“軟件定義”背景下電信核心網的“云化”演進

    毋庸置疑，云計算是繼互聯(lián)網之后的又一次大的信息技術浪潮。云計算正在或已經成為信息產業(yè)的主旋律。進入2014年，似乎云計算已經不再像前幾年那樣火熱，產業(yè)界對云計算的關注度已經被大數(shù)據(jù)、可穿戴等新的名詞所超越，但這并不意味著云計算本身影響力的削弱，而是因為“云”已經成為ICT技術和服務領域的“常態(tài)”。產業(yè)界對待云計算不再是抱著疑慮和試探的態(tài)度，而是越來越務實地接納它、擁抱它，不斷去挖掘云計算中蘊藏的巨大價值。

    2014年另外一個熱的發(fā)燙的概念是：“軟件定義一切”。軟件可以定義世界(SDW)，軟件似乎正在成為世界的核心和靈魂，成為信息消費的重要引擎和重要內容。對ICT領域而言，軟件定義一切涵蓋ICT基礎設施所有領域，包括軟件定義網絡、軟件定義數(shù)據(jù)中心、軟件定義存儲、軟件定義服務器等。

    對電信行業(yè)自身來說，在網絡技術更新、數(shù)據(jù)業(yè)務種類不斷豐富、智能終端迅速普及的推動下，網絡流量長期呈現(xiàn)高速增長的態(tài)勢，為應對這一挑戰(zhàn)，運營商不斷的擴容網絡，但由于數(shù)據(jù)類業(yè)務的經營者大多數(shù)情況下不是運營商而是內容提供商，導致網絡投資增長與營收增長形成越來越大的剪刀差。未來流量仍將維持高速增長已成為業(yè)界共識，要避免剪刀差日益擴大，須考慮如何降低網絡投資的增速，在這樣的背景下，電信業(yè)務平臺乃至電信網絡的架構都在發(fā)生著深刻的變化。這其中，以IT資源的集中化、池化和彈性部署為主要特征的“云化”成為電信網絡的顯著發(fā)展演進趨勢。特別是電信核心網的云化演進將引起電信技術體制的巨變。

1.電信網的構成的變化

    傳統(tǒng)意義上的電信網(telecommunication network)的定義為：構成多個用戶相互通信的多個電信系統(tǒng)互連的通信體系，是人類實現(xiàn)遠距離通信的重要基礎設施，利用電纜、無線、光纖或者其它電磁系統(tǒng)，傳送、發(fā)射和接收標識、文字、圖像、聲音或其它信號。隨著電信業(yè)務的不斷豐富和技術的不斷演進，電信網的內涵和外延都在發(fā)生著巨大的變化�，F(xiàn)行的電信網絡按照傳統(tǒng)的概念定義大概具備如下的層級結構和要素構成。

    以移動運營商網絡為例，電信網絡具備“1+4”的體系構成，即業(yè)務網（智能網、短信彩信網關、WAP）、核心網、承載網和傳送網以及服務于四大網絡的IT支撐系統(tǒng)。而隨著電信網絡“云化”的推進，電信網絡呈現(xiàn)“管道化”、“平臺化”和“開放化”，電信網絡架構進一步扁平和“瘦身”，云時代的電信網絡架構可進行如下方式表達：

    網絡控制與功能分離后的電信網絡，依托統(tǒng)一的虛擬化IT資源，大致可以定義為新的“4+1”架構：基礎網絡部分、智能管道部分、能力開放部分、支撐與安全部分以及云計算資源（含數(shù)據(jù)中心）�？梢哉f云計算已經成為當下電信網絡資源的基礎。

2.電信網的演進

    傳統(tǒng)電信網由終端設備、傳輸鏈路和交換設備三要素構成，運行時還應輔之以信令系統(tǒng)、通信協(xié)議以及相應的運行支撐系統(tǒng)。傳統(tǒng)電信網的特點是：按業(yè)務建網，網絡種類繁多，基礎網有基于TDM技術的電話網，基于分組交換技術的X.25網、F.R網與ATM網，業(yè)務網有E-mail網、EDI網、傳真存儲轉發(fā)網、可視圖文業(yè)務網、電報網、用戶電報網等近10個覆蓋全國的業(yè)務網。這些網中，除電話網是基于TDM技術外，其余全部是基于分組交換技術。這一階段的技術特點是，兩大技術（TDM與分組交換）并存，各自獨立發(fā)展。不論是電路交換或分組交換，全部采用面向連接的工作方式。

