“互联网+”时代SDN/NFV技术发展与实践

中兴通讯股份有限公司 深圳 518057

1 “互联网+”时代网络面临的挑战

2015年，李克强总理在政府工作报告中，首次提出了“互联网+”行动计划，标志着“互联网+”上升到了国家战略层面，引起社会各界的广泛关注。“互联网+”代表一种新的经济形态，重点是推动信息化与工业化的深度融合，特别是打造制造业的升级版，也包括深化消费互联网的应用。“互联网+”的核心是“互联网+”传统产业，深层目的是产业升级+经济转型。本文重点探讨“互联网+”时代互联网本身面临的挑战，采用SDN/NFV技术如何来应对这些挑战。

互联网从发明到现在，已经有45年的历史了。但前25年主要限于学术和专业应用，自1994年浏览器技术出现后其影响才扩展到全球。近年来，随着云计算、大数据、视频流量的快速增长，互联网面临着全新的挑战。

首先，互联网应用层出不穷，云服务无处不在。消费者和企业实现了在日常生活和工作中可以即时按需接入应用和获取信息。2015年，腾讯QQ用户8亿，微信用户5亿。滴滴打车等互联网交通模式已经深入人心，互联网金融也风生水起。物理与数字世界的连接、渗透和融合也更加紧密。VR/AR将让物理世界和数字世界无缝对接，AI让数字世界变得更有序、更智慧。所有的这些要求让互联网变得更快捷、更智能、更安全。

其次，互联网用户激增，丰富的应用和技术的进步对网络带宽提出了更高要求。2015年，移动互联网流量同步增长103%，月户均流量达到389MB。云计算、大数据、4G/5G等新技术的发展加大了对网络带宽的提升要求，预计5G时代峰值速率期望达到10Gb/s，比3G快700倍，比4G快100倍。视频向4K演进，用户点播码率相当于数十个标清用户，单用户的带宽要求达到30～40Mb/s。VR/AR从线下逐步发展为在线业务，单用户要求超过100Mb/s。超宽带时代已经来临。当前的网络僵化、封闭的缺陷被逐渐放大[1]。

最后，随着复杂多变的业务应用对用户习惯的培养，对网络的运营运维能力也提出严峻挑战。比如天猫双十一抢购、春晚直播等产生的流量具有事件性、突发性，给网络带来巨大压力。当前的网络已成为业务的管道，网络内容不可知、行为不可控、过程不可管。新的业务上线周期长，创新业务上线缓慢。这些都对网络运营提出更高要求[2]。

“互联网+”时代，对网络提出的新要求体现在以下几个方面。1)支持海量的互联网连接。随着物联网的发展，要求随时随地的海量连接保证，预计到2020年，全球将超过500亿端的移动连接。2)支持跨域和多样化的带宽、性能保证。各种互联网应用对带宽的要求不同，面对流量的突发，网络要能进行敏捷的调整、适应。3)低延时、高可靠性的要求。比如互联网金融证券高频交易要求网络时延低于1ms。能源、农业等领域对网络的健壮性、安全性也提出了更高要求。4)网络的可定制与业务快速开通。互联网企业面对的是一个高度竞争的行业。要求网络快速反应、功能可定制、业务快速开通。当前网络的刚性结构不能满足。

2 SDN/NFV发展趋势

2.1 SDN/NFV技术起源

软件定义网络(SDN)的思想最早来自于学术界，可以追溯到2006年。斯坦福大学Martin Casado领导了Ethane项目，该项目的主要思路是通过一个集中式的控制器让网络管理员可以方便地定义基于网络流的安全控制策略，并将这些安全策略应用到各种网络设备中，从而实现对整个网络通讯的安全控制。受此思路的启发，2008年，Martin Casado和他的导师Nick Mckeown在SIGCOMM会议上发表文章“OpenFlow：Enabling Innovation in Campus Networks”，首次提出将OpenFlow协议用于校园网络的试验创新。OpenFlow开始正式进入人们的视野，SDN呼之欲出。SDN在工业界的发展最早可以追溯到2011年初，在德国电信、微软等企业的推动下，共同成立了开放网络基金会(Open Networking Foundation，ONF)。ONF致力于推动SDN架构、技术的规范和发展工作，并在2012年4月发布了SDN白皮书。2012年是SDN发展过程中里程碑式的一年，谷歌宣布其主干网络已经全面运行在OpenFlow上，并且通过10G网络链接分布在全球各地的12个数据中心，使广域网线路的利用率从30%提升到接近100%；德国电信也在2016年宣布部署SDN。这些实践引起了业界的广泛关注。

