2.1 网络功能虚拟化

2.1.1 网络功能虚拟化概述

随着近年来网络服务愈加多样化，为了应对不断增长的网络用户和流量服务，网络服务提供商需要不断部署和更新网络设备以实现相应的网络功能供用户使用。然而，传统模式下的网络硬件设备功能单一、开发周期长、服务灵活性差，难以满足不同用户的网络服务需求。此外，不同生产商制造的设备之间差异较大，难以实现统一性管理。

面对这些问题，网络功能虚拟化 （Network Function Virtualization，NFV）技术应运而生，其主要思想是解耦物理网络设备和运行于它之上的网络功能。NFV的目标是利用标准化虚拟技术，变革当前的网络运营架构，使网络功能设备能够在通用服务器、交换机及存储设备三者间灵活地部署、迁移、更新，增强网络的灵活性与可扩展性，为用户提供灵活的通信服务，并且能够快速地支持新服务，显著地减少部署新服务的时间与成本。

2.1.2 网络功能虚拟化发展路径

针对网络功能设备存在的设备部署成本高、设备管理维护代价大、设备故障率高等问题，2012年11月，欧洲电信标准协会 （European Telecommunications Standards Institute，ET-SI）联合世界7家主流运营商成立了NFV行业规范工作组NFV-ISG （Industry Specification Group），从运营商角度对NFV进行了研究，并发布了NFV白皮书，旨在通过将软件与硬件相互分离，降低运营商的资本支出和运营成本，增强网络功能设备部署的灵活性与便捷性，满足不同用户的服务需求。同时，针对NFV技术的发展规划，工作组将NFV技术的建设过程分为两个阶段：第一阶段的目标是建立NFV技术的开放标准，该目标已于2014年年底成功实现；第二阶段的目标是在第一阶段的基础上用两年的时间实现网络功能设备的互操作。为了使NFV-ISG所提出的参考标准能够落地，Linux基金会做出了重大贡献。2014年9月，Linux基金会发起了一个基于开源和运营级集成平台的OPNFV （Open Platform for NFV）项目，其目标是使与NFV相关的新产品和新服务能够尽快形成产业，推动NFV第二阶段的建设进程。

2.1.3 网络功能虚拟化国内外发展现状

网络功能虚拟化是促进通信网络架构改变的催化剂，有助于优化网络运营，降低网络运营商的运营成本，已经受到了国内外运营商的广泛关注。

1. 国内发展现状

2015年3月，中国联合网络通信集团有限公司 （以下简称中国联通）和中兴通讯股份有限公司 （以下简称中兴通讯）联合惠普，共同在ETSI的NFV行业规范工作组框架下开展NFV概念验证项目，全面验证基于NFV的端到端VoLTE （Voice over Long-Term Evolution，长期演进语音承载）业务，推进NFV行业进程。2018年世界移动通信大会上，中国移动表示将坚持夯实信息通信基础设施，不断扩大互联网数据中心建设，加快向基于NFV的下一代网络转型，提升网络的智能化和敏捷性。中国电信也正在尝试将基于NFV的网络核心功能下沉到网络边缘，并为了承载这些功能打造基于开放和通用计算平台的下一代端局，以提供低时延、高带宽的业务能力。目前，我国已进入5G时代，将NFV技术引入5G网络，使得5G网络组网更加灵活，能够更好地支持不同垂直行业的接入，并满足不同用户差异化的服务质量需求。

2. 国外发展现状

美国电信运营商AT&T于2015年推出基于NFV的多种虚拟业务，为1200多家企业提供了解决方案，并计划到2020年，使75%的网络实现功能虚拟化。AT&T技术和网络运营高级执行副总裁John Donovan表示，已经有数百万的AT&T无线用户使用了虚拟网络服务，其中大多数都通过AT&T集成云功能。Verizon也对NFV进行了投资，以便增强网络的敏捷性和灵活性，并构建了一个全公司范围内通用的OpenStack平台运行VNF^[1]（Virtual Network Function，虚拟网络功能）以及其他内部应用程序。德国电信将OpenStack作为NFV平台，通过NFV，能够进行虚拟网络功能的部署，而无需对硬件进行额外投资。韩国的SK Telecom也通过使用OpenStack从NFV中获益，其重点研究了传统电信网络功能的虚拟化，并使用VNF为特定用户提供多租户专用电信服务。

