“软件定义”背景下电信核心网的“云化”演进

    毋庸置疑，云计算是继互联网之后的又一次大的信息技术浪潮。云计算正在或已经成为信息产业的主旋律。进入2014年，似乎云计算已经不再像前几年那样火热，产业界对云计算的关注度已经被大数据、可穿戴等新的名词所超越，但这并不意味着云计算本身影响力的削弱，而是因为“云”已经成为ICT技术和服务领域的“常态”。产业界对待云计算不再是抱着疑虑和试探的态度，而是越来越务实地接纳它、拥抱它，不断去挖掘云计算中蕴藏的巨大价值。

    2014年另外一个热的发烫的概念是：“软件定义一切”。软件可以定义世界(SDW)，软件似乎正在成为世界的核心和灵魂，成为信息消费的重要引擎和重要内容。对ICT领域而言，软件定义一切涵盖ICT基础设施所有领域，包括软件定义网络、软件定义数据中心、软件定义存储、软件定义服务器等。

    对电信行业自身来说，在网络技术更新、数据业务种类不断丰富、智能终端迅速普及的推动下，网络流量长期呈现高速增长的态势，为应对这一挑战，运营商不断的扩容网络，但由于数据类业务的经营者大多数情况下不是运营商而是内容提供商，导致网络投资增长与营收增长形成越来越大的剪刀差。未来流量仍将维持高速增长已成为业界共识，要避免剪刀差日益扩大，须考虑如何降低网络投资的增速，在这样的背景下，电信业务平台乃至电信网络的架构都在发生着深刻的变化。这其中，以IT资源的集中化、池化和弹性部署为主要特征的“云化”成为电信网络的显著发展演进趋势。特别是电信核心网的云化演进将引起电信技术体制的巨变。

1.电信网的构成的变化

    传统意义上的电信网(telecommunication network)的定义为：构成多个用户相互通信的多个电信系统互连的通信体系，是人类实现远距离通信的重要基础设施，利用电缆、无线、光纤或者其它电磁系统，传送、发射和接收标识、文字、图像、声音或其它信号。随着电信业务的不断丰富和技术的不断演进，电信网的内涵和外延都在发生着巨大的变化。现行的电信网络按照传统的概念定义大概具备如下的层级结构和要素构成。

    以移动运营商网络为例，电信网络具备“1+4”的体系构成，即业务网（智能网、短信彩信网关、WAP）、核心网、承载网和传送网以及服务于四大网络的IT支撑系统。而随着电信网络“云化”的推进，电信网络呈现“管道化”、“平台化”和“开放化”，电信网络架构进一步扁平和“瘦身”，云时代的电信网络架构可进行如下方式表达：

    网络控制与功能分离后的电信网络，依托统一的虚拟化IT资源，大致可以定义为新的“4+1”架构：基础网络部分、智能管道部分、能力开放部分、支撑与安全部分以及云计算资源（含数据中心）。可以说云计算已经成为当下电信网络资源的基础。

2.电信网的演进

    传统电信网由终端设备、传输链路和交换设备三要素构成，运行时还应辅之以信令系统、通信协议以及相应的运行支撑系统。传统电信网的特点是：按业务建网，网络种类繁多，基础网有基于TDM技术的电话网，基于分组交换技术的X.25网、F.R网与ATM网，业务网有E-mail网、EDI网、传真存储转发网、可视图文业务网、电报网、用户电报网等近10个覆盖全国的业务网。这些网中，除电话网是基于TDM技术外，其余全部是基于分组交换技术。这一阶段的技术特点是，两大技术（TDM与分组交换）并存，各自独立发展。不论是电路交换或分组交换，全部采用面向连接的工作方式。

    随着因特网的迅猛发展，用户对新业务的需求不断增加，软交换网络应运而生。软交换网络采用业务与控制分离、承载与接入分离的思想，把传统交换机功能实体离散分布在网络之中。软交换网络是基于分组交换的网络，在原有电路交换机的基础上，将业务功能（业务提供）、控制功能（呼叫和信令控制）和接入功能（中继和用户接入）相分离，形成软交换网络的应用服务器、控制设备、信令网关和各种接入媒体网关。

    IMS（IP多媒体子系统）是软交换网络的进一步研究和深化。IMS是一种全新的多媒体业务形式，它能够满足现在的终端客户更新颖、更多样化多媒体业务的需求。IMS可以看作是一种新的软交换技术。IMS是下一代网络的核心技术，也是解决移动与固网融合，引入语音、数据、视频三重融合等差异化业务的重要方式。IMS不仅可以实现最初的VoIP业务，更重要的是IMS将更有效地对网络资源、用户资源及应用资源进行管理，提高网络的智能，使用户可以跨越各种网络并使用多种终端，感受融合的通信体验。IMS作为一个通信架构，开创了全新的电信商业模式，拓展了整个信息产业的发展空间。

