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5G 中的SDN/NFV 和云计算

来源: 编辑: 时间:2020-05-13

  SDN/NFV 和云计算都是起源于IT 领域的技术。如今,云计算已经非常成熟,在IT 领域已经大规模商用,SDN 技术作为新兴的转发技术,也已经被谷歌等互联网巨头部署在多个数据中心。随着虚拟化技术的发展,人们试图将更多的专有设备虚拟化和软件化,从而达到降低成本和灵活部署的目的,于是NFV 的概念诞生了。本文将结合广义上3 种技术本身的特点和未来5G 的网络能力要求,分析各技术在5G 架构中的技术定位和前景,同时结合实际的发展情况,总结未来运营商在技术研发和业务模式上的侧重点。

  (1) 广义的SDN 及标准化进程

  ONF 在 2012 年 4 月发布白皮书《Software- Defined Networking: The New Norm for Networks》,将 SDN 定义为:

  “SDN 是一种新兴的、控制与转发分离并直接可编程的网络架构,其核心是将传统网络设备紧耦合的网络架构解耦成应用、控制、转发三层分离的架构,并通过标准化实现网络的集中管控和网络应用的可编程性。”由于ONF 是主导OpenFlow 标准化的组织,所以在南向接口上只标注了OpenFlow 一种协议,事实上, OpenFlow 协议仅是SDN 南向接口协议的一种选择,虽然目前占据主流的态势,但业内也有不同的协议出现,所以OpenFlow 不等于SDN。

  SDN 除了南向的接口协议,在Control Layer 也就是SDN 控制器的标准化上也有一定分歧,设备商主导的 Opendaylight 虽为先行者,但由于思科等厂商的强势,逐渐引起业界的不满,于是运营商主导的ONOS 成立。虽然两者都自称开源控制器,但其实Opendaylight一直在排斥基于开放的协议方案,设备商们更想采用折中的方案,既以开放专用接口的方式保留传统设备,又期望通过SDN 来实现网络的转型,使它们的网络更加敏捷高效并足以满足未来各种应用场景,同时降低成本并开展新的业务模式来扩大收入,所以目前 ONOS 的前景更被看好。

  对于SDN 的应用部署情况,目前SDN 主要是部署在数据中心之间,针对移动无线网络的部署方案及架构,都还在讨论中。

  (2) 广义的NFV 及标准化进程

  ETSI NFV-ISG 发布的白皮书对 NFV 给出了定义:“NFV 是一种通过硬件最小化来减少依赖硬件的更灵活和简单的网络发展模式”。其实质是将网络功能从专用硬件设备中剥离出来,实现软件和硬件解耦后的各自独立,基于通用的计算、存储、网络设备并根据需要实现网络功能及其动态灵活的部署。

  由于NFV 是以云计算和虚拟化为基础,所以ETSI 的NFV 高层架构一开始就把虚拟网元设备间的管理和编排功能加入到了架构中。

  在标准化方面,除了ETSI 的高层设计,还有针对具体VNF 之间,彼此虚拟网元设备间的标准化组织,即OPNFV,2014 年底Linux 基金会资助建立了OPNFV开源组织,其致力于促进NFV 的发展,未来将和产业界紧密合作,建立一个综合性的电信级别的开源NFV平台,借助这个平台,可以确保未来NFV 产品的一致性、功能性和互操作性。在目前阶段,OPNFV 平台将会把焦点放在建立NFV 基础架构、虚拟基础架构管理、网络功能编排器以及基础架构间的API 上。

  (3) 广义的云计算及标准化进程

  美国国家标准与技术研究院(NIST)对云计算的定义:云计算是一种按使用量付费的模式,这种模式提供可用的、便捷的、按需的网络访问,进入可配置的计算资源共享池(资源包括网络、服务器、存储、应用软件、服务),这些资源能够被快速提供,只需投入很少的管理工作,或与服务供应商进行很少的交互。

  对运营商来说,针对未来定制化的客户服务,云计算的模式是必不可少的,同时云计算本身的分布式计算、虚拟化、负载均衡和热备份冗余等特性也可以很好地满足5G 架构对于低成本和灵活性部署的要求。

