浅谈NFV的产生、发展及影响

摘要：随着云计算、SDN等相关技术的发展，对现有的网络提出了新的能力需求：网络具备高弹性、业务开通分钟级、网络部署更低成本等等。NFV技术它利用虚拟化技术，将传统架构分层解耦，重新按需编排，很大程度上满足了上述需求。NFV属于当前为缓和和解决各种行业问题而衍生的新技术，本文主要从NFV产生的行业背景，NFV的实现原理和系统架构，NFV后续的发展方向以及对行业的影响等方面进行阐述，希望能给读者提供一定的帮助。

关键词：NFV技术;虚拟化技术;架构解耦

前言

NFV是近期发展起来的技术，NFV技术的有低成本、灵活性、高效率的特点，为云计算、SDN的发展提供了前所未有的驱动力。NFV目前还处于发展阶段，存在各层级接口标准不够成熟、完善，制造商还在探索自身的市场定位，运营商缺乏维护和管理经验等问题。不过在不久的将来，凭借NFV技术特点和特有的优势，将会助力云计算、SDN向跟高一级的目标发展，成为影响和推动IT、CT行业转型发展的核心动力。

一、NFV的产生

云计算的产生，带来了更高的生产效率，更低的成本，更灵活的资源调度与分配，也对网络的能力和灵活性提出了新的需求。

传统基础通信网络的网元采用软/硬件一体化设备架构，造成了物理网络的复杂性、资源利用率不高，设备采购周期长、成本高，实施部署难度大，自动化管理程度不高等，更重要的是，这种封闭型的组网架构，阻碍了云计算的发展，使得云计算无法灵活、动态的按需分配网络资源，不能高效、公平的分配网络资源。在各种矛盾和问题的积累下，衍生了一项新技术，网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，缩写 NFV），它利用虚拟化技术，将网络节点层级按功能分块，各功能块通过软件方式实现，并将软件部署到通用的硬件设备上，实现特定的网元功能服务，从而有效的解决了上述问题和矛盾。

2012年，美国AT&T、BT（英国电信）、DT（德国电信）等基础电信网络运营商在ETSI（欧洲通信标准协会）提出NFV。据不完全统计，到目前为止，ETSI的NFV ISG（NFV规范组）在通信界全球范围内已经拥有上百家成员单位以及接近两百家参与单位。

二、NFV的原理与实现

NFV是将功能软件解耦后，部署到在通用IT硬件上虚拟出设备上，完成网络功能的实现。NFV试图打破传统电信设备的竖井式体系，将通信网元功能分层解耦并引入新的MANO管理体系实现网元全生命周期管理。与传统模式相比，主要有两个方面的变化，一方面是新增虚拟化层，即通过虚拟化软件将硬件资源池化，根据上层应用需求按需分配资源;另一方面传统的实体网元设备将由虚拟机替代。

在虚拟化网元模式下，不同业务系统共享硬件资源，资源以流动方式在不同应用间均衡，使得资源的利用率更高。同时网络扩容通过新增虚拟资源的形式实现，基本不涉及新增硬件调测，响应速度更快。

NVF具有四大基本特征：采用虚拟化技术、通用基础设施、云化管理和网络的自动化部署。

（一）虚拟化技术。虚拟化是指将提供资源能力的硬件设备，通过软件将其抽象重新定义，为业务提供按需分配、统一管理的技术。如将一台物理服务器通过虚拟化软件划分出多个虚拟计算机，每个虚拟计算机可以提供一个独立的运行环境，而这些虚拟计算机共享同一台物理服务器的硬件资源。

（二）通用基础设施。包括统一的标准化计算服务器、存储设备、网络设备等。

（三）云化管理。将通用的基础设施进行虚拟化，形成统一的虚拟资源池，对虚拟资源统一分配和調度，以及对应用和业务的生命周期统一管理。

（四）网络自动化部署。网络维护人员操作云管理平台对网络进行功能编排（Orchestration），通过统一的资源管理、自动化的流程、资源调度和调整策略，采用事先定义好的网络服务模板NSD、虚拟网元模板VNFD，进行网络、网元的创建，实现资源池资源的按需使用，并结合SDN完成自动化配置网络。

三、NFV的架构

NFV的标准架构主要包括NFVI，VNF和MANO三个模块。

NFVI（NFV Infrastructure）包含物理资源层和虚拟化层。物理资源层主要包括通用的硬件设备（如通用服务器、交换机、存储设备等），虚拟化层主要包括基于hypervisor的虚拟化（如VMware vSphere、KVM等）和基于容器的虚拟化技术（如Docker）。NFVI作为通用的虚拟化层，将资源定义为一个池，对资源统一分配和管理，按需为上层的VNF分配资源。

VNF（Virtualization Network Functions）虚拟网络功能，以软件的形式提供服务，将功能软件部署到由NVFI提供的虚拟化基础设施（如虚拟机、容器）中，实现特定的网元功能服务。VFN可以单独组网，也可以与传统的硬件网元（PFV）混合组网，为用户提供端到端的网络服务。

