許航天，梁雪梅，方曉農(nóng)

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210019）

基于NFV的核心網(wǎng)重構(gòu)研究與探討

許航天，梁雪梅，方曉農(nóng)

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210019）

運(yùn)營(yíng)商正在通過(guò)引入IT基因來(lái)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，以應(yīng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)。其中核心網(wǎng)的重構(gòu)將是整網(wǎng)重構(gòu)的切入點(diǎn)，而網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）則是實(shí)現(xiàn)重構(gòu)的重要手段。本文首先分析了核心網(wǎng)基于NFV進(jìn)行重構(gòu)的背景，然后介紹了核心網(wǎng)重構(gòu)的目標(biāo)架構(gòu)和虛擬化相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，最后探討了核心網(wǎng)重構(gòu)的相關(guān)策略。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；核心網(wǎng)；重構(gòu)；管理和編排

當(dāng)前大量數(shù)字業(yè)務(wù)爆發(fā)，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量激增，運(yùn)營(yíng)商卻發(fā)現(xiàn)這并沒(méi)有帶來(lái)相應(yīng)的收益。究其深層次原因，當(dāng)前IT技術(shù)的通用化、標(biāo)準(zhǔn)化、組件化的發(fā)展理念在實(shí)踐中得到了廣泛應(yīng)用，其高效和靈活的基因極大地推動(dòng)了互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展。而回顧過(guò)去十年核心網(wǎng)的發(fā)展，它雖然進(jìn)行了承載及接口協(xié)議等外在通信方式的IP化，但諸如網(wǎng)絡(luò)柔性、業(yè)務(wù)快速部署、基礎(chǔ)設(shè)施通用化和自動(dòng)運(yùn)維等關(guān)鍵能力，都無(wú)法與互聯(lián)網(wǎng)相提并論。

在未來(lái)的數(shù)字化進(jìn)程中，運(yùn)營(yíng)商傳統(tǒng)語(yǔ)音業(yè)務(wù)被數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)侵蝕已經(jīng)成為不可逆轉(zhuǎn)的趨勢(shì)，運(yùn)營(yíng)商的收入將與數(shù)字業(yè)務(wù)更加密切相關(guān)。不甘心淪為數(shù)字管道、希望在未來(lái)數(shù)字業(yè)務(wù)中占據(jù)一席之地的運(yùn)營(yíng)商，正在努力通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的重構(gòu)，以便在即將到來(lái)的全連接、全數(shù)字化的時(shí)代能夠應(yīng)對(duì)互聯(lián)網(wǎng)的挑戰(zhàn)與競(jìng)爭(zhēng)。作為通信網(wǎng)絡(luò)控制中樞的核心網(wǎng)，對(duì)其引入IT基因進(jìn)行重構(gòu)，已經(jīng)成為運(yùn)營(yíng)商當(dāng)前實(shí)施整網(wǎng)重構(gòu)的重要抓手；而網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）則是實(shí)現(xiàn)這一重構(gòu)的重要手段。

1 基于NFV的重構(gòu)目標(biāo)架構(gòu)

NFV的目標(biāo)是通過(guò)研究和發(fā)展IT的虛擬化技術(shù)，構(gòu)建一種基于x86通用服務(wù)器的全新架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)功能從專用硬件中剝離出來(lái)，網(wǎng)元以軟件形式部署，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能力的靈活配置，提高網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的通用化和適配性，加快網(wǎng)絡(luò)部署和調(diào)整的速度，降低業(yè)務(wù)部署的復(fù)雜度。

為了更快推動(dòng)NFV理念的推廣和產(chǎn)品的實(shí)現(xiàn)，2012年10月，13家運(yùn)營(yíng)商發(fā)起在ETSI（European Telecommunications Standards Institute，歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)）組織下正式成立網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化工作組，即ETSI ISGNFV，致力于實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化的需求定義和系統(tǒng)架構(gòu)制定?；贓TSI虛擬化工作組提出的NFV概念，核心網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。