    下一代网络NGN（Next Generation Network），主要思想是在一个统一的网络平台上以统一管理的方式提供多媒体业务，整合现有的市内固定电话、移动电话的基础上（统称FMC），增加多媒体数据服务及其他增值型服务。其中话音的交换将采用软交换技术，而平台的主要实现方式为IP技术，逐步实现统一通信。其中voip将是下一代网络中的一个重点。NGN是传统电信技术发展和演进的一个重要里程碑。从网络特征和网络发展上看，它源于传统智能网的业务和呼叫控制相分离的基本理念，并将承载网络分组化、用户接入多样化等网络技术思路在统一的网络体系结构下实现。因此，准确地说NGN并不是一场技术革命，而是一种网络体系的革命。它继承了现有电信技术的优势，以软交换为控制核心、以分组交换网络为传输平台、结合多种接入方式（包括固定网、移动网等）的网络体系。NGN与现有技术相比具有明显的优势。

    随着软件定义网络（Software Defined Network，SDN）的概念提出并被业界广为接受，传统的封闭性电信网络架构开始走向开放。SDN实际上并不是电信网自身演进路线的一个节点，也算不上一种新的网络技术，它的出现有其历史的必然性。

3.电信网的“软件定义”与“云化”

    现有网络中，对流量的控制和转发都依赖于网络设备实现，且设备中集成了与业务特性紧耦合的操作系统和专用硬件，这些操作系统和专用硬件都是各个厂家自己开发和设计的。SDN是一种新型的网络架构，它的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，从而通过集中的控制器中的软件平台去实现可编程化控制底层硬件，实现对网络资源灵活的按需调配。在SDN网络中，网络设备只负责单纯的数据转发，可以采用通用的硬件。而原来负责控制的操作系统将提炼为独立的网络操作系统，负责对不同业务特性进行适配，而且网络操作系统和业务特性以及硬件设备之间的通信都可以通过编程实现。

    SDN是电信网络从封闭到开放的重要起点，更将电信网络资源、计算资源的自动化部署能力进行了革命性的提升。SDN技术理念与云计算的理念非常类似，这也使得电信网络开始进入“云计算化”时代。SDN同时是一个非常宽泛的概念，数据中心可以SDN，承载网络可以SDN，甚至光传输网络也可以SDN。

    电信网络的“软件定义”与“云化”主要体现在：

    一、基础硬件平台的主要变化是引入可编程特性，无论是转发设备，还是计算及存储平台，新的硬件在保证性能的前提下，提供可编程的逻辑内核和易于调用的应用接口，以实现与业务无关的资源池化能力。

    二、在基础硬件之上加载虚拟化和云计算平台软件，它如同运行在电信网络之上的操作系统，对计算、存储、网络等网络资源进行管理和调度，并为上层业务功能提供开放的运行环境。云平台软件必须具备高度的开放性，向下支持多种硬件共存的异构网络环境，向上提供健康的生态系统。

    三、NFV（网络功能虚拟化，并不是必须）架构将硬件、中间件与软件实现解耦，因此各类上层业务和功能作为软件模块能够进行灵活的集成与部署。这一目标架构对现网传统电信业务、未来的ICT业务均能够实现更高效的支撑，开放平台的引入则对网络OAM带来了一场新的革命。

4.电信核心网的虚拟化（NFV）

    NFV，即网络功能虚拟化，Network Function Virtualization。通过使用x86等通用性硬件以及虚拟化技术，来承载很多功能的软件处理。从而降低网络昂贵的设备成本。可以通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。NFV的最终目标是，通过基于行业标准的x86服务器、存储和交换设备，来取代通信网的那些私有专用的网元设备。

    NFV条件是：服务器的虚拟机（VM）能力足够强，可以实现网络设备的全部功能或部分功能； IT资源和CT资源的编排和调度、服务链的编排和调度等。 NFV技术的出现，导致网络设备制造商向网络设备服务提供商转型，网络设备制造商从向网络运行商提供实体网络设备，转型成网络设备制造商向网络运营商提供网络设备服务能力，这些服务能力将包含：网络设备的升级，网络设备软件的升级，软件的运行和维护，服务链的设计，提供，网络中IT资源的规划等。

