1移動業務對網絡能力的挑戰
移動互聯網和物聯網是未來移動通信發展的兩大主要驅動力，刻畫出欣欣向榮的移動通信產業生態圖景。移動互聯網已經顛覆了傳統移動通信業務模式和用戶使用體驗方式，並將深刻地影響着人們工作生活的方方面面。面向2020年及未來，移動互聯網資訊服務交互方式進一步升級，爲用戶提供增強現實、虛擬現實、超高清（3D）視頻等更加身臨其境的極致業務體驗。物聯網擴展了移動通信的服務範圍，從人與人通信延伸到物與物、人與物的互聯，使移動通信技術滲透至更加廣闊的行業和領域。面向2020年及未來，移動醫療、車聯網、智能家居、工業控制、環境監測等將會推動物聯網應用爆發式增長，數以千億的設備將接入網絡，實現真正的“萬物互聯”，爲移動通信帶來無限生機。在現有基於專用硬件的網絡系統架構和組網模式下，網絡體系架構僵硬、功能平面劃分不合理、網絡升級維護複雜，基於這一體系繼續演進來應對未來業務需求挑戰是非常困難的。隨着IT界網絡虛擬化技術思想的逐漸發展與成熟，電信網絡也在嘗試引入這兩種技術，醞釀對網元形態、組網方式和網絡架構的全面變革。而網絡功能虛擬化（NFV）則是電信網引入虛擬化技術的整體方案。
2網絡功能虛擬化（NFV）技術簡介
2.1NFV基本概念
軟件功能虛擬化（NFV）改變網元功能形態，將原本封閉設備中的網絡功能釋放出來，統一承載在虛擬化平臺之上，意在打破電信設備“黑盒子”模式。移動網絡的任何一個位置都按需部署（卸載）虛擬化的網絡資源，即插即用，提高網絡靈活度和可擴展性，符合移動網絡不同區域、不同時間、不同場景差異性需求。另一方面，採用工業標準化的服務器、存儲和交換設備替代專用硬件設備，大大降低了組網運維成本。因此，低成本和靈活性是NFV的兩大核心優勢。
2.2NFV標準化進展情況
2012年10月，由AT&T、德國電信、英國電信、中國移動等13個國際主流運營商牽頭，聯合多家網絡運營商、電信設備供應商和IT設備供應商共同推動在ETSI成立網絡功能虛擬化工作組（ISG），旨在推動NFV技術框架研究和產業化發展。NFV工作組在2013年聚焦於Highlevel文檔的設計，已發佈第一批規範，包括NFVUseCases、Require-ments、ArchitecturalFramework和Terminology的V1版本，以及PoCCal（lProofofConcept）。NFV於2014年上半年發佈了第二個版本的白皮書，主要總結NFVISG一年來各個工作組的進展、對場景、需求、架構等內容進行了更新，明確提出NFVISG對於標準化和開源社區的態度。2014年下半年將發佈UseCases、Requirements、ArchitecturalFramework和Terminology的V2版本，以及標準化Gap分析等新版標準文檔。概念驗證（POC）是NFV在2014年的另一項重點工作，透過CallforProposal和Evaluation等幾個環節向產業界徵集NFV產品原型和驗證試驗延時，以推動NFV產業發展。
2.3與網絡虛擬化相關技術的關係
（1）NFV與網絡虛擬化的關係
網絡虛擬化（NV）的概念很早就已經出現。目前，通常認爲網絡虛擬化是對物理網絡及其組件（如交換機、端口以及路由器）進行抽象，並從中分離網絡業務流量的一種方式。採用網絡虛擬化可以將多個物理網絡抽象爲一個虛擬網絡，或者將一個物理網絡分割爲多個邏輯網絡。網絡虛擬化打破了網絡物理設備層和邏輯業務層之間的綁定關係，每個物理設備被虛擬化的網元所取代，管理員能夠對虛擬網元進行配置以滿足其獨特的需求。由定義可見，網絡虛擬化主要是針對層二和層三的交換機、端口以及路由器等網絡組件。網絡功能虛擬化則是從電信網業務功能形態的角度，將原本網元設備中的一體化功能分解成多個邏輯功能組件，實現在通用硬件平臺上網元功能的重構、部署和遷移。可以認爲網絡虛擬化技術的概念更加宏觀和基礎，網絡功能虛擬化則面向電信網網元功能具體的需求。
（2）NFV與SDN的關係
從廣義上理解，軟件定義的網絡（SDN）是一種全新的組網設計思想，透過網絡控制與轉發分離的思想，構建開放可編程的網絡體系結構。SDN與NFV共同被認爲是未來網絡創新的重要推動力量。根據NFV白皮書的解釋，NFV與SDN間的關係可以概括爲高度互補，彼此獨立。NFV的實現不必依賴於SDN技術。但是兩種技術方案的結合可以獲得潛在的更大增益。例如，SDN所提出的控制與承載分離的理念有助於增強NFV系統性能，簡化設計方案，提升與現有部署方案的相容性和提高運維和網管效率等。同時，NFV與SDN技術在充分利用標準化硬件設備方面存在高度的一致。
3基於NFV的移動網絡新型體系架構設計
3.1EPC現網架構特徵與不足
