摘要：随着运营商宽带业务的发展和和网络规模持续扩大，家庭网络结构如何演进，为用户提供更优体验，成为了急需解决的问题。本文结合网络重构背景下家庭网络标准的进展，研究将软件定义网络（SDN）与网络功能虚拟化（NFV）等前沿技术相互融合在一起，提出了一个面向未来移动通信的新型网络架构，并就其关键技术进行了初步分析。
关键词：网络结构；软件定义网络；网络功能虚拟化
引言
家庭网络作为计算机网络技术、通讯技术以及家电技术的结合物，是信息科学技术一个新的典型应用，为广大家庭用户创设了信息化传输平台。随着宽带网络的普及和家居设备的数字化，家庭网络的业务和应用不断深入发展，传统家庭网络架构面临着一系列问题和挑战。
1.标准进展
1.1 ETSI
2012 年10 月，AT&T、英国电信等13 家著名电信运营商在德国SDN 和OpenFlow 大会上首次发布了NFV白皮书，为了加快NFV产业进程和落地应用，7 家运营商在ETSI 推动下发起成立了网络功能虚拟化标准工作组NFV ISG（Network Fuction VirtualisationIndustry Specification Group）。2013 年10 月，ETSI 发布了首批5 个网络功能虚拟化（NFV）规范，包括NFV业务场景、要求、框架和术语。《ETSIGSNFV001NFVUseCases》（NFV的应用场景）提出了在网络功能虚拟化环境下，电信运营商在NFV架构下的需求和9 种典型应用场景。家庭互联网应用相关终端的高级网络功能上移至局端，并采用虚拟化方式提供给家庭客户的场景。实现家庭接人组网虚拟化后，家庭网关及机顶盒等应用外设终端的功能将得到极大的简化，相关较高级的网络功能将转由运营商局端的虚拟化网络提供，可以方便地支持互联网应用创新部署，增强家庭客户端到端网络的电信级管理能力，并降低家庭组网的复杂度，提升客户感知。家庭环境的虚拟化场景中，描述了家庭环境虚拟化的驱动力、组网建议、虚拟化目标和采用NFV 技术将家庭环境中的家庭网关和机顶盒的业务和功能分别上移到云平台中的vRGW和vSTB 组件后可能面临的问题和挑战[1]。
1.2 BBF
2012 年BBF提出了的网关功能上移技术思路，专门成立了正式项目WT- 317 Network EnhancedResidential Gateway（NERG），研究家庭网关虚拟化方案。该方案在用户侧部署简化的桥式网关，将家庭网关的三层功能虚拟化后分布在网络虚拟网关上，并在此基础上讨论了NERG的功能分布、NERG的IPv4 地址的管理和迁移到IPv6 的作用、现有的家庭业务和新业务的要求（互联网接入、IPTV、网络电话、视频点播、无线网络、视频点播、M2M、云存储等）、服务质量、安全等。2016 年7 月，该项目的技术报告已正式发布。
1.3 CCSA
中国通信标准化协会CCSA 传送网与接入网工作委员会接入网及家庭网络工作组（TC6/WG2）2013 年开始立项研究基于公用电信网的宽带客户网关虚拟化系列规范，对公用电信网宽带客户网关虚拟化的架构、提供的业务、功能划分和管理等提出了具体的要求。宽带客户网关虚拟化是网络功能虚拟化（NFV）整体架构的一部分，虚拟家庭网关是部署在网络侧的家庭网关功能集合，和实体家庭网关一起为家庭用户提供宽带业务，虚拟家庭网关是网络功能可以是一个VNF，也可以是多个VNF的集合。
目前来看由于家庭网络虚拟化业务场景复杂，各运营商宽带网络建设步骤有差异，对网关虚拟化技术细节尚无统一定论，后续还有很多工作要做[2]。
2.网络架构
