馬金蘭，楊征，陳慶年，陶啟茜

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信股份有限公司，北京 100033；3.中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510081）

IMS虛擬化網(wǎng)絡(luò)性能提升方案探討

馬金蘭1，楊征2，陳慶年3，陶啟茜3

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信股份有限公司，北京 100033；3.中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510081）

為了解決虛擬化帶來的網(wǎng)絡(luò)性能方面的問題，在研究IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了轉(zhuǎn)發(fā)性能、可靠性能、可管可維性能提升方案，作為IMS虛擬化網(wǎng)絡(luò)部署的參考。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 IMS網(wǎng)絡(luò) 網(wǎng)絡(luò)性能

1 引言

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化指的是利用虛擬化技術(shù)，在標準化的X86服務(wù)器等通用IT設(shè)備上實現(xiàn)IMS、EPC、BRAS等各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能，采用通用IT設(shè)備取代通信網(wǎng)絡(luò)中專業(yè)的硬件設(shè)備，從而實現(xiàn)軟件功能與硬件資源的解耦，是通信網(wǎng)絡(luò)演進的趨勢和方向。

采用虛擬化技術(shù)后，虛擬化層的引入可能會降低網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)性能和可靠性能，這對提供高質(zhì)量實時通話業(yè)務(wù)的IMS網(wǎng)絡(luò)影響較大，因此，需要在虛擬化的架構(gòu)下采用性能提升技術(shù)，以滿足IMS網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求。同時，引入虛擬化技術(shù)后，軟件功能和硬件功能解耦引入更多的管理網(wǎng)元，對網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)一管理維護是一種挑戰(zhàn)。

因此，本文將在研究IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出轉(zhuǎn)發(fā)性能、可靠性能、可管可維性能提升方案，以解決虛擬化帶來的網(wǎng)絡(luò)性能方面的問題。

2 IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)

ETSI定義的NFV架構(gòu)如圖1所示，虛擬化IMS系統(tǒng)遵循ETSI定義的NFV架構(gòu)，虛擬化IMS網(wǎng)元對應(yīng)圖1的VNF實體。

IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)分為三個部分：

（1）NFVI（NFV Infrastructure，NFV基礎(chǔ)設(shè)施）

1）硬件資源層：NFVI中物理硬件資源包括計算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源。計算資源提供計算處理能力；存儲資源提供存儲能力；網(wǎng)絡(luò)資源指交換機和路由器等網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備。

2）虛擬資源層：虛擬機VM是虛擬化IMS網(wǎng)元的最小資源粒度。每個VM包含vCPU、虛擬內(nèi)存、虛擬硬盤及虛擬網(wǎng)卡等組件。虛擬化中間件Hypervisor對硬件資源進行抽象，將物理硬件與上層功能軟件分開，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需要經(jīng)過Hypervisor層，數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能下降，功能軟件對物理硬件的狀態(tài)感知需經(jīng)過Hypervisor層，這也將影響網(wǎng)絡(luò)可靠性能。

（2）虛擬網(wǎng)元與網(wǎng)管

1）VNF（Virtualize Network Function，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）：虛擬化后的IMS網(wǎng)元功能包括P-CSCF/BAC、I-CSCF、S-CSCF、E-CSCF/LRF、MMtel AS、BGCF、IBCF、BGF、ENUM/DNS、MRFC、MRFP、MGCF、IM-MGW等IMS網(wǎng)元。

2）EMS（Element Management System，網(wǎng)元管理系）：EMS完成傳統(tǒng)的網(wǎng)元管理功能，同時完成虛擬化環(huán)境下的新增網(wǎng)元功能。

（3）NFV MANO（NFV Management and Orchestration，NFV管理與編排）

1）Orchestrator：負責(zé)目錄管理、實例管理、拓撲管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)生命周期管理、VNF生命周期管理、VNF包管理、虛擬資源管理、策略管理管理功能，提供自動化的管理能力，對虛擬資源進行編排和調(diào)度。

2）VNFM（VNF Manager，VNF管理）：負責(zé)VNF的生命周期、VNF實例創(chuàng)建、VNF實例啟用、VNF實例停止、VNF升級、VNF擴縮容及VNF實例管理等相關(guān)管理功能。

