核心網(wǎng)引入NFV的思考

胡軼群

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)安徽有限公司，合肥 230088）

核心網(wǎng)引入NFV的思考

胡軼群

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)安徽有限公司，合肥 230088）

本文介紹了核心網(wǎng)向NFV方向演進(jìn)的技術(shù)特點(diǎn)、組網(wǎng)架構(gòu)、重點(diǎn)問題，并對(duì)引入前后網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備采購(gòu)、工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)等方面的變化進(jìn)行了探討和分析。

軟硬件解耦；軟件功能虛擬化；核心網(wǎng)云化

隨著互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的爆炸式發(fā)展，傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和運(yùn)維模式已越來越難以適應(yīng)層出不窮的新需求新業(yè)務(wù)，運(yùn)營(yíng)商的通信網(wǎng)絡(luò)面臨著巨大的轉(zhuǎn)型壓力。NFV技術(shù)的出現(xiàn)并趨于成熟，可以較好的解決以上問題。

1 背景

1.1 NFV基本概念

NFV（Network Function Virtualization)采用虛擬化技術(shù)，將傳統(tǒng)的電信設(shè)備功能與硬件解耦，基于通用硬件實(shí)現(xiàn)電信功能節(jié)點(diǎn)的軟件化，可快速響應(yīng)用戶/市場(chǎng)需求，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的快速部署、業(yè)務(wù)的快速上線和更新以及網(wǎng)絡(luò)的靈活調(diào)度。

從技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度來看，接入、承載、核心控制和業(yè)務(wù)等網(wǎng)絡(luò)層面都可以引入NFV，但從業(yè)務(wù)響應(yīng)速度和成本節(jié)省等維度來看，核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)網(wǎng)引入NFV后價(jià)值提升最為明顯。

核心網(wǎng)云化是NFV在核心網(wǎng)中的具體應(yīng)用。綜合分析引入難度、技術(shù)成熟度、廠家支持情況，IMS和EPC核心網(wǎng)云化最適合在現(xiàn)階段考慮引入。傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)元與NFV核心網(wǎng)網(wǎng)元如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)元與NFV核心網(wǎng)網(wǎng)元

1.2 NFV網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（如圖2所示）

NFV核心網(wǎng)絡(luò)由硬件資源、虛擬資源和虛擬網(wǎng)元功能以及一個(gè)資源網(wǎng)元管理調(diào)度域組成。其中，虛擬資源部分由Hypervisor和VM組成：Hypervisor：虛擬機(jī)監(jiān)控器負(fù)責(zé)虛擬機(jī)的創(chuàng)建、監(jiān)控、銷毀等；

VM：虛擬機(jī)向上層應(yīng)用提供虛擬主機(jī)；

網(wǎng)元功能部分主要為虛擬網(wǎng)元：

VNF（Virtual Network Function，虛擬網(wǎng)元功能）軟件，CSCF、MME等網(wǎng)元的虛擬化功能軟件實(shí)體；

圖2 NFV網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

核心網(wǎng)云管理MANO（Management and Orchestration）由VIM、VNFM和NFVO組成，提供虛擬資源管理和調(diào)度以及虛擬網(wǎng)元的全生命周期管理。

EMS和OSS為網(wǎng)元網(wǎng)管和綜合網(wǎng)管，均為現(xiàn)網(wǎng)已有網(wǎng)元。

2 引入NFV后的重點(diǎn)問題分析

2.1 云化硬件選擇

云化后，核心網(wǎng)硬件設(shè)備采用通用服務(wù)器。目前通用服務(wù)器主要有刀片式服務(wù)器或機(jī)架式服務(wù)器兩種。從集成度和擴(kuò)展性、可靠性、工程與維護(hù)、散熱性、投資和適用場(chǎng)景等方面對(duì)兩種服務(wù)器進(jìn)行比對(duì)分析，主要區(qū)別如下。

2.1.1 集成度和擴(kuò)展性

刀片式服務(wù)器集成度較高，一個(gè)機(jī)框可包含12-16塊刀片，但由于體積受限，擴(kuò)展插槽較少，擴(kuò)展性較差；機(jī)架式服務(wù)器集成度較低，但擴(kuò)展插槽較多，擴(kuò)展性較好。