    当前，服务器能力快速增长，进一步规范化，虚拟机技术已经成熟。VMware公司的虚拟机管理程序（hypervisor）开创了在一台物理机上构建多个虚拟机的先河，Linux的虚拟容器（Virtual Container）也具备相同的能力。虚拟机技术成熟并可用是NFV的IT资源基础。

    网络功能虚拟化，分离“网络功能单元”，构建网络功能单元之间的关系、运作特性、约束和通信等问题是目前的难点。在ETSI中，以实例的形态列举了若干网络功能单元。如：控制信号处理功能组涉及认证/授权、策略、状态管理、移动性、移动性相关的支持功能；用户数据处理功能组涉及包转发、复制、计数、处理、负载均衡和应用层转向控制；数据与存储功能组涉及数据存储与管理等网络功能单元；网络实体整体的作为一个虚拟的网络功能也是可以的，但效率低下可重构件层级过高。

    NFV可以采用SDN进行实现（如采用控制转发分离的方法来搭建服务器网络），但是NFV也可以采用普通数据中心技术来实现。

5.SDN/NFV商业化进程已经开始

    在全球范围运营商已开始在网络的各个层面引入新技术以实现网络架构的升级。包括在RAN部分实施云化提升网络利用率，在分组核心和IMS引入NFV，降低对私有硬件的依赖并减少投资，在DC和承载网引入SDN，提升网络利用率和灵活性等。

    在2014年MWC期间，中国移动联手阿尔卡特朗讯展示了NFV领域的研发进展。在多厂商环境下，采用阿尔卡特朗讯基于概念验证的LTE RAN虚拟化BBU和虚拟分组核心演进vEPC解决方案，两家公司成功展示了开放性移动云网络在增强网络敏捷性、效率性和规模方面的效用。除了在移动分组核心网推进虚拟化，阿朗还在IMS中积极引入NFV ，阿朗已经实现将PCRF、HSS等功能迁移至Cloudband平台，通过采用全新的开放性云技术，可以使其在100%负荷的最大规模通信网络中规模运行时仍保持高性能状态。在承载网方面，阿朗已成功实现RR（Route Reflector）的虚拟化。通过将RR部署至云平台，可充分利用其计算优势，并可随需伸缩。

    华为公司推出的CloudEPC，将网络划分为设备层、虚拟层和应用层，以提供具备简化的架构、快速创新并按需而变的网络，并通过network Enabler实现便利和高效的网络能力开放，这和NFV网络虚拟化的诉求不谋而合。华为CloudEPC不但可以为运营商提供弹性、智能、可扩展和自动化的分组核心网，而且兼容现网SingleEPC设备，可实现从SingleEPC向CloudEPC平滑演进。

    应网络和业务演进的需求，爱立信则推出了爱立信云系统。这个革新性的云解决方案将为运营商和业务提供商提供在网络资产使用上的高弹性，快速应变抓住市场机会。分布式的云能力如计算存储能力和网络的结合将带来用户云业务的良好的使用体验以及网络资源的更高效利用。爱立信云系统包含云管理系统和基于openstack和KVM虚拟层的爱立信云执行环境，硬件设施构建于爱立信现有的硬件平台EBS和SSR，该解决方案提供现网系统的平滑迁移，允许虚拟化和非虚拟化的应用并存运行并保持电信级的性能。无论上层应用来自爱立信，运营商还是第三方开发商,都可以部署在爱立信云系统提供的运行环境之上。运营商可以方便的引入新的业务，整合现有的业务到这个虚拟平台中。

    从亚太地区看，多个领先的运营商都计划在2015年下半年开始NFV的试商用。中国领先运营商2014年已经邀请全球主要设备商进入实验室进行NFV的主要功能及性能测试。欧洲及北美主流运营商在NFV的技术验证方面也非常积极。北美领导运营商已经开始NFV设备供应商的评估选择行动。NFV理念从2012年诞生至今，主流运营商及设备商对此都很积极，其发展速度之快超乎意料。预计NFV的大规模部署会从2016年～2017年前后开始。现阶段SDN技术仍在不断地演进，运营商对于SDN的目标网络架构还没有达成共识。SDN的大规模部署估计将在2018年左右开始。

作者简介：

    徐志发：工业和信息化部电信研究院规划设计研究所 副所长  高级工程师，长期从事电信运营管理、云计算与数据中心、网络与信息安全、应急通信等领域的研究与咨询工作，对电信企业IT咨询方法、云计算与数据中心规划与评估方法有深入的研究，负责和参与了云计算和数据中心多项国家课题，拥有丰富的咨询和项目管理经验。