3）VIM（Virtualize Infrastructure Management，虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)）：實現(xiàn)對NFVI層硬件資源和虛擬資源的管理和監(jiān)控。

4）OSS（Business Support System，業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)）/BSS（Operation Support System，運營支撐系統(tǒng)）：支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理和業(yè)務(wù)發(fā)放功能，同時支持通過與Orchestrator之間的接口，完成虛擬化網(wǎng)絡(luò)的部署與維護管理功能。

IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化后，網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)包括MANO、EMS以及OSS/BSS。MANO包含VIM、VNFM、NFVO三個網(wǎng)元，三個網(wǎng)元均承擔(dān)了對物理資源、虛擬資源、VNF、VM、NS、虛擬網(wǎng)絡(luò)等不同資源粒度的管理。虛擬化IMS網(wǎng)元同時受EMS和VNFM的管理，因此，管理網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性正是網(wǎng)絡(luò)可管可維性能下降的原因。

3 IMS虛擬化網(wǎng)絡(luò)性能提升方案

3.1 轉(zhuǎn)發(fā)性能提升

IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化后采用X86等通用IT硬件代替原來的ATCA硬件，X86服務(wù)器配備高速網(wǎng)卡后基本可以滿足大多數(shù)低速率的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)需求，但是IMS網(wǎng)絡(luò)在轉(zhuǎn)發(fā)性能方面要求更高，為了提升用戶的接續(xù)時延，IMS網(wǎng)絡(luò)中的控制網(wǎng)元要求硬件層的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)時延更低，P-CSCF/BAC、IM-MGW等涉及媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)元同時要求更高的轉(zhuǎn)發(fā)速率和吞吐量，因此，必須采用相關(guān)技術(shù)提升轉(zhuǎn)發(fā)性能。

在網(wǎng)絡(luò)虛擬化中，業(yè)界目前采用的性能提升技術(shù)主要有：

（1）DPDK（Data Plane Development Kit，數(shù)據(jù)平面開發(fā)套件）

在虛擬化IMS系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)報文從網(wǎng)卡中接收，再傳送到虛擬化的用戶態(tài)應(yīng)用程序VNF，即IMS網(wǎng)元處理，需要經(jīng)歷多個費時的CPU操作和I/O處理環(huán)節(jié)。業(yè)內(nèi)通常采用消除海量中斷、旁路內(nèi)核協(xié)議棧、減少內(nèi)存拷貝等技術(shù)來提升報文處理性能，從而提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

DPDK是intel提供的開源數(shù)據(jù)平面開發(fā)工具集，是X86平臺報文快速處理的庫和驅(qū)動的集合，它通過環(huán)境抽象層旁路內(nèi)核協(xié)議棧、輪詢模式的報文無中斷收發(fā)、優(yōu)化內(nèi)存、優(yōu)化緩沖區(qū)、優(yōu)化隊列管理等多項技術(shù)，實現(xiàn)X86服務(wù)器的高性能報文轉(zhuǎn)發(fā)能力。因此，在虛擬化IMS系統(tǒng)中應(yīng)用DPDK技術(shù)將大大提升數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

（2）I/O性能優(yōu)化

在虛擬化IMS系統(tǒng)中，IMS網(wǎng)元包含多種不同的模塊，這些模塊部署在不同的VM（虛擬機）中。對I/O設(shè)備的虛擬化使得單個I/O設(shè)備可被這些虛擬機共享使用，采用不同的I/O虛擬化技術(shù)直接影響虛擬機數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

軟件模擬、網(wǎng)卡直通和SR-IOV是目前的三種主流I/O虛擬化技術(shù)。軟件模擬是通過虛擬化Hypervisor層模擬虛擬網(wǎng)卡，提供物理網(wǎng)卡相同的接口，虛擬機操作系統(tǒng)直接驅(qū)動虛擬網(wǎng)卡，比如采用OVS（Open Virtual Switch，虛擬交換機）傳遞虛擬機VM之間的流量以及實現(xiàn)VM和外界網(wǎng)絡(luò)的通信。但是由于OVS無法繞過Hypervisor層，I/O性能相對較差。網(wǎng)卡直通支持虛擬機繞過Hypervisor層，直接訪問物理I/O設(shè)備，具有很高的性能，但是在同一時刻，物理I/O設(shè)備只能被一個虛擬機獨享。