  在以往,私有云平台的种类很多,每家公司都有自己的技术方案,没有必要进行标准化,但是对于5G 来说,开放性和兼容性是必备的属性,所以运营商将来的云计算平台必然是选择某个开源云平台,例如OpenStack。事实上目前绝大多数针对5G 的架构试验和验证都是基于OpenStack 平台来搭建,其提供了很好的兼容性和开放性。所以,OpenStack 已经成为事实标准,但基于OpenStack 的内核,开发自己的定制版本,集成更多的功能将是未来部署的主流,就像Linux 的定制版,不同公司的OS 存在些许兼容性的差异,因此运营商版本的OpenStack 应该被二次标准化。

  5G网络要求

  对比现有网络,5G 不仅仅是速度更快、延迟更低, 5G 主要是针对未来典型的应用场景来进行设计,这些场景可以归纳为包含以下4 个特点:

  ●连续广域覆盖:对用户来说,要求体验速率达到100Mbit/s。为5G 的覆盖不再局限于目前小区的概念,而是多种接入模式的融合,通过智能的调度,为用户提供更快的体验速率。

  ●热点高容量:在用户的集中区域,如大型演唱会、车站等人口密度大、流量密度高的区域,5G 要根据动态的资源调度,满足体验速率1~10Gbit/s 和流量密度10Tbit/km2 的网络要求。

  ●低时延、高可靠:在未来的自动驾驶和工业控制领域,对时延和可靠性的要求是非常严苛的,未来端到端ms 级的延迟和可靠性接近100%的网络要求是5G必须满足的。

  ●低功耗、大连接:万物互联将是下一代信息技术革命的目标,未来在智慧城市、环境监测、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。这类终端分布范围广、数量众多,不仅对连接数密度有很高的要求,而且还要保证终端的超低功耗和超低成本。

  5G网络构架

  在5G 网络架构中,将未来电信网划分为3 朵云:●蓝色的无线接入云:支持接入控制和承载分离、接入资源的协同管理,满足未来多种的部署场景(例如

  集中、分布、无线Mesh),实现基站的即插即用。

  ●红色的控制云:实现网络控制功能集中,网元功能具备虚拟化、软件化以及重构性,支持第三方的网络能力开放。

  ●绿色的转发云:将控制功能剥离,转发的功能靠近各个基站,将不同的业务能力与转发能力融合。

  其中,网络的控制功能会根据物理区域进行划分,具体分为本地、区域和全局集中3 种,一般来说控制功能会部署在数据中心,并通过北向接口来实现移动性管理、会话管理、资源控制和路由寻址等功能。

  如何看待5G 中的SDN/NFV 和云计算

  总的来看,在上述5G 网络架构中SDN 技术是连接控制云和转发云的关键;NFV 将转发云中的转发设备和多个控制云中的网元用通用设备来替代,从而节省成本;3 朵云中的资源调度、弹性扩展和自动化管理都是依赖基础的云计算平台,其中无线接入云更多是侧重于多种接入资源的协调优化,并不太依赖SDN 带来的转发面的控制和承载分离。

  但是,当把电信网的特点和广义的SDN/NFV 和云计算结合起来看,起源于IT 领域的这些技术并不能直接嫁接过来,在应用之前,必须明确以下几点:

  (1)SDN 控制和转发分离的理念并不新。SDN 控制和转发分离的理念,在电信界并不是新概念,如今的电信网可以划分为传统电信网络和IP 网络两个领域, SDN 的理念更类似传统电信网的思路,传统电信网络规模巨大,可管控一直都是网络建设维护的重要原则。20 世纪80 年代SS7 改造时就运用了集中控制面的建网方式,90 年代的V5 和远端模块技术的运用早已实现了集中控制和分散部署的理念。所以,在设计理念层面,关注点应放在SDN带来的开放性上。

  (2)对现有网络来说,既不是演进也不是叠加。5G大量的运用云化和软件化技术与以往2G、3G和4G的演进模式是不同的,5G也不能是独立叠加于现有网络的一张新网络,5G中SDN/NFV和云计算真正的价值在于对网络建设和业务经营方式的巨大革命。

