未来网络架构的成本分析

周逸凡，孟旭东

(1.宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室，江苏 南京 210003；2.南京邮电大学 江苏省电信网络融合实验室，江苏 南京 210003)

0 引 言

被称为物联网(IoT)的互联网上的连接设备正在以惊人的速度不断增加。现有的网络基础设备难以处理飞速增长的数据。一个难题是网络基础设备与全球分布式设备的连接。新技术的出现导致硬件的不断过时，需要一种新的共享架构能够适应这种快速的变化[1-2]。另一个核心问题是网络的重新配置，以适应不断变化的流量特性如带宽和延迟要求[3-4]。对未来软件定义网络(SDN)和网络功能虚拟化(NFV)架构进行了讨论。建立了一个数学模型，讨论了在不同会话数以及不同服务提供商数量的情况下，用成本来分析这种基于SDN/NFV网络架构的优势所在。

1 基于SDN的物联网架构

在基于SDN的虚拟化结构中，底层硬件只负责数据的转发，没有其他控制和转发数据流量的智能因素设计[5]。整个网络管理和控制操作都是在SDN控制器中完成的，它将网络的控制平面和数据平面分离，它驻留在多个节点上，分布在大型云网络中的服务器，并且软件上表现为以集中方式对底层硬件进行逻辑控制。通过数据、控制和管理平面之间的标准API开发，允许异构设备无需任何困难即可连接到网络[6]。

在图1中SDN架构显示了三个不同的平面，即数据、控制和管理平面。数据平面驻留在实际网络硬件上，通过南向接口连接到控制平面。设备虚拟化发生在SDN控制器中的控制平面。位于控制层中的控制软件，与基础设施中的交换器路由等网络设备通过数据和控制平面接口交互，与应用层各种应用经由开放API交互。总之，SDN控制器对下负责网络设备的抽象，对上负责维护全局管理，并提供各种上层应用接口。

图1 SDN体系结构概念图

2 基于网络功能虚拟化(NFV)的物联网架构

基于网络功能虚拟化(NFV)的架构概念图如图2所示。虚拟机管理程序的虚拟层位于设备上，管理程序在这些物理硬件上创建虚拟机。通过开放的API进行虚拟硬件的访问。软件可以通过访问这些API以创建虚拟网络功能(VNF)。VNF可以用一个运行在独立服务器中的中央软件管理器来创建[7]。另一方面，VNF启用设备也可以使用中央SDN控制器进行控制，以便两种架构可以共存并共同运行[8]。

VNF体系结构的三个基本组件是：(1)物理硬件：硬件可以是任何裸机，如拥有CPU、内存和存储器等资源的机器；(2)虚拟管理软件层：这个虚拟层是运行在裸机硬件上的软件层，用于管理CPU资源、内存资源和存储容量；(3)虚拟机：虚拟机是模拟体系结构的软件。一个物理硬件可以运行多个虚拟机。在物理硬件上运行的最大VM数量取决于物理硬件的容量和每个VM使用的资源数[9]。NFV和SDN体系结构的关键优势在于可以整合基于COTS服务器用于大数据处理和计算的网络。蜂窝移动网络的物理层处理可以在这些COTS服务器中实现[10]。这对电信业是一大进步，它将改变整个蜂窝网络架构，大大降低成本投资，并通过采用基于云的数据中心来减少资源消耗[11-12]。但目前还没有测试这种网络的性能，只有通过未来用户试验测试才能回答这些问题。

图2 NFV体系结构概念图

3 基于4G基础设备的SDN/NFV体系结构的成本分析

本节采用一种数学模型来比较传统4G硬件网络以及使用基于云的SDN/NFV架构的未来网络成本。

3.1 成本分析：传统4G网络

假设一个4G中央路由器ri能够处理ki会话并且服务提供商i将花费ui价钱购买，路由器的保质期为x年，之后他们必须被替换。假设在相同的业务中有m个这样的服务提供商使用4G中央路由器ri，每个服务提供者m的总客户数设为cm。每个客户v∈{1，cm}使用了kv会话。所有的输入变量总结在表1中。