支援LTE接入的EPC部分實現了信令面與用戶面的分離，信令面網元包括MME、PCRF、HSS等，實現終端設備的鑑權授權、移動性管理、位置更新、簽約管理、策略控制和網關選擇等功能；用戶面網元主要包括S-GW和P-GW，實現用戶會話建立、承載管理、IP位址分配等功能。EPC核心網以P-GW爲統一的用戶面錨點，支援多接入系統，提供統一的移動性管理。WCDMA/GPRS接入、CDMA接入和WLAN接入一側不同的本地服務網關（SGSN、HSGW等）與P-GW建立會話，由P-GW分配唯一IP位址實現業務數據流的連續性。EPC核心網具備控制與承載分離，多接入系統統一管理、統一業務數據流錨點等功能特性，是未來移動核心網系統演進的基礎。隨着移動網絡業務的日新月異，當前的EPC架構逐漸不能滿足業務和運營需求，並存在以下幾方面的不足：
（1）架構層面劃分不夠合理
網絡架構用戶面和信令面分離的好處在於可以分別按照網絡功能特性，實現核心網系統信令面集中部署，用戶面邊緣分佈的優化，提升網絡性能。但目前的層面劃分中，網關節點仍承擔了複雜的控制功能，與MME等信令面節點交互頻繁。另外，UTRAN/GERAN、CDMA和WLAN系統接入EPC時，其信令面和用戶面是合一的，增加了與E-utran協同組網的難度。
（2）多接入系統間協同能力較弱
EPC架構中實現了多接入系統基於層三IP位址的統一管理和流移動性。體現接入特性的二層則是相互獨立的。運營商實際建網和運維中，每一種接入系統都是獨立組網，異構系統間的資源無法共享，增加了網絡OPEX和CAPEX。從用戶角度看，業務數據流只能在接入系統間切換，無法實現多接入針對不同業務流要求的`協同服務，再加之異構接入系統協議存在差異，資訊交互，切換流程複雜，不利於提升用戶體驗。
（3）網絡能力的可擴展性較差
現有EPC網絡由基於專用硬件的網元設備組成，硬件限定了網元功能的部署位置和性能指標。MME和P-GW設備部署在運營商核心域，匯聚層次較高，不利於降低業務時延，容易導致信令處理和流量瓶頸；移動網絡業務量隨時間變化特徵明顯，但網絡規劃時必須按最高業務預測設定節點能力，造成了閒時資源的極大浪費，固化的硬件節點無法隨業務量變化靈活擴容和縮減，基於硬件設備和物理連接的擴容方法又導致機房組織和拓撲復雜等一系列新的問題。
3.2基於NFV的新型移動網絡架構設想
NFV的核心思想是網元功能的軟件化，理論上任何一種網絡架構都可以引入NFV技術實現網元功能的軟硬件分離。具體到移動網絡網元功能虛擬化，除了NFV本身所具備的優點特性外，網元功能軟件化和重構給移動網絡架構演進提供了廣闊的創新空間。（1）形成基於虛擬化平臺的通用轉發面如圖3所示，EPC架構中的P-GW網元除了業務數據流轉發功能外，還具有IP會話和承載控制功能。網絡功能虛擬化實現後，P-GW形成獨立的轉發功能組件和IP會話和承載控制功能組件。IP會話和承載控制功能可抽取出來，與其他控制功能組件交互實現對用戶會話和承載的統一控制。僅保留轉發功能的P-GW不再是流量的匯聚點，而是普通轉發節點，實現接入、匯聚和核心域全局扁平化網絡。（2）屏蔽底層協議棧差異的統一控制面不同接入系統的業務流程（鑑權/授權、業務接入請求、切換等）和信元類型（用戶標識、位置資訊、無線和連接資訊、QoS等）大體相近，下層協議棧的協議各自不同（GTP、PMIP等）。硬件網元功能與協議棧的綁定造成異構系統間資訊交互複雜，協同工作困難。網絡功能虛擬化實現後，底層協議棧的差別可由虛擬化平臺統一處理，網元功能組件之間採用統一的消息格式和數據結構傳遞資訊，完成業務流程。這樣既可以消除控制節點間協議適配造成的額外開銷，也可以實現異構接入系統間全局資源共享和協同控制功能。全面提升控制面處理能力。基於上述設計思路，基於NFV的新型移動架構層面更加清晰，轉發面更加扁平，可更好地適應未來移動網絡業務需求。和承載控制功能，形成全網集中的控制平面。基於虛擬化平臺，軟件形態的功能組件可以部署到網絡的任意位置，透過標準化的消息接口和數據格式交換資訊，完成業務流程。實現全網資訊同步、接入協同和資源調度。全網架構採用雲平臺實現。可快速實現網絡控制功能重構，轉發面行爲定義，未來運營商也可以按需組合，靈活編排，有利於新業務的快速開發和部署。雲管理平臺用於分配存儲、計算及網絡等資源，全局監控資源利用情況，根據所需動態地分配網絡資源，提升網絡建設和運營效率。
3.3基於NFV新型架構的關鍵技術
基於上述的新型網絡架構，可以引入多樣化的網絡關鍵技術。（1）網元功能重構核心網網關功能可以分解爲會話管理、地址分配、資源管理等控制面功能，這部分網元功能從網關設備中抽取出來，與移動性管理、PCC等構成全局控制面。控制器透過控制功能的編排形成到業務邏輯，統一控制轉發面設備的行爲。整個系統都可以部署在數據中心服務器，不必依賴龐雜的專用硬件和物理連接。（2）異構接入系統協同移動CDN業務對優化全網流量負載，優化業務時延有極高的價值，但如何實現內容的高效分發、用戶移動性以及與不同終端能力適配是需要解決的關鍵問題。
4結束語
NFV相關研究目前處於架構和技術方案設計、初步概念驗證階段，要實際應用到現網，還有基礎設施平臺選擇、核心網雲管理架構設計和轉發面性能加速等關鍵問題需要解決。但NFV技術本身的價值以及對網絡體系架構的創新推動作用，正在被越來越多的研究組織、運營商和設備製造商所認可。NFV將成爲未來移動網絡架構演進的必由之路。