从网络演进的角度看，融合、扁平化是未来网络发展的趋势。在此背景下，通过网络功能虚拟化（NFV）技术，将家庭网络中分散部署的网络功能上移或集中到城域网边缘，可以简化网络的运营和维护，提高管理效率和业务部署能力。另一方面，通过转发与控制分离将终端与SDN 结合，可以推动家庭网络向智能灵活、可管可控的未来网络演进。
基于SDN/NFV 融合架构的家庭网络主要包括实体网关和虚拟网关两部分，实体网关位于家庭内部，作为用户的管道中心，负责家庭内部设备之间的数据转发；虚拟网关建立在通用硬件之上，部署在本地数据中心，作为家庭用户的应用中心，网络架构如图1所示。
其中虚拟网关平台：在家庭网络虚拟化场景下部署在网络侧的家庭网关功能集合，支持云部署，可以部署在一个网络侧设备上，也可以分布式部署在多个网络侧设备上，这些功能和部署在客户侧的实体家庭网关一起提供宽带家庭网关的功能。
宽带实体网关：在宽带客户网关虚拟化场景下部署在宽带家庭客户侧的网关设备。家庭网络内部各种终端通过宽带实体网关获得网络和业务的访问能力。宽带实体网关通过实现开放的流表执行能力和动态管理协议，实现网关设备的转发和控制的分离，在SDN控制器的控制下，对家庭网络的各种网络服务进行精细调度，提升用户宽带服务的体验[3]。
图1 基于SDN/NPV融合的家庭网络架构
宽带实体网关和虚拟网关平台可以采用基于二层隧道技术的逻辑链路连接（LSL）来保证连接和对应关系，支持多个家庭网络之间通过LSL进行互通，实现多个家庭网络组成一个新的逻辑网络。
3.关键技术分析
3.1 基于网络功能虚拟化的云平台技术
NFV要实现硬件资源与软件功能的解耦，需要通过标准的接口、通用的信息模型以及信息模型与数据模型之间的映射来实现，同时还需要一套新的管理和编排功能系统。NFV引入了管理和编排功能MANO，主要用于提供虚拟化资源、虚拟化网络功能和网络业务的统一管理，包含3 类功能模块：NFV 编排器（NFVO）、VNF 管理器（VNFM）和虚拟化基础设施管理器（VIM）。VNF 生命周期管理是NFV 架构下实现自动化运维的关键环节，由MANO和EMS协同完成，包括VNF的实例化、终结、查询、扩容/缩容、自愈等功能，实现了自动化资源编排、智能部署编排、弹性扩缩容决策等。在具体部署时需根据业务的规格需求和基础设施的硬件属性完成自动化资源编排，根据亲和性/反亲和性策略、基础设施资源的负荷/可用状况等关键要素完成智能部署编排，基于网元的CPU 占用率、用户容量门限、带宽使用率等关键要素进行扩缩容决策。上述算法的参考要素和具体实现需要在本项目中研究和攻关。
3.2 支持OpenFlow的虚拟交换机技术
支持OpenFlow 的虚拟交换机技术核心架构主要包括OpenFlow 协议支持和数据转发通路两个部分。虚拟交换机的数据转发通路（DataPath）主要用于执行数据交换工作，即负责从设备入端口接受数据包并依据流表信息对其进行管理，例如将其转发至出端口、丢弃或者进行数据包修改。而虚拟交换机的OpenFlow协议支持则用于实现交换策略，及通过增加、删除、修改流表项的方式告诉数据转发通路针对不同的数据流采用不同的动作。另外虚拟交换机提供了两种数据转发通路：一种是完全工作在用户态的慢速通道，另一种则是利用率专门的Linux内核模块的快速通道[1]。
3.3 NFV基础设施（NFVI）技术
