【云深知处】NFV理论与实践（1 ）-硬件标准化

硬件标准化

NFV（Network Function Virtualization）已经成为当前通信（CT，Communications Technology）最热的话题。最近听来一句话：现在不懂NFV，都没办法跟运营商高层谈战略。转成通俗语言就是：现在不懂NFV，你都不好意思跟人家打招呼。

移动数据网的使命

网络功能NF（Network Function）一直是我们工作的目标所在。在“力出一孔”的指导精神下，我们只谈移动通信网络的核心网部分。这部分网络功能是保证终端在移动的情况下，获得高带宽、高质量的数据体验。在今天，分组核心网的四大主要功能为：

1.     管理移动性和会话。使用有限的几种协议在网元间传递用户的承载上下文信息，为用户创建、修改和删除承载，支撑数据传送的移动性，并耗费尽可能少的无线资源。

2.     对用户进行鉴权和签约管理。传递和保存用户的鉴权和签约信息，进行简单的计算和比较来确认用户的合法性及权限，保证网络被授权用户在授权范围内使用。

3.     业务感知和控制。识别业务，匹配策略对数据包进行通过、丢弃、流控处理，较少修改数据包L4以下内容，几乎不修改L4以上的内容。

4.     用户面数据的转发。识别数据包地址，直接匹配路由转发。对隧道封装的数据包进行解封装和封装。

图1-1 移动通信PS域网络全图

处在网络不同位置的不同网元，分别承担了不同的功能。有些网元承担移动性管理、鉴权管理，参与极少的数据转发工作；有些网元处在用户面的通路上，参与大量数据转发；有些网元需要对数据包进行深度识别，需要做大量的计算工作；有些网元需要存储数据，进行频繁的硬盘读写。

图1-2 移动通信PS域网络的功能需求

CT的高度定制化

移动通信网络是一个“标准先行”的网络。在所有的网络流程、协议信元都经过深入讨论形成标准之后，各设备厂商设计产品、实现功能。

移动通信协议是固定的，产品所处理的内容不会超过协议定义的范围。

图1-3 CT精确定义的协议

在协议做小改动时，设备上通过升级软件去适配；当协议做大的演进时，设备上可能需要重新设计硬件，同时开发软件解决。

所以，通信设备的硬件和软件都是高度“定制化”。

图1-4 ATCA USN定制化的转发单板

不同单板因功能不同而设计有所不同。有的单板注重数据转发，有的单板注重信令处理。硬件工程师要根据单板功能、处理的协议栈不同而设计不同的芯片、单板布局（Layout）。比如专门数据包转发设计的单板上布置有转发能力特别强的NP、ASIC，这种芯片在硬件上专门为转发逻辑设计，能在硬件层面上识别数据包的地址、匹配转发表、将数据包快速发送到出接口。而这些专用芯片无法承担复杂的计算任务。这样的一个结果是带来单板的高性能，但同时也带来成本的问题：

1.     各种单板定制设计，只能同在通信领域特定的设备上，且有的单板与应用相关，生产和发货量小，难以形成规模效应，无法摊薄成本。

2.     实际现网运行时需要准备多种类型的备件，备件投入大；

3.     新协议和新业务上线需要重新设计单板，投入大，业务上线周期长；

例如，如果在2G网络中新部署Gb接口的加密，需要配置新的加密单板LFI单板。

图1-5 LFI硬件提供加密业务

高性能，定制化的硬件实现了最优的性能，也提高了硬件的集成度，是最优的网元实现架构。但是每个网元都有自己的硬件，不同的网元有不同的硬件，备件也不同，不同硬件有着不同的生命周期。考虑到整个网络中可能十几个网元，硬件的管理成本非常高。运营商认为，一旦采购了某设备商的产品，整个网络就被绑定在这些硬件上，无法轻易更换硬件。

多变的应用，不变的硬件

从构建信息社会的使命上来说，CT解决的是信息传递问题，IT解决的是信息呈现问题。CT建立低成本、高质量的网路，是用户在移动状态下获得越来越好的信息成为可能；IT建立合理的信息呈现方式、关系网，来达成低成本的交易、高效的信息流动。CT和IT一起“丰富人们的沟通和生活”。