NFV起步更晚一些。2012年，在多家运营商的主导下，通过ETSI发布关于NFV的技术白皮书。NFV的目标是采用业界通用的硬件加软件的方式实现各种网络功能，通用硬件包括各种基于X86架构的服务器和各种通用的以太网交换机等廉价设备。NFV意味着各种网络功能将以软件方式交付给运营商，而网络运营商只需要在云计算数据中心环境下安装、运行并维护该软件即可[3]。

SDN和NFV有很多相似之处，它们的核心之处都在于软件和硬件分离，同时，尽量采用标准的硬件和独立开发的软件，强调业务的开放与创新。但SDN更侧重于网络的调度，是一个整网的概念；而NFV强调的是网络功能的虚拟化，可以单点实施，通过协调层形成业务功能链。

2.2 SDN/NFV发展趋势

SDN/NFV是变革性的技术，它们的出现改变了传统网络产业的游戏规则。就像多年前IT产业从封闭走向开放一样。纵观SDN/NFV的发展，将呈现以下趋势[4]。

1)商用部署加快。2016年，SDN在云服务提供商和通信服务提供商数据中心的部署比例将从2015年的20%提高到60%，同时，SDN的企业采用率预计将从6%提升至23%。预计至2019年，应用于数据中心和企业局域网SDN领域的以太网交换机和控制器收入将达到122亿美元，其中交换机占82亿美元，SDN控制器占40亿美元。NFV软硬件市场规模预计到2019年将达到116亿美金，其中NFV软件占80%。

2)SDN和NFV的有机结合，构建云网协同的新型网络。特别是在控制面，SDN/NFV本身就有很多相似的技术。通过NFV的功能虚拟化计算，可以作为SDN调度网络的策略输入。基于SDN-O和NFV-O的E2E业务链技术，成为电信网络全面开放化、业务部署敏捷化的杀手锏。

3)塑造SDN/NFV全产业链。建立包含运营商、电信设备商、互联网公司、IT厂商、软件开发商、芯片和器件厂商在内的新型ICT产业链。

4)开源平台带来新的商业模式。SDN开放社区有OpenDaylight、O N O S；N F V的开放社区有OPNFV、OpenStack等。开源平台的崛起将重新定义设备厂商的角色，产生新的机遇和商业模式。

3 SDN/NFV实践

3.1 未来网络ElasticNet架构

云时代基于“云”来构建全新的基础网络，突破传统垂直分割、封闭网元的刚性结构，引入水平分层的网络架构，重塑弹性开放、云网协同的一体化网络。SDN/NFV为这个变革提供了技术支撑和动力。中兴通讯提出了以“云”为中心的未来网络ElasticNet2020，总体思想是“一个中心， 双轮驱动，三层重构”。“一个中心”是指网络将以“云”(vDC)为中心重新构建，云将成为新网络基础设施的核心。 “双轮驱动”是指SDN/NFV两种技术相互促进。“三层重构”是指云、SDN、NFV网络的改造，主要体现在三个层面，即网络重构、业务重构和运营重构。如图1所示。

1)网络重构结合云、SDN技术，改造传统电信网络的基础设施层，形成云网融合的新基础设施，增强了IaaS(包括电信云、公有云、私有云等)云能力。

2)业务重构侧重于NFV技术的体现。 网络重构后，网络形成NFV架构的NFVI层，业务重构主要在NFVI层上灵活快捷地部署各类业务应用，包括应用于云SaaS能力的运营商自营业务(vEPC，vIMS，vBNG， vCPE等)，也包括应用于云PaaS能力的面向第三方的PaaS功能组件库。

3)运营重构侧重于后端运营系统的改造。包括新型虚拟网络的可运营、可管理性，与传统网络无缝衔接，实现端到端闭环自动化。运营重构的目标是打造基于云服务的敏捷运营架构。

对应三层重构，中兴通讯研发了未来网络解决方案ElasticNet。ElasticNet借鉴SDN和NFV框架，引入云技术、大数据和开放等理念构建的分层集中控制、统一管理的软件可定义的ElasticNet弹性网络，它采用编排管理层MICTOSTM、业务功能层 Elastic Cloud ServiceTM和基础设施层Elastic Cloud Infrastructure的三层架构，引入边缘DC、区域DC和中心DC的多级DC部署方式，以SDN/NFV技术双轮驱动、MICT-OSTM统一管控的形式构成运营商的目标架构[5]。