NFV基礎(chǔ)設(shè)施（NFVI）提供虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的運(yùn)行環(huán)境，包括所需的硬件及軟件。硬件包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源；軟件主要包括Hypervisor、網(wǎng)絡(luò)控制器、存儲(chǔ)管理器等工具。物理資源被虛擬化為虛擬資源，并進(jìn)行池化，以資源池形式供上層虛擬網(wǎng)元使用。在資源池化的過(guò)程中，使用了云計(jì)算相關(guān)技術(shù)。虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了軟件與硬件解耦，使得資源的供給速度大大提高，網(wǎng)元部署從數(shù)天縮短到數(shù)分鐘，為新業(yè)務(wù)的快速上線創(chuàng)造了條件；云計(jì)算技術(shù)對(duì)虛擬資源進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的彈性伸縮，增加了網(wǎng)絡(luò)的柔性，使資源和業(yè)務(wù)負(fù)荷相匹配，提高了資源利用效率。

圖1 基于NFV概念的核心網(wǎng)目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

虛擬網(wǎng)絡(luò)功能包括兩部分：虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）和網(wǎng)元管理系統(tǒng)（EMS）。虛擬網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)應(yīng)的就是目前電信網(wǎng)元，每個(gè)物理網(wǎng)元映射為一個(gè)虛擬網(wǎng)元的VNF（如圖1中vIMS、vEPC即為VNF的實(shí)例）。VNF所需資源需分解為虛擬的計(jì)算/存儲(chǔ)/網(wǎng)絡(luò)資源，由NFVI來(lái)承載。VNF之間的接口依然采用傳統(tǒng)的信令/媒體接口，VNF的業(yè)務(wù)網(wǎng)管依然采用NE-EMS-NMS體制。

管理和編排（MANO）由3個(gè)功能模塊構(gòu)成。虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理器（VIM）是NFV基礎(chǔ)設(shè)施的管理模塊，其計(jì)算模塊通常運(yùn)行于對(duì)應(yīng)的基礎(chǔ)設(shè)施節(jié)點(diǎn)中，主要功能包括：資源的發(fā)現(xiàn)、虛擬資源的管理分配、故障處理等，為VNF運(yùn)行提供資源支持。虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理器（VNFM）主要負(fù)責(zé)對(duì)VNF的生命周期（實(shí)例化、配置、關(guān)閉等）進(jìn)行控制。NFV編排器（NFVO）是對(duì)NS（Network Service）生命周期的管理模塊，同時(shí)負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)NS、組成NS的VNFs以及承載各VNF的虛擬資源的控制和管理。

BSS/OSS可以沿用現(xiàn)有運(yùn)營(yíng)支撐系統(tǒng)，隨著后續(xù)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，必要時(shí)可以為虛擬化進(jìn)行必要的修改和調(diào)整。

綜上所述，虛擬化的架構(gòu)對(duì)如IMS網(wǎng)絡(luò)、EPC網(wǎng)絡(luò)等核心網(wǎng)網(wǎng)元功能、接口的技術(shù)要求并未改變，但由于基礎(chǔ)設(shè)施平臺(tái)的改變、網(wǎng)元形態(tài)的變化，必然導(dǎo)致電信核心網(wǎng)各層面發(fā)生根本性的變革。

2 關(guān)鍵技術(shù)分析

基于NFV的核心網(wǎng)重構(gòu)在實(shí)際部署中，將面臨一系列問(wèn)題，如接口標(biāo)準(zhǔn)化、可靠性、性能、網(wǎng)絡(luò)資源調(diào)度及協(xié)調(diào)編排、運(yùn)行維護(hù)方式的轉(zhuǎn)變等問(wèn)題，其中性能問(wèn)題和可靠性問(wèn)題將是影響網(wǎng)絡(luò)是否能夠滿足電信要求的最基礎(chǔ)性的問(wèn)題，是需要產(chǎn)業(yè)鏈各方都深度思考參與的問(wèn)題。

2.1 性能提升技術(shù)

為了支撐電信業(yè)務(wù)的低時(shí)延、高帶寬的需求，NFV架構(gòu)需要對(duì)虛擬化內(nèi)核進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化。目前業(yè)界主要從虛擬計(jì)算能力和虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)能力兩方面出發(fā)，提出了各種方案進(jìn)行性能提升。