NFVI需要支持所有的场景用例和应用领域，并提供稳定的虚拟网络功能生态系统的演进平台。NFVI是由硬件、软件组件构成，部署虚拟网络功能的环境，集合地实现VNF的公共执行环境并支持对VNF的部署、互联和管理。NFVI提供了一个支持多租户的基础设施环境，并实现通过标准的IT 技术同时支持多个场景用例和应用领域[2]。NFV基础设施部署在各种分布式NFVI 节点支持不同场景用例和应用领域的本地化和低时延目标。NFVI局点可包括一个或者多个NFVI节点，也可包括其他的网元。业务提供商的NFVI节点的数量取决于这些节点的容量、负载和应用领域。虚拟网络功能可以按需在NFVI 节点的容量限制内动态的部署在NFVI。NFVI根据功能可以进一步划分为计算域（Computer Domain）、Hypervisor 域（HypervisorDomain）和基础网络设施域（InfrastructureDomain）3 个部分。
●计算域：涉及处理器/加速器、网络接口和存储硬件3 类资源，其中，还包括计算域与NFVI 其他域之间的接口、由计算域直接支持连接NFVI外部的接口。
●Hypervisor 域：提供了支持多租户VNF 的部署和执行环境。NFVI使用VMwarevSphere、KVM、XEM或者其他Hypervisor技术作为方案的实现。
●基础设施网络域：包括虚拟网络、其他虚拟层选项、网络资源、控制和管理代理以及OAM的南北向和东西向接口等[4]。
3.4 虚拟网络功能（VNF）的实现技术
NFV是实现网络功能虚拟化的技术，如何从网络功能提供角度实现虚拟化是重要的关键技术之一。基于硬件实现向基于软件实现过渡是NFV的重要课题。
作为虚拟化网络功能的一般方法和公共软件的设计模式，提出了VNF组件（VNFComponent，VNFC）的概念。VNFC是NFV中VNF的内部组件，可映射到一个单一的容器接口并提供VNF的功能子集，及VNF细分成细粒度的VNFC。
3.5 管理与编排
NFV技术通过虚拟化层从计算、存储和网络资源中解耦了网络功能的软件实现。这种解耦需要一套新的管理和编排功能以满足软硬件之间的独立性，因此，需要通过标准的接口，通用的信息模型以及信息模型与数据模型之间的映射来实现。
NFV 技术的优点之一是通过容器快速扩展和新网络功能模块快速部署的灵活性。为了利用NFV 技术的灵活性，高级的自动化功能需要通过虚拟网络功能的部署、配置和性能测试体现。NFV管理和编排可以分为3 个粒度：虚拟化资源、虚拟化网络功能和网络业务的编排和管理。其中，网络业务是指VNF和物理网络功能（PhysicalNetwork Function，PNF）的串联[4]。
虚拟化资源的编排和管理包括提供给VNF 和网络业务的资源的所有功能。虚拟化资源与虚拟化容器相关联，可以分类为计算、存储和网络3 类，并向上层应用提供调用接口。
4.结束语
总之，家庭网络是向用户提供丰富、多样化业务的重要手段。本文利用NFV和SDN进行了网络功能和网络资源的虚拟化，设计了一种基于NFV和SDN的家庭网络架构，能够满足未来超大带宽处理的需求，又能够通过资源共享，大幅降低网络建设和维护成本，具有一定的推广价值。
参考文献：
[1]周海泉.家庭网络体系架构研究及其融合终端的实现[J].声学所博硕士学位论文，2008.
[2]王斌，钟丽静，冯承文.家庭网络服务的一般框架[J].家电科技，2007（3）：47-48.
[3]朴仁昊，李相浩，金加一.家庭网络的业务框架：，CN 1825823 B[P].2011.
[4]赵巍，李勇.基于SDN/NFV的移动核心网关键技术研究[J].自动化与仪器仪表，2017（4）：1-3.
论文作者:赵耀
论文发表刊物:《基层建设》2018年第24期
论文发表时间:2018/10/1
标签：网络论文; 家庭论文; 网关论文; 功能论文; 架构论文; 业务论文; 技术论文; 《基层建设》2018年第24期论文;