表1 4G网络输入变量的定义

服务提供商i支持所有客户所需的路由器数量以及x年的相关成本:

ni=(kv/ki)×ci

(1)

Ci=ni×ui

(2)

其中,ni是所需路由器的数量;Ci是服务提供商i在x年之间的成本。

所有m个客户的运营商所需要的成本总和是:

(3)

3.2 成本分析：基于SDN/NFV架构的网络

(4)

(5)

为了定量比较，令

(6)

(7)

服务提供商i在x年内使用基于SDN/NFV的网络所花费的成本，用它在4G网络中的Ci表示。

(8)

下式给出了服务提供商i使用基于SDN/NFV体系结构的共享网络成本降低百分比，由Γi表示。

(9)

(10)

3.3 结 果

以变量的形式来获取两种技术之间的差异，研究SDN/NFV网络和4G网络之间的相对成本，如上述模型所示。不过，该模型中提出了基于成本许多重要的参数。其中一个重要指标是设备支持的会话数量。

图3是使用基于SDN/NFV网络的虚拟机和4G硬件的成本分析。在该模型和所有呈现的结果中，假设所有客户在无限的时间段一直有流量。虽然这个假设不太现实，但它代表了最坏的情况，同时也代表了共享SDN/NVF网络资源的增益情况。因此相对成本是可靠和定量的参数。服务提供商i在SDN/NFV网络中的相对成本取决于虚拟机的功能。图3显示了4G路由器支持500个会话情况下的结果。通过将支持的会话数量从400提高到2 000，改变了SDN/NFV网络的虚拟机的性能。令虚拟机租用成本与购买4G路由器相同，很明显的看到，如果虚拟机功能不够强大，SDN/NFV网络的成本会更高。但是，当VM开始支持比4G路由器更多的会话时，SDN/NFV网络的成本就会下降。租用虚拟机的实际成本低于此时4G路由器的实际成本。当虚拟机可以支持2 000个会话时，在SDN/NFV网络上租用虚拟机的成本将大幅下降。

图3 单个服务提供商情况下虚拟机相对于4G网络硬件的成本比较

对于4G路由器分别支持500个和1 000个会话的情况，SDN/NFV网络的成本降低百分比如图4所示。可看出，SDN/NFV技术成功使成本降低40%～80%。但正如之前提到，成本与现有的4G硬件技术相关。使用高效虚拟化软件使COTS服务器更强大是降低SDN/NFV网络成本的另一个关键因素[13]。

图4 单个服务提供商的成本减少百分比

对于多个服务提供商，考虑两种情况，首先是3个服务提供商，其次是5个服务提供商。对于3个服务提供商，kv={1,2,3}，ki={700,800,1 000}，γi={0.5,0.6,0.7}，并且ci={1 500,2 000,2 500}。对于由5个服务提供商组成的另一个网络场景，kv={1,2,3,4,5}，ki={500,600,700,800,1 000}，γi={0.3,0.4,0.5,0.6,0.7}，且ci={1 500,2 000,2 500,3 000,3 000}。图5显示了共享通用SDN/NFV网络的所有服务提供商的总成本节省。

由图5可以看出，即使SDN/NFV没有采用复用增益，它仍然提供了大量的成本和能量节省。在未来的工作中，希望能进一步了解多路复用如何在共享SDN/NFV网络中提供更多的成本节约[14]。

图5 SDN/NFV网络所有服务提供商的总成本

4 结束语

研究了基于云的SDN/NFV网络，并提出了一个数学模型用于比较SDN/NFV网络和传统4G网络之间的成本。所有关键指标都是作为可变函数来研究它们对SDN/NFV网络中整体成本的影响。

基于文献中所提出的假设，文中提出的模型研究基于单个服务提供商和多个服务提供商。消除了任何复用增益的可能性，仍然发现在基于SDN/NFV网络中仍存在相当多的成本降低。这一结果证实了通过部署基于软件虚拟化的网络的可实现收益。