【云深知處】NFV理論與實踐（1 ）-硬件標準化

硬件標準化

NFV（Network Function Virtualization）已經成為當前通信（CT，Communications Technology）最熱的話題。最近聽來一句話：現在不懂NFV，都沒辦法跟運營商高層談戰略。轉成通俗語言就是：現在不懂NFV，你都不好意思跟人家打招呼。

移動數據網的使命

網絡功能NF（Network Function）一直是我們工作的目標所在。在“力出一孔”的指導精神下，我們只談移動通信網絡的核心網部分。這部分網絡功能是保證終端在移動的情況下，獲得高帶寬、高質量的數據體驗。在今天，分組核心網的四大主要功能為：

1.? ? ?管理移動性和會話。使用有限的幾種協議在網元間傳遞用戶的承載上下文信息，為用戶創建、修改和刪除承載，支撐數據傳送的移動性，并耗費盡可能少的無線資源。

2.? ? ?對用戶進行鑒權和簽約管理。傳遞和保存用戶的鑒權和簽約信息，進行簡單的計算和比較來確認用戶的合法性及權限，保證網絡被授權用戶在授權范圍內使用。

3.? ? ?業務感知和控制。識別業務，匹配策略對數據包進行通過、丟棄、流控處理，較少修改數據包L4以下內容，幾乎不修改L4以上的內容。

4.? ? ?用戶面數據的轉發。識別數據包地址，直接匹配路由轉發。對隧道封裝的數據包進行解封裝和封裝。

圖1-1?移動通信PS域網絡全圖

處在網絡不同位置的不同網元，分別承擔了不同的功能。有些網元承擔移動性管理、鑒權管理，參與極少的數據轉發工作；有些網元處在用戶面的通路上，參與大量數據轉發；有些網元需要對數據包進行深度識別，需要做大量的計算工作；有些網元需要存儲數據，進行頻繁的硬盤讀寫。

圖1-2?移動通信PS域網絡的功能需求

CT的高度定制化

移動通信網絡是一個“標準先行”的網絡。在所有的網絡流程、協議信元都經過深入討論形成標準之后，各設備廠商設計產品、實現功能。

移動通信協議是固定的，產品所處理的內容不會超過協議定義的范圍。

圖1-3?CT精確定義的協議

在協議做小改動時，設備上通過升級軟件去適配；當協議做大的演進時，設備上可能需要重新設計硬件，同時開發軟件解決。

所以，通信設備的硬件和軟件都是高度“定制化”。

圖1-4?ATCA USN定制化的轉發單板

不同單板因功能不同而設計有所不同。有的單板注重數據轉發，有的單板注重信令處理。硬件工程師要根據單板功能、處理的協議棧不同而設計不同的芯片、單板布局（Layout）。比如專門數據包轉發設計的單板上布置有轉發能力特別強的NP、ASIC，這種芯片在硬件上專門為轉發邏輯設計，能在硬件層面上識別數據包的地址、匹配轉發表、將數據包快速發送到出接口。而這些專用芯片無法承擔復雜的計算任務。這樣的一個結果是帶來單板的高性能，但同時也帶來成本的問題：

1.?????各種單板定制設計，只能同在通信領域特定的設備上，且有的單板與應用相關，生產和發貨量小，難以形成規模效應，無法攤薄成本。

2.?????實際現網運行時需要準備多種類型的備件，備件投入大；

3.?????新協議和新業務上線需要重新設計單板，投入大，業務上線周期長；

例如，如果在2G網絡中新部署Gb接口的加密，需要配置新的加密單板LFI單板。

圖1-5?LFI硬件提供加密業務

高性能，定制化的硬件實現了最優的性能，也提高了硬件的集成度，是最優的網元實現架構。但是每個網元都有自己的硬件，不同的網元有不同的硬件，備件也不同，不同硬件有著不同的生命周期。考慮到整個網絡中可能十幾個網元，硬件的管理成本非常高。運營商認為，一旦采購了某設備商的產品，整個網絡就被綁定在這些硬件上，無法輕易更換硬件。

多變的應用，不變的硬件

從構建信息社會的使命上來說，CT解決的是信息傳遞問題，IT解決的是信息呈現問題。CT建立低成本、高質量的網路，是用戶在移動狀態下獲得越來越好的信息成為可能；IT建立合理的信息呈現方式、關系網，來達成低成本的交易、高效的信息流動。CT和IT一起“豐富人們的溝通和生活”。