    隨著因特網的迅猛發(fā)展，用戶對新業(yè)務的需求不斷增加，軟交換網絡應運而生。軟交換網絡采用業(yè)務與控制分離、承載與接入分離的思想，把傳統(tǒng)交換機功能實體離散分布在網絡之中。軟交換網絡是基于分組交換的網絡，在原有電路交換機的基礎上，將業(yè)務功能（業(yè)務提供）、控制功能（呼叫和信令控制）和接入功能（中繼和用戶接入）相分離，形成軟交換網絡的應用服務器、控制設備、信令網關和各種接入媒體網關。

    IMS（IP多媒體子系統(tǒng)）是軟交換網絡的進一步研究和深化。IMS是一種全新的多媒體業(yè)務形式，它能夠滿足現(xiàn)在的終端客戶更新穎、更多樣化多媒體業(yè)務的需求。IMS可以看作是一種新的軟交換技術。IMS是下一代網絡的核心技術，也是解決移動與固網融合，引入語音、數(shù)據(jù)、視頻三重融合等差異化業(yè)務的重要方式。IMS不僅可以實現(xiàn)最初的VoIP業(yè)務，更重要的是IMS將更有效地對網絡資源、用戶資源及應用資源進行管理，提高網絡的智能，使用戶可以跨越各種網絡并使用多種終端，感受融合的通信體驗。IMS作為一個通信架構，開創(chuàng)了全新的電信商業(yè)模式，拓展了整個信息產業(yè)的發(fā)展空間。

    下一代網絡NGN（Next Generation Network），主要思想是在一個統(tǒng)一的網絡平臺上以統(tǒng)一管理的方式提供多媒體業(yè)務，整合現(xiàn)有的市內固定電話、移動電話的基礎上（統(tǒng)稱FMC），增加多媒體數(shù)據(jù)服務及其他增值型服務。其中話音的交換將采用軟交換技術，而平臺的主要實現(xiàn)方式為IP技術，逐步實現(xiàn)統(tǒng)一通信。其中voip將是下一代網絡中的一個重點。NGN是傳統(tǒng)電信技術發(fā)展和演進的一個重要里程碑。從網絡特征和網絡發(fā)展上看，它源于傳統(tǒng)智能網的業(yè)務和呼叫控制相分離的基本理念，并將承載網絡分組化、用戶接入多樣化等網絡技術思路在統(tǒng)一的網絡體系結構下實現(xiàn)。因此，準確地說NGN并不是一場技術革命，而是一種網絡體系的革命。它繼承了現(xiàn)有電信技術的優(yōu)勢，以軟交換為控制核心、以分組交換網絡為傳輸平臺、結合多種接入方式（包括固定網、移動網等）的網絡體系。NGN與現(xiàn)有技術相比具有明顯的優(yōu)勢。

    隨著軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）的概念提出并被業(yè)界廣為接受，傳統(tǒng)的封閉性電信網絡架構開始走向開放。SDN實際上并不是電信網自身演進路線的一個節(jié)點，也算不上一種新的網絡技術，它的出現(xiàn)有其歷史的必然性。

3.電信網的“軟件定義”與“云化”

    現(xiàn)有網絡中，對流量的控制和轉發(fā)都依賴于網絡設備實現(xiàn)，且設備中集成了與業(yè)務特性緊耦合的操作系統(tǒng)和專用硬件，這些操作系統(tǒng)和專用硬件都是各個廠家自己開發(fā)和設計的。SDN是一種新型的網絡架構，它的設計理念是將網絡的控制平面與數(shù)據(jù)轉發(fā)平面進行分離，從而通過集中的控制器中的軟件平臺去實現(xiàn)可編程化控制底層硬件，實現(xiàn)對網絡資源靈活的按需調配。在SDN網絡中，網絡設備只負責單純的數(shù)據(jù)轉發(fā)，可以采用通用的硬件。而原來負責控制的操作系統(tǒng)將提煉為獨立的網絡操作系統(tǒng)，負責對不同業(yè)務特性進行適配，而且網絡操作系統(tǒng)和業(yè)務特性以及硬件設備之間的通信都可以通過編程實現(xiàn)。