3.2 互联网企业

谷歌B4网络提供了数据中心间的网络连接，具体负责数据容灾备份等数据中心间的内部流量。B4面临的问题在于，链路流量随时变化，高峰期流量可达平均流量的2～3倍；因此，为保证高峰期的带宽需求，必须购买2～3倍的带宽以及高端路由设备，这就导致数据中心间网络的成本大大提高。除此之外，增加网络可视性、稳定性、简化管理、编程来控制网络等都是本次网络改造的动机。谷歌采用SDN技术，使用OpenFlow协议管理数据中心出口路由器，支持基础路由协议、动态流量工程。在控制器上，根据流量工程得到的数据制定相应策略，下发流表到路由器上，实现路径的动态调整，充分提升网络带宽利用率，大幅降低建网成本。还可以在网络设备发生故障或应用需求发生变化时，动态分配带宽，迅速灵活地做出响应。

图1 ElasticNet架构

腾讯网络架构承载了丰富的互联网业务，包括微信、QQ、微博、游戏等，在全国和海外有数十个大中型IDC，超过20万台服务器，网络设备达上万台。从2013年开始，腾讯逐步提出数据中心间网络SDN解决方案。腾讯的SDN应用主要从三个方面进行。一是流量在广域网的调度，通过BG-PLS的方式，搜集网络信息并给业务分配最佳路径，同时，通过SNMP协议，将当前网络的全部流量信息搜集汇总给控制器，控制器根据这些流量信息再重新优化，简化网络协议和标签下发；二是是云网络的管理，以OpenFlow协议为基础，在防火墙前面放置一台OpenFlow交换机，通过流表控制去往防火墙的流量，以做到负载均衡；三是网络可视化与控制，以ODL控制器为基础，收集路由信息并送到控制器，控制器对用户路径数、时延等参数进行逻辑分析，并及时调整延时比较差的路径。

3.3 移动互联网

PTN在世界范围内得到了广泛部署应用。中国的设备商和运营商倡导、支撑了PTN产业的发展，并引领完成了PTN的标准化。面对未来业务的发展需求以及现网运维的压力，PTN网络有进一步演进的诉求，同时，SDN转发与控制分离、集中化的管理、控制架构在PTN网络展示出了极大的演进优越性，将SDN的先进理念与PTN电信级可靠性、业务高质量的优势融合，实现PTN向SPTN的平滑演进。

SPTN实现了集中化智能控制、网络可编程与PTN高效多业务传送能力、端到端OAM和电信级高可靠性的结合，提升了PTN网络的资源利用率和开放性，满足业务的承载需求，打破垂直组网、专网专用的架构，实现网络智能、动态重组的目的。同时，SPTN有利于跨域业务协同，功能快速集成，感知网络和业务状态，实现精细化网络调优。集中部署的控制采用分层架构，域控制器D-Controller负责一个管理域内的业务分发，跨域控制器H-Controller负责跨域业务分发(如图2所示)。

移动互联网另一个典型应用是核心网。传统核心网网元种类繁多，硬件资源难共享，网络扩容、升级代价高，因此，虚拟化核心网已成为网络演进的必然趋势。随着IT虚拟化技术的发展，标准组织、电信运营商、电信设备商均开展了核心网虚拟化的研发工作。

基于NFV和SDN技术，通过将核心网网元各类功能虚拟化，实现软硬件解耦，软件模块加载并运行于虚拟机之上，通过虚拟化技术屏蔽硬件平台差异。另外，通过虚拟机的划分细化硬件分配粒度，一块刀片可将硬件资源分配给多个虚拟机，多个网元功能可集成于一块刀片之上，可极大地提升资源利用率。核心网功能虚拟化之后，网元容量、网络类型可根据实际需求灵活部署、动态调整，提升了网络的弹性和敏捷性。为进一步提升虚拟网络媒体面性能，还可将媒体面转发功能剥离，通过SDN交换机实现媒体流的高效转发和转发功能的就近分布式部署。

