陳 飛，歐中焱（.中訊郵電咨詢設(shè)計院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007；.中國聯(lián)通福建分公司，福建福州 350000）

1 概述

虛擬化已經(jīng)成為數(shù)據(jù)中心建設(shè)所必須要考慮的重要方面，虛擬化數(shù)據(jù)中心（VDC——Virtual Data Center）是將云計算概念運用于IDC 的一種新型的數(shù)據(jù)中心形態(tài)。通過NFV 與云計算技術(shù)的結(jié)合，建設(shè)統(tǒng)一創(chuàng)新型的通信云運營管理系統(tǒng)，應(yīng)用虛擬化、自動化部署等技術(shù)，構(gòu)建可伸縮的虛擬化基礎(chǔ)架構(gòu)，采用集中管理、分布服務(wù)模式，向用戶提供一點受理、全網(wǎng)服務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施方案與服務(wù)。

未來的通信網(wǎng)絡(luò)是“以DC 為中心”的“云化網(wǎng)絡(luò)”，NFV 改變現(xiàn)有通信設(shè)備軟硬件一體化部署模式，使設(shè)置在一個數(shù)據(jù)中心機(jī)房中的各虛擬通信網(wǎng)元，通過統(tǒng)一的虛擬資源層，部署到共享通信云資源池（服務(wù)器、存儲系統(tǒng)等）中，實現(xiàn)了通信云資源池內(nèi)資源共享。

2 研究背景

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）帶來的好處是：一方面基于x86 標(biāo)準(zhǔn)的IT 設(shè)備成本低廉，能夠為運營商節(jié)省巨大的投資成本；另一方面開放的API接口，也能幫助運營商獲得更多、更靈活的網(wǎng)絡(luò)能力。通過軟硬件解耦及功能抽象，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用硬件，資源可以充分靈活共享，實現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署，并基于實際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

目前，中國聯(lián)通已完成NB-IoT 專網(wǎng)和VIMS 網(wǎng)的虛擬化架構(gòu)部署，并在加快推進(jìn)vEPC 的部署，統(tǒng)一資源、統(tǒng)一調(diào)度、統(tǒng)一管理已成為通信云部署時必須解決的問題。

未來通信網(wǎng)絡(luò)以DC 為中心進(jìn)行布局，核心網(wǎng)、無線網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)等專業(yè)部署在統(tǒng)一的云基礎(chǔ)設(shè)施上，滿足4G/5G、寬帶業(yè)務(wù)的布局和覆蓋要求；傳輸、承載網(wǎng)要滿足DC 間對帶寬、時延及安全的要求；機(jī)房空間、電源、空調(diào)等要滿足設(shè)備布放的環(huán)境要求。

3 VDC部署策略

中國聯(lián)通NFV 的部署以VoLTE 業(yè)務(wù)和新興物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用為切入點，在統(tǒng)一的云化平臺下集成vIMS/vEPC/業(yè)務(wù)鏈功能，提供完整的核心網(wǎng)云化解決方案，進(jìn)行控制面集中部署，構(gòu)建統(tǒng)一的資源管理系統(tǒng)。

VDC 通過云計算技術(shù)部署NFV 虛擬化通信網(wǎng)元，各數(shù)據(jù)中心通過IP 承載網(wǎng)絡(luò)（以SDN 技術(shù)實現(xiàn)智能調(diào)度）連接。

3.1 NFV部署

NFV 將傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能軟件化，通過OpenStack虛擬化技術(shù)，基于通用的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備實現(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò)功能，NFV 將實現(xiàn)傳統(tǒng)電信行業(yè)與IT產(chǎn)業(yè)的深度融合。

NFV 的主要目標(biāo)是降低成本，節(jié)能增效，提高網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)管理、維護(hù)、部署效率以及未來的開放/創(chuàng)新潛力。

NFV 在實現(xiàn)硬件資源與軟件功能解耦的同時，引入了管理和編排功能（MANO），主要用于提供虛擬化資源、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能和網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的統(tǒng)一管理，包含3類功能模塊：NFV 編排器（NFVO）、VNF 管理器（VNFM）和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器（VIM），NFV 具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 NFV架構(gòu)

中國聯(lián)通目前已實現(xiàn)NB-IoT 和vIMS 的NFV 部署，本文在這基礎(chǔ)上對基礎(chǔ)設(shè)施機(jī)房（VDC）以及VDC資源測算進(jìn)行相應(yīng)的探討。

