网络虚拟化：离电信运营商有多远？

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实际上，和指数增长的数据流量形成鲜明对比的是，运营商的收入和利润增长率只有个位数，甚至出现负增长。究其原因，就是因为这些高速发展的移动宽带业务给移动网络带来了巨大的压力，为了应付日益增长的数据流量，运营商们不得不加大投资力度，对无线网络进行各种升级、改造或者新建，造成了巨额的投资及运维成本。

不难预见并理解，未来几年随着移动互联网的进一步发展，移动网络的压力将会越来越大，移动运营商正面临空前的挑战。

如何有效地降低运维成本、提高网络设备的利用率，甚至加快业务开发上线的时间从而有效应对移动互联网时代的挑战?这是当下各大运营商开始不得不正视并认真思考的问题。问题的解决，恐怕得先从对传统电信设备的认识，包括设备形态、开发调试方式、网络维护与升级等开始。

私有及专有VS开放及通用

电信网络里充斥着大量的私有专用设备。本质上来说，传统电信设备具有两大特点：私有及专用，即基于厂家的私有平台(proprIEtary platform)，通过专用器件如DSP、FPGA、ASIC等进行开发。

私有，意味着不同厂家之间的互操作性、兼容性都很差;专用，意味着可编程性、可移植性很差，二次开发慢。进一步来说，行业进入的门槛高，开发人员数量相对较少。这些从某种意义上看，都限制了行业的竞争与业务创新。此外，设备开发周期长、测试及验证手段复杂且耗时。随着移动互联网需求的飞速增加，对设备升级换代，对创新业务的及时引入要求相应提高，而这些恰恰是“笨重”的传统设备及繁琐的开发验证流程难以满足的。不仅如此，这些设备在电信网络里消耗着巨大的电能，同时利用率低且很难被替换。

在理解了电信设备这些特点之后，让我们再换个角度看看IT行业。

与电信网私有、专用的特点形成鲜明对比的是，IT行业素以开放、通用著称。接口开放，例如标准的PCIe总线、标准以太网接口，有利于不同厂家、不同设备间的互联互通，同时降低行业门槛，鼓励竞争与创新;基于通用的处理平台进行开发，可移植性好，而且开发容易，相应地，新业务的开发周期短，业务上线快，系统升级方便，网络运维灵活。

IT与电信融合：ETSI NFV ISG简介

如何解决移动网络面临的以上问题和挑战?越来越多的运营商认为答案在于“网络功能虚拟化(Network Functions Virtualisation，NFV)”。

通过引入在数据中心里广泛应用、成熟的虚拟化技术，NFV的主要设计思路是硬件平台采用通用服务器，服务器之上运行虚拟化软件并生成虚拟机，各种网元以软件的形式运行在虚拟机当中。采用这种架构，运营商将维护一个统一的虚拟化平台，而不同的网元将以虚拟机的形式运行在虚拟化平台之上，新增网元或者网元的升级则体现为新虚拟机的导入或虚拟机中软件版本的变更。同时，由于虚拟化技术屏蔽了底层物理平台的差异，跨网元、跨厂家的硬件资源共享问题将迎刃而解。并且，利用虚拟机动态迁移，动态生成等特性，结合对虚拟化平台的智能管理，根据业务量的变化实现网元的动态扩容，缩容，从而实现对硬件资源更高效的利用。

为了推动NFV理念的更快实现，加速产业界的成熟，2012年10月，ETSI组织下正式成立了网络功能虚拟化NFV工作组，致力于实现网络虚拟化的需求定义和系统架构制定。该工作组的思路正是借鉴IT业的开放与通用特性，更确切的是“将IT领域内得到广泛并成功应用的虚拟化技术引入传统电信领域，通过采用标准IT服务器、交换机和存储设备达到实现传统电信网络功能(如路由，交换、基站等)的目的”。如下是几个可能利用虚拟化技术来实现电信网元的例子：

● 无线网络/基站虚拟化

● 核心网网元例如GGSN、SGSN等虚拟化

● CDN虚拟化

● DPI虚拟化

● IP网元，例如CG-NAT，BRAS等虚拟化

● 用户侧设备，例如：防火墙，路由器，乃至机顶盒的虚拟化

NFV的主要工作目标是实现移动和固定网络各个网元在开放IT平台上的虚拟化，从而以更低成本、更灵活运营应对移动互联网时代难以预测的动态业务需求，并摆脱对厂家专用硬件系统、封闭软件平台的依赖。

NFV工作组的主要工作内容为制定网络功能虚拟化的相关需求，并对系统框架进行定义与设计，同时对关键技术进行相关研究并提供相关的Gap Analysis，但工作组本身并不制定标准，而是主要以白皮书、需求文档发布以及Liaison形式输出并影响产业界及相关标准化组织。

值得一提的是，NFV这一思想得到几乎所有的主流运营商的支持，在工作组成立的短短2个月之内，由运营商反馈的关于网络功能虚拟化的关键问题超过50个。不仅如此，包括Cisco、Ericsson、HP、Huawei、Intel在内的等众多厂家积极反馈，明确表示对NFV的欢迎和支持。截至目前，已有会员61个及78个参与公司，涵盖几乎所有IT和电信领域的顶级运营商、设备商、IT厂商。

