第1章 NFV概述

1.1 NFV概况

1.1.1 NFV的发展背景

据思科Cisco Visual Networking Index（VNI）第10次年度预测，到2019年，全球年度IP流量将达到创纪录的2 ZB，即2019年全球IP流量将达到每月168 EB，相比2014年的每月59.9 EB约增加3倍。2019年，全球IP网络传送的流量几乎与之前所有“互联网年”传送的流量总和（从1984年到2013年年底）一样多。推动流量增长的因素包括全球互联网用户、移动智能设备和物联网或者机器对机器（M2M）连接的增加，更快的宽带接入速度，以及高清视频服务的推广等。这些变化预计将创造23%的全球IP流量复合年增长率（CAGR）。近年来，新型网络服务还在不断产生，例如虚拟现实、增强现实、智能可穿戴设备等概念的流行和实现，将带来新一轮的移动数据流量的爆发式增长。

由于面临众多新型的网络业务与极大的流量压力，网络运营商不得不部署大量昂贵的专用网络设备以满足服务需求。然而，这些网络设备软硬件一体化，扩展性受限，而且现在的通信系统架构较为封闭，缺乏对这些设备的高效管理。同时，当运营商需要提供新增的网络服务时，就必须开发新设备，专有的硬件设备存在生命周期限制，需要不断地经历规划—设计开发—整合—部署的过程，而这个漫长的过程越来越难以为整个业务带来收益。另外，运营商需要给这些新增的设备提供机房空间、电力支持以及后期维护，所以近年来运营商的业务量增幅和业务收入增幅间就出现了“剪刀差”的现象。传统的网络不仅使得运营商的CAPEX（Capital Expenditure，资本性支出）和OPEX （Operating Expense，运营成本）不断上升，还阻止了新业务和新应用的开发，限制了竞争力和盈利水平。

同时，面对互联网OTT（Over The Top）业务的大规模开展，运营商网络逐渐沦为廉价管道，网络运营商面临着极大的挑战。Ovum咨询公司的报告显示，2013年OTT社交通信应用让电信运营商短信收入减少325亿美元，预计到2018年，OTT网络电话将让全球电信行业减少630亿美元的收入。而且，运营商的网络资源利用率较低，例如IP网的利用率通常低于50%，服务器的利用率则低于40%，光承载网为提高可靠性还提供预留的保护资源，甚至采用1+1保护方式。相较而言，典型的互联网公司则更注重提高资源利用率，例如Google数据中心间带宽利用率高于80%；百度前台服务器利用率高于40%，后台服务器利用率则高于75%。

由于传统网络存在封闭、专用、不能灵活调度、缺乏高效管理、运营成本高、利用率低等问题，因此网络运营商必须对网络架构进行改革，以此获取一种低成本、高收入的运营方式。在这样的背景下，网络运营商牵头提出了网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization,NFV）。

NFV是利用IT虚拟化技术将现有的网络设备功能整合进标准的服务器、存储器和交换机等设备，以软件的形式实现网络功能，以此取代目前网络中私有、专用和封闭的网元设备。这些标准设备可以位于数据中心、网络节点和用户驻地网。

NFV的愿景如图1-1所示。传统网络节点的设备包括消息路由器（Message Router）、边缘路由器（PE Router）、内容分发网络（CDN）设备、会话边界控制器（Session Border Controller,SBC）、WAN加速器（WAN Acceleration）、深度包检测（DPI）设备、防火墙（Firewall）、服务GPRS支持节点（Serving GPRS Support Node,SGSN）、网关GPRS支持节点 （Gateway GPRS Support Node,GGSN）、宽带远程接入服务器（Broadband Remote Access Server,BRAS）、无线接入网节点（Radio Access Network Nodes）等。这些传统网络节点是分离、功能单一的，节点中的每个功能都需要部署一台专用的物理设备。在NFV中，独立的软件开发商能够基于大容量的标准服务器、大容量的标准存储器、大容量的以太网交换机等工业标准设备，开发支持协同、自动、远程安装的网络功能软件。以此构造了一个有竞争力的、创新的开放生态系统。

1.1.2 NFV的优势

与运营商的传统网络不同，NFV将网络功能从硬件中解耦出来，提供灵活的网络功能部署以及动态的缩容/扩容。NFV基于“工业标准硬件及网络功能软件”的实现方式带来的好处包括以下几点。