SR-IOV（Single-Root I/O Virtualization，單根I/O虛擬化）把具有SR-IOV功能的設(shè)備定義成為一種外圍設(shè)備物理功能模塊（PF），在外圍設(shè)備物理功能模塊PF下，創(chuàng)建不只一個虛擬功能設(shè)備（VFs），VFs能共享外圍設(shè)備的I/O物理資源，并且與SR-IOV服務(wù)器上的虛擬機系統(tǒng)進行關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)多個虛擬機對單個I/O資源的共享。同時，每個PF和VF都會收到唯一的PCIe標識符，Hypervisor系統(tǒng)中的SR-IOV虛擬內(nèi)存管理器據(jù)此區(qū)分不同的網(wǎng)絡(luò)流量，并且能使用DMA（Direct Memory Access，直接內(nèi)存存?。┘夹g(shù)進行重新映射內(nèi)存地址，在SR-IOV外圍設(shè)備和目標虛擬主機之前進行數(shù)據(jù)遷移時進行地址轉(zhuǎn)換，繞過Hypervisor層直接發(fā)送和接收I/O數(shù)據(jù)，從根本上避免了Hypervisor系統(tǒng)所帶來的處理開銷和延時，使得其通信性能接近非虛擬化水平。因此，在P-CSCF/BAC、IM-MGW等涉及媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的虛擬化網(wǎng)元中應(yīng)用SR-IOV，將獲得更好的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)性能。

但是，SR-IOV同樣存在一些限制，硬件必須支持SR-IOV以便虛擬機能使用虛擬化功能（VF），支持的VF數(shù)量有限，將一個VM遷移到另一個SR-IOV服務(wù)器上存在問題。因此，部分廠家考慮在OVS的基礎(chǔ)上進行優(yōu)化，提出新的虛擬交換技術(shù)以提升轉(zhuǎn)發(fā)性能，比如AVS（Accelerated Virtual Switch，加速型vSwitch）。對比OVS，AVS具有更高的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能，IMS虛擬網(wǎng)元的GUEST OS可以通過插件的方式支持AVS。

通過上述分析，為了提升虛擬化后網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)性能，應(yīng)在虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)的部署中應(yīng)用DPDK技術(shù)，要求網(wǎng)卡等硬件層、虛擬化層以及虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）支持DPDK能力。同時，對于P-CSCF/BAC、IM-MGW等涉及媒體數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)的網(wǎng)元，需要考慮應(yīng)用SR-IOV技術(shù)，而對于IMS網(wǎng)絡(luò)控制層網(wǎng)元可以不應(yīng)用SR-IOV技術(shù)，但是需要在OVS的基礎(chǔ)上采用類似AVS等相關(guān)性能優(yōu)化技術(shù)。

3.2 可靠性能提升

IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化后由于軟件和硬件解耦，引入更多的不可靠因素，端到端業(yè)務(wù)的可靠性很難與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)保持一致，因此，需要從各層面探討可靠性技術(shù)來提升虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)的可靠性。虛擬化IMS網(wǎng)元應(yīng)在硬件資源層、虛擬化層、業(yè)務(wù)層提供冗余，支持VNF實例的冗余備份和負載均衡、VNF內(nèi)VNFC/VM的冗余和負載均衡、VM內(nèi)進程的冗余和負載均衡、通信平臺以及硬件的冗余備份與負載均衡，以滿足可靠性需求。

（1）硬件資源層

在硬件資源層，數(shù)據(jù)中心要預(yù)留一定比例的計算資源用于虛機重生、維護遷移等操作，存儲設(shè)備除存儲本身的冗余外還需要在設(shè)備層面提供冗余，支持內(nèi)部通信平面的隔離和冗余備份，網(wǎng)絡(luò)資源需要從網(wǎng)卡到接入均提供物理雙平面的主備或互備。