2.1.4 网络功能虚拟化架构

图2-1为欧洲电信标准协会发布的NFV架构图，主要包含NFV基础设施、虚拟网元与网管和NFV管理与编排三个部分。

NFV基础设施由物理资源、虚拟化层及虚拟资源构成。物理资源的作用是为NFV提供计算、存储、网络等资源；虚拟化层的作用是对物理资源进行抽象并实现底层硬件资源与虚拟化网络功能的解耦，虚拟化层主要采用虚拟化软件实现，可通过优化虚拟化软件构建虚拟化层；虚拟资源主要是为虚拟化网络功能或虚拟机提供计算、存储和网络虚拟资源，计算和存储资源以虚拟机或容器形式提供，网络资源以虚拟网络链路的形式提供。

虚拟网元与网管包括VNF与网元管理系统 （Element Management System，EMS）。VNF是软件化后的网元，不同VNF实现的核心网络逻辑功能由运行其上的软件决定。多个虚拟机组成一个VNF，而服务功能的实现需要多个VNF构成一条服务链。EMS为软件化后的网管，主要实现网元管理功能，同时在虚拟化环境下，实现诸如VNF资源申请和数据采集等新增功能。

NFV管理与编排包括VNF （虚拟网络功能）管理器、虚拟基础设施管理器与编排器。VNF管理器用于管理VNF的资源及生命周期；虚拟基础设施管理器可对整个基础设施层的物理资源和虚拟资源进行管理与监控；编排器是NFV架构的控制核心，通过协调VNF管理器与虚拟基础设施管理器，在虚拟化设施上实施网络功能服务链的部署和管理。

通过该架构可以达到以下目的。

① 物理网元的功能被拆分，运营商可选择适合的VNF。

② VNF部署于多个物理硬件和管理程序。

③ 可以只通过软件发布。

④ 开放接口标准化，多个供应商可进行VNF的交互。

⑤ 硬件通用化，不再受制于特定供应商。

2.1.5 网络功能虚拟化应用

1. NFV在时延敏感类业务中的应用

在电力物联网中，配电房的实时监控、机器人巡检等高清视频回传业务及智能分布式配电自动化等控制类业务对时延的要求相对较高。然而，数据流请求过程需要一系列的VNF完成，导致网络服务功能链变长，并且网络服务功能链的长度与服务链所产生的端到端时延成正比，因此端到端时延也随之增加。为解决时延问题，可采取NFV并行处理方式。该方式可以通过并行处理数据流，减小网络服务链的相对长度，进而将数据流的处理时延降低。通过将VNF并行处理，实现VNF同时工作，可提升VNF处理速度，而且不会影响到其他的加速工作，从而降低服务的处理时延。

2. NFV在电力IMS核心网中的应用

NFV技术应用于电力多媒体子系统 （IP Multimedia Subsystem，IMS）核心网的建设，可解决传统模式中资源使用率低、维护工作复杂等问题。通过NFV技术可达到以下目的。

① 利用NFV实现调度交换网与行政交换网之间的资源共享，可利用行政交换网基础设施为发生故障的调度交换网提供通信保障。

② 将逻辑独立的IMS网络基础设施提供给不同部门，而不必增加硬件的投入。

③ 实现对网络的云化管理，减少运维工作量。

④ 只通过更新服务而非更新设备来实现新旧业务的交替。

⑤ 具有比传统网络更强的自愈能力。

⑥ 具备配置更加灵活的系统容量。

3. NFV在智能变电站通信网络管理中的应用

变电站的传统通信网络管理方式为，只有在设备或网络出现故障时，运维人员才会与相关运营商或变电站集成商对故障进行排查，而缺乏平时对交换设备及网络的监管与维护。将NFV技术应用到变电站的通信网络管理中，利用通用服务器、交换机等设备整合现有网络设备功能，形成虚拟资源，同时减少能源、空间的消耗，实现软硬件的解耦。这种虚拟通信网络架构能够实现硬件和物理资源的集中管理和弹性控制，提高网络的灵活配置能力和自主管理能力，从而提高资源的利用率，在增强运维检修能力的同时降低成本。