2.1.2 可靠性

刀片式服務(wù)器機(jī)框故障會(huì)影響整個(gè)機(jī)柜內(nèi)所有刀片，故障影響面大；但同時(shí)由于機(jī)框集成度高，配線和光模塊等外圍設(shè)施少，潛在故障也相對(duì)較少。

機(jī)架式服務(wù)器的故障只影響單機(jī)架，故障影響面??；但相對(duì)地，由于機(jī)架式服務(wù)器集成度低，整機(jī)柜的配線和光模塊等外圍設(shè)施多，潛在故障也相對(duì)較多。

2.1.3 工程與維護(hù)

刀片式服務(wù)器在機(jī)框內(nèi)安裝、擴(kuò)容、更換服務(wù)器僅需直接插拔即可，同時(shí)由于配線等外圍設(shè)施少，工程施工和運(yùn)行維護(hù)相對(duì)簡(jiǎn)單。

機(jī)架式服務(wù)器安裝、擴(kuò)容、更換等操作涉及配線調(diào)整、設(shè)備安裝等，更換風(fēng)扇則需要先給機(jī)架下電，抽出服務(wù)器，方可實(shí)施；同時(shí)由于配線等外圍設(shè)施多，工程施工和運(yùn)行維護(hù)相對(duì)復(fù)雜。

2.1.4 散熱性

刀片式服務(wù)器由于集成度高，相應(yīng)地對(duì)散熱要求也較高；機(jī)架式服務(wù)器集成度低，對(duì)散熱要求相對(duì)也較低。

2.1.5 投資

在同等配置情況下，由于背板交換模塊等原因，導(dǎo)致刀片式服務(wù)器投資較機(jī)架式服務(wù)器高。

2.1.6 適用場(chǎng)景

刀片式服務(wù)器適合I/O需求較低、存儲(chǔ)量較小、機(jī)房空間有限等場(chǎng)景；機(jī)架式服務(wù)器適合I/O需求較高、存儲(chǔ)量較大、機(jī)房空間充足的等場(chǎng)景。

云化的核心網(wǎng)選用何種服務(wù)器需要根據(jù)具體的使用場(chǎng)景來綜合考慮。

2.2 解耦方式選擇

從發(fā)揮虛擬化優(yōu)勢(shì)的角度來看，NFV主要有共享資源池、硬件獨(dú)立及全解耦3種解耦方式，如圖3所示。

對(duì)于共享資源池方式，幾乎沒有廠家同時(shí)支持硬件資源層和虛擬資源層，而且由于不同廠家上層功能網(wǎng)元對(duì)虛擬層要求不同，故障定位較難，網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)維難度較大。

硬件獨(dú)立方案支持的廠家多，軟硬件分別由不同廠家提供，故障定位相對(duì)簡(jiǎn)單，網(wǎng)絡(luò)部署及運(yùn)維的難度較小，產(chǎn)業(yè)的成熟度也較高。但硬件獨(dú)立方案要求虛擬資源層和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能層為同廠家，對(duì)于不同廠家的NFV設(shè)備無法共享資源池，降低了資源池的使用效率，無法充分發(fā)揮虛擬化的優(yōu)勢(shì)。

采用全解耦方式，資源池可在不同廠家間實(shí)現(xiàn)共享，資源池使用效率較高，但現(xiàn)階段產(chǎn)業(yè)成熟度較低，網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)維難度大，可在具備條件時(shí)考慮引入。

圖3 NFV的3種解耦方式

2.3 故障關(guān)聯(lián)方式選擇（如圖4所示）

NFV架構(gòu)中，虛擬網(wǎng)元的告警信息由EMS采集，資源池的告警信息由VIM采集，兩類告警信息需要進(jìn)行關(guān)聯(lián)后呈現(xiàn)。故障關(guān)聯(lián)可以選擇在EMS、VNFM或OSS三處關(guān)聯(lián)，關(guān)聯(lián)后的告警信息可用于定位發(fā)生業(yè)務(wù)層告警所在的虛擬機(jī)位置和物理機(jī)位置。