（2）虛擬化層

虛擬化層采用親和性及反親和性部署原則，避免承擔(dān)相同功能的主備VNFC部署在相同物理服務(wù)器。虛擬化層可以根據(jù)硬件類型、供電線路等因素，支持將主備或者互備或者負荷分擔(dān)的VNFC部署在不同資源區(qū)，避免整機框/機架故障導(dǎo)致的虛擬化IMS整網(wǎng)元故障。

虛擬化層支持秒級快速檢測物理機掉電、虛擬機異常、Hypervisor重啟、管理網(wǎng)絡(luò)或業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)中斷等服務(wù)器、虛擬機、虛擬網(wǎng)絡(luò)故障，以及服務(wù)器硬盤故障、磁盤陣列故障、風(fēng)扇故障、電源模塊故障等硬件故障，將故障信息通過VNFM傳遞至EMS，EMS實現(xiàn)VNF與故障的關(guān)聯(lián)，VNFM可以根據(jù)策略在上述故障發(fā)生時自動發(fā)起虛擬機重啟、遷移或自動重建操作。

（3）業(yè)務(wù)層

虛擬化IMS網(wǎng)元需要在軟件架構(gòu)、故障檢測、冗余備份等機制上保證軟件和業(yè)務(wù)的可用性。虛擬化IMS網(wǎng)元模塊間應(yīng)設(shè)置主備、互備或負荷分擔(dān)的冗余備份關(guān)系。虛擬化IMS網(wǎng)元應(yīng)該具備對VM、進程、軟件模塊等的狀態(tài)進行實時監(jiān)測的能力，主用模塊出現(xiàn)故障的情況下，虛擬化IMS網(wǎng)元能秒級快速檢測并觸發(fā)虛擬化IMS網(wǎng)元業(yè)務(wù)模塊主備快速倒換動作，保證IMS業(yè)務(wù)不中斷。在物理機或者虛擬機故障的場景下，虛擬機應(yīng)該具備自動恢復(fù)或自動遷移功能。備用模塊對應(yīng)虛擬機自動恢復(fù)或自動熱遷移后，虛擬化IMS網(wǎng)元應(yīng)能恢復(fù)對應(yīng)模塊的備用工作狀態(tài)，恢復(fù)模塊間的正常冗余備份關(guān)系。

VNFM需要支持VM的狀態(tài)檢測，備用模塊虛擬機無法自動恢復(fù)或遷移的情況下，VNFM能啟動虛擬機自動重建功能，在其他虛擬機上重建備用模塊，重建成功后虛擬化IMS網(wǎng)元應(yīng)能恢復(fù)對應(yīng)模塊的備用工作狀態(tài)，恢復(fù)模塊間的正常冗余備份關(guān)系。虛擬化IMS網(wǎng)元應(yīng)支持對故障硬件或軟件模塊進行隔離，避免對其它模塊產(chǎn)生影響。

虛擬化IMS網(wǎng)元支持分布式數(shù)據(jù)庫，并支持分布式數(shù)據(jù)庫的分布式存儲、同步和備份，保證數(shù)據(jù)的可靠性，確保業(yè)務(wù)所需靜態(tài)或動態(tài)數(shù)據(jù)不丟失。虛擬化IMS網(wǎng)元業(yè)務(wù)邏輯模塊故障時，對數(shù)據(jù)不造成影響，同時其它業(yè)務(wù)邏輯處理模塊可以迅速接管業(yè)務(wù)處理。

虛擬化IMS網(wǎng)元支持對虛擬化資源（vCPU、虛擬內(nèi)存、虛擬存儲、虛擬網(wǎng)絡(luò)）的使用情況進行實時監(jiān)控和統(tǒng)計，同時支持對業(yè)務(wù)負荷進行實時監(jiān)控和統(tǒng)計，并根據(jù)業(yè)務(wù)負荷觸發(fā)Scale out/in操作或者Scale up/down操作。

3.3 可管可維性能提升

網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)的增多帶來虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)管理的復(fù)雜性，MANO、EMS應(yīng)該各有分工，但又必須相互配合，提升虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)的可管可維性能。