2．1．1 虛擬計(jì)算能力優(yōu)化

（1）CPU綁定隔離：為了防止虛擬機(jī)對(duì)物理CPU的無(wú)序競(jìng)爭(zhēng)和搶占，虛擬機(jī)和物理CPU綁定，保證一些關(guān)鍵電信業(yè)務(wù)不受其它業(yè)務(wù)的干擾，提高這些電信業(yè)務(wù)的性能和實(shí)時(shí)性。

（2）NUMA（Non-uniform memory access)：非統(tǒng)一內(nèi)存訪問(wèn)技術(shù)，將全局內(nèi)存打碎分給每個(gè)CPU獨(dú)立訪問(wèn)，避免多個(gè)CPU訪問(wèn)內(nèi)存時(shí)造成的因資源競(jìng)爭(zhēng)而導(dǎo)致的性能下降。云平臺(tái)在對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行部署時(shí)，應(yīng)盡量將其虛擬CPU與內(nèi)存部署在一個(gè)NUMA節(jié)點(diǎn)內(nèi)，避免虛擬機(jī)跨NUMA節(jié)點(diǎn)部署，從而充分降低內(nèi)存訪問(wèn)時(shí)延。

（3）巨頁(yè)內(nèi)存：虛擬機(jī)使用內(nèi)存巨頁(yè)，從而減少用戶程序缺頁(yè)次數(shù)，提高性能。

2．1．2 虛擬網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)能力優(yōu)化

（1）DPDK（Data Plane Development Kit)：Intel提供的x86平臺(tái)報(bào)文快速處理的庫(kù)和驅(qū)動(dòng)的套件，通過(guò)采用用戶態(tài)分組處理增強(qiáng)機(jī)制替代內(nèi)核處理來(lái)提高轉(zhuǎn)發(fā)性能。

（2）SR-IOV（Single Root I/O Virtualization)：基于硬件的網(wǎng)卡虛擬化方案，將虛擬機(jī)直接連接到物理網(wǎng)卡，獲得等同于物理網(wǎng)卡的I/O性能和低時(shí)延。

（3）OVS（Open vSwitch）：基于軟件實(shí)現(xiàn)的開(kāi)源虛擬交換機(jī)，提供對(duì)Open Flow協(xié)議的支持，可與眾多開(kāi)源的虛擬化平臺(tái)相整合，傳遞虛擬機(jī)之間的流量，以及實(shí)現(xiàn)虛擬機(jī)和外界網(wǎng)絡(luò)的通信。

2.2 可靠性增強(qiáng)技術(shù)

虛擬化的核心網(wǎng)硬件設(shè)備基于通用服務(wù)器，通用服務(wù)器與傳統(tǒng)的電信硬件相比在可靠性方面有所下降。為了保證實(shí)現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)及業(yè)務(wù)電信級(jí)的可靠性，除了硬件可靠性提升之外，還需要其它機(jī)制予以保證，其中故障自愈和地理容災(zāi)是最為重要的兩個(gè)手段。

2．2．1 故障自愈

故障自愈是網(wǎng)絡(luò)在發(fā)生故障時(shí)，無(wú)需人為干預(yù)，即可在極短時(shí)間內(nèi)從失效故障中自動(dòng)恢復(fù)，其過(guò)程為：

（1）設(shè)置物理資源、虛擬機(jī)或VNF等為監(jiān)控對(duì)象；

（2）當(dāng)VNFM或VIM模塊監(jiān)測(cè)到監(jiān)控對(duì)象發(fā)生異?；蚬收蠒r(shí)，將把故障上報(bào)至故障決策點(diǎn)；

（3）故障決策點(diǎn)（架構(gòu)中為EMS或NFVO）調(diào)用故障恢復(fù)策略，并下發(fā)給故障恢復(fù)執(zhí)行體；

（4）故障恢復(fù)執(zhí)行體執(zhí)行故障恢復(fù)動(dòng)作，例如硬件資源的故障，VIM將在另外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行虛擬機(jī)重生的動(dòng)作；虛擬機(jī)或VNF的故障，VIM將啟用備用虛擬機(jī)并且對(duì)虛擬機(jī)進(jìn)行重啟動(dòng)的操作。

2．2．2 地理容災(zāi)

