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5G 中的SDN/NFV 和云計算

2020-05-08

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來源:電信網技術

作者:

劉 旭 中國信息通信研究院通信標準研究所助理工程師

李俠宇 中國信息通信研究院通信標準研究所高級工程師

朱 浩 中國信息通信研究院通信標準研究所工程師

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1


引言


SDN/NFV 和云計算都是起源于IT 領域的技術。如今,云計算已經非常成熟,在IT 領域已經大規模商用,SDN 技術作為新興的轉發技術,也已經被谷歌等互聯網巨頭部署在多個數據中心。隨著虛擬化技術的發展,人們試圖將更多的專有設備虛擬化和軟件化,從而達到降低成本和靈活部署的目的,于是NFV 的概念誕生了。本文將結合廣義上3 種技術本身的特點和未來5G 的網絡能力要求,分析各技術在5G 架構中的技術定位和前景,同時結合實際的發展情況,總結未來運營商在技術研發和業務模式上的側重點。


(1) 廣義的SDN 及標準化進程


ONF 在 2012 年 4 月發布白皮書《Software- Defined Networking: The New Norm for Networks》,將 SDN 定義為:


SDN 是一種新興的、控制與轉發分離并直接可編程的網絡架構,其核心是將傳統網絡設備緊耦合的網絡架構解耦成應用、控制、轉發三層分離的架構,并通過標準化實現網絡的集中管控和網絡應用的可編程性。其定義的基本架構見圖1。


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圖1  SDN 基礎架構


由于ONF 是主導OpenFlow 標準化的組織,所以在南向接口上只標注了OpenFlow 一種協議,事實上, OpenFlow 協議僅是SDN 南向接口協議的一種選擇,雖然目前占據主流的態勢,但業內也有不同的協議出現,所以OpenFlow 不等于SDN。


SDN 除了南向的接口協議,在Control Layer 也就是SDN 控制器的標準化上也有一定分歧,設備商主導的 Opendaylight 雖為先行者,但由于思科等廠商的強勢,逐漸引起業界的不滿,于是運營商主導的ONOS 成立。雖然兩者都自稱開源控制器,但其實Opendaylight一直在排斥基于開放的協議方案,設備商們更想采用折中的方案,既以開放專用接口的方式保留傳統設備,又期望通過SDN 來實現網絡的轉型,使它們的網絡更加敏捷高效并足以滿足未來各種應用場景,同時降低成本并開展新的業務模式來擴大收入,所以目前 ONOS 的前景更被看好。


對于SDN 的應用部署情況,目前SDN 主要是部署在數據中心之間,針對移動無線網絡的部署方案及架構,都還在討論中。


(2) 廣義的NFV 及標準化進程


ETSI NFV-ISG 發布的白皮書對 NFV 給出了定義:“NFV 是一種通過硬件最小化來減少依賴硬件的更靈活和簡單的網絡發展模式”。其實質是將網絡功能從專用硬件設備中剝離出來,實現軟件和硬件解耦后的各自獨立,基于通用的計算、存儲、網絡設備并根據需要實現網絡功能及其動態靈活的部署。其定義的 NFV 高層架構如圖2 所示。

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圖2  NFV 高層結構


從圖中可以看出,由于NFV 是以云計算和虛擬化為基礎,所以ETSI 的NFV 高層架構一開始就把虛擬網元設備間的管理和編排功能加入到了架構中。


在標準化方面,除了ETSI 的高層設計,還有針對具體VNF 之間,彼此虛擬網元設備間的標準化組織,即OPNFV,2014 年底Linux 基金會資助建立了OPNFV開源組織,其致力于促進NFV 的發展,未來將和產業界緊密合作,建立一個綜合性的電信級別的開源NFV平臺,借助這個平臺,可以確保未來NFV 產品的一致性、功能性和互操作性。在目前階段,OPNFV 平臺將會把焦點放在建立NFV 基礎架構、虛擬基礎架構管理、網絡功能編排器以及基礎架構間的API 上。


(3) 廣義的云計算及標準化進程


美國國家標準與技術研究院(NIST)對云計算的定義:云計算是一種按使用量付費的模式,這種模式提供可用的、便捷的、按需的網絡訪問,進入可配置的計算資源共享池(資源包括網絡、服務器、存儲、應用軟件、服務),這些資源能夠被快速提供,只需投入很少的管理工作,或與服務供應商進行很少的交互。


