基于SDN 和NFV 的新型移动网络架构研究

周 馨

（中移建设有限公司四川工程分公司，成都 611130）

当前，传统网络的演进发展正面临越来越多的挑战，不仅承受降低资本性支出与运营成本的压力，还负担快速增长的移动设备导致的高动态性移动数据负载，大数据、云计算、移动流量等大需求数据源的出现，提高全网的服务质量与体验质量的迫切需求，种种因素表明网络要保持可持续发展的必须条件就是要对其结构进行重新配置。

世界各大运营商和中国三大运营商相先后发布了网络转型战略，三大运营商均期望通过使用软件定义网络、网络功能虚拟化、云计算等新技术来对网络重构，目标是构建一个全新的对资源进行全局管理调整、能力全面打开、容量弹性灵活改变并且架构能方便、快速扩容的网络，这张网络适应性强、可扩展性高，能较快地转型，为国家“互联网+”的发展战略提供强有力的支撑。

软件定义网络SDN 和网络功能虚拟化NFV 这两种技术独立而又互补，能够对当前网络的升级和未来网络的技术创新起到促进作用，控制和转发路由分离，开放式网络接口，软件和硬件分离以及网络功能的虚拟化将促进整个行业的聚焦从硬件转移到软件，同时现在网络的架构将演变向集成化、软件化、灵活化、智能化、定制化、智能开放的新型移动网络。

1 移动网络现状

现在网络接入的环境是多种网络制式都存在的，向着不断密集的方向发展，正在受着来自各种变化需求的压力：

1.1 从网络需求的角度

因为云计算的发展，当前企业用户正由企业内网向公有、私有云服务迁移；近年产生的海量数据使数据中心的网络容量需求出现飞速增长；支持复杂应用的移动设备给网络产生巨量的流量对网络的负载能力产生很大压力。

1.2 从供给设备的角度

为与网络需求相匹配，网络传输技术、网络设备性能也相应提升，网络技术支持的带宽容量都有提高。

1.3 从业务类型的角度

话音、视频、数据等大量多媒体数据业务在网络中汇集，各类政府企业的内网流量也转移到公共网络中，各处数据库与服务器不断相互通信，同时随着用户的移动，各种网络之间的选择会导致大量的切换，网络的复杂性异常增高。

相对于越来越复杂的网络，现在的主要问题在于：即使采用了高容量的传输技术和性能更好的通信设备，传统网络架构在面对不断增加的复杂性、动态性及海量负荷时依然越来越不适用，另外由于各类型应用程序的增多，用户对网络服务质量、体验质量的追求也不断提升。

现有网络架构存在静态、结构复杂、配置工作量大、扩展性不足、对厂商产品周期形成依赖能局限性。基于以上分析，5G网络需要一种新的网络体系结构，它需要更加重视用户、更加灵活、更加开放和易于管理。

相比目前的4G 网络，5G 网络的系统容量在2020年预计将提升1000倍，频谱效率、传输速率将提升几十倍，时延将降低5到10倍；这代表5G 网络能够更高效地实现差异化的特殊场景下的业务需求。

2 SDN 和NFV 相关技术

5G 需要通过网络架构和基础设施平台的技术升级应对新业务场景对网络提出的挑战，需要能够重新定义控制功能、控制与转发相分离的移动网络结构，提升处理繁杂业务场景的整体能力。

SDN 网络体系结构使用广泛制定的软件接口；控制和转发分开，集中的管理；其核心是控制与数据的彻底分开，转发只保留在网络设备硬件的最底层，高层实行集中管控，而网络中应用和功能是可以进行编程的。借助开放和可编程的SDN 技术，运营商能够部署通用、一致的硬件设备与高级定制化的软件来代替造价高额的专用设备，不再依赖设备厂商。标准参数一致的硬件设备与虚拟后的网络功能让网络可开放和可编程，让运营商直接进行模块添加便可对网络进行创新应用，迅速上线不同类型的业务；这极大地减少了运营商的CAPEX 和OPEX，同时也带来实现网络体系结构革新与转型的机遇。集中管理可以为整个网络带来一致的界面，因而完成对网络流量和资源便捷地管理和调度，显著提高了网络资源利用率，缩减了业务的研发上线时间，给重要应用的革新和业务的发展带来了机会。SDN 将促使移动网络基础功能的完成变得更加高效且符合规范，让垂直整合网络变得可能，同时在很大程度上促进网络的简单化、灵活化。