圖4 NFV的故障關(guān)聯(lián)

如在OSS側(cè)關(guān)聯(lián)，虛擬網(wǎng)元的告警信息可由EMS通過北向接口傳給OSS，NFVI的告警信息需由NFVO傳給OSS，由于OSS和NFVO的接口還不成熟，現(xiàn)階段不建議在OSS關(guān)聯(lián)。

如在VNFM側(cè)關(guān)聯(lián)，需要EMS把網(wǎng)元告警傳遞給VNFM，VNFM需要支持解析網(wǎng)元告警的能力，關(guān)聯(lián)完成之后還要通過EMS上報(bào)給OSS。

如在EMS側(cè)關(guān)聯(lián)，考慮到EMS作為網(wǎng)元網(wǎng)管，目前已具備軟硬件故障告警功能，只需進(jìn)行少量改造后，即可支持NFV故障關(guān)聯(lián)。

考慮到在EMS關(guān)聯(lián)改造量最小，故建議故障關(guān)聯(lián)在EMS側(cè)實(shí)現(xiàn)。

2.4 NFV電信云與現(xiàn)網(wǎng)私有云的關(guān)系

NFV電信云和現(xiàn)網(wǎng)私有云雖然都面向自有業(yè)務(wù)，但NFV主要承載核心網(wǎng)網(wǎng)元和核心網(wǎng)業(yè)務(wù)平臺(tái)，私有云主要承載互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)和IT支撐系統(tǒng)，業(yè)務(wù)在運(yùn)維管理、網(wǎng)絡(luò)可靠性等方面不同，承載業(yè)務(wù)的云平臺(tái)和云管平臺(tái)也存在差異。

首先，業(yè)務(wù)量不具備互補(bǔ)性。NFV承載的電信業(yè)務(wù)因話務(wù)量和數(shù)據(jù)流量的最忙時(shí)不在同一個(gè)時(shí)段，存在明顯的“潮汐效應(yīng)”；私有云的少量業(yè)務(wù)有峰谷效應(yīng)，但與NFV業(yè)務(wù)之間無法互補(bǔ)。

其次，管理架構(gòu)不同。NFV引入了基于MANO的云管平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的資源編排和調(diào)度。現(xiàn)網(wǎng)私有云中并沒有關(guān)于MANO的概念，管理平臺(tái)僅作資源管理。核心網(wǎng)云中僅VIM與私有云的資源池管理平臺(tái)有對(duì)應(yīng)關(guān)系。

再次，可靠性要求不同。私有云的系統(tǒng)可靠性一般只有99.9%，對(duì)上報(bào)的硬件故障內(nèi)容要求較少，實(shí)時(shí)性要求較低；NFV的系統(tǒng)可靠性要求更高，需達(dá)到99.999%，上報(bào)的硬件故障內(nèi)容要求較多，實(shí)時(shí)性要求也較高。

第四，虛擬層要求不同。私有云允許CPU、內(nèi)存超分配，不強(qiáng)制要求物理綁定；NFV不允許CPU、內(nèi)存超分配，要求物理核綁定。

最后，管理維護(hù)要求不同。NFV資源必須嚴(yán)格保證，不能復(fù)用給其它非電信系統(tǒng)。私有云資源對(duì)獨(dú)占性要求較低。

綜合以上分析，在NFV引入初期建議核心網(wǎng)云獨(dú)立部署。

3 引入NFV后的變化

引入NFV后，由于設(shè)備軟硬件解耦，新增虛擬層，網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)架構(gòu)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、設(shè)備采購(gòu)、工程建設(shè)和運(yùn)行維護(hù)模式也需隨之改變，如圖5所示。

3.1 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

3.1.1 硬件規(guī)劃

傳統(tǒng)網(wǎng)元只需規(guī)劃網(wǎng)元的容量和數(shù)量，云化后還需規(guī)劃功能網(wǎng)元和網(wǎng)管（含云管）所需的硬件資源。