    SDN是電信網絡從封閉到開放的重要起點，更將電信網絡資源、計算資源的自動化部署能力進行了革命性的提升。SDN技術理念與云計算的理念非常類似，這也使得電信網絡開始進入“云計算化”時代。SDN同時是一個非常寬泛的概念，數(shù)據(jù)中心可以SDN，承載網絡可以SDN，甚至光傳輸網絡也可以SDN。

    電信網絡的“軟件定義”與“云化”主要體現(xiàn)在：

    一、基礎硬件平臺的主要變化是引入可編程特性，無論是轉發(fā)設備，還是計算及存儲平臺，新的硬件在保證性能的前提下，提供可編程的邏輯內核和易于調用的應用接口，以實現(xiàn)與業(yè)務無關的資源池化能力。

    二、在基礎硬件之上加載虛擬化和云計算平臺軟件，它如同運行在電信網絡之上的操作系統(tǒng)，對計算、存儲、網絡等網絡資源進行管理和調度，并為上層業(yè)務功能提供開放的運行環(huán)境。云平臺軟件必須具備高度的開放性，向下支持多種硬件共存的異構網絡環(huán)境，向上提供健康的生態(tài)系統(tǒng)。

    三、NFV（網絡功能虛擬化，并不是必須）架構將硬件、中間件與軟件實現(xiàn)解耦，因此各類上層業(yè)務和功能作為軟件模塊能夠進行靈活的集成與部署。這一目標架構對現(xiàn)網傳統(tǒng)電信業(yè)務、未來的ICT業(yè)務均能夠實現(xiàn)更高效的支撐，開放平臺的引入則對網絡OAM帶來了一場新的革命。

4.電信核心網的虛擬化（NFV）

    NFV，即網絡功能虛擬化，Network Function Virtualization。通過使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術，來承載很多功能的軟件處理。從而降低網絡昂貴的設備成本�？梢酝ㄟ^軟硬件解耦及功能抽象，使網絡設備功能不再依賴于專用硬件，資源可以充分靈活共享，實現(xiàn)新業(yè)務的快速開發(fā)和部署，并基于實際業(yè)務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。NFV的最終目標是，通過基于行業(yè)標準的x86服務器、存儲和交換設備，來取代通信網的那些私有專用的網元設備。

    NFV條件是：服務器的虛擬機（VM）能力足夠強，可以實現(xiàn)網絡設備的全部功能或部分功能； IT資源和CT資源的編排和調度、服務鏈的編排和調度等。 NFV技術的出現(xiàn)，導致網絡設備制造商向網絡設備服務提供商轉型，網絡設備制造商從向網絡運行商提供實體網絡設備，轉型成網絡設備制造商向網絡運營商提供網絡設備服務能力，這些服務能力將包含：網絡設備的升級，網絡設備軟件的升級，軟件的運行和維護，服務鏈的設計，提供，網絡中IT資源的規(guī)劃等。

    當前，服務器能力快速增長，進一步規(guī)范化，虛擬機技術已經成熟。VMware公司的虛擬機管理程序（hypervisor）開創(chuàng)了在一臺物理機上構建多個虛擬機的先河，Linux的虛擬容器（Virtual Container）也具備相同的能力。虛擬機技術成熟并可用是NFV的IT資源基礎。

    網絡功能虛擬化，分離“網絡功能單元”，構建網絡功能單元之間的關系、運作特性、約束和通信等問題是目前的難點。在ETSI中，以實例的形態(tài)列舉了若干網絡功能單元。如：控制信號處理功能組涉及認證/授權、策略、狀態(tài)管理、移動性、移動性相關的支持功能；用戶數(shù)據(jù)處理功能組涉及包轉發(fā)、復制、計數(shù)、處理、負載均衡和應用層轉向控制；數(shù)據(jù)與存儲功能組涉及數(shù)據(jù)存儲與管理等網絡功能單元；網絡實體整體的作為一個虛擬的網絡功能也是可以的，但效率低下可重構件層級過高。

    NFV可以采用SDN進行實現(xiàn)（如采用控制轉發(fā)分離的方法來搭建服務器網絡），但是NFV也可以采用普通數(shù)據(jù)中心技術來實現(xiàn)。