不同的使命，決定了CT和IT在網絡中工作層次的不同：

1.???CT主要關注網絡層，一定程度上關注連接層，建立一個充分互聯、盡量可靠的可互聯世界；

2.???IT主要投入在應用層，一定程度投入連接層和網絡層，建立一個內容豐富、流通便利的可感知世界。

圖1-6?傳統CT和IT的業務范圍

信息呈現的方式多種多樣，IT提供的業務千差萬別。不同的應用又可以組合成更加復雜的應用。

以在線商城為例，用戶訪問在線商城，服務端需要解析用戶請求的內容，根據用戶請求的內容返回結果。服務端根據用戶的瀏覽習慣、購物歷史、的商品來組合匹配用戶購買傾向的首頁內容；每種商品需要調用促銷信息、查詢并呈現庫存狀況；一旦需要生成訂單，需要匹配用戶位置確定發貨倉庫、查詢用戶賬戶中的優惠券信息、查詢用戶歷史快遞地址、付款方式。這些行為需要在眾多的系統執行查找和計算工作，返回結果。

圖1-7?在線商城的應用架構

而社交網絡業務又是其他的業務模型。IT提供的是高度差異化的業務，針對每個用戶都呈現不一樣的內容，不同的公司提供的服務差異更加大。業務處理過程需要大量的計算和查找工作。

圖1-8?典型的刀片機Layout

面對千差萬別的業務，不同的IT應用在底層均采用相同的硬件，在這基礎上開發不同的軟件來提供不同的業務。IT使用通用的硬件、開放的標準，是由于IT的應用規模巨大、應用場景極多，無法用定制化硬件來解決問題。IT領域每個細分場景收入有限，要利用規模做軟件拷貝，實現規模收入。所以IT采用通用CPU架構，在軟件上進行定制，實現不同的業務。這樣，IT業務的硬件可以快速采購和安裝。IT行業通過通用硬件的擴容實現規模的快速擴展，通過軟件的開發和升級實現功能的快速擴充。

這種通用的硬件被稱為COTS（Commercial-off-the-shelf）商用現貨，字面意思是能隨時從貨架上拿來用的商品。

運營商的期待

從訂單到設計、開發、生產、發貨、集成驗證和上線商用，傳統CT擴容和新業務上線周期需要數月甚至一年多，造成新業務上線周期長。同時，運營商認為，擴容和新增特性必須依賴原有設備供應商，弱化了運營商的談判能力，增加了新業務上線的成本。運營商希望CT也能像IT一樣，實現硬件（網絡能力）和軟件（網絡功能）的分離，通過采購通用硬件實現能力的提升、容量的提高；通過升級軟件實現功能的增加、新業務的上線，從而降低成本，提高響應速度。

圖1-9?傳統平臺和云平臺的對比

由Intel推動的基于x86的服務器價格不斷下降、性能不斷提升。用低效的X86架構來承擔原通信行業專有ASIC芯片的處理工作，從成本上成為可能。同時，通用CPU也在底層引入了新的指令集，在處理通信協議棧上做了優化，增強了通信協議的處理能力。

通用CPU在保持著不斷演進的強大的計算能力的同時，在結構設計上也增強了IO接口吞吐能力。

總之，通用CPU架構的服務器在今天已經可以開始取代專有硬件，從IT走向CT，拓寬的自己的職業空間。

本章主要概念：

NFV:Network Functions Virtualisation，網絡功能虛擬化。ETSI NFV白皮書的定義是：Network Functions Virtualisation aims to transform the way that network operators architect networks by evolving standard IT virtualisation technology to consolidate many network equipment types onto industry standard high volume servers, switches and storage, which could be located in Datacentres, Network Nodes and in the end user premises, as illustrated in Figure 1. It involves the implementation of network functions in software that can run on a range of industry standard server hardware, and that can be moved to, or instantiated in, various locations in the network as required,without the need for installation of new equipment.

見：http://portal.etsi.org/NFV/NFV_White_Paper.pdf

通俗的說就是將原來軟硬結合才能實現的網絡功能變成純軟件實現，硬件基于通用設備。

ASIC:?application-specific integrated circuit，專用集成電路。一種特殊類型的芯片，根據使用者的需要設計、制造的實現特定功能的芯片，屬于完全定制的硬件。

FPGA,?field programmable gate array，現場可編程門陣列。專用集成電路（ASIC）領域中的一種半定制電路。系統設計師可以根據需要對其進行定制，實現所需要的邏輯功能，相當于定制的硬件。

NP：Network Processor，網絡處理器。網絡處理器是一種專門應用于網路應用封包的處理器。網路處理器也是集成電路（IC）的一種，區別于特殊用途積體電路(ASIC）的單一功能，網路處理一般通過定制實現網絡處理特定的功能。

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