1.工业标准硬件

（1）这些设备不需要特殊指定，降低了因为定制硬件而造成的较长的设备更新周期。

（2）标准的硬件设备价格相对较低，能够降低设备的硬件成本。

（3）保证通信系统网络结构不被泄露。

（4）工业标准的硬件相对于专用设备更易于维护。

（5）直接降低OPEX/CAPEX。

2.网络功能软件

（1）开发一个新应用的周期更短。

（2）试验阶段成本较硬件设置成本价格会低廉很多。

（3）对于新业务、新应用失败的容忍度比较高，而传统的网络失败容忍度为零。

（4）虚拟资源代替物理设备，减少能源、空间等资源消耗。

（5）在传统网元业务生命周期管理模式下，管理操作通常依靠运维管理人员手动完成，而NFV可实现自动化的管理操作，降低了运维管理成本和故障导致的开销。

（6）通信运维人员专注于业务管理，资源池维护人员聚焦于通用硬件管理，实现专业化运维和管理，大幅度提升管理效率。

（7）利用IT虚拟化技术实现软硬件的解耦，虚拟网络功能能够动态、灵活地部署，不受物理网络的限制，提升电信网络的灵活性的同时缩短传统运营商的创新周期，加快业务推向市场的速度。

（8）根据网络流量的增/减，系统能够自动地对硬件资源、虚拟资源进行垂直伸缩/水平伸缩，提升资源利用率。

（9）容许不同的应用程序、用户、租户使用统一平台登录不同版本或不同租户的网络设备，这种能力能够使网络运营商在不同的服务和不同的客户侧共享资源。

（10）系统能够根据具体需求（基于地理位置或者客户群的针对性服务）来快速地扩展或者降低网络服务能力。

综合各方面，NFV为运营商带来的直接优势是降低了OPEX和CAPEX，同时加速了创新的步伐。NFV提供的这些优势引起了电信行业、IT行业以及学术界的广泛关注。

1.1.3 NFV组织

NFV的工作开展涉及标准化和开源两条线，通过多组织的协作，促进NFV的成熟。其中，标准化线中3GPP SA5、TMF等组织负责NFV流程与接口的设计，ETSI NFV ISG以及ITU-T等组织负责NFV的需求和框架，并为流程和接口提供管理功能。而开源线中包括开源集成软件OPNFV（Open Platform for NFV,NFV开放平台项目）（具体内容见第5章）以及相应的开源组件（OpenStack、KVM等）。

1.标准组织

（1） ETSI

2012年10月22～24日，全球13家网络运营商（AT&T、BT、CenturyLink、中国 移 动、Colt、Deutsche Telecom、KDDI、NTT、Orange、Telecom Italia、Telefonica、Telstra、Verizon）在软件定义网络（SDN）和OpenFlow世界大会上发布了NFV的第一份白皮书，提出了NFV的目标和行动计划，希望获得行业和研究机构对NFV的关注。2012年11月，在欧洲电信标准化协会（European Telecommunications Standards Institute, ETSI）的支持下，AT&T、BT、Deutsche Telecom、Orange、Telecom Italia、Telefonica以及Verizon 7家运营商牵头成立了一个新的拥有开放成员的网络功能虚拟化行业规范组织（NFV ISG）。其中工作组主席、副主席、技术主管由AT&T、Orange、Telefonica、Docomo、Deutsche Telecom等运营商专家担任，可见其标准化的目标也是考虑运营商的需求。

在技术指导委员会（Technical Steering Committee,TSC）下，NFV设立了6个工作组，包括接口与架构工作组（Interfaces and Architecture,IFA）、演进与生态系统工作组（Evolution and Ecosystem,EVE）、可靠性可用性保证工作组（Reliability Availability and Assurance,REL）、测试实现与开源工作组（Testing,Experimentation and Open Source, TST）、解决方案工作组（Solutions,SOL）、安全工作组（Security,SEC）。各工作组相关信息可以参考：https://portal.etsi.org/TBSiteMap/NFV/NFVWGsToR.aspx。

NFV ISG的主要目标是在NFV业务和技术上达成行业共识，加快NFV的产业化进程。尽管是由ETSI来组织管理，但ISG自身将不会是一个标准开发组织（Standards Development Organization,SDO），它将会借助现有可用的SDOs组织工作能力。在需求和现有工作之间有差距的情况下，它将会鼓励成员中的SDOs组织考虑ISG所提到的建议（例如，对现有标准提出新的更新需求，或者如果需求合适则建立新的标准）。截至2016年4月22日，NFV ISG的成员已经发展至118个，参与者已经达到173个，包括我国三大运营商中国移动、中国联通、中国电信以及设备商华为、中兴。