MANO（Management and Orchestration）管理与编排，主要有三分部分组成：NFVO、NFVM 和VIM 。其中NFVO负责与OSS/BSS对接，NFVM负责对VNF管理，VIM负责对虚拟化基础设施（NFVI）管理。并且各类虚拟网元（NFV）、物理网元（PFV）经过MANO的合理编排后，才能使整个系统发挥应有的作用。

VIM（Virtualised Infrastructure Manager）虚拟基础设施管理器，主要负责对NFVI进行管理和资源分配，各VNF所需的虚拟化资源（如计算、存储和网络等）由VIM统一分配，例如VMWare的vCenter，对Esxi上的VM进行资源的管理分配和调度等。

VNFM（VNF Manager）虚拟化网络功能管理器，主要负责VNF开启/关闭，NVF资源使用情况及生命周期等相关管理，如网元功能的创建/删除、扩容与缩容等功能。

NFVO（Network Functions Virtualization Orchestration）网络功能虚拟化编排器，负责接收编排任务，对VNF与资源编排从而完成总体管理，是整个NFV架构的控制核心。NFVO还负责对NS（网络服务）、VNF生命周期的管理和NFVI各类资源的管理，进行统一协调，对各类虚拟网元进行资源分配，保证网元间协同工作，完成整个网络的部署和优化。

四、NFV的发展

（一）架构解耦

1.单一厂家

单一厂家模式，硬件、功能软件以及管理软件均由同一厂家生产、开发以及统一集成，这种模式下只能实现同一厂家不同网元硬件资源共享，网络编排能力通过厂家私有协议实现。由于是软件硬件同厂家，因此在出厂前就做了各种测试、优化和联合调试，这种模式下的整个系统的兼容性好，协同能力高。并通过厂家提供的一套管理系统进行操作管理，系统維护难道低，操作简单。但自主性差，各层间接口不开放，功能的优化依赖厂家，以及后续的系统扩建和个性化功能需求增减均也受到厂家的约束。

2.二层解耦

二层解耦分为两种：一种是资源层和功能层解耦，另一种是软硬件解耦。

资源层是指提供处理能力的虚拟化平台（包括物理硬件和虚拟化软件），功能层是指实现特定网元功能的软件。资源层只负责提供处理能力，对上层提供统一标准的能力调用接口，供上层的功能软件调用。用户可以根据需要选择功能软件和虚拟化平台厂家，也可以针对个性化需求自行研发功能软件，部署到不同厂家的虚拟化平台上。这种模式下，用户有一定的自主权，也带来更多的竞争性，一定程度上保证用户的选择权。但运行管理需要多套管理系统对不同层级分别进行管理，同时还需要独立的编排器，增加了网络的复杂性和维护难度，各厂家间的权责划分不清晰，对故障的排查和处理带来一定的难度。

软硬件解耦是指虚拟化软件和功能软件为同一厂家集成，硬件可以是不同厂家的通用服务器。这种模式，部署起来比较简单，只需要将厂家集成好的镜像安装到通用服务器即可。管理系统也由厂家提供，对网元管理的一体化服务使后期的操作维护较为简单。同时，用户的自主性偏差，基本只能选择厂家，而不能实现自主优化系统和自研软件的部署。

3.三层解耦

三层解耦是功能软件、虚拟化层和硬件的解耦。自上而下全解耦，各个层级均可自主性的选择厂家，形成了一个更加开放，更加具有竞争力的平台。硬件厂家提供通用的服务器硬件，通过IPMI进行操作和管理;虚拟化层提供虚拟化软件和虚拟化管理平台平台，对硬件资源进行抽象池化和分配，供上层功能软件调用;功能软件层只需部署满足需求的功能软件即可。这种模式下，用户可以分层级采购，有更多的价格优势。厂家为了引导用户同时使用自己的软件和硬件，将会为用户提供更多的功能或服务。用户也可以对虚拟化层软件和功能软件自研，极大的用提升用户的自主能力，使系统能有更高的性价比。但是，用户不但需要协调各层级之间的对接、各厂家之间的对接，还需要有更强的技术团队进行操作维护，导致系统的兼容性不高，权责模糊界线增多，后期的运维成本将大幅度增加。

4.发展方向

NFV未来的演进可能包含两个阶段：过渡阶段和成熟阶段。

在过渡阶段，NVF将在传统的业务架构上尝试引入功能软硬件解耦，主要表现为将功能软件从专用硬件上剥离，迁移到基于通用硬件虚拟化的VM上，实现特定的网元功能。

在成熟阶段，NFV架构将实现完全解耦（三层解耦），各层次定义完善标准化接口，有一套成熟、完善的管理系统和支撑体系，完成资源的分配、对业务的自动化部署以及对网元全生命周期管理。这也将是业务部署的主要方式。