地理容災(zāi)是保障網(wǎng)絡(luò)在各種災(zāi)難下快速恢復(fù)的機(jī)制，需要網(wǎng)絡(luò)各層協(xié)同來(lái)實(shí)現(xiàn)。

（1）NFV基礎(chǔ)設(shè)施（NFVI）：以冗余方式部署，跨DC部署時(shí)，DC之間的二層鏈路需要滿足IP承載網(wǎng)鏈路的要求；

（2）虛擬網(wǎng)絡(luò)功能：繼承傳統(tǒng)網(wǎng)元的地理容災(zāi)方式；

（3）管理和編排（MANO）：需要新建相應(yīng)模塊，并進(jìn)行1+1主備方式部署。

3 基于NFV的核心網(wǎng)重構(gòu)策略

3.1 重構(gòu)原則與切入點(diǎn)

基于NFV的核心網(wǎng)重構(gòu)的原則是兼顧效率和技術(shù)成熟度，由簡(jiǎn)入手逐步推進(jìn)。

核心網(wǎng)元數(shù)量少且集中化，率先基于NFV重構(gòu)有利于業(yè)務(wù)創(chuàng)新，能夠以較小代價(jià)積累NFV經(jīng)驗(yàn)。核心網(wǎng)內(nèi)部，業(yè)務(wù)和控制面對(duì)新功能需求強(qiáng)烈，具有計(jì)算敏感性，適合先行部署，而媒體轉(zhuǎn)發(fā)面流量大，性能要求高，影響業(yè)務(wù)感知，待技術(shù)逐漸成熟后部署。業(yè)務(wù)部署角度，首先從新業(yè)務(wù)領(lǐng)域引入NFV，有利于提前獲取NFV紅利，并且能夠減少對(duì)現(xiàn)網(wǎng)成熟業(yè)務(wù)的沖擊。由圖2分析可知，目前基于NFV進(jìn)行VoLTE網(wǎng)絡(luò)的IMS部署，將是核心網(wǎng)重構(gòu)的最佳切入點(diǎn)。

圖2 核心網(wǎng)NFV切入點(diǎn)分析圖

3.2 部署策略

從業(yè)務(wù)層面看，NFV網(wǎng)絡(luò)歸屬電信云范疇，通過(guò)表1對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，基于NFV的電信云和IT云對(duì)網(wǎng)絡(luò)需求存在很大差別，表現(xiàn)為對(duì)虛擬化層軟件和云平臺(tái)軟件的要求也更高。因此電信云和IT云獨(dú)立部署是現(xiàn)階段普遍認(rèn)可的選擇，未來(lái)隨著云技術(shù)的發(fā)展，可以再考慮電信云和IT云是否可以融合。

3.3 解耦策略

NFV架構(gòu)是一個(gè)開(kāi)放架構(gòu)，原則上可以由不同的廠商分層提供相應(yīng)的軟硬件產(chǎn)品。但由于目前的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各層之間接口的定義還不甚清晰，因此在業(yè)界的實(shí)踐中，運(yùn)營(yíng)商會(huì)根據(jù)自己的實(shí)際能力選用圖3中某一種方案進(jìn)行核心網(wǎng)的重構(gòu)。

圖3 分層解耦方案圖

雖然方案3各層全解耦符合NFV的初衷，網(wǎng)絡(luò)不再被某一廠商的設(shè)備綁定，但是方案3對(duì)運(yùn)營(yíng)商的集成能力和接口標(biāo)準(zhǔn)化能力都是非常大的挑戰(zhàn)，同時(shí)不同廠家的上層虛擬網(wǎng)元對(duì)下層異廠家的虛擬化層的要求如果得不到滿足，系統(tǒng)的性能將會(huì)大打折扣。而采用方案1，雖然形式上進(jìn)行了分層解耦，但是實(shí)質(zhì)上與之前的單廠家提供專用硬件無(wú)異。在現(xiàn)階段，作為一種折衷方案，方案2硬件的獨(dú)立得到了大多數(shù)運(yùn)營(yíng)商的接受。后續(xù)在接口標(biāo)準(zhǔn)成熟、產(chǎn)業(yè)鏈更加完善、運(yùn)營(yíng)商的IT集成能力增強(qiáng)的情況下，可以考慮采用方案3的全解耦方式。

