NFV基础设施建设策略的研究

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文字版：
2016/11/DTPT
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收稿日期：2016-10-21
0前言
随着NFV标准的不断完善和技术的不断成熟，
NFV已逐步进入商用部署阶段。根据2015年底TBR
发布的NFV/SDN报告显示，到2020年，欧美主要电信
运营商在SDN、NFV领域的支出将达1570亿美元。
此外，国内运营商也开始积极布局NFV，利用NFV技
术改变网络资源管理的模式、优化网络服务的能力和
减少投资与维护的投入。但NFV的基础设施如何建
设以满足上层电信网元和业务在组网、功能和性能上
的需求，是NFV商用部署前亟需解决的问题。
1NFV基础设施建设面临的挑战
1.1硬件部署面临的挑战
NFV利用虚拟化技术将网络功能网元统一部署
到通用服务器、交换机和存储平台上，提升了底层硬
件服务器的通用性，但同时也带来相关问题。
a）可靠性下降的问题。传统的ATCA电信服务
器，具备较高可靠性，能满足上层电信业务系统5个9
的可靠性标准。但是采用NFV技术后，硬件由高可靠
的专用硬件转变为可靠性相对一般的通用服务器（3
个9），硬件可靠性下降导致上层电信业务可靠性受到
威胁。
b）环境适应性的问题。如表1所示，ATCA电信
NFV基础设施建设策略的研究
关键词：
NFV；基础设施；策略
doi：10.12045/j.issn.1007-3043.2016.11.005
中图分类号：TN915
文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2016）11-0021-04
摘要：
NFV作为未来网络演进的重要方向，得到了产业界的广泛关注。随着NFV技
术的进一步发展和成熟，运营商已经广泛开展了NFV的前期部署和试点，但
针对NFV基础设施如何部署的问题，当前并没有较好的参考和建议。在分析
NFV基础设施在硬件部署、虚拟化引入、基础设施管理和软件部署所面临的
挑战基础之上，就NFV部署建设在硬件部署、软件部署、站点选择和运维管理
方面提供相应的策略和建议。
Abstract：
NFVhasgottenwideattentionfromtheindustrywhichisconsideredasanimportantdirectorforthefuturenetwork.Withthe
developmentofNFVtechnology，moreandmoretelecomoperatorsbegintodeployNFVinexperimentorinpractice.ItanalyzesthechallengeswhileimplementingtheNFVinfrastructureonfouraspectsincludinghardwareimplement，virtualization，infrastructuremanagementandsoftwareimplement.Andthenitgivessuggestionsandstrategiesontheseaspects.
Keywords：
NFV；Infrastructure；Strategies
童俊杰，苗杰，赫罡（中国联通网络技术研究院，北京100048）
TongJunjie，MiaoJie，HeGang（ChinaUnicomNetworkTechnologyResearchInstitute，Beijing100048，China）
ResearchontheImplementationStrategiesofNFVInfrastructure
基础设施及运维
InfrustructureandO&M
童俊杰，苗杰，赫罡
NFV基础设施建设策略的研究
引用格式：童俊杰，苗杰，赫罡.NFV基础设施建设策略的研究［J］.邮电设计技术，2016（11）：21-24.