ETSI成立至今（2016年4月），实际的组织工作如下：

2014年11月，NFV ISG对第一阶段的工作进行了终结，同时启动了NFV第二阶段，包括组织架构的确认。2015年1月，NFV第一阶段的工作正式完成。第八次全会后， NFV进入第二阶段工作，期限两年。第二阶段工作重点是架构演进和接口标准化，并且推进NFV实现落地。第二阶段中，参与最广泛并且进展最快的是IFA工作组，IFA共计完成15个项目的立项。项目IFA001—004关注加速资源的抽象和接口的标准化。NFV ISG组织认为，除了X86通用硬件外，电信环境下各类加速硬件仍然会被广泛使用，例如VPN中各种加解密卡。NFV将这类加速硬件作为资源统一管理，并且标准化其接口。项目IFA009/010/011/014研究架构演进，例如将NFVO分解为SO和RO，将虚拟化网络功能管理器（Virtualized Network Function Manager,VNFM）分为通用VNFM和专用VNFM、VNF网元模板（VNFD）重构等。其余项目（IFA005—008/012—013）标准化Or-Vi/Vi-Vnfm/Or-Vnfm/Ve-Vnfm/Os-Ma-nfvo等参考点包含的接口、需求和信息元定义， IFA015研究NFV接口、模板相关的信息模型。

NFV ETSI共发布了三份白皮书。2012年10月发布了第一份白皮书，提出运营商对网络功能虚拟化的需求，同时引导和规范NFV产业链的发展；介绍了NFV的概念、益处、推动者、挑战、行动呼吁以及宣布NFV ISG组织的成立。2013年10月发布了第二份白皮书，这是在第一份白皮书的基础上进行补充和深入的阐述，对使用场景标准、需求标准、架构标准、NFV术语标准以及NFV概念验证标准进行概述，并提出开源和标准化展望以及NFV对运营支撑系统的影响。基于NFV行业的发展，NFV ISG在2014年10月发表了第三份白皮书，此白皮书对NFV基础设施概述标准、NFV计算域标准、NFV基础设施监管域标准、NFV基础设施网络域标准、NFV管理和编排标准、NFV软件架构标准、NFV弹性需求标准、NFV安全标准等进行了概述。

NFV ISG从成立到2016年初，共发表了28篇标准，包括NFV应用场景标准、虚拟化需求标准、体系架构标准、术语标准、PoC标准、预部署测试标准、编排和管理标准，以及5篇NFV安全标准、3篇性能要求标准、6篇NFVI基础设施标准、3篇加速技术标准、3篇NFV生态系统标准（包括SDN、虚拟化技术）。发布的标准规范信息见表1-1。

基于ETSI发布的用例和需求等文档，各参与单位纷纷提交PoC测试案例。截至2016年7月，ETSI NFV PoC共组织测试39项，包括虚拟化的移动核心网、虚拟化的无线接入网和NFV生态系统等，其中部分已经测试完毕。详细信息可参考：http://www. etsi.org/technologies-clusters/technologies/nfv/nfv-poc。

（2） 3GPP

3GPP从2013年下半年Rel-13开始也启动了移动网络虚拟化相关的研究探讨，众多公司先后在SA各小组发起了一系列的虚拟化相关的立项讨论。2014年3月，在SA5 （Service and System Aspects Working Group 5）率先通过了虚拟化管理方面的立项，现已转入标准化阶段。2015年1月，在SA1组通过了SMARTER的研究课题，旨在研究面向5G的业务和市场应用，NFV也是实现5G目标的关键技术之一。预计3GPP后续会投入更多的时间开展移动网络虚拟化相关的应用场景和架构课题研究工作。

（3） DMTF

DMTF（Distributed Management Task Force）也在云管理、虚拟化管理、网络管理方面积极从事标准化工作。2015年DMTF将自身工作与NFV架构进行了比对，并寻求和NFV工作的结合点，例如OVF（Open Virtualization Format）V3版本将考虑支持NFVD需求。NETMAN项目将参考NFV需求，支持VNF管理和网络管理，其他相关项目都提出了对于NFV需求的支持。