NFV 的概念可不再使用特有通信设备，而使用符合行业新标准的商业化硬件设备，如x86服务器、交换机等。基于这些通用设施，使用虚拟化的方法来完成各种通信设备的功能，减小CAPEX、OPEX，达到资源的便捷分享、按需发布与服务的快速创新、无缝升级。

NFV 和SDN 是强有力的互补，既可融合又不相互依赖。SDN 给了网络结构、解耦控制和用户面新的定义，而NFV 再次定义通信基础设施架构，把网络服务从专有硬件设备的紧密联系关系中分离出来。两个技术能提供一种广泛统一的、基于软件的网络方法来对网络设备及网络资源进行抽象和控制。

3 技术应用情况

根据近年新技术的应用情况，前期建设上线的移动政企公众云已经对SDN、NFV 技术进行了实施部署，这张通过新技术进行规划建设的网络适合公众云环境下的资源统一监控和管理架构，策略的实现在鼠标点击间完成，满足云环境下自动化编排的具体要求，在整体网络架构、各个模块、分区网络架构及主要网络技术方面，采用标准化技术满足易扩充和易管理的需求，采用的新技术能支持未来公众云业务系统的需求，支持服务器虚拟化资源池的建设，包括网络接入、安全控制，具备基础网络架构上的可扩展性，灵活适应未来逐步增加的资源池和用户规模，实现了如下突破：

全新的VPC 网络业务体验：自定义子网、安全组、虚拟路由器、虚拟防火墙、浮动IP、虚拟负载均衡等全线网络产品。

混合云解决方案：支持MPLS VPN、专线接入VPC；专线及多种VPN 技术，打通公有云、私有云、传统数据中心，形成混合云网络解决方案。

支持超大规模租户：使用vxlan 技术，支持1600万个互相隔离的虚拟二层网络。使用SDN 支持10000个虚拟路由器。使用NFV 将高级网络服务资源池化，随时扩容。

该网络构建了资源全局调度、高效运营、业务灵活提供、弹性负载均衡、弹性公网IP、低运营成本的网络；底层网络设备可无需更换，将多地云资源池统一管理，提供多种云能力，满足超大规模用户需求，在业务与网络功能上进行了创新；使移动公有云具备了同阿里、亚马逊等公司同等水平的云网络能力，可大规模复制，对比其他商业集成方案节约投资上亿元，新型网络业务的出售也将带来巨大的经济价值。

4 技术应用面临的问题和展望

4.1 面临的问题

新的体系结构在通信网络中的实际应用仍存在许多困难，主要有：一是电信级网络的性能指标要求非常高，这决定了用户体验和服务质量。新型网络架构下将专有硬件替换成通用硬件，这些通用硬件的性能目前与电信级厂商设备的性能指标依然存在差距。二是传统的电信网络采用了各类自愈、保护及倒换机制，目前的新型网络的可靠性是否能达到仍需要反复验证与演进。三是新网络系统与设备的引进必将影响现有网络，实现新旧网络的对接、控制、协同，需要在实际应用部署中不断探寻和完善平稳过渡的方式。四是新型网络的开放性带来了新安全隐患，比如SDN的三层结构无法很好地与现有网络安全方法相匹配；NFV 的虚拟化管理层增加了攻击表面和安全防护的复杂性。

4.2 展望

我们可以预知到新型网络可能带来很多变革：

（1）运维模式变革：因为硬件与软件的分离，资源可全局动态配置，打破了以前对电信设备的维护模式，这迫使运维能力向软件方向升级，软件功能运维与设备资源运维互相协作。

（2）运营理念变革：因为新一代网络的能力开放，运营的理念从“运营设备的能力”转变为“运营网络、开发能力”。大量的业务开发商可进入产业链中，系统集成能力、业务开发能力将逐渐成为运营商的核心能力。

（3）运营商组织架构变革：目前的组织架构以建设、管理、维护设备为主，而新的网络下，开发运维一体化成为趋势。

（4）生活变革：新网络可以很好地支撑物联网的应用服务，在生活中将出现各行业与网络融合的场景，如无人驾驶、远程医疗、智能家居与农业、虚拟导航等。

5 结束语

基于SDN、NFV 的新型移动网络架构采用控制面与转发面分离，让功能控制更加集中化，而数据面仅进行数据的处理转发，这样显著降低了用户的接入时延，满足了未来网络高容量、高传输速率、低时延的需求。SDN 与NFV 这两个技术在新型网络架构中的运用，预示着IT 与CT 真正的融合已经到来，这不仅是对当前网络的改革，更是为了使网络今后更好的服务于人类的工作生活。