基于NFV架構(gòu)的IMS核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案

鄭舒，王曉東（福建省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 福州 350003）

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基于NFV架構(gòu)的IMS核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案

鄭舒，王曉東
（福建省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司， 福州 350003）

摘 要本文分析了NFV技術(shù)架構(gòu)和NFV將給核心網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的效益，提出了基于NFV架構(gòu)的IMS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方案和網(wǎng)絡(luò)演進(jìn)思路，并總結(jié)了當(dāng)前NFV技術(shù)面臨的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞NFV；IMS；虛擬化；NFVI；VNF；MANO

1　NFV技術(shù)架構(gòu)

NFV（Network FunctionsVirtualization，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）是由運(yùn)營(yíng)商主導(dǎo)發(fā)起的新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，旨在通過(guò)通用硬件以及虛擬化技術(shù)，來(lái)承載相關(guān)網(wǎng)絡(luò)功能，從而降低網(wǎng)絡(luò)成本并提升業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)部署能力。

根據(jù)發(fā)布于軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和OpenFlow世界大會(huì)的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化白皮書(shū)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的目標(biāo)是改變當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)架構(gòu)模式，利用IT虛擬化技術(shù)，將現(xiàn)有的各類(lèi)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能整合進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)的工業(yè)IT設(shè)備，如高密度服務(wù)器、交換機(jī)、存儲(chǔ)等設(shè)備。這將使傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸功能可以運(yùn)行在不同的IT工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器硬件上，并且可以使之可遷移，實(shí)例化，按需分布在不同位置，而無(wú)需做新設(shè)備的安裝。

歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)（ETSI）為NFV制定了參考架構(gòu)，以便所有參與者可以依照共同的框架完成相關(guān)研發(fā)工作，如圖1所示。

根據(jù)該架構(gòu)，NFV包括如圖1所示的3部分實(shí)體功能。

圖1　ETSI制定的NFV參考架構(gòu)

NFVI（NFV Infrastructure）。具體來(lái)說(shuō)就是，NFVI是一種包含服務(wù)器、存儲(chǔ)硬件、虛擬化管理程序（Hypervisor）、操作系統(tǒng)、虛機(jī)、虛擬交換機(jī)和網(wǎng)絡(luò)資源的云數(shù)據(jù)中心。NFVI需要將物理計(jì)算/存儲(chǔ)/交換資源通過(guò)虛擬化成虛擬的計(jì)算/存儲(chǔ)/交換資源池。

VNF（虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能），實(shí)現(xiàn)的是傳統(tǒng)各電信網(wǎng)元的功能，VNF所需資源需要分解為虛擬的計(jì)算/存儲(chǔ)/交換資源，由NFVI來(lái)承載。VNF之間的接口依然采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)定義的信令接口（3GPP+ITU-T），VNF的業(yè)務(wù)網(wǎng)管依然采用NE-EMS-NMS體制。

MANO（管理和編排功能），負(fù)責(zé)對(duì)NFVI和VNF的管理和編排。同其他云計(jì)算組織相比，MANO是NFV-ISG提出的創(chuàng)新架構(gòu)，是實(shí)現(xiàn)電信級(jí)虛擬化的技術(shù)手段。

MANO內(nèi)部包括VIM、VNFM和Orchestrator 3個(gè)實(shí)體，分別完成對(duì)NFVI、VNF和NS 3個(gè)層次的管理。

Orchestrator：編排器是整個(gè)MANO域的控制中心，負(fù)責(zé)對(duì)NFV-基礎(chǔ)設(shè)施資源和軟件資源的統(tǒng)一管理和編排。通常整個(gè)網(wǎng)絡(luò)部署1套編排器，可以采用分布式，集群方式部署來(lái)提升處理能力和可靠性。

VNFM負(fù)責(zé)對(duì)VNF的生命周期進(jìn)行管理，包括實(shí)例化/升級(jí)/擴(kuò)容/縮容/終止等，VNFM、VNF間關(guān)系可以是1：1，也可以是1：N。VNFM可以管理同類(lèi)VNF，也可以管理不同類(lèi)VNF。

VIM：包括管理功能和運(yùn)維功能。管理功能包括資產(chǎn)管理功能、資源池化功能、資源管理和分配。運(yùn)維功能包括對(duì)NFVI的管理和可視、從NFVI層面對(duì)性能和故障進(jìn)行根本原因分析、故障信息的收集和上報(bào)、容量規(guī)劃和性能統(tǒng)計(jì)等。

ETSI NFV ISG在定義網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的同時(shí)，也梳理了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的主要應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）基于虛擬業(yè)務(wù)邊緣提升自動(dòng)化水平的場(chǎng)景（如vCPE、vSTB等）；