對運營商來說,針對未來定制化的客戶服務,云計算的模式是必不可少的,同時云計算本身的分布式計算、虛擬化、負載均衡和熱備份冗余等特性也可以很好地滿足5G 架構對于低成本和靈活性部署的要求。


在以往,私有云平臺的種類很多,每家公司都有自己的技術方案,沒有必要進行標準化,但是對于5G 來說,開放性和兼容性是必備的屬性,所以運營商將來的云計算平臺必然是選擇某個開源云平臺,例如OpenStack。事實上目前絕大多數針對5G 的架構試驗和驗證都是基于OpenStack 平臺來搭建,其提供了很好的兼容性和開放性。所以,OpenStack 已經成為事實標準,但基于OpenStack 的內核,開發自己的定制版本,集成更多的功能將是未來部署的主流,就像Linux 的定制版,不同公司的OS 存在些許兼容性的差異,因此運營商版本的OpenStack 應該被二次標準化。

2


5G網絡要求


對比現有網絡,5G 不僅僅是速度更快、延遲更低, 5G 主要是針對未來典型的應用場景來進行設計,這些場景可以歸納為包含以下4 個特點:


連續廣域覆蓋:對用戶來說,要求體驗速率達到100Mbit/s。為5G 的覆蓋不再局限于目前小區的概念,而是多種接入模式的融合,通過智能的調度,為用戶提供更快的體驗速率。


熱點高容量:在用戶的集中區域,如大型演唱會、車站等人口密度大、流量密度高的區域,5G 要根據動態的資源調度,滿足體驗速率1~10Gbit/s 和流量密度10Tbit/km2 的網絡要求。


低時延、高可靠:在未來的自動駕駛和工業控制領域,對時延和可靠性的要求是非常嚴苛的,未來端到端ms 級的延遲和可靠性接近100%的網絡要求是5G必須滿足的。


低功耗、大連接:萬物互聯將是下一代信息技術革命的目標,未來在智慧城市、環境監測、森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景,具有小數據包、低功耗、海量連接等特點。這類終端分布范圍廣、數量眾多,不僅對連接數密度有很高的要求,而且還要保證終端的超低功耗和超低成本。


3


5G網絡構架


5G 網絡架構(見圖3)

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圖3  5G網絡構架


在5G 網絡架構中,將未來電信網劃分為3 朵云:●藍色的無線接入云:支持接入控制和承載分離、接入資源的協同管理,滿足未來多種的部署場景(例如

集中、分布、無線Mesh),實現基站的即插即用。


紅色的控制云:實現網絡控制功能集中,網元功能具備虛擬化、軟件化以及重構性,支持第三方的網絡能力開放。


綠色的轉發云:將控制功能剝離,轉發的功能靠近各個基站,將不同的業務能力與轉發能力融合。


其中,網絡的控制功能會根據物理區域進行劃分,具體分為本地、區域和全局集中3 種,一般來說控制功能會部署在數據中心,并通過北向接口來實現移動性管理、會話管理、資源控制和路由尋址等功能。

4


如何看待5G 中的SDN/NFV 和云計算


總的來看,在上述5G 網絡架構中SDN 技術是連接控制云和轉發云的關鍵;NFV 將轉發云中的轉發設備和多個控制云中的網元用通用設備來替代,從而節省成本;3 朵云中的資源調度、彈性擴展和自動化管理都是依賴基礎的云計算平臺,其中無線接入云更多是側重于多種接入資源的協調優化,并不太依賴SDN 帶來的轉發面的控制和承載分離。


但是,當把電信網的特點和廣義的SDN/NFV 和云計算結合起來看,起源于IT 領域的這些技術并不能直接嫁接過來,在應用之前,必須明確以下幾點:


(1)SDN 控制和轉發分離的理念并不新。SDN 控制和轉發分離的理念,在電信界并不是新概念,如今的電信網可以劃分為傳統電信網絡和IP 網絡兩個領域, SDN 的理念更類似傳統電信網的思路,傳統電信網絡規模巨大,可管控一直都是網絡建設維護的重要原則。20 世紀80 年代SS7 改造時就運用了集中控制面的建網方式,90 年代的V5 和遠端模塊技術的運用早已實現了集中控制和分散部署的理念。所以,在設計理念層面,關注點應放在SDN帶來的開放性上。

(2)對現有網絡來說,既不是演進也不是疊加。5G大量的運用云化和軟件化技術與以往2G、3G和4G的演進模式是不同的,5G也不能是獨立疊加于現有網絡的一張新網絡,5G中SDN/NFV和云計算真正的價值在于對網絡建設和業務經營方式的巨大革命。