5.SDN/NFV商業(yè)化進程已經開始

    在全球范圍運營商已開始在網絡的各個層面引入新技術以實現(xiàn)網絡架構的升級。包括在RAN部分實施云化提升網絡利用率，在分組核心和IMS引入NFV，降低對私有硬件的依賴并減少投資，在DC和承載網引入SDN，提升網絡利用率和靈活性等。

    在2014年MWC期間，中國移動聯(lián)手阿爾卡特朗訊展示了NFV領域的研發(fā)進展。在多廠商環(huán)境下，采用阿爾卡特朗訊基于概念驗證的LTE RAN虛擬化BBU和虛擬分組核心演進vEPC解決方案，兩家公司成功展示了開放性移動云網絡在增強網絡敏捷性、效率性和規(guī)模方面的效用。除了在移動分組核心網推進虛擬化，阿朗還在IMS中積極引入NFV ，阿朗已經實現(xiàn)將PCRF、HSS等功能遷移至Cloudband平臺，通過采用全新的開放性云技術，可以使其在100%負荷的最大規(guī)模通信網絡中規(guī)模運行時仍保持高性能狀態(tài)。在承載網方面，阿朗已成功實現(xiàn)RR（Route Reflector）的虛擬化。通過將RR部署至云平臺，可充分利用其計算優(yōu)勢，并可隨需伸縮。

    華為公司推出的CloudEPC，將網絡劃分為設備層、虛擬層和應用層，以提供具備簡化的架構、快速創(chuàng)新并按需而變的網絡，并通過network Enabler實現(xiàn)便利和高效的網絡能力開放，這和NFV網絡虛擬化的訴求不謀而合。華為CloudEPC不但可以為運營商提供彈性、智能、可擴展和自動化的分組核心網，而且兼容現(xiàn)網SingleEPC設備，可實現(xiàn)從SingleEPC向CloudEPC平滑演進。

    應網絡和業(yè)務演進的需求，愛立信則推出了愛立信云系統(tǒng)。這個革新性的云解決方案將為運營商和業(yè)務提供商提供在網絡資產使用上的高彈性，快速應變抓住市場機會。分布式的云能力如計算存儲能力和網絡的結合將帶來用戶云業(yè)務的良好的使用體驗以及網絡資源的更高效利用。愛立信云系統(tǒng)包含云管理系統(tǒng)和基于openstack和KVM虛擬層的愛立信云執(zhí)行環(huán)境，硬件設施構建于愛立信現(xiàn)有的硬件平臺EBS和SSR，該解決方案提供現(xiàn)網系統(tǒng)的平滑遷移，允許虛擬化和非虛擬化的應用并存運行并保持電信級的性能。無論上層應用來自愛立信，運營商還是第三方開發(fā)商,都可以部署在愛立信云系統(tǒng)提供的運行環(huán)境之上。運營商可以方便的引入新的業(yè)務，整合現(xiàn)有的業(yè)務到這個虛擬平臺中。

    從亞太地區(qū)看，多個領先的運營商都計劃在2015年下半年開始NFV的試商用。中國領先運營商2014年已經邀請全球主要設備商進入實驗室進行NFV的主要功能及性能測試。歐洲及北美主流運營商在NFV的技術驗證方面也非常積極。北美領導運營商已經開始NFV設備供應商的評估選擇行動。NFV理念從2012年誕生至今，主流運營商及設備商對此都很積極，其發(fā)展速度之快超乎意料。預計NFV的大規(guī)模部署會從2016年～2017年前后開始�，F(xiàn)階段SDN技術仍在不斷地演進，運營商對于SDN的目標網絡架構還沒有達成共識。SDN的大規(guī)模部署估計將在2018年左右開始。

作者簡介：

    徐志發(fā)：工業(yè)和信息化部電信研究院規(guī)劃設計研究所 副所長  高級工程師，長期從事電信運營管理、云計算與數(shù)據(jù)中心、網絡與信息安全、應急通信等領域的研究與咨詢工作，對電信企業(yè)IT咨詢方法、云計算與數(shù)據(jù)中心規(guī)劃與評估方法有深入的研究，負責和參與了云計算和數(shù)據(jù)中心多項國家課題，擁有豐富的咨詢和項目管理經驗。