（2）強(qiáng)調(diào)計(jì)算能力提升業(yè)務(wù)控制靈活性的場(chǎng)景（如vEPC、vIMS等）；

（3）利用硬件通用性提升資源共享與智能控制能力的場(chǎng)景（如vBRAS等）。

2　核心網(wǎng)引入NFV技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)有核心網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)功能與網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是超強(qiáng)耦合的關(guān)系，網(wǎng)絡(luò)功能均通過(guò)專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的、廠商專(zhuān)有的設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)，這帶來(lái)了諸多不便。

（1）核心網(wǎng)網(wǎng)元種類(lèi)繁多，硬件資源難共享，性能提升依賴(lài)硬件替換。

（2）新業(yè)務(wù)引入困難。當(dāng)運(yùn)營(yíng)商要部署新業(yè)務(wù)的時(shí)候，需采用特定廠家的軟硬件平臺(tái)。因?yàn)檐浻布蔷o耦合的，因此開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，代價(jià)大，定制繁瑣。

（3）由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜，規(guī)劃和網(wǎng)維的工作量較大。

在核心網(wǎng)引入NFV，就是把電信設(shè)備從目前的專(zhuān)用平臺(tái)遷移到通用的設(shè)備上。也就是說(shuō)，各種網(wǎng)元變成了獨(dú)立的應(yīng)用，可以靈活部署在基于標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、存儲(chǔ)、交換機(jī)構(gòu)建的統(tǒng)一平臺(tái)上，這樣軟硬件解耦，每個(gè)應(yīng)用可以通過(guò)快速增加減少虛擬資源來(lái)達(dá)到快速縮擴(kuò)容的目的，大大提升網(wǎng)絡(luò)的彈性，如圖2所示。

在核心網(wǎng)引入NFV技術(shù)會(huì)為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商帶來(lái)諸多效益：

圖2　引入NFV后核心網(wǎng)網(wǎng)元形態(tài)變化

（1）通過(guò)整合設(shè)備以及利用IT行業(yè)的規(guī)模經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，來(lái)降低運(yùn)營(yíng)商的設(shè)備成本和能源消耗。同時(shí)物理網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，能夠提高運(yùn)維效率。

（2）網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化在統(tǒng)一的基礎(chǔ)架構(gòu)上運(yùn)行業(yè)務(wù)，測(cè)試業(yè)務(wù)，將有力保障了有效的測(cè)試和集成工作，減少開(kāi)發(fā)成本，加快業(yè)務(wù)上線速度，提高創(chuàng)新能力。

（3）基于地理位置或者客戶群的針對(duì)性服務(wù)成為可能，能夠根據(jù)具體需求快速的擴(kuò)展或者降低服務(wù)能力。另外，基于軟件的遠(yuǎn)程服務(wù)無(wú)需增加新的硬件設(shè)備，這也有助于服務(wù)及時(shí)性的提升。

（4）網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用能實(shí)現(xiàn)多版本及多租戶，支持不同的應(yīng)用、用戶、租戶共享統(tǒng)一的平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)共享的支持水到渠成。

（5）形成一個(gè)廣泛多樣的產(chǎn)業(yè)鏈，并鼓勵(lì)開(kāi)放。它可以開(kāi)放虛擬一體設(shè)備市場(chǎng)給單純的軟件商，自由開(kāi)發(fā)者或者研究人員，鼓勵(lì)這些開(kāi)發(fā)者帶來(lái)更多的創(chuàng)新，在很低的風(fēng)險(xiǎn)下帶來(lái)新的服務(wù)以及新的收入。

3　基于NFV的IMS核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)方案

IMS設(shè)備是否適合采用虛擬化主要考慮以下幾個(gè)方面：設(shè)備接口是否IP化；負(fù)責(zé)即時(shí)語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸?shù)脑O(shè)備不適合虛擬化；需要復(fù)雜計(jì)算的設(shè)備適合采用虛擬化；有大量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、操作和維護(hù)需求的設(shè)備適合采用虛擬化。

綜合以上幾個(gè)方面，可以看出IMS的業(yè)務(wù)面、控制面網(wǎng)元具有密集計(jì)算處理的特征，符合COTS服務(wù)器計(jì)算能力較強(qiáng)，適合處理狀態(tài)轉(zhuǎn)移和信令交互等流程的特點(diǎn)，因此尤其適合進(jìn)行虛擬化部署。用戶數(shù)據(jù)面的網(wǎng)元對(duì)存儲(chǔ)可靠性要求高，需要專(zhuān)用的存儲(chǔ)和軟件，可逐步實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)虛擬化。而媒體轉(zhuǎn)發(fā)面的網(wǎng)元由于負(fù)責(zé)即時(shí)的語(yǔ)音數(shù)據(jù)傳輸，還是需要使用專(zhuān)用硬件進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。因此建議核心網(wǎng)的NFV部署按照虛擬化的易難程度，逐步演進(jìn)，如圖3所示。