五、NVF的对行业发展的影响

NFV是通信领域的一次重大变革，可在通信网的各个领域内应用，对网络影响极其重大，企业（包括通信运营商和产品制造商）在网络架构和组织、运营理念、管理流程和企业组织架构等方面都可能面临深层转型。

（一）通信产业链发生变革

在运营商方面，当前运营商采购模式为“软硬一体”，即采购的硬件设备已预装授权的软件。新模式下，运营商统一采购硬件平台，可单独采购所需网元功能的软件和虚拟化软件，产业链细化为功能软件提供商、虚拟化产品提供商、通用硬件设备制造商、集成商。

制造商方面，传统设备制造商可能转型为虚拟化软件提供商，在运营商统一建设模式下，运营商将负责整合硬件设备、虚拟化产品及NFV网元软件功能，或由专门的系统集成商集成后提供给运营商。

（二）网络架构调整

新型网络架构将以数据中心为基础，各数据中心以云计算技术进行组织并放置NFV虚拟化的通信网元，各数据中心间通过以SDN技术实现调度的IP承载网络进行连接。未来网络发生的根本性变化将围绕以下三个技术：传统机房改造为数据中心，机房内采用云计算架构组织;传统通信网元通过NFV虚拟化技术实现软件化;通过SDN技术实现数据中心内和数据中心间的IP资源及策略调度。

（三）维护管理发生变

NFV后网络管理对象发生变化，网元虚拟化后软硬件解耦，网管对象发生变化，对资源管理、故障管理、性能管理带来一定影响。

1.网络管理的对象发生较大变化。管理对象从单一网元转变为虚拟网元、虚拟机、物理机及相互映射关系;物理资源、虚拟资源、网络服务之间的关系都是可变的，不再是静态一一对应关系，被管对象之间一对多或多对多的关系，使得网元故障、配置和性能管理变的相对复杂。

2.传统网管体系功能均需要调整。资源管理需定义新的管理对象的数据模型;制定故障上报流程、故障关联功能要求;定义新的性能指标及上报流程;统一采集平台相关的功能、流程需要针对新的管理对象进行定义。

（四）网络维护方式发生变革

在NFV架构下，运维模式发生较大变化，传统划分的专业维护层面的维护依然存在，并新增云维护专业相关内容。维护内容变成了三大块：硬件维护、云维护和业务维护。三大内容的维护边界需要重新划分和定义，维护团队需要重新组织，并对维护人员的技能提出新的要求。

六、NFV带来的效应

（一）释放价值、高敏捷性和提节省资金

一个系统、功能平台或者是一台功能设备，主要分为能力资源层（简称能力层）、功能实现层（简称功能层）。能力层負责提供处理能力，功能层负责调用能力资源实现特定功能。传统模式下，功能层和能力层是同厂家紧耦合的，升级或扩建需要同时采购软硬件。升级扩容不能精准按需，能力层与功能层匹配由厂家定义，造成资源利用率不受控。

而NFV就较好解决这个问题，将能力层池化统一管理和分配，可以将资源过剩的单个设备按需划小再分配，也可以将多个资源不足的设备能力按需聚合，为上层应用提供能力服务。虚拟化技术还提供对上层应用无感知的资源的弹性伸缩，对上层应用无感知进行位置迁移等能力。使资源能够充分利用，为业务的开通、维护管理提供更智能的手段。

多层解耦的开放式架构，提供了更具竞争性的行业平台。而用户将获得更大的价格优势，同比之下将可以生产更多产品或提供更多服务，创造更多的价值。NFV的特点还将使得SDN网络环境部署变得更低成本，统一管理变得更灵活高效，促进SDN的发展。

（二）行业效应

新技术革命影响主要表现在两方面。一方面，新技术革命促进了行业生产力的发展。分层解耦，促使分工细化，造就了生产效率的提升。NFV打破了传统的固化的系统架构，将IT和CI融合到一起，一定程度上解放了生产力，促进了生产力的发展。NFV将会推动行业内生产力各要素的变革，引发了人们观念和思维方式的更新，拓展了创造性思维，为行业乃至社会的发展奠定了基础。

另一方面，新技术革命使产业结构发生变化。随着NFV的推进和发展，使得从事网络功能设备生产和销售的企业，不再需要同时具备硬件生产和软件研发的能力;原来生产通用硬件设备的厂商，可以更关注与设备的性能提升;后期企业内部、行业内部的分工协助关系和生产关系将进优化和调整，使之更适应于NFV带来的生产力发展，推动IT和CT业向更高一级的目标迈进。

参考文献：

[1]赵河，华一强，郭晓琳.NFV技术的进展和应用场景[J].邮电设计技术.2014（06）：62-67.

[2]陈晓敏，朱明星，杨森，周圣.NFV架构及其优势挑战[J].通信电源技术.2020（06）：178-179.

作者简介：

黄勇（1984-），男，汉族，广西河池市，本科，中级工程师职称，主要研究方向：云网融合。