3.4 網(wǎng)管策略

基于NFV的核心網(wǎng)重構(gòu)使得原來(lái)統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)演進(jìn)為網(wǎng)元管理和基礎(chǔ)設(shè)施資源管理兩部分，一個(gè)北向管理接口演進(jìn)為兩個(gè)北向管理接口。虛擬化平臺(tái)上的虛擬資源、硬件資源的KPI指標(biāo)由VIM節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集；虛擬網(wǎng)元相關(guān)的KPI指標(biāo)由VNF節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)采集。

網(wǎng)元傳統(tǒng)的配置、計(jì)費(fèi)、性能和安全管理，由VNF上報(bào)EMS，但是對(duì)于網(wǎng)元故障管理，需要對(duì)將VNF告警和NFVI告警進(jìn)行關(guān)聯(lián)和展示，在關(guān)聯(lián)和展示點(diǎn)的選擇上有3種方案，如圖4所示。

方案1在VNFM進(jìn)行告警關(guān)聯(lián)和展示，該方案的優(yōu)點(diǎn)為新增功能在VNFM實(shí)現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有網(wǎng)管不會(huì)有任何改動(dòng)；缺點(diǎn)是VNF的KPI值上報(bào)EMS，VNFM關(guān)聯(lián)的告警中缺失關(guān)聯(lián)的VNF的KPI值。方案2在EMS進(jìn)行告警關(guān)聯(lián)，沿襲了傳統(tǒng)的告警運(yùn)維習(xí)慣，在告警信息中可以看到業(yè)務(wù)告警與虛擬資源、物理資源的關(guān)聯(lián)關(guān)系，便于故障快速定位；缺點(diǎn)是為了適配EMS的變化，需要對(duì)OSS進(jìn)行升級(jí)。方案3是EMS、NFVO直接轉(zhuǎn)發(fā)告警信息，由OSS進(jìn)行關(guān)聯(lián)，在OSS能夠查閱全網(wǎng)多個(gè)設(shè)備廠家的告警關(guān)聯(lián)關(guān)系，這樣可以從全網(wǎng)角度快速定位故障并下派工單，迅速解決故障；缺點(diǎn)是NFVO和OSS之間的接口目前沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)化，接口不夠成熟，同時(shí)接口較為復(fù)雜，不可控因素較多。

表1 IT云和基于NFV的電信云比較表

圖4 告警關(guān)聯(lián)點(diǎn)方案示意圖

從后續(xù)整體運(yùn)營(yíng)的角度看，方案3無(wú)疑是運(yùn)營(yíng)商的最優(yōu)選擇，但選擇該方案也將考驗(yàn)運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃能力和OSS的集成與運(yùn)維能力。

4 結(jié)束語(yǔ)

電信網(wǎng)絡(luò)IT化已經(jīng)是通信業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)，核心網(wǎng)基于NFV進(jìn)行重構(gòu)也是業(yè)界研究的熱點(diǎn)問(wèn)題之一。本文就核心網(wǎng)重構(gòu)的目標(biāo)、關(guān)鍵技術(shù)及相關(guān)策略進(jìn)行了初步探討?；贜FV的核心網(wǎng)重構(gòu)將是對(duì)核心網(wǎng)架構(gòu)的革命性演進(jìn)，但這種演進(jìn)無(wú)法一蹴而就，仍需要業(yè)界產(chǎn)業(yè)鏈上下游共同探索。

Research and discussion on re-architecting core network based on NFV

XU Hang-tian, LIANG Xue-mei, FANG Xiao-nong
(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute Co., Ltd., Nanjing 210019, China)

Operators are re-architecting the network by introducing IT genes to confront the competition from Internet companies. Re-architecting core network is the breakthrough point of the whole network's process, and NFV (Network Functions Virtualization) is the important means to realize it. The background of rearchitecting core network based on NFV is analyzed fi rstly. The target architecture of core network and the related key technologies are introduced. Finally, the relevant strategies to re-architect core network are discussed.

network functions virtualization; core network; re-architecting; management and orchestration

TN915

A

1008-5599（2016）11-0040-05

2016-06-07