3.2 VDC機(jī)房的選取

中國聯(lián)通VDC 需要滿足IDC、通信、IPTV、CDN 等業(yè)務(wù)的需求，需要結(jié)合公有云、通信云和私有云的發(fā)展，著眼未來。

3.2.1 VDC機(jī)房整體布局及定位

未來云化網(wǎng)絡(luò)按照區(qū)域、本地、邊緣三層布局，對于特殊場景需求，個別功能網(wǎng)元下沉到接入層，三層布局架構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 VDC三層架構(gòu)示意圖

按照三層布局的架構(gòu)部署，各層級網(wǎng)絡(luò)的主要功能及部署網(wǎng)元如下：

a）區(qū)域集中：服務(wù)全國、大區(qū)或全省的業(yè)務(wù)、控制面網(wǎng)元。主要部署在物聯(lián)網(wǎng)vCore、vIMS 的控制面（CSCF）及業(yè)務(wù)層（AS）、4G/5G 核心網(wǎng)控制面（MME、vGW-C、AMF、SMF）、骨干CDN、省中心CDN、IP 支持系統(tǒng)（AAA、DNS）、一干網(wǎng)絡(luò)的控制器等。

b）本地布局：服務(wù)本地網(wǎng)的業(yè)務(wù)、控制面及部分用戶面網(wǎng)元。主要部署在4G/5G核心網(wǎng)用戶面（vGWU、UPF）等功能、vBNG、vCDN地（市）節(jié)點等。

c）邊緣分布：接入層以及邊緣計算類網(wǎng)元。邊緣云要綜合考慮B2C和B2B業(yè)務(wù)需求，結(jié)合無線接入、核心網(wǎng)用戶面功能部署，統(tǒng)籌規(guī)劃邊緣云。

3.2.2 VDC機(jī)房選取

對于大中型數(shù)據(jù)中心（DC）機(jī)房，如區(qū)域DC（全國、省級）、大中型本地DC，側(cè)重于機(jī)房的建設(shè)與維護(hù)成本，尤其需關(guān)注如何降低長期運維費用。在建設(shè)方面，需重點考慮靠近資源、設(shè)備低功耗、高密度與集中管理等因素，同時機(jī)房選址還需要考慮容災(zāi)備份對承載網(wǎng)的要求，如承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、不同DC之間交互信息的帶寬和時延等。

對于小型數(shù)據(jù)中心（DC）機(jī)房，如小型本地DC、邊緣DC，則更關(guān)注于機(jī)房改造成本，尤其是原有PSTN機(jī)房在改造過程中面臨的電力、空調(diào)等問題。

依據(jù)不同的DC層級，選取相應(yīng)的DC機(jī)房：

a）區(qū)域DC：機(jī)房來源主要是全國大區(qū)數(shù)據(jù)中心基地或者省級通信樞紐機(jī)房。

b）本地DC：機(jī)房來源是地（市）核心機(jī)房和核心節(jié)點機(jī)房。

c）邊緣DC：機(jī)房是匯聚機(jī)房。

根據(jù)DC 部署節(jié)奏，在DC 部署前需整合騰退現(xiàn)網(wǎng)機(jī)房資源，適時啟動機(jī)房改造計劃。VDC 機(jī)房硬件均為通用硬件服務(wù)器、存儲及交換機(jī)設(shè)備，設(shè)備功率密度較大（傳統(tǒng)設(shè)備機(jī)柜功耗一般不超過5 kW，通用服務(wù)器機(jī)柜滿配能達(dá)到8～10 kW），要求機(jī)柜深度較深（傳統(tǒng)設(shè)備機(jī)柜深度一般為800 mm，通用服務(wù)器機(jī)柜為1 000 mm）、設(shè)備電源需求以交流為主（傳統(tǒng)設(shè)備以直流為主），這些變化對傳統(tǒng)通信機(jī)房的供電、空調(diào)、機(jī)架等提出了新的挑戰(zhàn)。

a）機(jī)房空間：根據(jù)主設(shè)備數(shù)量和占地面積，統(tǒng)計各類型機(jī)房面積需求，對現(xiàn)有機(jī)房進(jìn)行清理，對現(xiàn)有機(jī)房內(nèi)的走線架等配套設(shè)備進(jìn)行相應(yīng)的改造，以滿足機(jī)柜裝機(jī)需求。

b）空調(diào)制冷：合理規(guī)劃通信設(shè)備布局及機(jī)房氣流組織，采用高密度的供電制冷設(shè)備，提高供電制冷能力和能源生產(chǎn)效率。

c）電力改造：加大交流電的引入，考慮到現(xiàn)有傳統(tǒng)機(jī)房電力問題，建議適當(dāng)減少單機(jī)柜的功耗需求，以滿足電源及制冷的需求。