图2 SPTN架构

3.4 云数据中心

随着云计算的兴起，云数据中心vDC成为未来电信网络的核心节点，其承载了各类NFV云化软件及IT系统，实现ICT融合，同时，也成为网络的一部分，实现“云”和“网络”资源的统一规划部署和调度。云数据中心是ElasticNet架构应用的最典型场景，SDN/NFV技术在其中充分融合，目前已经开始商用部署。如图3所示。

云数据中心关键特性之一是虚拟化。基础设施层采用通用的服务器或网络设备，通过虚拟化技术将计算、存储、网络进行虚拟化，形成VM。一个或多个VM可提供给租户使用，这就改变了传统的机架出租、服务器出租等模式，可以充分提升服务器的利用率、充分利旧、降低能耗和支持多租户。这里涉及的主要技术有X86/ARM芯片的虚拟化功能、虚拟抽象层KVM/VMWARE等中间件功能。通过上层的调度，还可以实现VM的迁移、跨数据中心VM集群等功能，增加业务部署和开展的灵活性。

云数据中心关键特性之二是业务灵活部署。云化后的数据中心在计算虚拟机上可以部署各项服务业务，也可以部署原网络设备上的上层功能模块，每个VM都成为一个组件，可以提供给不同的租户使用。并且通过NFV的服务链还可以将功能模块串接起来，使业务的灵活定制成为可能。存储虚拟化后，可以方便地给用户提供“云盘”等服务。

云数据中心关键特性之三是集中控制。采用SDN/NFV技术后，通过NFV的MANO和SDN控制器来实现资源和业务的统一调度。统一管理平台上有业务和网络的整体视图，可以通过制定策略来进行最优的控制。同时，管理平台提供北向接口，供第三方APP调用，可以实现用户定制业务。

图3 云数据中心组网架构

网络虚拟化是数据中心的核心之一，可灵活采用Overlay和端到端SDN控制两种组网方案。Overlay方案是当前应用的主流，虚拟化采用VxLAN技术。一般情况下，用虚拟机vSwitch作为VTEP点。在端到端SDN控制和对性能、时延要求比较苛刻的场景可以采用物理交换机作为VTEP点。SDN控制器支持混合组网方案，同时，采用分布式路由，跨子网的流量无需经过集中设备中转，可有效降低流量迂回和网络时延。

3.5 5G网络

移动互联网和物联网的需求是迈向5G的主要驱动力。新型移动互联网要求连续广域覆盖，以用户的移动性和业务连续性为目标，为用户提供连续高业务速率体验，单位面积吞吐量显著提升。物联网则要求支持各种终端设备接入，终端接入能力是4G的100倍，可支持达到100亿终端同时接入。另外，从用户感受出发，需要为用户提供随时在线的低时延、高可靠性业务，业务时延是4G的1/5，达到5ms。终端需要绿色低碳节能，续航能力是4G网络的10倍，终端可用5～10天，因此，5G不是一种单纯的网络技术或简单被定义为全新的无线接入技术。不同于以往以技术为中心的方式，而是采用了以体验为中心的方式，通过集成多种无线接入技术提供极限体验来满足用户的不同需求[6]。

ITU确定了5G的三个主要应用场景。一是移动宽带(MBB)，面向4K/8K超高清视频、全息技术、增强现实/虚拟现实等应用，主要特征是更高的数据容量；二是工业互联网，海量传感器部署于物流、智慧城市等众多领域，传感器设备非常密集，大部分是非移动的；三是高可靠低时延通信，特别是当5G应用于无人驾驶、远程机器人控制等实时应用领域，要求超低的端到端时延，通常不能超过几毫秒。上述应用对速度、容量、覆盖率、安全性等都有不同的要求，这就需要5G网络以灵活的方式构建，形成5G网络中的“三朵云”。运营商则可以对速率、容量和覆盖率等网络性能指标进行灵活动态的调整和合理部署，从而满足不同应用的个性化需求。如图4所示。

5G时代，运营商需要一个统一运营、统一部署和统一操作的网络架构，RAN控制域、承载网控制域、核心网控制域三域协同，实现从“云、管、端”的全业务控制与运营。通过SDN/NFV技术的部署，实现网络能力的开放，优化数据传输路径，控制业务数据靠近转发云和接入云边缘，有效降低网络传输时延；通过构建面向业务的网络能力开放接口，满足业务的差异化需求并提升业务的部署效率，提供全新的运营模式和盈利空间；进行“网络切片”化，通过网络编排与管理系统针对具体场景需求对网络进行功能剪裁及资源分片，按需构建不同的逻辑网络实例，并在其上进行各自的业务应用、业务控制，实现面向业务场景的按需适配的网络架构，从而满足5G多样化场景的差异化需求[7]。