  (3)网络建设一定是逐步进行的。虽然5G目标是万物互联,应用场景广泛,而且5G也不是4G技术的演进,但运营商对基于SDN/NFV的新型网络架构一定会先在迫切需要改善经营效率的地方(例如大型数据中心、智慧城市等)优先部署,5G真正全云化的发展历程一定会比现有3G→4G的演进过程要漫长。

  (4)云平台和NFV组件的可靠性有待提高。在5G的网络能力要求中,在特定领域对可靠性提出了很高的要求,传统的电信网采用专用的电信设备,可靠性达99.999%,而虚拟化核心网络设备基于通用的硬件服务器,可靠性低,所以必须依靠虚拟化集群式的部署,通过实时的监控备份来提高其可靠性,但在实际部署中,能否达到5G如此高的网络能力要求,依旧存疑。

  5G中SDN/NFV和云计算的关系

  SDN/NFV和云计算在未来5G中的关系,可以类比为“点”、“线”、“面”的关系,NFV负责虚拟网元,形成“点”;SDN负责网络连接,形成“线”;而所有这些网元和连接,都是部署在虚拟化的云平台中,云计算形成“面”。

  NFV主要负责网络功能的软件化和虚拟化,并保持功能不变,软件化是基于云计算平台的基础设施,虚拟化的目的是充分利用IT设备资源的低成本和灵活性,但同时,并非所有的网络功能都是需要被虚拟化的。对运营商来说,NFV提供了一种更经济和灵活的建网方式,开放的产业链会有更多的供应商,软硬件的解耦会让更多软件供应商参与其中,运营商的选择面更大。但这并不是意味着传统采购模式的开放化,虽然单个组件可以由不同的供应商交付,但是运营商需要维持整个系统的可用性和可维护性,因此交由一个集成方来负责整个售后工作将是必要的,只是部分组件是由第三方供应商提供。在具体部署方面,业界结合当前4G的发展,从IMS和EPC等业务出发,实现相关网络功能虚拟化,然后根据具体的需求和部署经验逐步推广到更多的领域。

  SDN技术追求的是网络控制和承载的分离,将传统分布式路由计算转变成集中计算、流标下发的方式,在网络抽象层面上,将基于分组的转发粒度转化为基于流的转发粒度,同时根据策略进行业务流处理。对运营商来说,他们更关注的是完成基于SDN技术的接口开放后,可以像互联网公司一样快速响应客户的需求。目前,电信运营商与互联网公司的竞争越来越激烈,5G必须要增强运营商的竞争力才能促进整个产业的发展。在具体部署方面,电信界对于SDN的切入点普遍选择在云数据中心,IDC的运营主体比较简单,运用SDN可以解决云平台网络资源池的性能和扩展性问题,制定多数据中心跨地域组网方案,优化数据中心节点间流量调度,探索利用SDN/NFV技术提供面向云计算服务的网络增值业务。

  云计算是SDN/NFV的载体和基础,SDN/NFV所必需的弹性扩展、灵活配置以及自动化的管理都依赖于基础云平台的能力。目前,业内对SDN/NFV的标准化关注度远远高于云平台,很多技术验证和试验都是在各自的“云”中单独进行,这在以后的兼容性上可能会出现隐患。对运营商来说,未来云计算平台的可靠性是其主要关注点,电信运营商毕竟不同于互联网公司,现有的OpenStack能否满足5G网络如此高可靠性的要求存在疑问。在具体部署方面,云计算作为SDN/NFV的载体,除了传统的云数据中心外,EPS和IMS系统由于网元部署相对集中,也被优先部署云计算/NFV。

  结束语

  SDN/NFV和云计算对未来电信网发展来说是手段而不是目的,电信网选择这些手段的目的无非就是降低成本和扩大收入。降低成本通过两个方面:一是虚拟化技术不依赖专有硬件,降低采购成本;二是通过云计算的动态资源调度,更合理地使用设备,避免资源闲置和浪费。

  扩大收入一是依靠开放更多的第三方接口,快速响应市场需求,推出更多增值服务;二是通过增强网络性能,适应未来更多的应用场景。两者相比,降低成本是更现实的目的,扩大收入则有更多的不确定性,第三方接口的存在必然会有开放性和安全性的博弈;而未来的应用场景则是基于预测,单纯的技术驱动未必得到市场的认可。

  责任编辑:张华

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