不同的使命，决定了CT和IT在网络中工作层次的不同：

1.   CT主要关注网络层，一定程度上关注连接层，建立一个充分互联、尽量可靠的可互联世界；

2.   IT主要投入在应用层，一定程度投入连接层和网络层，建立一个内容丰富、流通便利的可感知世界。

图1-6 传统CT和IT的业务范围

信息呈现的方式多种多样，IT提供的业务千差万别。不同的应用又可以组合成更加复杂的应用。

以在线商城为例，用户访问在线商城，服务端需要解析用户请求的内容，根据用户请求的内容返回结果。服务端根据用户的浏览习惯、购物历史、收藏的商品来组合匹配用户购买倾向的首页内容；每种商品需要调用促销信息、查询并呈现库存状况；一旦需要生成订单，需要匹配用户位置确定发货仓库、查询用户账户中的优惠券信息、查询用户历史快递地址、付款方式。这些行为需要在众多的系统执行查找和计算工作，返回结果。

图1-7 在线商城的应用架构

而社交网络业务又是其他的业务模型。IT提供的是高度差异化的业务，针对每个用户都呈现不一样的内容，不同的公司提供的服务差异更加大。业务处理过程需要大量的计算和查找工作。

图1-8 典型的刀片机Layout

面对千差万别的业务，不同的IT应用在底层均采用相同的硬件，在这基础上开发不同的软件来提供不同的业务。IT使用通用的硬件、开放的标准，是由于IT的应用规模巨大、应用场景极多，无法用定制化硬件来解决问题。IT领域每个细分场景收入有限，要利用规模做软件拷贝，实现规模收入。所以IT采用通用CPU架构，在软件上进行定制，实现不同的业务。这样，IT业务的硬件可以快速采购和安装。IT行业通过通用硬件的扩容实现规模的快速扩展，通过软件的开发和升级实现功能的快速扩充。

这种通用的硬件被称为COTS（Commercial-off-the-shelf）商用现货，字面意思是能随时从货架上拿来用的商品。

运营商的期待

从订单到设计、开发、生产、发货、集成验证和上线商用，传统CT扩容和新业务上线周期需要数月甚至一年多，造成新业务上线周期长。同时，运营商认为，扩容和新增特性必须依赖原有设备供应商，弱化了运营商的谈判能力，增加了新业务上线的成本。运营商希望CT也能像IT一样，实现硬件（网络能力）和软件（网络功能）的分离，通过采购通用硬件实现能力的提升、容量的提高；通过升级软件实现功能的增加、新业务的上线，从而降低成本，提高响应速度。

图1-9 传统平台和云平台的对比

由Intel推动的基于x86的服务器价格不断下降、性能不断提升。用低效的X86架构来承担原通信行业专有ASIC芯片的处理工作，从成本上成为可能。同时，通用CPU也在底层引入了新的指令集，在处理通信协议栈上做了优化，增强了通信协议的处理能力。

通用CPU在保持着不断演进的强大的计算能力的同时，在结构设计上也增强了IO接口吞吐能力。

总之，通用CPU架构的服务器在今天已经可以开始取代专有硬件，从IT走向CT，拓宽的自己的职业空间。

本章主要概念：

NFV:Network Functions Virtualisation，网络功能虚拟化。ETSI NFV白皮书的定义是：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.

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

通俗的说就是将原来软硬结合才能实现的网络功能变成纯软件实现，硬件基于通用设备。

ASIC: application-specific integrated circuit，专用集成电路。一种特殊类型的芯片，根据使用者的需要设计、制造的实现特定功能的芯片，属于完全定制的硬件。

FPGA, field programmable gate array，现场可编程门阵列。专用集成电路（ASIC）领域中的一种半定制电路。系统设计师可以根据需要对其进行定制，实现所需要的逻辑功能，相当于定制的硬件。

NP：Network Processor，网络处理器。网络处理器是一种专门应用于网路应用封包的处理器。网路处理器也是集成电路（IC）的一种，区别于特殊用途积体电路(ASIC）的单一功能，网路处理一般通过定制实现网络处理特定的功能。

转自  作者|张明和