服務(wù)器、存儲(chǔ)等硬件的資源需求可根據(jù)不同網(wǎng)元類型、不同業(yè)務(wù)模型與硬件資源的配比關(guān)系，以及核心網(wǎng)NFV硬件的規(guī)格配置模型來確定。

3.1.2 軟件規(guī)劃

除VNF功能軟件與現(xiàn)有網(wǎng)元功能軟件類似外，核心網(wǎng)云化還將新增虛擬化軟件、通用軟件（操作系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫(kù)、雙機(jī)軟件等）以及云管軟件（VIM、VNFM、NFVO）；同時(shí)還需考慮網(wǎng)元容量、性能等與資源池的容量匹配問題。

3.1.3 資源池內(nèi)部組網(wǎng)規(guī)劃

傳統(tǒng)核心網(wǎng)元因機(jī)框背板具備匯聚功能，輸出配線少，直接接入IP承載網(wǎng)CE設(shè)備；云化后， NFV網(wǎng)元由于分布在多個(gè)虛擬機(jī)上，配線多，需經(jīng)過交換機(jī)匯聚后再接入CE，增加了組網(wǎng)規(guī)劃的復(fù)雜度。

接入層面接口較多，為便于后期維護(hù)管理，需根據(jù)接入設(shè)備種類劃分為不同的平面，如業(yè)務(wù)、基礎(chǔ)設(shè)施、網(wǎng)管平面等。

3.1.4 配套規(guī)劃

現(xiàn)有核心網(wǎng)設(shè)備設(shè)置在傳統(tǒng)機(jī)房中，按傳統(tǒng)機(jī)房標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行配套的規(guī)劃建設(shè)；不同廠商的設(shè)備對(duì)配套要求不同；云化后核心網(wǎng)機(jī)房配套應(yīng)按數(shù)據(jù)中心配套標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行規(guī)劃建設(shè)，由于要求統(tǒng)一，可提前準(zhǔn)備。

3.2 采購(gòu)模式

傳統(tǒng)核心網(wǎng)網(wǎng)元軟硬件統(tǒng)一采購(gòu)。核心網(wǎng)云化后，軟硬件的解耦，需增加通用硬件的采購(gòu)環(huán)節(jié)；VNF功能軟件與虛擬層軟件解耦時(shí)，虛擬化軟件和操作系統(tǒng)等通用軟件也需單獨(dú)采購(gòu)。

同時(shí)需要注意的是，由于虛擬網(wǎng)元軟件定價(jià)方式可能發(fā)生變化，導(dǎo)致采購(gòu)模型也會(huì)較目前有所不同。

3.3 工程建設(shè)

業(yè)務(wù)部署更快。硬件提前具備條件，部署業(yè)務(wù)時(shí)，僅需進(jìn)行軟件調(diào)測(cè)和系統(tǒng)集成，大大縮短了業(yè)務(wù)部署時(shí)間。

網(wǎng)元部署更為便捷。在硬件資源具備條件的情況下，網(wǎng)絡(luò)部署更側(cè)重軟件層面，基于云管理更易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化快捷部署，部署效率會(huì)有所提升。

系統(tǒng)集成難度加大?，F(xiàn)有核心網(wǎng)軟硬件同步建設(shè)，不需要復(fù)雜的集成，調(diào)測(cè)較為簡(jiǎn)單；云化后，由于操作系統(tǒng)及上層應(yīng)用軟件均以功能模塊為單位部署在不同的虛擬機(jī)上，功能模塊間配合的接口和界面不如傳統(tǒng)系統(tǒng)清晰、易于觀察，增加了系統(tǒng)集成工作量和系統(tǒng)調(diào)測(cè)的難度。

工程施工工藝發(fā)生變化。云化設(shè)備采用通用硬件，在機(jī)房布局、機(jī)架設(shè)計(jì)、設(shè)備安裝、線纜走線、工程分工等方面都較傳統(tǒng)設(shè)備建設(shè)有較大差異。