（4） CCSA

目前，中国通信标准化协会（CCSA）也在与时俱进，在国内主导NFV的标准化工作，TCl、TC3和TC7等研究组均有立项，包括IP承载网网络功能虚拟化（NFV）的应用场景与需求、基于SDN及网络功能虚拟化（NFV）的IMS网络虚拟化要求、基于SDN/NFV的接入网技术研究、移动网络虚拟化研究、虚拟化核心网管理编排的接口功能需求研究、网络功能虚拟化管理技术研究等。

2.开源组织

（1） OPNFV

2014年10月在NFV第一阶段即将结束时，由AT&T、NTT、中国移动、Redhat、爱立信等厂商发起的OPNFV（Open Platform for NFV）开源社区正式成立。社区为自己划定的前期工作范畴是NFV基础设施，即为NFV提供一个统一的开源的基础平台，此平台集成OpenStack、OpenDaylight、OVS、CEPH等上游社区的成果，并且推动上游社区加速接纳NFV相关需求。

OPNFV社区包括理事会和TSC（Technical Steering Committee），项目管理工作由TSC组织和控制。OPNFV将项目分为4类，包括需求类、集成与测试类、合作开放类以及文档类。截至2015年12月15日，已经有16个需求类项目、20个集成与测试类项目、8个合作开发类项目、1个文档类项目，共计45个项目获得TSC批准。其中需求类项目的主要目标是发现NFV需求和上游社区版本间的差距，然后将需求提交到上游社区，并且推动上游社区接纳，代码相关的工作在上游社区完成。多数项目运作立项后都在积极推进，但也有一部分项目在后期运作过程中活跃度过低，长期缺乏有效进展。

OPNFV版本规划和发布机制是：首先由各项目申报下一个版本中发布的内容，然后由项目管理员统一汇总后交TSC讨论，纳入跟踪，并且在各个时间节点确认进度，合入OPNFV的Git库。自动化测试CI（Continual Improvement）过程和志愿者测试相结合，每周TSC例会将审核测试结论，最终达既定目标后正式发布。

（2）其他社区

2016年2月，华为与Linux基金会、中国移动共同举办OPEN-O新闻发布会，携手中国电信、韩国电信、爱立信、英特尔、Red Hat、F5、DynaTrace、Infoblox、Riverbed等15家产业领导者发起全球首个统一SDN和NFV开源协同器OPEN-O项目倡议。这个项目是集中在NFV管理与编排上，希望提供开源的Orchestrator。

1.1.4 NFV行业发展概况

2015年，市场调研公司Coleman Parkes对全球100个电信运营商的CIO和CTO进行了调研，77%的受访者表示NFV将会在3年内成为CSP市场主要的驱动力，且40%的人认为会在1～2年内实现，甚至23%的人认为会在12个月内实现。2014年7月，市场调研公司Infonetics发布了最新运营商软件定义网络（SDN）/网络功能虚拟化（NFV）硬件及软件市场规模调查和预测报告，报告显示预计到2018年，新的SDN/NFV软件将占整体市场份额的20%；而在2014至2018年间，运营商购买的NFV基础设施将占整体市场份额的12%。预计到2018年，全球运营商SDN/NFV市场规模将从2013年的不足5亿美元飙升至110亿美元。来自不同市场调查公司的数据不谋而合，运营商网络转型正处于一个加速的过程。

目前，NFV已经开始逐步融入电信行业，网络部署进入快车道。网络运营商对NFV投入极大的兴趣，随之而来的是电信设备供应商和IT公司开始参与NFV项目。网络运营商需要对NFV产品进行高强度的测试以满足电信级产品的要求。2013年AT&T首先推出了Domain 2.0计划（也称为用户定义网络云项目）;2014年Telefonica推出了UNICA Infrastructure项目；2015年中国移动成立了亚洲首个OPNFV（Open Platform for NFV）实验室。典型的设备供应商，如爱立信、诺基亚、阿尔卡特朗讯以及华为都在向NFV转型，2015年1月华为成立NFV开放实验室（NFV Open Lab）。NFV开放实验室针对各典型业务场景，构建了多厂商集成验证平台，同时以大数据平台为基础，与行业组织、运营商、合作伙伴进行联合解决方案开发，并进行相互认证和授权。另外，IT公司也在开发符合电信级要求的软件，例如Wind River、6wind、Qosmos。全球主要运营商、设备商等都在快速推进NFV的发展。