楊文聰，楊文強，王友祥（中國聯(lián)通研究院，北京 100176）

0 引言

國內(nèi)外運營商在加快5G網(wǎng)絡(luò)商用部署的同時，面臨由傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)向虛擬化開放網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的轉(zhuǎn)型，以提高網(wǎng)絡(luò)運營效率和節(jié)約投資成本。5G 核心網(wǎng)采用NFV 基礎(chǔ)設(shè)施平臺，通過虛擬化技術(shù)提供資源彈性伸縮、網(wǎng)絡(luò)切片等網(wǎng)絡(luò)功能，為垂直行業(yè)快速實現(xiàn)數(shù)字化轉(zhuǎn)型打下了堅實的基礎(chǔ)。ETSI 于2012 年10 月發(fā)布NFV 技術(shù)白皮書，通過幾年的努力，各部分功能和接口流程不斷細化，日臻完善；3GPP也在持續(xù)推動5G核心網(wǎng)虛擬化技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)及相關(guān)規(guī)范的研究工作。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化組織的推動下，國內(nèi)外大部分運營商和一些主流設(shè)備制造商已經(jīng)掌握了NFV 虛擬化的核心技術(shù)，但在現(xiàn)網(wǎng)大規(guī)模部署時仍主要采用軟硬二層解耦的架構(gòu)，無法做到統(tǒng)一云平臺解耦部署，難以實現(xiàn)全網(wǎng)資源共享。本文討論三層解耦部署的方式及面臨的挑戰(zhàn)，并探究未來可能的網(wǎng)絡(luò)部署模式。

1 5G云化核心網(wǎng)三層解耦架構(gòu)

5G 核心網(wǎng)的云化旨在重構(gòu)虛擬化的開放網(wǎng)絡(luò)，通過提供開放的網(wǎng)絡(luò)能力來滿足差異化的需求。

當(dāng)前5G 核心網(wǎng)商用化部署主要采用二層解耦方式，即硬件基礎(chǔ)設(shè)施與軟件系統(tǒng)解耦。雖然統(tǒng)一了硬件基礎(chǔ)設(shè)施，但軟件系統(tǒng)中的虛擬化中間件和網(wǎng)絡(luò)功能層未解耦，導(dǎo)致仍然存在多資源池、多煙囪問題，使得資源無法統(tǒng)一調(diào)配與管理，難以發(fā)揮NFV 的技術(shù)優(yōu)勢，因此三層解耦架構(gòu)部署網(wǎng)絡(luò)是充分釋放5G網(wǎng)絡(luò)能力的關(guān)鍵。

因此，傳統(tǒng)的由專用硬件與網(wǎng)元軟件捆綁的煙囪式網(wǎng)絡(luò)將被更開放更靈活的三層解耦網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)所取代，后者可實現(xiàn)基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬化中間件層與網(wǎng)絡(luò)功能層完全解耦，它將真正賦予運營商靈活度高、擴展性強的網(wǎng)絡(luò)能力。三層解耦有利于分層解耦建設(shè)模式可以最大發(fā)揮資源池統(tǒng)一調(diào)度的優(yōu)勢，利于實現(xiàn)NFV 開放合作的產(chǎn)業(yè)生態(tài)理念，是運營商構(gòu)建開放、敏捷電信網(wǎng)絡(luò)的途徑。

ETSI規(guī)定的三層解耦網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖1所示）由基礎(chǔ)設(shè)施層、虛擬化層和網(wǎng)絡(luò)功能層3 部分組成。由VIM、VNFM和NFVO共同組成管理平臺MANO。

圖1 三層解耦網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該架構(gòu)相較于二層解耦的主要差異是將“軟硬解耦”的軟件部分再次解耦分成了虛擬化資源層和網(wǎng)絡(luò)功能層。而底層物理資源（包含計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)3 部分）與虛擬化層及其之上的虛擬化資源統(tǒng)稱為NFV 基礎(chǔ)設(shè)施（NFV Infrastructure，NFVI）。而虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（Virtualize Network Function，VNF）即部署在虛擬機上的網(wǎng)元軟件，其功能與接口遵循3GPP標(biāo)準(zhǔn)。

