靳曉嘉， 楊舟

（中國移動通信集團河北有限公司，石家莊 050021）

虛擬核心網(wǎng)IMS技術(shù)及試點應(yīng)用

靳曉嘉， 楊舟

（中國移動通信集團河北有限公司，石家莊 050021）

本文針對傳統(tǒng)核心網(wǎng)如何演進到NFV技術(shù)，以及核心網(wǎng)NFV化存在哪些關(guān)鍵技術(shù)。尤其演進到NFV后，能給運營商帶來哪些實質(zhì)性的利益做了總結(jié)。同時NFV引入還對傳統(tǒng)運維、網(wǎng)管、采購、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃等都產(chǎn)生了巨大變化，在引入NFV之前如何提高相關(guān)部門的技能水平等。

NFV；COTS硬件；VIM/Hypervisor；MANO；VNFM/VNF

1 引言

隨著VoLTE-IMS的規(guī)模使用，傳統(tǒng)IMS包含有SBC、P/I/S-CSCF、BGCF、MGCF、MMTel AS、SCC AS等眾多網(wǎng)元，且都由設(shè)備廠家專用的軟、硬件設(shè)備組成。TCO隨著網(wǎng)絡(luò)VoLTE規(guī)模擴大和升級換代持續(xù)攀升，尤其新業(yè)務(wù)的部署效率遠低于IT行業(yè)。NFV（Network Function Virtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）技術(shù)使用通用硬件和虛擬化技術(shù)承載網(wǎng)絡(luò)功能業(yè)務(wù)，軟硬件的解耦使網(wǎng)絡(luò)功能可以共享硬件資源池，從而降低昂貴的硬件采購成本，NFV-MANO編排器引入，加快了新業(yè)務(wù)的上線，并基于業(yè)務(wù)需求進行自動部署和自動運維，顯著降低網(wǎng)絡(luò)運維的復(fù)雜度。

2 運營商核心網(wǎng)引入NFV的需求

隨著IT技術(shù)向CT技術(shù)的滲透，VoLTE使用IMS技術(shù)，已經(jīng)完成了電信業(yè)務(wù)的集中控制，使得控制層引入NFV具有了更好的可行性，NFV引入IT的COTS服務(wù)器及虛擬化技術(shù)，增加了NFV-MANO管理及編排層，IT/CT融合對核心網(wǎng)網(wǎng)元帶來“顛覆性”的變革。

以VoLTE為例，其傳統(tǒng)設(shè)備部署已經(jīng)相當(dāng)復(fù)雜，涉及40多個網(wǎng)元、60多個接口，且存在建設(shè)周期長、業(yè)務(wù)上線慢、成本代價高、業(yè)務(wù)部署缺乏靈活性等問題。尤其是隨著運營商間市場競爭激烈，基礎(chǔ)業(yè)務(wù)收入逐步下降，低成本低效率運營壓力大，降低成本、快速部署業(yè)務(wù)成為追逐的方向。

NFV化核心網(wǎng)是運營商解決低成本、高效率、快速部署業(yè)務(wù)的靈活利器。它基于通用的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)功能，具備軟硬件解耦、資源彈性化、業(yè)務(wù)上線短、高效低成本運營等一系列特點。硬件統(tǒng)一招標集采，規(guī)模采購節(jié)省成本；資源池化帶來更細粒度的資源分配，基于云的自愈和彈性實現(xiàn)低冗余率/高利用率，節(jié)省硬件設(shè)備數(shù)量；通過彈性和按需設(shè)定來實現(xiàn)網(wǎng)元縮擴容，根據(jù)負載變化和用戶請求來有效調(diào)整資源配置，有效應(yīng)對節(jié)假日、話務(wù)流量上升、潮汐現(xiàn)象等用戶事件的發(fā)生；網(wǎng)元部署自動化，業(yè)務(wù)擴容自動化，告警關(guān)聯(lián)及原因分析等手段可減少操作環(huán)節(jié)，節(jié)省運維時間；傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式為規(guī)劃-＞設(shè)計-＞采購-＞實施，其周期為月級，NFV實現(xiàn)自動化安裝部署，實施周期以天計；運維的自動化使得網(wǎng)管運維體系規(guī)模得到較大的精簡，簡化網(wǎng)絡(luò)運維的復(fù)雜度，降低運維成本。

3 NFV關(guān)鍵技術(shù)

3.1 NFV關(guān)鍵技術(shù)

NFV技術(shù)發(fā)展經(jīng)過了若干階段變化，NFV本身的幾大核心技術(shù)如下。

軟硬解耦：核心網(wǎng)網(wǎng)元運行在通用的COTS服務(wù)器上，擺脫了對設(shè)備商的軟/硬件綁定束縛，規(guī)模采購?fù)ㄓ糜布?，可降?0%～40%的成本；同時解放了運營商的核心網(wǎng)建設(shè)思路和運營模式。

