摘要:電信運營商面臨著節能降耗、提升服務質量和業務創新的壓力，云計算技術的出現為解決這些壓力提供了新的思路。在基礎設施層面，采用虛擬化技術能夠有效提高資源利用率，提高系統的可伸縮性和可用性；在開發平臺層面，電信網能夠開放自身業務能力，為業務創新提供支持；在業務層面，電信網能夠以服務的形式提供各類軟件，開拓電信業務的范圍。云計算同時也會帶來安全、管理和標準等方面的問題，這些問題需要在發展中逐步解決。
關鍵字:云計算；虛擬化；基礎設施即服務；平臺即服務；軟件即服務；資源池；
英文摘要: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.
英文關鍵字:cloud computing; virtualization；IaaS；PaaS；SaaS；resource pool;
1 電信領域面臨的問題和機遇
電信網絡發展到今天，已經日益復雜和龐大。而電信網的建設模式并沒有根本的變化，各個電信設備廠商根據業務需求設計自己的解決方案，采用專用的軟硬件和管理系統，不同廠家設備之間通過標準協議互通。在這種模式下，形成了開放標準下封閉的產品體系。隨著電信網絡的發展和社會環境的變化，這種模式的弊端日益顯現。
首先，是資源利用率低，建設成本高。無論是設備初始建設還是系統擴容，運營商都要根據預期的最大業務容量來進行規劃。由于不同廠商的硬件設備不能共用，導致每一類設備都有相當大的冗余，設備和機房空間浪費嚴重。
其次，能耗居高不下，節能減排壓力大。按傳統電信設備的設計方式，無論電信業務量有多大，設備始終運行，導致其設備始終按最大容量耗電。
第三，維護復雜，升級擴容代價大。電信設備的升級擴容是比較復雜，需要專業人員參與，也會對業務運行產生影響。而且，廠商軟硬件的差異，給設備維護帶來很大工作量。
第四，新業務開發代價較大，業務創新困難。電信業務開發過程中需要考慮硬件開發、業務邏輯開發、協議互通、可靠性和擴展性，整個過程周期長，投入大。另外，電信網原有的一些成熟的業務能力不能復用，許多開發工作不得不重復進行，制約了業務創新的步伐。
近幾年互聯網發展十分迅猛，許多優秀的互聯網企業在探索中逐漸找到自己的解決辦法，這就是云計算。例如，Google采用分布式計算、分布式文件系統和分布式數據庫技術實現了在低成本設備上提供高可靠、大容量的存儲和計算能力；Amazon利用虛擬化技術出租自己冗余的設備資源獲取利潤；一些客戶關系管理(CRM)、企業資源規劃(ERP)廠商在互聯網上推廣自己的軟件，用戶上網即可使用，達到了低成本高效率。
云計算逐漸走向成熟，雖然目前云計算還不夠嚴謹和規范，但是它在互聯網的成功給電信領域帶來了新的思路和機遇。
2 云計算在電信領域的應用模式
云計算是一種應用模式，它涵蓋了多種技術，這些技術之間甚至有著較大的差別，但它們有著共同的特征：按需自服務、廣泛的網絡接入、資源池、快速彈性和服務的可度量[1]。這些特征符合電信網的需求，使電信網具有采用云計算技術的動力。
在云計算架構中，有3種角色，分別是服務提供者、服務開發者和服務消費者[2]。電信網的主要角色是作為服務提供者為客戶提供云計算服務。另外，服務開發者也是非常重要的角色，運營商本身、獨立開發商和個人都可以成為服務開發者。
從服務類型的角度看，云計算有3種服務類型：基礎設施即服務(IaaS)、平臺即服務(PaaS)和軟件即服務(SaaS)。云計算服務提供商可以提供其中一種類型的服務，也可以同時提供多種類型的服務。對于電信運營商來說，根據不同的目的和需求可以采用不同的云計算服務類型。下面從服務類型的角度來看云計算在電信領域的應用模式。
2.1 基礎設施的云化改造
電信基礎設施包括服務器、存儲系統、網絡設備等。基礎設施云化改造就是通過云計算技術，將這些基礎設施由獨立的硬件設備轉化為資源池，資源池能夠被多個上層業務共享，由統一的管理平臺管理，這就是IaaS的概念。