管理平臺MANO 提供基于NFV 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)中資源的管理和編排能力，以便最大化提升網(wǎng)絡(luò)的靈活性和使用率。其中：

VIM（Virtualized Infrastructure Manager）是基礎(chǔ)設(shè)施層管理系統(tǒng)，負責(zé)對物理硬件、虛擬化資源進行統(tǒng)一的管理、監(jiān)控、優(yōu)化與故障處理等。

VNFM（VNF Manager）是虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理系統(tǒng)，負責(zé)VNF 的資源及生命周期等相關(guān)管理，如網(wǎng)元的實例化、擴容與縮容等。

NFVO（NFV Orchestrator）是網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排系統(tǒng)，負責(zé)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)、VNF 協(xié)同及虛擬化資源控制與管理，是整個NFV架構(gòu)的控制核心。

三層解耦架構(gòu)的接口功能及接口解耦界面如表1所示，所謂的三層解耦是指南北向接口解耦，東西向接口不做進一步解耦。

表1 接口功能

網(wǎng)元的解耦平面包括基礎(chǔ)設(shè)施層與虛擬化層的解耦以及虛擬化層與網(wǎng)絡(luò)功能層的解耦。云化管理的解耦界面包括VIM與VNFM的解耦、VNFM與NFVO的解耦、NFVO 與VIM 的解耦。相比較二層解耦架構(gòu)，三層解耦架構(gòu)中需解耦的接口界面增多，網(wǎng)元解耦增加了虛擬化層與網(wǎng)絡(luò)功能層的解耦，云化管理解耦需增加更多的解耦界面，實現(xiàn)難度大大增加。對運營商來說，多廠商垂直互通的網(wǎng)絡(luò)將面臨系統(tǒng)集成難度大、運營維護難度大、部署周期長等難題。

2 三層解耦網(wǎng)絡(luò)部署模式及演進方向

5G 云化核心網(wǎng)三層解耦部署打破了傳統(tǒng)單一供應(yīng)商的模式，采用多供應(yīng)商共同部署模式?，F(xiàn)階段，在5G 網(wǎng)絡(luò)的多種要素和行為尚未最終確定標(biāo)準(zhǔn)的情況下，運營商部署三層解耦網(wǎng)絡(luò)進展緩慢。本章將討論三層解耦架構(gòu)下網(wǎng)絡(luò)部署模式及面臨的挑戰(zhàn)，并提出未來三層解耦架構(gòu)可能的演進方向。

2.1 NFV部署模式1：虛機部署模式

在虛機部署模式下，通過虛擬化軟件Hypervisor把硬件計算資源、存儲資源及網(wǎng)絡(luò)資源虛擬化，將其轉(zhuǎn)化為一組可管理、調(diào)度和分配的邏輯資源，并以虛擬機的形式提供給上層的VNF。虛擬化層與基礎(chǔ)設(shè)施層解耦在二層解耦架構(gòu)中已廣泛應(yīng)用，相對比較成熟，因此解耦的重點是虛擬化層與業(yè)務(wù)層的解耦及云化管理界面的解耦。虛機部署的三層解耦架構(gòu)如圖2所示。

圖2 虛機部署的三層解耦架構(gòu)

虛擬化層與網(wǎng)絡(luò)功能層的解耦導(dǎo)致異廠家提供不同的設(shè)備，務(wù)必統(tǒng)一軟件研發(fā)環(huán)境，保證軟件與平臺兼容。同時，在系統(tǒng)設(shè)計時，運營商應(yīng)規(guī)定虛擬化功能匹配策略、性能規(guī)格和可靠性策略等，使得各廠家垂直系統(tǒng)設(shè)計不出現(xiàn)短板，保證整體設(shè)備性能最優(yōu)化。

虛擬化層軟件版本統(tǒng)一，保證研發(fā)環(huán)境一致性。虛擬化層的軟件包括虛擬化軟件Hypervisor 和VIM 基于的OpenStack 管理單元2 部分，通過Hypervisor 與VIM 的交互實現(xiàn)對虛擬機的管理、硬件服務(wù)器監(jiān)控。運營商在企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中必須規(guī)定統(tǒng)一的Hypervisor 軟件版本，包括基于Linux 系統(tǒng)增強的Host OS 的內(nèi)核版本，基于KVM 增強的KVM-Qemu 版本和基于開源DPDK 增強的DPDK 版本。OpenStack 主要考慮VIM 北向6 個接口API 版本的統(tǒng)一，包括鏡像管理接口、認(rèn)證管理接口、計算資源管理接口、網(wǎng)絡(luò)資源管理接口、存儲資源管理接口及資源編排管理接口。