圖3　核心網(wǎng)的NFV演進(jìn)路線圖

IMS的控制面網(wǎng)元包括P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、MRFC等；業(yè)務(wù)面網(wǎng)元主要為T(mén)AS。而這些網(wǎng)絡(luò)實(shí)體都是基于ATCA硬件架構(gòu)實(shí)現(xiàn)。IMS核心網(wǎng)網(wǎng)元功能虛擬化通過(guò)重新設(shè)計(jì)P/I/S-CSCF、TAS等核心網(wǎng)網(wǎng)元的系統(tǒng)和軟件架構(gòu)，使其可以獨(dú)立于底層的硬件設(shè)備而運(yùn)行于通用的服務(wù)器平臺(tái)上。

基于NFV的IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖4所示，所有網(wǎng)元將統(tǒng)一部署于通用硬件之上，通過(guò)虛擬化層抽象為歸一化虛擬資源提供給上層移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)元軟件應(yīng)用調(diào)用。

引入NFV技術(shù)以后，網(wǎng)元部署的方式發(fā)生變化，包括：需要預(yù)先部署NFVI資源池以及MANO系統(tǒng)；各物理網(wǎng)元變?yōu)樘摂M網(wǎng)元；各網(wǎng)元通過(guò)編排的方式生成所需處理資源，加載網(wǎng)元軟件后完成部署；新增部署實(shí)體，包括NFVO、VNFM和VIM，完成網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)化部署和監(jiān)控。

NFV并沒(méi)有改變網(wǎng)絡(luò)的邏輯架構(gòu)。IMS的網(wǎng)元功能虛擬化后，各個(gè)網(wǎng)元功能以軟件的形式按用戶容量變化的實(shí)際需要自動(dòng)在通用硬件平臺(tái)上加載或卸載。IMS網(wǎng)絡(luò)的各接口依然存在，信令流程保持不變。

圖4　基于NFV的IMS網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

目前各大運(yùn)營(yíng)商均部署了IMS核心網(wǎng)絡(luò)，為確保演進(jìn)過(guò)程中業(yè)務(wù)的平滑、安全過(guò)渡，建議采用逐步分階段引入虛擬化網(wǎng)元的方式。

第一階段：部分網(wǎng)元虛擬化，進(jìn)行試點(diǎn)。

在現(xiàn)階段可利用現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元進(jìn)行混合組網(wǎng)，使IMS傳統(tǒng)設(shè)備及虛擬化設(shè)備同時(shí)在網(wǎng)運(yùn)行并提供能力，同時(shí)保持傳統(tǒng)IMS網(wǎng)絡(luò)與vIMS網(wǎng)絡(luò)的分離。vIMS提供給試點(diǎn)用戶接入，而普通用戶仍然使用傳統(tǒng)IMS網(wǎng)絡(luò)。通過(guò)相對(duì)小規(guī)模的應(yīng)用，可積累vIMS的集成、部署、運(yùn)維及管理經(jīng)驗(yàn)，驗(yàn)證vIMS的運(yùn)營(yíng)能力。建設(shè)初期，建議選取IMS核心網(wǎng)的S-CSCF/ I-CSCF和TAS網(wǎng)元實(shí)現(xiàn)虛擬化。新增試點(diǎn)SBC內(nèi)置P-CSCF及DNS功能，試點(diǎn)用戶應(yīng)由試點(diǎn)SBC接入。新增的虛擬化S/I-CSCF和TAS需連接現(xiàn)網(wǎng)HSS，試點(diǎn)SBC需連接現(xiàn)網(wǎng)PCRF。組網(wǎng)架構(gòu)如圖5所示。

第二階段：虛擬化網(wǎng)元逐步替代傳統(tǒng)網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)vIMS網(wǎng)絡(luò)的全面部署。

隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模不斷擴(kuò)大，vIMS網(wǎng)絡(luò)開(kāi)始接入普通用戶，傳統(tǒng)的IMS網(wǎng)絡(luò)設(shè)備逐步退出服務(wù)，最后完成向全面的NFV架構(gòu)演進(jìn)。在網(wǎng)絡(luò)層面，采用SDN架構(gòu)實(shí)現(xiàn)控制與轉(zhuǎn)發(fā)分離，控制面集中化部署在數(shù)據(jù)中心，采用NFV實(shí)現(xiàn)資源共享與動(dòng)態(tài)調(diào)度。