將物理設備轉化為資源池主要通過虛擬化技術。虛擬化技術將CPU、內存、存儲、網絡帶寬等物理資源進行統一管理，使資源能夠按需地分配到各個虛擬機上。每臺虛擬機就像一臺獨立的物理服務器，操作系統和應用程序運行在虛擬機上，它們感知不到虛擬機與物理機的差別。
據相關資料統計，采用虛擬化技術后，設備利用率能夠從10%提升到40%～60%，每用戶總成本下降52%，同時系統故障率和維護時間也大大下降[3]。成本下降主要來源于這樣幾個方面：
資源利用率的提高使物理設備投資降低。原有電信網中每臺設備都有固定用處，如數據庫服務器就不能用作會話服務器，即使CPU利用率不到10%，也只能空閑。采用虛擬化技術后，管理系統會將多個虛擬機遷移到同一臺物理上運行，資源利用率明顯提高，物理服務器實際需求量就會減少。
高效的資源調度使電力成本下降。由于虛擬機有在線遷移能力，電信業務也有著明顯的周期性。當業務量下降時，管理系統會將更多的虛擬機調度到一臺物理機上運行，其它物理機可以停機以節省能耗。
虛擬資源與物理設備隔離，使設備維護成本下降。資源池的維護管理要比管理各種不同的硬件設備簡單的多，而且對資源池的擴容和維護對業務沒有影響。
電信網的云化改造收益明顯，但改造的過程并不是簡單地將應用遷移到云計算上。由于目前電信設備的整體架構還是比較封閉的系統，設備廠商提供的整套設備軟硬件是不能分割的，設備無法共享，軟件也不能遷移，這些條件都與云計算資源池的概念相悖。因此，電信基礎設施的云化改造必將伴隨著電信設備架構的變革。
圖1顯示的是傳統電信設備和云化改造后電信設備的比較，明顯的區別是傳統電信設備的物理設備由統一的資源池代替。
為了適應基礎設施的云化改造，電信系統的設計和部署將會有如下變化：
軟件的功能分配、主備關系不依賴于硬件設備。傳統設備一般會確定機框里每塊處理板的功能，板卡之間的主備關系，甚至軟件模塊間通信也是以板卡位置為依據。這些依賴于硬件的因素都必須改造，取代軟件功能模塊間的邏輯關系。
系統的管理范圍和方式發生變化。硬件資源將不再分別管理，而是由云計算平臺統一管理。云計算平臺會屏蔽某些物理設備的變化，如升級、擴容、故障切換等等，在必要時，云計算平臺會將資源池的事件上報給上層應用，上層應用會做出適當的響應。
系統的部署方式發生變化。由過去安裝、配置、調試和運行的過程，變成資源申請和虛擬機映像載入的過程。虛擬機映像是包含操作系統和已經安裝調試好的應用軟件的映像文件，能夠直接在虛擬機中運行，省掉了復雜的中間過程。
業務調度模式發生變化。業務量調度的模式不再是由固定數量的處理板分擔任務，實際承擔任務的虛擬機個數可以動態變化，調度器可隨時根據需要申請資源。
正是由于這些變化，電信基礎設施的云化改造是一個漸進的過程，需要運營商和設備商通力合作，共同解決改造中的問題，逐步推進云計算的應用。
2.2 利用云計算提供業務創新平臺
對于業務創新平臺，從智能網開始，電信領域就已經探索過多年，目前開發一個新業務依然比較困難。相對來說，互聯網業務的開發更簡潔一些，有許多成熟的框架和工具，接口協議也比較靈活。云計算PaaS的概念就更進一步，開發平臺作為服務提供，開發人員只需購買相應的服務就可以進行業務開發和部署。Google 的App Engine是比較典型的PaaS平臺，開發者可以用Python或Java語言開發Web應用，并直接部署在App Engine上，App Engine能夠支持自動擴展和負載均衡。因此，一個Web應用最復雜的部分由平臺來解決，開發者只需按業務需求開發業務邏輯即可。
實際上，大多數電信業務本身邏輯并不復雜，難點主要是信令和協議的復雜性、高可用性和擴展性的處理，以及昂貴的部署平臺等。而依照PaaS的觀點，這些問題都應由云計算平臺來解決，并以服務的形式提供給開發者。圖2是符合電信業務特點的一種典型的PaaS架構。它主要的組成部分有：
基礎服務：提供業務開發基本的支撐功能，如分布式數據庫[4]、分布式文件系統[5]、分布式計算框架[6]和分布式緩存等，這些服務具有專用的應用程序編程接口(API)，開發者通過調用API來訪問具體的功能?；A服務本身也提供高可用性和擴展性。