3.2.3 VDC機(jī)房容災(zāi)需求

NFVI（通用硬件+虛擬層）應(yīng)具備硬件和軟件的冗余備份能力。硬件方面，支持冗余電源接入、冗余網(wǎng)卡連接、冗余散熱風(fēng)扇等高可用性部件，避免由電源及網(wǎng)絡(luò)接入等單點故障影響業(yè)務(wù)功能。交換模塊需要支持冗余設(shè)計，任何一個部件故障不影響帶寬和業(yè)務(wù)性能。軟件方面，應(yīng)支持虛擬機(jī)的快速恢復(fù)，對于管理軟件需要實現(xiàn)組件級的備份。

對于區(qū)域級DC 內(nèi)的虛擬化設(shè)備，建議同城異址，不同副本分屬不同機(jī)房，確保單一局址故障后業(yè)務(wù)自動遷移不中斷，對于本地DC 內(nèi)的虛擬化設(shè)備，將不同副本分割在不同故障域，確保單一故障域發(fā)生故障后，本業(yè)務(wù)自動遷移不中斷。

整體從業(yè)務(wù)和管理2個層面進(jìn)行容災(zāi)部署。

a）業(yè)務(wù)域：對有業(yè)務(wù)層容災(zāi)方案的網(wǎng)元，采用業(yè)務(wù)層容災(zāi)，網(wǎng)元與傳統(tǒng)容災(zāi)方式保持一致；對無業(yè)務(wù)層容災(zāi)方案的網(wǎng)元，由NFVI提供相應(yīng)的容災(zāi)機(jī)制。

b）管理域：NFVO、VNFM 采用雙機(jī)負(fù)載分擔(dān)或主備方式容災(zāi)，優(yōu)選雙機(jī)負(fù)載分擔(dān)；VIM 在DC 內(nèi)多節(jié)點部署，暫不考慮跨DC容災(zāi)。

3.3 VDC資源需求測算

VDC 內(nèi)組網(wǎng)采用Spine/Leaf 的分層架構(gòu)，組網(wǎng)如圖3所示。

圖3 VDC組網(wǎng)示意圖

以NB-IoT和VIMS建設(shè)為基礎(chǔ)，通過對vEPC的測算得出一套適合測算VDC 資源池的方法論，該方法論能夠指導(dǎo)測算后續(xù)新增業(yè)務(wù)對資源池和機(jī)房空間需求。

構(gòu)建云資源池的要求如下：

a）硬件：采用通用硬件服務(wù)器，以x86 架構(gòu)為主，ARM 架構(gòu)為輔。存儲從集中存儲逐步向服務(wù)器存儲過渡。

b）虛擬層：每個DC 機(jī)房部署1 套虛擬層軟件（包含VIM 和Hypevisor），VIM 以O(shè)penStack 為主，Hypevisor以KVM為主，后續(xù)可向容器類中間件演進(jìn)。

3.3.1 測算總架構(gòu)

虛擬化數(shù)據(jù)中心通過整合服務(wù)器將共用的基礎(chǔ)架構(gòu)資源聚合到池中，打破原有的“1 臺服務(wù)器1 個應(yīng)用程序”的模式，提高了現(xiàn)有資源的利用率。本文將VDC 資源需求測算的總架構(gòu)分為通用服務(wù)器需求測算和VDC 機(jī)房資源需求測算2 個部分，分別如圖4 和圖5所示。