云化核心網(wǎng)處理高轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，大量增強虛擬化技術(shù)應(yīng)運而生，務(wù)必統(tǒng)一各廠家虛擬化技術(shù)，保證資源最大化利用。運營商統(tǒng)一要求虛擬化層支持CPU超線程、大頁內(nèi)存、NUMA、CPU 綁核、親和性和反親和性、實時GuestOS 等關(guān)鍵技術(shù)。最后，計算、存儲及網(wǎng)絡(luò)等性能規(guī)格的要求也需要統(tǒng)一，滿足業(yè)務(wù)層系統(tǒng)設(shè)計和調(diào)度的需求。遷移與備份等可靠性策略需要統(tǒng)一，滿足上層業(yè)務(wù)策略調(diào)度要求。固化統(tǒng)一的虛擬層的各種參數(shù)，目標(biāo)是為不同供應(yīng)商功能軟件提供統(tǒng)一虛擬平臺，降低系統(tǒng)集成的難度，提高不同設(shè)備的兼容性。

雖然國內(nèi)外組織和運營商制定了標(biāo)準(zhǔn)化規(guī)范，從實驗室驗證及實際部署情況來看，系統(tǒng)集成依然挑戰(zhàn)重重。需要制定顆粒度更精細的技術(shù)要求，包括軟件版本演進策略，通用指令集、虛擬化部署參數(shù)和創(chuàng)建參數(shù)等。

2.2 NFV部署模式2：容器部署模式

隨著以K8S 為核心的CNCF 迅速發(fā)展，容器編排調(diào)度平臺成為了事實標(biāo)準(zhǔn)，CNCF 提出未來K8S 支持VNF，進一步推動容器技術(shù)向電信行業(yè)滲透。容器是一種輕量化的操作系統(tǒng)級虛擬化技術(shù)，而虛機是物理資源虛擬化技術(shù)，對比分析虛機與容器各技術(shù)維度，探討基于容器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的可行性。

K8S（Kubernetes 的縮寫），容器編排平臺，用于容器集群的自動化部署、擴容以及運維，是容器的管理者與監(jiān)控者。

云原生計算基金會（Cloud Native Computing Foundation，CNCF）是一個開源軟件基金會，它致力于云原生技術(shù)的普及和可持續(xù)發(fā)展。

Swarm，容器管理工具，用來提供容器鏡像的生命周期管理和集群管理。

虛機與容器對比如表2所示。

從表2 可以看出，云化核心網(wǎng)對虛機和容器沒有強依賴關(guān)系，結(jié)合微服務(wù)架構(gòu)引入容器的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，容器顆粒度小、靈活部署方面更有優(yōu)勢，而且5G 彈性擴縮容成為常態(tài)，容器系統(tǒng)能夠更快申請和釋放資源，提升資源利用率，但是容器的標(biāo)準(zhǔn)化程度低，系統(tǒng)集成的難度會更大。

表2 虛機與容器對比

5G 網(wǎng)絡(luò)重點服務(wù)行業(yè)客戶，要求5GC 網(wǎng)絡(luò)具備快速響應(yīng)新需求的能力，基于容器的微服務(wù)架構(gòu)更容易實現(xiàn)不同業(yè)務(wù)類型差異化編排。容器技術(shù)分為虛機容器和裸機容器。裸機容器隔離性及安全性較弱等技術(shù)原因，使現(xiàn)階段基于裸機技術(shù)的ETSI等標(biāo)準(zhǔn)尚未成熟，運營商主要研究虛機容器部署模式。利用容器顆粒度小、差異化編排能力強的優(yōu)點，同時，利用虛機標(biāo)準(zhǔn)化程度高規(guī)避容器的缺點。