EMS既要遵循傳統(tǒng)網(wǎng)元網(wǎng)絡(luò)管理功能要求，同時還必須支持針對虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)提出的各種新增的虛擬化相關(guān)管理功能，以提升IMS虛擬化網(wǎng)絡(luò)可管可維性能。EMS應(yīng)支持與VNFM之間的接口，實現(xiàn)VNFM轉(zhuǎn)發(fā)與虛擬化IMS網(wǎng)元相關(guān)的虛擬化資源事件信息、相關(guān)的操作請求交互，如實例化請求、擴容/縮容請求等，支持虛擬機對應(yīng)的資源模型及虛擬化IMS網(wǎng)元相關(guān)的性能統(tǒng)計和告警。

同時，虛擬化IMS網(wǎng)元與NFVI的監(jiān)控和故障處理分別進行，不同故障通過不同渠道上報至OSS/NFVO。對于硬件層故障進而引起IMS網(wǎng)元故障的情況下，硬件層的故障和IMS網(wǎng)元故障無法在EMS統(tǒng)一呈現(xiàn)，不利于故障的定位，因此，需要EMS能夠與NFV系統(tǒng)的各模塊相互配合完成虛擬化IMS系統(tǒng)軟硬件故障與具體虛擬化IMS網(wǎng)元相應(yīng)模塊之間的關(guān)聯(lián)，并統(tǒng)一呈現(xiàn)，提升IMS虛擬化網(wǎng)絡(luò)的可管可維性能。

在IMS網(wǎng)絡(luò)的演進中，虛擬化IMS網(wǎng)元和傳統(tǒng)的IMS網(wǎng)元并存，網(wǎng)元間采用現(xiàn)有業(yè)務(wù)接口互聯(lián)。為了統(tǒng)一對兩種不同架構(gòu)的IMS網(wǎng)絡(luò)進行管理，需要EMS能對這兩種IMS網(wǎng)元進行統(tǒng)一管理維護。

4 結(jié)束語

本文在研究IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出了轉(zhuǎn)發(fā)性能、可靠性能、可管可維性能提升方案，具備很強的可操作性，可作為虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)部署的參考，用于解決虛擬化帶來的網(wǎng)絡(luò)性能方面的問題。虛擬化性能提升相關(guān)技術(shù)近年發(fā)展迅猛，新的技術(shù)層出不窮，在實際部署中需要根據(jù)各種技術(shù)的效果、局限性以及目標網(wǎng)絡(luò)的特點應(yīng)用適合的性能提升技術(shù)。

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Research on IMS Virtualization Performance Enhancement Solutions

MA Jinlan1, YANG Zheng2, CHEN Qingnian3, TAO Qiqian3
(1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China;2. China Telecom Co., Ltd., Beijing 100033, China;3. China Telecom Co., Ltd., Guangdong Branch, Guangzhou 510081, China)

In order to deal with the network performance brought by network function virtualization, a performance enhancement solution including forward, reliability, management and maintenance performances was proposed based on the architecture of IMS network virtualization to provide the reference to the deployment of IMS virtualized network.

network function virtualization IP multimedia subsystem network performance

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.009

TN919.8

A

1006-1010(2017)17-0043-05

馬金蘭,楊征,陳慶年,等. IMS虛擬化網(wǎng)絡(luò)性能提升方案探討[J]. 移動通信, 2017,41(17)： 43-47.

2017-07-25

責(zé)任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

馬金蘭：高級工程師，碩士，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司廣州研究院移動通信研究所，主要研究方向為IMS核心網(wǎng)絡(luò)、VoLTE以及IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

楊征：高級工程師，現(xiàn)任職于中國電信股份有限公司，主要研究方向為核心網(wǎng)、三網(wǎng)融合領(lǐng)域以及科技創(chuàng)新管理。

陳慶年：高級工程師，碩士，現(xiàn)任中國電信股份有限公司廣東分公司網(wǎng)運部核心網(wǎng)室經(jīng)理，主要研究方向為通信核心網(wǎng)絡(luò)的維護及管理。