彈性伸縮：NFV具備的彈性擴縮容能力，使得資源池內(nèi)多網(wǎng)元可共享硬件，運營商應(yīng)對突發(fā)大業(yè)務(wù)的處置能力有著更低的成本、更靈活的手段。

快速建網(wǎng)：基礎(chǔ)硬件和虛擬化管理系統(tǒng)提前部署后，對設(shè)備商/IT廠商采購對應(yīng)網(wǎng)元的LICENSE后，可快速部署、快速建網(wǎng)。

業(yè)務(wù)部署：NFV中引入MANO及編排器，通過集中的一級NFVO或二級NFVO，可對全國或一個省份多廠家網(wǎng)元快速部署新功能、新業(yè)務(wù)，提高了運營商對OTT的競爭能力，更好滿足用戶的需求。

3.2NFV工作原理

ETSI ISG NFV組織定義的技術(shù)架構(gòu)，中國移動結(jié)合標準架構(gòu)，提出增強型架構(gòu)，如圖1所示。

圖1中的C1、C10接口為中國移動特別增加，便于物理資源、網(wǎng)元業(yè)務(wù)層（VNF）出現(xiàn)故障后，能快速上報告警信息，縮短對故障的處理時間。

NFV具有NFVI、VIM、NFVO、VNFM、VNF、EM 6類功能實體，其中：

NFVI即虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施，是虛擬化環(huán)境的硬件資源和虛擬資源的總和，NFVI支持跨多個物理數(shù)據(jù)中心，物理資源通過虛擬化技術(shù)組成資源資源池，包括物理資源、虛擬資源。

VIM是NFVI層資源的管理系統(tǒng)，提供了統(tǒng)一的API接口給上層應(yīng)用使用，VIM本身也提供了對NFVI資源的管理和監(jiān)控功能；VIM一般也包含PIM及硬件管理功能。

NFVO是虛擬化新增的網(wǎng)元，NFVO實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的編排管理，NFVO實現(xiàn)VNF的編排管理，NFVO實現(xiàn)硬件資源和虛擬資源的管理和監(jiān)控，NFVO實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、VNF的性能和告警監(jiān)控，NFVO實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、VNF的策略管理和觸發(fā)。

VNFM是虛擬化新增的網(wǎng)元，目的是提供廠商對VNF的管理，提高代碼復(fù)用度，屏蔽VNF的差異，VNFM實現(xiàn)VNF的部署、終止、修改等流程的管理與控制，VNFM實現(xiàn)硬件資源和虛擬資源信息的采集和過濾，VNFM與EMS交互，上報VNF部署信息及虛擬化信息。

圖1　中國移動NFV架構(gòu)圖

VNF（虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能），目前按照3GPP定義的網(wǎng)元實體實現(xiàn)，后續(xù)可能會有變化，VNF使用的資源為NFVI的虛擬資源，VNF業(yè)務(wù)面的實現(xiàn)目前保持傳統(tǒng)實現(xiàn)不變（3GPP、ITU-T）。

EM即傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的EMS，負責(zé)維護和管理業(yè)務(wù)網(wǎng)元，EMS的定位與功能保持不變，EMS本身也支持虛擬化，EMS與VNF之間的接口保持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的接口不變，EMS需要新增與VNFM的接口。

4 某運營商NFV-vIMS外場試點經(jīng)驗

4.1試點目的

為進一步驗證通用x86服務(wù)器硬件、廠商網(wǎng)元功能軟件，在NFV架構(gòu)下，是否滿足電信核心網(wǎng)設(shè)備的主要需求（容災(zāi)、可管、可視、可維），選取純控制網(wǎng)元VoLTE-vCSCF/vTAS作為試點。

為滿足上述試點目的：硬件：2類刀片服務(wù)器：HP C7000+ZTE E9000，1類上架服務(wù)器：Dell R730；：虛擬層Hypervisor：選取開源KVM；虛擬層VIM：選取支持Openstack的ZTE-TECS云管理系統(tǒng)；EMS/ VNFM/VNF等均由中興廠家提供。

4.2試點環(huán)境搭建

本次試點配置8×ZTE-E9000、8×HP C7000刀片和8×Dell R730上架服務(wù)器，三類硬件服務(wù)器組合3朵云資源池，采用1套VNFM和NFVO、1套vEMS進行管理。網(wǎng)元部署如圖2所示。

圖2　試點網(wǎng)元部署圖

HP刀片部署VNFM/NFVO/TECS/vCSCF1、ZTE刀片部署TECS/EMS/vTAS1、Dell服務(wù)器部署TECS/vCSCF2/vTAS2。驗證測試規(guī)范的全部條目和VoLTE相關(guān)語音通話功能，特別驗證了一鍵部署多網(wǎng)元時間、功能等。

