云计算在电信领域的应用

1 电信领域面临的问题和机遇
    电信网络发展到今天，已经日益复杂和庞大。而电信网的建设模式并没有根本的变化，各个电信设备厂商根据业务需求设计自己的解决方案，采用专用的软硬件和管理系统，不同厂家设备之间通过标准协议互通。在这种模式下，形成了开放标准下封闭的产品体系。随着电信网络的发展和社会环境的变化，这种模式的弊端日益显现。

    首先，是资源利用率低，建设成本高。无论是设备初始建设还是系统扩容，运营商都要根据预期的最大业务容量来进行规划。由于不同厂商的硬件设备不能共用，导致每一类设备都有相当大的冗余，设备和机房空间浪费严重。

    其次，能耗居高不下，节能减排压力大。按传统电信设备的设计方式，无论电信业务量有多大，设备始终运行，导致其设备始终按最大容量耗电。

    第三，维护复杂，升级扩容代价大。电信设备的升级扩容是比较复杂，需要专业人员参与，也会对业务运行产生影响。而且，厂商软硬件的差异，给设备维护带来很大工作量。

    第四，新业务开发代价较大，业务创新困难。电信业务开发过程中需要考虑硬件开发、业务逻辑开发、协议互通、可靠性和扩展性，整个过程周期长，投入大。另外，电信网原有的一些成熟的业务能力不能复用，许多开发工作不得不重复进行，制约了业务创新的步伐。

    近几年互联网发展十分迅猛，许多优秀的互联网企业在探索中逐渐找到自己的解决办法，这就是云计算。例如，Google采用分布式计算、分布式文件系统和分布式数据库技术实现了在低成本设备上提供高可靠、大容量的存储和计算能力；Amazon利用虚拟化技术出租自己冗余的设备资源获取利润；一些客户关系管理(CRM)、企业资源规划(ERP)厂商在互联网上推广自己的软件，用户上网即可使用，达到了低成本高效率。
云计算逐渐走向成熟，虽然目前云计算还不够严谨和规范，但是它在互联网的成功给电信领域带来了新的思路和机遇。

2 云计算在电信领域的应用模式
    云计算是一种应用模式，它涵盖了多种技术，这些技术之间甚至有着较大的差别，但它们有着共同的特征：按需自服务、广泛的网络接入、资源池、快速弹性和服务的可度量[1]。这些特征符合电信网的需求，使电信网具有采用云计算技术的动力。

    在云计算架构中，有3种角色，分别是服务提供者、服务开发者和服务消费者[2]。电信网的主要角色是作为服务提供者为客户提供云计算服务。另外，服务开发者也是非常重要的角色，运营商本身、独立开发商和个人都可以成为服务开发者。

    从服务类型的角度看，云计算有3种服务类型：基础设施即服务(IaaS)、平台即服务(PaaS)和软件即服务(SaaS)。云计算服务提供商可以提供其中一种类型的服务，也可以同时提供多种类型的服务。对于电信运营商来说，根据不同的目的和需求可以采用不同的云计算服务类型。下面从服务类型的角度来看云计算在电信领域的应用模式。

2.1 基础设施的云化改造
    电信基础设施包括服务器、存储系统、网络设备等。基础设施云化改造就是通过云计算技术，将这些基础设施由独立的硬件设备转化为资源池，资源池能够被多个上层业务共享，由统一的管理平台管理，这就是IaaS的概念。

    将物理设备转化为资源池主要通过虚拟化技术。虚拟化技术将CPU、内存、存储、网络带宽等物理资源进行统一管理，使资源能够按需地分配到各个虚拟机上。每台虚拟机就像一台独立的物理服务器，操作系统和应用程序运行在虚拟机上，它们感知不到虚拟机与物理机的差别。

    据相关资料统计，采用虚拟化技术后，设备利用率能够从10%提升到40%～60%，每用户总成本下降52%，同时系统故障率和维护时间也大大下降[3]。成本下降主要来源于这样几个方面：

• 
  资源利用率的提高使物理设备投资降低。原有电信网中每台设备都有固定用处，如数据库服务器就不能用作会话服务器，即使CPU利用率不到10%，也只能空闲。采用虚拟化技术后，管理系统会将多个虚拟机迁移到同一台物理上运行，资源利用率明显提高，物理服务器实际需求量就会减少。
• 高效的资源调度使电力成本下降。由于虚拟机有在线迁移能力，电信业务也有着明显的周期性。当业务量下降时，管理系统会将更多的虚拟机调度到一台物理机上运行，其它物理机可以停机以节省能耗。
• 虚拟资源与物理设备隔离，使设备维护成本下降。资源池的维护管理要比管理各种不同的硬件设备简单的多，而且对资源池的扩容和维护对业务没有影响。