NFV的理念将对电信运营商及传统电信设备商带来巨大的冲击。对运营商而言，这是摆脱厂商专有设备锁定，实现更高效灵活的网络建设与经营的关键。一旦虚拟化技术成功应用于电信网元，可以预见，运营商们将享受由此带来的诸多优势，例如：

● 随着IT设备价格的大幅下降与普及，利用标准服务器实现电信网元将极大降低设备投资与开发成本(显然，一台标准服务器的价格远远低于一个专用的电信设备);

● 利用虚拟化技术的能耗管理、虚拟机迁移等技术，可有效降低系统耗能，实现节能减排;

● 提高设备的资源利用率，从另一方面意味着降低成本。

● 基于通用、开放的平台环境，有利于鼓励创新，加速业务开发、调试与上线，这对运营商缩短推出新业务的时间，乃至实现差异化服务都有重大意义;

● 通用开放的平台环境同样有利于业务的更新与升级;

● 利用虚拟机的隔离机制，便于在同一平台上实现对多制式(例如：GSM，TD-SCDMA和TD-LTE)，多服务(如CDN，LBS)，乃至多版本(测试版本，正式版本)，甚至多运营商业务的有效支持。

对传统电信厂商而言，毫无疑问，NFV提出的用通用平台代替自身专用私有平台的思路，将对其开发模式直至产品线带来巨大冲击。同时，开放平台的引入将鼓励并产生更多的竞争。

中国移动在NFV的探索

作为国内在研发方面投入最多，与国际新技术保持紧密同步的运营商，中国移动从NFV成立之初就积极参与其中。我们共同撰写并向产业界发布了《网络功能虚拟化白皮书》，同时还积极参与其中的各个工作组的相关活动。不仅如此，早在2009年开始，中国移动就已经在无线接入网、核心网以及IP承载网的虚拟化进行不断的探索，并取得了不少的成就和经验。本节将就此作简单介绍。

在无线接入网的虚拟化探索方面，首先，为了验证通用处理平台在无线信号处理方面的能力，我们在基于x86的标准服务器上采用纯软件的方式尝试实现GSM、TD-SCDMA以及TD-LTE的无线信号处理，目前此套原型机系统，在GSM、TD-SCDMA标准上已经完成了与商用终端通信的目标，TD-LTE标准的原型机也与模拟终端完成了测试工作。由此证明在通用IT平台上实现无线网络物理层信号实时处理的可能性。然而，测试过程中我们也发现，该原型机的性能相较于传统设备还有很大差距，并且，支持一个8天线的TD-LTE载波需要近10个CPU核，相应的功率性能比很低。

在此经验基础上，为了提高系统性能，我们进一步提出了专用硬件加速器的思路，采用专用硬件对部分计算复杂度高的物理层功能模块进行处理，同时采用CPU处理层2、层3及剩余物理层功能。在最新的研究进展中，我们与合作伙伴一起，共同开发出了相应的原型机，该原型机采用商用LTE协议栈。基于此平台，我们成功展示了世界上首个端到端ping呼叫演示。进一步的分析表明，一台标准具有8个核的服务器可实现支持数十个的LTE载波，大大提高了CPU的处理效率。我们因此认为这种架构将是实现接入网基站虚拟化的有效方案之一。

在核心网方面，中国移动于2009年初在主导的分布式业务网(DSN)研究项目中首次提出了在通用x86平台上采用虚拟机搭载移动核心网控制面功能的思想并展开验证。联合业界共同对开源及商用IMS系统、软交换系统进行的虚拟化可行性实验结果表明，从吞吐量及包延时的角度来看，虚拟化技术对核心网功能的影响可接受。继而研发完成了集网元功能分布化、网元平台虚拟化、资源管理集中化技术为一体的新一代核心网演示系统。2012年至今，公司内部开始对核心网虚拟化进行引入策略、具体实现方案及标准化的布局与研究，已经在CCSA及ITU建立核心网虚拟化项目，并积极筹备在3GPP、 NFV等组织中贡献成果。

在IP接入和承载方面，中国移动从NFV白皮书发布起，就开始紧密关注于IP承载网络的NFV方面的研究、产业发展和标准化。最近，我们与合作伙伴一起完成了跨数据中心NFV的原型系统，实现了数据中心网络中负载均衡器、防火墙等功能的虚拟化和弹性扩展，并且正在将NFV的理念扩展到IP接入网中的CPE设备，使得用户CPE的网络功能能够定制化，并且紧密跟踪该领域的标准化发展，推动NFV中的业务链(Service Chain)技术在IETF的标准化。

结束语

随着移动互联网时代的到来，电信运营商们面对如何降低成本，提高网络资源利用率，加强网络运维的灵活性，乃至加快业务上线，实现差异化服务等方面承担着越来越大的压力和挑战。

在此背景下，虚拟化技术携其在IT行业的成功，开始进入运营商的视野，得到越来越多的关注。网络功能虚拟化，正在成为电信行业未来发展的一个重要趋势，势必成为未来影响电信产业格局的一大关键因素。