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服务器和通用服务器在尺寸规格、供电模式、功耗和
温度适应性方面存在较大差异。如果通用服务器部
署在传统电信机房中，会涉及机房改造和适配问题。
1.2虚拟化引入带来的挑战
虚拟化技术可以将底层硬件资源抽象为一个虚
拟的软件或硬件接口，从而向上层软件提供一个与它
原来所期待的运行完全一致的接口，使得上层软件可
直接运行在虚拟环境上。NFV通过引入虚拟化技术
屏蔽底层硬件的差异性，实现软硬件之间的解耦和底
层硬件资源的共享，但同时也带来了相关问题。
a）性能损耗的问题。采用虚拟化技术后，虚拟化
软件自身的运行会消耗一部分硬件资源从而导致性
能下降，即使是采用资源利用率较高的容器虚拟化技
术，性能仍有所下降。此外由于虚拟机之间资源需求
和程序运行的不同，虚拟机之间在运行时会因管理和
调度上的开销产生干扰而影响性能。
b）安全的问题。除了传统的攻击威胁外，虚拟化
技术还面临着隐蔽通道、基于虚拟机的Rootkit攻击以
及新恶意软件等威胁，需要有效预防、发现和消除这些
恶意威胁，以保证虚拟机之间运行和通信的隔离性、连
接建立的安全性以及数据在传输过程中的机密性。
c）组网的问题。一方面虚拟机之间的组网和传统
电信组网不同，通过引入虚拟网络和虚拟端口使得组
网更为灵活，另一方面，虚拟网元和传统物理网元的混
合组网较为复杂，给网络建设和管理带来新的压力。
1.3基础设施管理面临的挑战
NFV基础设施的部署，打破了传统电信网元烟囱
式的建设模式，基础设施作为共同的基础平台，为上
层虚拟化网元部署提供资源，基础设施平台的独立建
设和共享，给运营商运维管理和网络建设带来重大影
响。
a）对运维组织架构的影响。传统网络运维需求
模型可以分为4个层次，分别是现场作业层、网络监控
层、运维支援层和厂商支援层，在实际运维中网络设
备的监控和运维均由相应专业型运维人员承担，同时
每个专业网络又分为省际层、省内层、本地层等多个
层次。NFV引入后，底层基础设施作为各个专业公共
的基础平台，基础设施维护团队的组建以及和专业网
络维护的分工与协作，是NFV技术设施管理需要解决
的重要问题之一。
b）对网络建设的影响。软硬件解耦后，基础设施
和上层网元可以分开单独招标建设，但是两者的建设
有着紧密关系，基础设施规划与建设应满足上层网元
建设和部署的资源需求，需要两者进行配合和协调以
保证上层电信业务的正常上线和开展。
1.4软件部署面临的挑战
NFV和云计算一样都是借助了虚拟化技术，但是
由于IT云平台和电信云平台差异性较大，IT云计算中
的虚拟化技术和软件并不能较好地移植到电信云平
台，主要在软件功能、性能以及测试上存在差异。
a）软件功能的差异化。对于虚拟化中间件来说，
为了保证虚拟机的运行效率，保持与物理硬件直接运
行的效率一致，需要对相关新特性提供支持，例如可
以为虚拟机分配独占的CPU核、使用用户态指令集通
过直接内存映射来访问物理网卡、vSwitch采用直接内
存映射和用户态指令集等；对于电信云管理软件来
说，为了满足易用、可靠、自动化管理程度高、复杂组
网的需求，需要支持自动化部署能力、平滑升级以及
对SDN和跨数据中心组网的能力，同时还能对多个厂
家的硬件进行监控和管理，针对NFV对开源Openstack
的详细需求，可以参考OPNFV相关立项和ETSIISG相
关标准。
b）软件性能的差异化。表2所示为社区Openstack和电信Openstack在性能指标上的主要差异，电
信Openstack在软件性能上的要求更高，特别对故障和
失效发现的时延有较高要求。
c）测试模型的差异化。由于电信云平台承载的
上层业务和IT云平台中承载的业务区别较大，这导致
表1ATCA服务器和通用服务器环境适应性对比
表2开源社区Openstack和电信Openstack性能对比
ATCA
电信服
务器
通用服
务器
尺寸规格
ATCA电信服务
器深度一般在
800mm以内
通用服务器的尺
寸深度一般为