    电信网的云化改造收益明显，但改造的过程并不是简单地将应用迁移到云计算上。由于目前电信设备的整体架构还是比较封闭的系统，设备厂商提供的整套设备软硬件是不能分割的，设备无法共享，软件也不能迁移，这些条件都与云计算资源池的概念相悖。因此，电信基础设施的云化改造必将伴随着电信设备架构的变革。

    图1显示的是传统电信设备和云化改造后电信设备的比较，明显的区别是传统电信设备的物理设备由统一的资源池代替。

    为了适应基础设施的云化改造，电信系统的设计和部署将会有如下变化：

• 软件的功能分配、主备关系不依赖于硬件设备。传统设备一般会确定机框里每块处理板的功能，板卡之间的主备关系，甚至软件模块间通信也是以板卡位置为依据。这些依赖于硬件的因素都必须改造，取代软件功能模块间的逻辑关系。
• 系统的管理范围和方式发生变化。硬件资源将不再分别管理，而是由云计算平台统一管理。云计算平台会屏蔽某些物理设备的变化，如升级、扩容、故障切换等等，在必要时，云计算平台会将资源池的事件上报给上层应用，上层应用会做出适当的响应。
• 系统的部署方式发生变化。由过去安装、配置、调试和运行的过程，变成资源申请和虚拟机映像载入的过程。虚拟机映像是包含操作系统和已经安装调试好的应用软件的映像文件，能够直接在虚拟机中运行，省掉了复杂的中间过程。
• 业务调度模式发生变化。业务量调度的模式不再是由固定数量的处理板分担任务，实际承担任务的虚拟机个数可以动态变化，调度器可随时根据需要申请资源。
  正是由于这些变化，电信基础设施的云化改造是一个渐进的过程，需要运营商和设备商通力合作，共同解决改造中的问题，逐步推进云计算的应用。

2.2 利用云计算提供业务创新平台
    对于业务创新平台，从智能网开始，电信领域就已经探索过多年，目前开发一个新业务依然比较困难。相对来说，互联网业务的开发更简洁一些，有许多成熟的框架和工具，接口协议也比较灵活。云计算PaaS的概念就更进一步，开发平台作为服务提供，开发人员只需购买相应的服务就可以进行业务开发和部署。Google 的App Engine是比较典型的PaaS平台，开发者可以用Python或Java语言开发Web应用，并直接部署在App Engine上，App Engine能够支持自动扩展和负载均衡。因此，一个Web应用最复杂的部分由平台来解决，开发者只需按业务需求开发业务逻辑即可。

    实际上，大多数电信业务本身逻辑并不复杂，难点主要是信令和协议的复杂性、高可用性和扩展性的处理，以及昂贵的部署平台等。而依照PaaS的观点，这些问题都应由云计算平台来解决，并以服务的形式提供给开发者。图2是符合电信业务特点的一种典型的PaaS架构。它主要的组成部分有：

• 基础服务：提供业务开发基本的支撑功能，如分布式数据库[4]、分布式文件系统[5]、分布式计算框架[6]和分布式缓存等，这些服务具有专用的应用程序编程接口(API)，开发者通过调用API来访问具体的功能。基础服务本身也提供高可用性和扩展性。
• 业务支撑服务：提供业务相关的支撑功能，如用户管理、计费认证、日志功能、业务路由、策略控制等，这些服务提供了电信业务通用的功能模块。
• 业务组件服务：提供基本的业务组件，如语音、会议、短信、彩信、位置等，互联网业务也可以作为业务组件提供，如搜索、地图、社区等。这些组件通过开发语言编程进行组合生成新业务。业务相关的信令和协议都由API屏蔽，开发者完全可以不关心。
• 业务开发和运行环境：提供给开发者完整的业务开发环境，业务开发完成后可直接部署在平台上。开发者可免去购买硬件设备的费用，平台保证业务运行时有着充分的资源保障
• 运营支撑和监控管理功能：提供对整个平台业务的运营支撑能力，也为开发者提供监控管理自身业务的能力。

    在电信网中采用PaaS模式，使开发电信业务的入门成本大大降低，大量的开发人员可以进入电信业务的开发队伍中。互联网业务的成果和创新能力也能融入到平台中，使电信网络成为一个开放的和融合的网络。

2.3 以软件即服务的形式提供多样化服务
    软件即服务指的是指将软件部署在互联网上，用户通过互联网使用软件，而不是购买软件版权。目前提供SaaS服务比较成功的是企业管理软件厂商。

    电信业务发展到现在，能选择的业务主要还是语音、视频、短信、彩信，以及一些衍生出来的业务。而技术的发展给电信业务提供了广阔的发展空间。从通信终端来看，电话机发展到智能手机，终端的能力有了质的提升，智能终端已经成为集通信、娱乐、办公于一体的设备。智能终端潜力的发挥需要网络的支持，借助SaaS的思想，电信网络就能够提供比传统电信业务更多样化的服务。