參與試點的硬件、組網(wǎng)設(shè)備如表1所示。

表1　試點設(shè)備組成

4.3 試點結(jié)論及存在問題

試點按照某運營商的測試規(guī)范進行一致性測試，測試內(nèi)容主要分為：硬件、系統(tǒng)安裝、云管理、可靠性、網(wǎng)管、VoLTE業(yè)務(wù)等合計110條測試用例。整體一致性96%。

4.3.1某運營商vIMS試點結(jié)論

經(jīng)過3個多月的試點，對NFV整體架構(gòu)有了比較直觀的了解，尤其對IT/CT功能融合有了深刻的認識，試點還獲取了以下結(jié)論。

結(jié)論1：支持NFV的三大核心功能—容量彈性伸縮、網(wǎng)元快速部署、功能快速更新；且在軟/硬件解耦架構(gòu)下，中興廠家的VoLTE-CSCF/TAS功能網(wǎng)元可運行在HP/ZTE/Dell的服務(wù)器上，可穩(wěn)定支持VoLTE相關(guān)業(yè)務(wù)，包括用戶注冊、話音/視頻通話等。

其中百萬CSCF部署時間10 min；P-CSCF/ S-CSCF/AS同時部署時間22 min。vIMS下VoLTE話音/視頻呼叫3～4 s，和現(xiàn)網(wǎng)相比，時延沒有明顯變化。

結(jié)論2：虛擬化可靠性方面既可支持按虛機主備、遷移、重生，也支持按VNF網(wǎng)元的主備、遷移和重生，滿足電信設(shè)備對可靠性的要求；虛擬化網(wǎng)管支持接收VIM層的硬件資源/虛擬資源的上報、告警，也支持VNF層的業(yè)務(wù)資源上報/告警，并實現(xiàn)了告警深度關(guān)聯(lián)，對后續(xù)設(shè)備維護和故障定位提供了較大便利。

其中單VM遷移成功小于3 s；底層硬件故障，引起Hpervisor層、VNF層均告警，快速定位根告警時間不超過15 s。

本次外場試點實現(xiàn)了NFV的主要特性功能，也對VoLTE業(yè)務(wù)進行了初步驗證，為NFV邁向商用化進程提供了重要參考。

4.3.2試點存在問題及解決思路

通過試點并和現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)VoLTE-IMS的對比，NFV-vIMS當(dāng)前存在如下問題。

（1）UI界面多，其中VIM/VNFM/NFVO/EMS都有自己的UI界面，不利于維護人員使用；

解決思路：VNFM/EMS的UI界面合并；VIM/ NFVO在同廠家下建議合并。

（2）彈性擴縮容策略比較單一，廠商版本還只支持按CPUBHCA等，實際商用需要多種組合策略；

表2　商用時需要解決的問題

解決思路：需要深入挖掘多種組合策略，完善擴縮容機制。

（3）架式服務(wù)器和刀片相比，在風(fēng)扇監(jiān)控、更換；后插線纜及需要獨立雙路電源等多種要求，在NFV大規(guī)模使用，會對安裝、管理、硬件更換帶來很大不便；

解決思路：建議架式服務(wù)器廠家后續(xù)推出改進的產(chǎn)品，并支持易更換。

（4）試點中虛機規(guī)格不同，處理性能差別很大，且為非線性變化。例如2×vCPU組成的VM支持1萬用戶，8×vCPU組成的VM支持30萬用戶；

解決思路：虛機規(guī)格盡量統(tǒng)一，在統(tǒng)一前提下，易于引入其他廠家硬件或VNF。

同時在試點中，涉及ETSI NFV架構(gòu)和標準定義模糊的地方，以及商用時，需要解決的問題及解決建議，見表2所示。

5 結(jié)束語

NFV商用當(dāng)前雖然還存在一些問題，但針對國內(nèi)三大運營商，以最簡便的模式、最易于維護的方法，小范圍商用NFV，并積累經(jīng)驗，通過商用提高IT/CT復(fù)合人才的培養(yǎng)，并按照逐步解耦的方式，循序漸進推進NFV擴大商用，是積極、穩(wěn)妥的思路之一。

Virtualization core network IMS technology and application

JIN Xiao-jia， YANG Zhou
（China Mobile Group Hebei Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021， China）

Traditional core network evolution to NFV， Key technologies of NFV core network， In particular， the evolution of the NFV， the operators can bring what the benefi ts of a summary of what. Of course， NFV is also introduced to the traditional operation and maintenance， network management， procurement，network planning and so have a great change in the introduction of NFV before how to improve the skills of the relevant departments， etc...

NFV； COTS hardware； VIM/Hypervisor； MANO； VNFM/VNF

TN929.5

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1008-5599（2016）09-0054-05

2016-05-20