業務支撐服務：提供業務相關的支撐功能，如用戶管理、計費認證、日志功能、業務路由、策略控制等，這些服務提供了電信業務通用的功能模塊。
業務組件服務：提供基本的業務組件，如語音、會議、短信、彩信、位置等，互聯網業務也可以作為業務組件提供，如搜索、地圖、社區等。這些組件通過開發語言編程進行組合生成新業務。業務相關的信令和協議都由API屏蔽，開發者完全可以不關心。
業務開發和運行環境：提供給開發者完整的業務開發環境，業務開發完成后可直接部署在平臺上。開發者可免去購買硬件設備的費用，平臺保證業務運行時有著充分的資源保障
運營支撐和監控管理功能：提供對整個平臺業務的運營支撐能力，也為開發者提供監控管理自身業務的能力。
在電信網中采用PaaS模式，使開發電信業務的入門成本大大降低，大量的開發人員可以進入電信業務的開發隊伍中。互聯網業務的成果和創新能力也能融入到平臺中，使電信網絡成為一個開放的和融合的網絡。
2.3 以軟件即服務的形式提供多樣化服務
軟件即服務指的是指將軟件部署在互聯網上，用戶通過互聯網使用軟件，而不是購買軟件版權。目前提供SaaS服務比較成功的是企業管理軟件廠商。
電信業務發展到現在，能選擇的業務主要還是語音、視頻、短信、彩信，以及一些衍生出來的業務。而技術的發展給電信業務提供了廣闊的發展空間。從通信終端來看，電話機發展到智能手機，終端的能力有了質的提升，智能終端已經成為集通信、娛樂、辦公于一體的設備。智能終端潛力的發揮需要網絡的支持，借助SaaS的思想，電信網絡就能夠提供比傳統電信業務更多樣化的服務。
圖3是以SaaS模式提供電信業務的邏輯框圖。它的特點是應用軟件由SaaS平臺提供和管理，數據也存儲在平臺上。終端不安裝軟件，也不保存數據，而是通過客戶端來使用軟件和訪問數據，客戶端可以是瀏覽器或小應用程序(Widgets)。由于終端只用作呈現界面，不做業務處理，所以對處理能力要求不高，娛樂、辦公、生活各方面的軟件都可以在終端上流暢使用。客戶端可以設計成與運行平臺無關，用戶可以在普通電腦上使用同樣的客戶端，這樣用戶就可以在普通電腦和移動終端上使用同一個軟件，實現無縫切換，給辦公生活帶來很大便利和樂趣。
SaaS模式提供的軟件費用低、免維護、而且用戶數據由平臺保護，安全性也得到提高，是未來軟件應用模式的一個發展方向。SaaS平臺與PaaS平臺有著密切的關系，完善的PaaS平臺能夠吸引大量的開發人員參與SaaS軟件的開發。只有軟件豐富多彩了，才能推動電信多樣化服務走向成熟。
3 采用云計算技術需要解決的問題
云計算在互聯網上已經有了數年的應用經驗，但在電信網中的成熟應用還需要一個過程。首先是安全問題，云計算是多用戶共享資源的，必須保證用戶信息的安全性，用戶數據不被竊取和損壞，因此用戶數據的隔離和加密保護非常關鍵。其次是管理問題，采用云計算后，電信網的管理模式將會有較大變化，需要一個適應過程。另外，是標準規范問題，云計算的標準還不完善，雖然已經有了一些標準，如開放虛擬化格式(OVF)[7]，但大多數接口API還是各廠家私有的，互通存在著問題。這些問題需要運營商和設備商共同推動，在應用中逐步解決。
4 結束語
云計算的發展給電信領域帶來了解決自身問題的機遇，云計算的IaaS、PaaS和SaaS3種服務模式都可以在電信網中得到應用。從傳統的模式向云計算遷移，電信網在架構上有著較大的革新，需要一個逐步推進的過程。在采用云計算技術的過程中，存在著一些安全和管理方面的問題需要解決，這些問題并不影響電信網采用云計算的大方向。在云計算技術的推動下，電信網會更加開放和靈活，電信與互聯網會進一步融合。
5 參考文獻
[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.
馬蘇安，畢業于中國科技大學，現任中興通訊中心研究院高級工程師、規劃總工，長期從事電信系統軟件的開發研究，主要研究領域為P2P、云計算。