    图3是以SaaS模式提供电信业务的逻辑框图。它的特点是应用软件由SaaS平台提供和管理，数据也存储在平台上。终端不安装软件，也不保存数据，而是通过客户端来使用软件和访问数据，客户端可以是浏览器或小应用程序(Widgets)。由于终端只用作呈现界面，不做业务处理，所以对处理能力要求不高，娱乐、办公、生活各方面的软件都可以在终端上流畅使用。客户端可以设计成与运行平台无关，用户可以在普通电脑上使用同样的客户端，这样用户就可以在普通电脑和移动终端上使用同一个软件，实现无缝切换，给办公生活带来很大便利和乐趣。

    SaaS模式提供的软件费用低、免维护、而且用户数据由平台保护，安全性也得到提高，是未来软件应用模式的一个发展方向。SaaS平台与PaaS平台有着密切的关系，完善的PaaS平台能够吸引大量的开发人员参与SaaS软件的开发。只有软件丰富多彩了，才能推动电信多样化服务走向成熟。

3 采用云计算技术需要解决的问题
    云计算在互联网上已经有了数年的应用经验，但在电信网中的成熟应用还需要一个过程。首先是安全问题，云计算是多用户共享资源的，必须保证用户信息的安全性，用户数据不被窃取和损坏，因此用户数据的隔离和加密保护非常关键。其次是管理问题，采用云计算后，电信网的管理模式将会有较大变化，需要一个适应过程。另外，是标准规范问题，云计算的标准还不完善，虽然已经有了一些标准，如开放虚拟化格式(OVF)[7]，但大多数接口API还是各厂家私有的，互通存在着问题。这些问题需要运营商和设备商共同推动，在应用中逐步解决。

4 结束语
    云计算的发展给电信领域带来了解决自身问题的机遇，云计算的IaaS、PaaS和SaaS3种服务模式都可以在电信网中得到应用。从传统的模式向云计算迁移，电信网在架构上有着较大的革新，需要一个逐步推进的过程。在采用云计算技术的过程中，存在着一些安全和管理方面的问题需要解决，这些问题并不影响电信网采用云计算的大方向。在云计算技术的推动下，电信网会更加开放和灵活，电信与互联网会进一步融合。

5 参考文献
[1] MELL P, GRANCE T. The NIST Definition of Cloud Computing, Version 15 [R]. White Paper, V15. 2009.
[2] Cloud Computing Use Case Discussion Group. Cloud Computing Use Cases [R]. White Paper, V2.0. 2009.
[3] GILLEN A, GRIESER T, PERRY R. Business Value of Virtualization: Realizing the Benefits of Integrated Solutions [R]. White Paper, IDC.2008.
[4] CHANG F, DEAN J, GHEMAWAT S, et al. Bigtable: A Distributed Storage System for Structured Data [C]// Proceedings of the 6th USENIX Symposium on Operation Systems Design and Implementation (OSDI'06), Nov 6-8,2006, Seattle, WA, USA. New York, NY, USA: ACM, 2006.
[5] GHEMAWAT S, GOBIOFF H, LEUNG S T. The Google File System [C]//Proceedings of the 19th ACM Symposium on Operating Systems Principles (SOSP’03), Oct 19 - 22, 2003, Bolton Landing, NY, USA. New York, NY, USA: ACM, 2003.
[6] DEAN J, GHEMAWAT S. MapReduce: Simplified Data Processing on Large Clusters [C]//Proceedings of the 7th USENIX Symposium on Operation Systems Design and Implementation (OSDI'04), Dec 6-8, 2004, San Francisco, CA USA. New York, NY, USA: ACM, 2004.
[7] Open Virtualization Format Specification，V1.0.0 [R]. DMTF, 2009.

收稿日期：2010-04-29

[摘要] 电信运营商面临着节能降耗、提升服务质量和业务创新的压力，云计算技术的出现为解决这些压力提供了新的思路。在基础设施层面，采用虚拟化技术能够有效提高资源利用率，提高系统的可伸缩性和可用性；在开发平台层面，电信网能够开放自身业务能力，为业务创新提供支持；在业务层面，电信网能够以服务的形式提供各类软件，开拓电信业务的范围。云计算同时也会带来安全、管理和标准等方面的问题，这些问题需要在发展中逐步解决。

[关键词] 云计算；虚拟化；基础设施即服务；平台即服务；软件即服务；资源池；

[Abstract] Telecom operators face mounting pressure for energy efficiency, improved service quality, and innovative services. Cloud computing provides new ways to address these issues. On the infrastructure layer, virtualization technology can increase resource utilization, and enhance scalability and availability of the system. On the developing platform layer, telecom network capability can be opened to support the creation of new services. On the service layer, telecom networks can supply various software as a service, thereby extending the scope of telecom services. Cloud computing technology may also bring about problems associated with security, management, and standards, and these must be resolved step by step.

[Keywords] cloud computing; virtualization；IaaS；PaaS；SaaS；resource pool;