，描述了NFV解耦的关键问题与业界进展，希望能对业界相关研究有所帮助。

作者单位：中通服咨询设计研究院