800～1000mm
供电模式
以-48V
直流为主
以220V
交流为主
功耗
单板功耗最大将近
200W，同等条件下
ATCA架构服务器
功耗只有通用服务
器的10%
功耗较大，单个刀
箱满配时的最大功
耗在4000W左右
温度适应性
根据ETSI
规定，最低
要求为-5～
45℃
数据中心中
通用服务器
的运行温度
为18～27℃
指标名称
虚拟机失效发现时延
vSwitch性能（/Mbit/s）
网络错误发现时间时延
社区Openstack
≥1min
＜2
取决于Linux版本
电信Openstack
＜1s
≥2.5
＜1s
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电信云和IT云在特征上存在差异，表3示出的是两者
的主要差异，电信云相较于IT云其更看重网络转发资
源和性能，且其东西向内部流量较大，这些差异也导
致两者在测试时的侧重和方法不同。
2NFV基础设施建设的策略建议
2.1硬件部署的策略建议
硬件部署的基本原则为以通用服务器为主，与上
层软件解耦，并满足上层电信业务部署需求。在实际
部署中，不同部署阶段具体建议如下。
a）在NFV小规模部署时期，由于只是针对网络中
较少网元开展且部署规模较小，不同试点甚至不同网
元的硬件服务器配置可以不用拉齐，但至少应基于对
实际场景需求的梳理完成硬件服务器的选型。硬件
服务器的选型主要指的是服务器架构的选型，主要涉
及到选择x86服务器，还是选择ARM服务器，由于当
前虚拟化技术尚无法实现异构架构服务器的统一虚
拟化和管理，此外各个场景在服务器性能和功能上需
求的差异性，需要根据具体场景需求确定相应硬件服
务器架构。
b）在NFV大规模部署时期，由于网元资源需求较
为明确、部署规模较大，在硬件架构方面可以考虑将
几种重要的资源例如CPU、内存、存储等进行池化，方
便管理和扩展，相关技术主要有Intel提出的RSA
（RackScaleArchitecture）架构、Google与伯克利提出的
WSC（WarehouseScaleComputer）以及国内的天蝎计
划。在硬件配置方面，为了便于统一管理和部署，可
以将服务器配置拉齐，对于特定网元和场景，可以部
署特定的资源池和加速池满足相应的能力需求，加速
池应是可弹性使用和可管理的且对于上层VNF来说
是透明的。
2.2软件部署的策略建议
在NFV基础设施中涉及软件较多，如图1所示，
NFV基础设施涉及到的主要软件包括虚拟化中间件、
GuestOS、VNFC和VIM。按照ETSI标准，VIM应该属
于MANO，但由于虚拟化中间件和VIM之间的紧耦合，
这里将其纳入到NFV基础设施中。
图1中的GuestOS和VNFC软件一般绑定后打包
成VNF镜像，虚拟化中间件和VIM通常由同一厂家提
供，对于相关软件部署策略如下。
a）在NFV小规模部署时期，软件以单厂家为主，
积极推动开源软件成熟。当前NFV基础设施中的软
件耦合性较强，虽然已有测试表明NFVI和上层VNF
在功能上的解耦情况较好，但是在性能方面的测试和
论证尚有待开展。此外，应积极推动开源软件的发展
和成熟。运营商使用开源软件也可以有效避免厂家
绑定、降低部署费用，同时由于开源软件对插件支持
程度较高，可选择的技术演进和升级路线较多。当前
基础设施中的开源软件如图2所示，其中Openstack开
源社区和OPNFV为主要的开源软件，当前Openstack
图1NFV基础设施中的主要软件
表3IT云和电信云的主要特征差异
资源特性
虚拟机特性
流量特性
服务特性
IT云
以CPU和存储为中心
虚拟机粒度小，虚拟机之间
相关性小
南北数据流量大于东西内部
数据流量
可达即可，对时延和QoS要
求不高
电信云
以网络功能和转发为中心
虚拟机粒度大，各个虚拟
机之间相关性强
东西内部数据流量大于南
北数据流量
对端到端时延和QoS要求
严格
VIM
（Virtualized
Infrastructure
Manager）
虚拟机
通用
硬件