圖4 VDC通用服務(wù)器需求測算

圖5 VDC機(jī)房資源需求測算

3.3.2 基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來源

所謂的典配模型必須先選定“建議服務(wù)器配置”。實際建設(shè)中參考現(xiàn)網(wǎng)IDC 機(jī)房以及IT 行業(yè)主流服務(wù)器配置情況，選取合適的“建議服務(wù)器配置”。因各廠家選用或推薦的服務(wù)器配置不完全一致，在一期項目建設(shè)中，為保證招標(biāo)清單的標(biāo)準(zhǔn)化，選用統(tǒng)一的服務(wù)器配置，各廠家實際配置的服務(wù)器應(yīng)不低于“建議服務(wù)器配置”。

第1 部分?jǐn)?shù)據(jù)來源：各廠家的典配模型服務(wù)器需求是在“建議服務(wù)器配置”的基礎(chǔ)上，考慮不同廠家的虛擬機(jī)（VM）對通用硬件的配置需求以及親和、反親和性的不一致后進(jìn)行配置的，所以各廠家的典型配置模型服務(wù)器需求以廠家提供為主，該部分主要測算VNF所需的服務(wù)器數(shù)量。

第2部分?jǐn)?shù)據(jù)來源：VDC部署除了通用服務(wù)器外，還需要部署相應(yīng)的組網(wǎng)交換機(jī)，Leaf 交換機(jī)（含存儲、管理、業(yè)務(wù)TOR 以及硬件管理交換機(jī)）依據(jù)服務(wù)器的數(shù)量進(jìn)行相應(yīng)的配置；Spine 交換機(jī)按照每DC 機(jī)房2臺考慮；磁陣也按照每DC 機(jī)房2套考慮。該部分主要是根據(jù)網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)需求提供數(shù)據(jù)。

3.3.3 VDC機(jī)架需求測算

3.3.3.1 系數(shù)取定

考慮到業(yè)務(wù)節(jié)點服務(wù)器冗余，取定冗余系數(shù)為1.4；單機(jī)架面積：3 m2；單服務(wù)器功耗：400 W；TOR 交換機(jī)功耗：250 W；Spine 交換機(jī)功耗：5 000 W；磁陣功耗：500 W。

3.3.3.2 VDC需求資源測算

根據(jù)各機(jī)房VNF 的容量、廠家提供的服務(wù)器典型配置，計算每個機(jī)房所需的業(yè)務(wù)服務(wù)器數(shù)量，其中Leaf交換機(jī)安裝在服務(wù)器機(jī)柜中，不單獨測算機(jī)架需求。

總服務(wù)器數(shù)量=業(yè)務(wù)服務(wù)器數(shù)量×1.4（硬件冗余系數(shù)）+9 臺管理節(jié)點服務(wù)器（VIM/VNFM/NFVO/PIM，固定配置）

Leaf 交換機(jī)數(shù)量=管理TOR（服務(wù)器數(shù)量/40×2）+存儲TOR（服務(wù)器數(shù)量/40×2）+業(yè)務(wù)TOR（服務(wù)器數(shù)量/20×2）+硬件管理交換機(jī)（服務(wù)器數(shù)量/40）

總機(jī)架需求=總服務(wù)器數(shù)量/8（每機(jī)架裝8 臺服務(wù)器）+2個EOR機(jī)架+1個磁陣機(jī)架

機(jī)房空間需求=總機(jī)架需求×3 m2

機(jī)房功耗需求=總服務(wù)器數(shù)量×400 W+Leaf 交換機(jī)數(shù)量×250 W+Spine交換機(jī)數(shù)量×5 000W+磁陣數(shù)量×500 W。

4 結(jié)束語

隨著NFV 的快速發(fā)展，VDC 的部署需求不斷增加，本文從VDC 機(jī)房的選取以及VDC 資源測算2 個方面著手，系統(tǒng)地闡述了VDC 建設(shè)的關(guān)鍵點。首先，依據(jù)中國聯(lián)通的總體建設(shè)要求，明確各省、地（市）機(jī)房的定位需求；其次，依據(jù)VDC 的資源測算方法，合理地測算VDC 機(jī)房所需的空間和功耗的需求；最終，結(jié)合VDC 機(jī)房的需求定位、VDC 機(jī)房的資源需求，并綜合考量機(jī)房空間、電源和制冷等方面的改造量，選取合適的VDC 機(jī)房。本文對VDC 機(jī)房的選取和資源測算都有較大的指導(dǎo)意義。另外，選取合適的VDC 機(jī)房，合理規(guī)劃VDC資源也有利于NFV更快更好地部署。