3.6 运营商网络CO重构

如何改造现网中存在的大量通信机房和通信设备，如何能够既充分利用现有的机房资源，又逐步实现传统网络向SDN/NFV新网络的转型，成为摆在运营商面前的一道难题，CO(Central Off i ce)重构成为当前运营商研究的重点课题[8]。

从图5中可以看出，ElasticNet架构中SDN/NFV网络将以多级DC架构(中心DC、区域DC和边缘DC)为基础。与互联网公司相比，数量众多、接近用户的属地化边缘DC将成为电信运营商的核心优势和重要资产。边缘DC主要承担了本地网的各项业务，成为CO重构的重点[9]。

图4 5G网络切片

图5 边缘DC的CO重构

CO重构的目标是缩减现有的众多机房，通过形成边缘DC适应SDN/NFV的引入，降低运营商的CAPEX和OPEX，提升用户体验。CO重构需要考虑的因素很多，首先是要考虑机房的面积、电力、光纤资源是否足够。考虑到边缘DC需要服务20万宽带用户，40万无线用户，1万政企用户，机房面积至少在150m2以上。其次是需要新业务的引入步骤。业务控制强相关、偏重于计算能力的网元和功能将优先进行虚拟化改造进入DC，而对于高转发要求的网元改造时机尚不成熟，如AR/CR等高端路由器，另外涉及光传输、无线射频等偏物理层的网元也不适合虚拟化改造。综合考虑，未来边缘DC中包含的虚拟化网元主要有vBNG控制面、vCPE控制面、vOLT控制面、vCDN、vEPC用户面、vBBU控制面等几类[10]。

CO重构带来的好处是明显的：一是设备数量的大幅下降，BNG虚拟化后，预计数量下降80%；二是通过vCDN缓存下降到边缘DC，穿越城域网的流量大幅降低；三是网络实现SDN化，业务实现NFV化，在边缘DC做到了集中管理，降低了运维成本；四是用户规模、业务类型可做到灵活扩展。

4 结束语

在“互联网+”大时代，无论是互联网企业还是电信运营商，都需要在技术、管理等方面去适应、去改变。互联网作为一种基础设施，其技术进步是支撑“互联网+”战略的前提。SDN/NFV作为学术界和工业界广泛认可的新技术是未来网络的关键支撑技术。SDN/NFV还有很长的路要走，在产业链整合、观念转变、技术进步等方面还存在不少问题。通过产业链上下游的共同努力，SDN/NFV有望取得成功。

参考文献

[1]刘今超,阚悦欣.“互联网+”时代基础电信业的机遇和挑战[J].世界电信,2016(1)：24-27

[2]高颖.“互联网+”：电信运营商发展新动力[J].世界电信,2015(5)：27-32

[3]沈滢,李文宇,张俊霞,等.SDN/NFV专利态势与技术发展趋势[J].信息通信技术,2016(1)：17-21

[4]汪军,李明栋.SDN/NFV——机遇和挑战[J].电信网技术,2016(06)：30-33

[5]中兴通讯股份有限公司.弹性网络ElasticNet解决方案[EB/OL].[2016-08-02].http：//www.zte.com.cn/china/solutions/network/architecture_evolution/ElasticNet

[6]向际鹰.从4G到5G的演进[EB/OL].[2016-08-02].http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/434877

[7]中兴通讯股份有限公司.5G技术白皮书[R/OL].[2016-08-02].http：//www.zte.com.cn/china/solutions/access/5g/424379

[8]中兴通讯股份有限公司.CO重构释放网络价值[EB/OL].[2016-08-02].http：//www.c114.net/topic/4958/a959388.html

[9]黄孙亮.SDN重构承载网络——中兴通讯弹性云承载解决方案[EB/OL].(2015-12-11)[2016-08-02].http：//www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_technologies/2015/2015_12/magazine/201512/t20151211_446667.html

[10]张嗣宏.C O机房重构推进边缘D C建设[E B/O L].(2016-2-22)[2016-08-02].http：//www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_technologies/2016/2016_2/magazine/201602/t20160222_448512.html