虚拟化中间件
GuestOS
虚VNFC
拟机
GuestOS
VNFC
NFVIVIM
DPDK
图2NFV基础设施中的主要开源软件
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开源社区和OPNFV针对NFV的使用场景和具体需
求，都积极开展对Openstack的改进和增强工作，为开
源软件在NFV中的使用做准备。此外，已有较多运营
商开展了相关开源的工作，例如AT&T的混合云AIC
（AT&TIntegratedCloud）采用的就是Openstack；Verizon基于OpenstackKilo版本搭建其内部实验环境，并
扩展了开源对SR-IOV、DPDK、NUMA和SSD缓存等技
术的支持；NTT基于Openstack开展了一系列虚拟化网
元的部署。
b）在NFV大规模部署时期，虚拟化中间件和VIM
的解耦以商业软件为主，开源软件为辅。商业软件功
能相对成熟，且管理工具完善，利于解耦后的快速部
署，但是随着开源软件的进一步发展和完善，开源软
件的部署和落地会逐步具备相应的条件。
2.3站点选择的策略建议
NFV基础设施部署时站点的选择和网元的部署
位置相关，网元的部署位置大致可以分为3类：本地、
省集中和全国集中。本地部署的网元主要是对传输
时延敏感、用户业务体验影响较大的网元，这类网元
以转发面网元居多；省集中部署的网元主要是针对传
输时延较低，满足新业务快速使能和弹性扩展的网
元，省级业务部署相关的控制网元居多；全国集中的
网元主要是满足运营商集中控制管理和提升运维效
率的网元，这类网元主要对接的是运营商全国性的
OSS/BSS系统。
针对上述3类不同的网元，相应的站点选择建议
如下。
a）对于本地类网元，遵照就近的原则，以部署在
原有的通信机房为主。
b）对于省集中网元，可根据省级机房建设情况，
在通信机房或数据中心机房中部署，在部署前期考虑
到运维管理的问题应尽量选择在通信机房。
c）对于集团集中网元，涉及到与集团OSS/BSS系
统的对接，以及和集团已有的应用集成，应主要考虑
在数据中心机房部署。
2.4运维管理的策略建议
采用NFV后，基础设施作为上层电信网元和业务
的共用物理资源，对其应进行单独统一的管理，但是
考虑到在NFV部署和试点前期，网元的部署以电信机
房居多，同时NFV技术在告警关联和故障定位方面尚
未完全成熟，基础设施难以进行统一单独管理，需要
已有运维管理体系的逐步演进。
a）在NFV小规模部署时期，运维管理的工作主要
由传统电信运维人员负责。由于NFV对运维流程产
生影响，同时需要相关运维技术人员掌握传统数据中
心IT运维技能，需要对传统电信运维人员进行培训，
由运维人员在管理维护虚拟化网元的同时兼顾基础
设施的管理维护。
b）在NFV大规模部署时期，运维管理的工作主要
由NFV基础设施运维人员负责。随着NFV的大规模
部署和NFV技术的成熟，NFV技术对自动化运维管理
的支持程度逐步提升，基础设施和上层电信网元之间
的告警关联、故障定位和容量关联等方面划分清晰，
两者的管理完全可以独立，针对基础设施设立单独的
NFV基础设施运维人员。
3结束语
NFV基础设施作为NFV底层资源的提供者，其部
署地点、部署方式和运维管理会对上层虚拟化网元功
能和性能产生影响。本文从NFV基础设施面临的挑
战出发，分析其部署面临的主要挑战和问题，进而给
出相应的建设和部署策略，为实际NFV基础设施的建
设提供参考和指导。
参考文献：
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作者简介：
童俊杰，工程师，博士，主要从事网络功能虚拟化研究和标准化等工作；苗杰，高级工程
师，博士，主要从事网络功能虚拟化研究和标准化等工作；赫罡，高级工程师，博士，主要
从事核心网络新技术预研、网络规划、技术标准研究等工作。
基础设施及运维
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