虛機容器的部署模式是在虛機部署模式的基礎(chǔ)上，VNF∕VNFM 內(nèi)部增強，支持容器的部署，如圖3 所示，NFVI、VIM 接口都不變，運維不變，以虛機為主，但NFVO 需要增加容器管理編排定義，包括應(yīng)用編排和彈性監(jiān)控等參數(shù)的定義；VNFM 需要內(nèi)置容器相關(guān)管理功能。同時，虛機容器模式下，網(wǎng)元部署流程也要相應(yīng)的增加。虛機部署模式下網(wǎng)元的部署流程相對簡單，Guest OS 鏡像文件、VNF 軟件包和VNFD 模板打包上傳，NFVO 同步VM 鏡像到VIM，同時NFVO 通知VNFM 實例化VNF，完成虛機的創(chuàng)建。而虛機容器網(wǎng)元部署流程是在虛機創(chuàng)建完成后，增加虛機內(nèi)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，創(chuàng)建容器的鏡像和容器的編排模板等。

圖3 虛機容器部署的三層解耦架構(gòu)

由于虛機容器部署模式大的框架同虛機部署模式一致，因此，解耦界面以及解耦的技術(shù)要求基本一致，只需要增加NFVO 與VNFM 接口中ScaleVnf、CreatePolicy、VNFPackageNotify 和VNFMEventNotification參數(shù)的定義，同時，需要增加NFVO 與VIM 接口中API參數(shù)的定義。跟虛機部署模式相比，虛機容器部署模式的解耦難度沒有降低，只是增加了業(yè)務(wù)差異化部署的靈活性，資源利用率更高。

2.3 三層解耦未來架構(gòu)探究

無論虛機部署模式還是虛機容器部署模式，不同供應(yīng)商垂直系統(tǒng)集成都面臨著相同程度的挑戰(zhàn)，國內(nèi)外運營商三層解耦部署的實踐案例較少，而未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展趨勢將會更加開放和靈活。因此，探討一種既可實現(xiàn)靈活部署、又可實現(xiàn)高效集成的新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)是非常必要的。大虛擬層的三層解耦架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 大虛擬層的三層解耦架構(gòu)

構(gòu)想一種大虛擬層的部署模式，基于云原生進行架構(gòu)設(shè)計，在原有虛擬層基礎(chǔ)上增強形成新的大虛擬層平臺，支持多種資源形式共存，與虛擬化層聯(lián)動密切的網(wǎng)元功能卸載到大虛擬層平臺，對上層的業(yè)務(wù)提供統(tǒng)一的API，網(wǎng)元各個模塊弱化成類似APP 應(yīng)用的形態(tài)，網(wǎng)元與大虛擬層解耦的難度大大降低。原有網(wǎng)元拆解為通用功能和特性功能，通用功能組件內(nèi)置于大虛擬層平臺，特性功能作為新網(wǎng)元部署在大虛擬平臺之上。運營商新網(wǎng)元要求基于微服務(wù)進行設(shè)計，各個功能模塊簡約化與定制化，編排管理靈活智能，根據(jù)業(yè)務(wù)需求自動部署，實現(xiàn)業(yè)務(wù)輕量化、中臺標(biāo)準(zhǔn)化與資源最優(yōu)化的目標(biāo)。現(xiàn)階段可以通過應(yīng)用場景的分類，分析不同應(yīng)用場景下網(wǎng)元功能與虛擬層的聯(lián)動性，進行平臺框架設(shè)計，推進各種技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)化，最終實現(xiàn)低接觸高效率系統(tǒng)集成。

3 總結(jié)

網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)已成為國內(nèi)外運營商轉(zhuǎn)型的重要切入點，未來網(wǎng)絡(luò)通過NFV 進行三層解耦是大勢所趨。5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的加速推進，為運營商實現(xiàn)基于NFV 的核心網(wǎng)三層解耦架構(gòu)落地提供了很好的契機，在解決集成問題同時，希望探究一種更加靈活開放低接觸集成的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，推動整個產(chǎn)業(yè)鏈更加開放完善的5G核心網(wǎng)三層解耦方案，盡早實現(xiàn)NFV 統(tǒng)一云平臺部署，共同迎接5G萬物互聯(lián)新時代。