(3)網絡建設一定是逐步進行的。雖然5G目標是萬物互聯,應用場景廣泛,而且5G也不是4G技術的演進,但運營商對基于SDN/NFV的新型網絡架構一定會先在迫切需要改善經營效率的地方(例如大型數據中心、智慧城市等)優先部署,5G真正全云化的發展歷程一定會比現有3G→4G的演進過程要漫長。

(4)云平臺和NFV組件的可靠性有待提高。在5G的網絡能力要求中,在特定領域對可靠性提出了很高的要求,傳統的電信網采用專用的電信設備,可靠性達99.999%,而虛擬化核心網絡設備基于通用的硬件服務器,可靠性低,所以必須依靠虛擬化集群式的部署,通過實時的監控備份來提高其可靠性,但在實際部署中,能否達到5G如此高的網絡能力要求,依舊存疑。

5


5G中SDN/NFV和云計算的關系


SDN/NFV和云計算在未來5G中的關系,可以類比為“點”、“線”、“面”的關系,NFV負責虛擬網元,形成“點”;SDN負責網絡連接,形成“線”;而所有這些網元和連接,都是部署在虛擬化的云平臺中,云計算形成“面”。


NFV主要負責網絡功能的軟件化和虛擬化,并保持功能不變,軟件化是基于云計算平臺的基礎設施,虛擬化的目的是充分利用IT設備資源的低成本和靈活性,但同時,并非所有的網絡功能都是需要被虛擬化的。對運營商來說,NFV提供了一種更經濟和靈活的建網方式,開放的產業鏈會有更多的供應商,軟硬件的解耦會讓更多軟件供應商參與其中,運營商的選擇面更大。但這并不是意味著傳統采購模式的開放化,雖然單個組件可以由不同的供應商交付,但是運營商需要維持整個系統的可用性和可維護性,因此交由一個集成方來負責整個售后工作將是必要的,只是部分組件是由第三方供應商提供。在具體部署方面,業界結合當前4G的發展,從IMS和EPC等業務出發,實現相關網絡功能虛擬化,然后根據具體的需求和部署經驗逐步推廣到更多的領域。


SDN技術追求的是網絡控制和承載的分離,將傳統分布式路由計算轉變成集中計算、流標下發的方式,在網絡抽象層面上,將基于分組的轉發粒度轉化為基于流的轉發粒度,同時根據策略進行業務流處理。對運營商來說,他們更關注的是完成基于SDN技術的接口開放后,可以像互聯網公司一樣快速響應客戶的需求。目前,電信運營商與互聯網公司的競爭越來越激烈,5G必須要增強運營商的競爭力才能促進整個產業的發展。在具體部署方面,電信界對于SDN的切入點普遍選擇在云數據中心,IDC的運營主體比較簡單,運用SDN可以解決云平臺網絡資源池的性能和擴展性問題,制定多數據中心跨地域組網方案,優化數據中心節點間流量調度,探索利用SDN/NFV技術提供面向云計算服務的網絡增值業務。


云計算是SDN/NFV的載體和基礎,SDN/NFV所必需的彈性擴展、靈活配置以及自動化的管理都依賴于基礎云平臺的能力。目前,業內對SDN/NFV的標準化關注度遠遠高于云平臺,很多技術驗證和試驗都是在各自的“云”中單獨進行,這在以后的兼容性上可能會出現隱患。對運營商來說,未來云計算平臺的可靠性是其主要關注點,電信運營商畢竟不同于互聯網公司,現有的OpenStack能否滿足5G網絡如此高可靠性的要求存在疑問。在具體部署方面,云計算作為SDN/NFV的載體,除了傳統的云數據中心外,EPS和IMS系統由于網元部署相對集中,也被優先部署云計算/NFV。

6


結束語


SDN/NFV和云計算對未來電信網發展來說是手段而不是目的,電信網選擇這些手段的目的無非就是降低成本和擴大收入。降低成本通過兩個方面:一是虛擬化技術不依賴專有硬件,降低采購成本;二是通過云計算的動態資源調度,更合理地使用設備,避免資源閑置和浪費。


擴大收入一是依靠開放更多的第三方接口,快速響應市場需求,推出更多增值服務;二是通過增強網絡性能,適應未來更多的應用場景。兩者相比,降低成本是更現實的目的,擴大收入則有更多的不確定性,第三方接口的存在必然會有開放性和安全性的博弈;而未來的應用場景則是基于預測,單純的技術驅動未必得到市場的認可。



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