4　NFV技術(shù)在核心網(wǎng)應(yīng)用帶來(lái)的挑戰(zhàn)

NFV技術(shù)在核心網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)商用還面臨著一些挑戰(zhàn)。

4.1標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議

ETSI提出的NFV規(guī)范了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的架構(gòu)，但是各模塊間的接口只定義了功能，未細(xì)化協(xié)議細(xì)節(jié)。

4.2底層設(shè)備性能

虛擬化是NFV的關(guān)鍵技術(shù)，然而測(cè)試結(jié)果顯示，虛擬化會(huì)造成IMS設(shè)備的處理能力下降，系統(tǒng)時(shí)延較大，達(dá)不到傳統(tǒng)設(shè)備的水平。比如NFV技術(shù)部署到服務(wù)器上后，I/O接口數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)存在性能瓶頸，和傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備相比會(huì)有30%～40%的性能損失，只有縮小到10%以?xún)?nèi)才能達(dá)到商用水平。因此，NFV的真正商用對(duì)虛擬化技術(shù)和硬件的處理能力都提出了更高的要求。

圖5　部分網(wǎng)元進(jìn)行NFV試點(diǎn)的IMS組網(wǎng)架構(gòu)

4.3可靠性

傳統(tǒng)核心網(wǎng)的可靠性要求達(dá)到5個(gè)9，即99.999%，虛擬化核心網(wǎng)設(shè)備基于通用服務(wù)器，可靠性要低于專(zhuān)用的高性能網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。NFV必須采用虛擬機(jī)分散、虛擬機(jī)備份和管理系統(tǒng)備份等方式來(lái)提高虛擬化系統(tǒng)的可靠性，不過(guò)這些技術(shù)的引入又增加了NFV實(shí)現(xiàn)的難度，使得NFV技術(shù)過(guò)于復(fù)雜。

4.4業(yè)務(wù)部署方式

NFV部署流程與傳統(tǒng)流程在很多方面有所不同。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)容量測(cè)算后采集硬件設(shè)備，再通過(guò)調(diào)貨調(diào)試然后業(yè)務(wù)上線。NFV引入后，硬件采用虛擬資源池中的資源，由MANO實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)編排、虛擬資源需求計(jì)算及申請(qǐng)，完成網(wǎng)絡(luò)能力部署。業(yè)務(wù)部署方式的變化對(duì)現(xiàn)行的設(shè)備采購(gòu)模式、運(yùn)行維護(hù)模式產(chǎn)生較大的沖擊，虛擬化核心網(wǎng)如何集成、運(yùn)維是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。

5　結(jié)束語(yǔ)

隨著虛擬化和云計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，NFV的出現(xiàn)為解決傳統(tǒng)核心網(wǎng)架構(gòu)的弊端提供了很好的思路。NFV基于虛擬化技術(shù)提供了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品環(huán)境，推動(dòng)IT和電信行業(yè)融合，實(shí)現(xiàn)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)部署能力的提升、網(wǎng)絡(luò)部署成本的降低和運(yùn)營(yíng)能力的增強(qiáng)。雖然NFV在技術(shù)路線、硬件/平臺(tái)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)管理體系、組網(wǎng)建設(shè)方案等多方面還有許多關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題待攻關(guān)，但核心網(wǎng)向NFV架構(gòu)演進(jìn)仍將是未來(lái)網(wǎng)絡(luò)的重要部分，值得我們繼續(xù)深入研究。

參考文獻(xiàn)

［1］ 趙慧玲，解云鵬，史凡. 網(wǎng)絡(luò)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)探討［J］. 中興通訊技術(shù)， 2014（5）.

［2］ 王茹， 曲璐. IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化部署分析［J］. 移動(dòng)通信， 2015（5）.

News

Implementation scheme of IMS based on NFV architecture

ZHENG Shu， WANG Xiao-dong
（Fujian Post&Telecom Planning and Designing Institute， Fuzhou 350003，China）

AbstractThis paper expounds the technical architecture of NFV， and analyzes the benefits that NFV brings to the core network. At the same time， it puts forward the implementation scheme of IMS network based on NFV architecture and the evolution of the network， and summarizes the current challenges of NFV technology.

KeywordsNFV； IMS；Virtualization； NFVI；VNF； MANO

中圖分類(lèi)號(hào)TN929.5

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼A

文章編號(hào)1008-5599（2016）05-0008-05

收稿日期：2016-04-13