圖5 引入NFV前后帶來的變化

3.4 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維

引入NFV后，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的變化帶來了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維體系的變化。軟硬件解耦，通用硬件和上層功能軟件由不同廠商提供，無法像傳統(tǒng)網(wǎng)元一樣統(tǒng)一管理，需分層維護(hù)，故障定位復(fù)雜，增加了故障處理難度；同時(shí)，原有統(tǒng)一網(wǎng)管分為虛擬網(wǎng)元管理和云化資源管理兩部分，對(duì)網(wǎng)管體系也提出了新的要求。

從組織架構(gòu)來看，分層維護(hù)后，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維對(duì)象由單一設(shè)備變?yōu)橘Y源池管理和網(wǎng)元軟件，打破了專業(yè)界限，傳統(tǒng)的一體化的通用運(yùn)維將轉(zhuǎn)變?yōu)槎鄬I(yè)協(xié)同運(yùn)維，如何調(diào)整現(xiàn)有的維護(hù)組織架構(gòu)以適應(yīng)技術(shù)的發(fā)展和變化，提升運(yùn)維管理效率和靈活服務(wù)能力，是需要提前考慮的問題。

從維護(hù)人員來看，現(xiàn)有的核心網(wǎng)維護(hù)人員IT方面知識(shí)有所不足，IT維護(hù)人員的核心網(wǎng)專業(yè)知識(shí)水平也有待提升。云化后的核心網(wǎng)無論從日常設(shè)備維護(hù)到緊急故障定位，都需要有既精通核心網(wǎng)基礎(chǔ)知識(shí)又熟悉IT專業(yè)技能的復(fù)合型人才，人才隊(duì)伍的建設(shè)和培養(yǎng)迫在眉睫。

圖6 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和NFV網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

4 NFV引入的原則和策略

4.1 引入原則

NFV的引入宜首先適應(yīng)運(yùn)營(yíng)商戰(zhàn)略發(fā)展方向，優(yōu)先在導(dǎo)向明確的領(lǐng)域和網(wǎng)元考慮引入。其次，由于NFV技術(shù)目前還處在商用初期，為確保網(wǎng)絡(luò)安全，宜優(yōu)先在新建系統(tǒng)中考慮引入。另外，還需考慮不同網(wǎng)元云化的難易程度，宜按照先易后難的順序引入NFV。

4.2 引入策略

NFV可考慮大規(guī)模發(fā)展的新網(wǎng)絡(luò)、需要靈活開放的新能力、面向未來靈活簡(jiǎn)化的新架構(gòu)等需求場(chǎng)景。按照先易后難的原則，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)大規(guī)模部署建設(shè)和系統(tǒng)升級(jí)換代工作，對(duì)控制面/信令面網(wǎng)元較多的新領(lǐng)域，如VoLTE IMS核心網(wǎng)中的CSCF和AS以及物聯(lián)網(wǎng)EPC等信令面網(wǎng)元，考慮優(yōu)先引入，滿足業(yè)務(wù)快速部署和靈活應(yīng)用的需求。

5 結(jié)束語

NFV的引入是從網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)到網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的一次重大變革，對(duì)規(guī)劃方法、采購(gòu)模式、工程實(shí)施、故障處理、組織架構(gòu)等方面均提出了新的要求。引入NFV不能脫離已有的業(yè)務(wù)和網(wǎng)絡(luò)，需根據(jù)實(shí)際情況并結(jié)合能力開放等的新業(yè)務(wù)需求考慮引入時(shí)機(jī)及引入步驟。

[1] 孫金霞，孫紅芳，韋芳. 關(guān)于NFV與SDN的基本概念及應(yīng)用思考[J]．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2014(8)．

Some thoughts on introducing NFV into the core

HU Yi-qun
(China Mobile Group Anhui Co., Ltd., Hefei 230088, China)

This paper introduces the technical characteristics, the evolution of NFV core network to the direction of the network architecture, key issues, and changes of before and after the introduction of network planning, equipment procurement, construction and operation and maintenance are discussed and analyzed.

hardware and software decoupling; software function virtualization; core network cloud

TN915

A

1008-5599（2017）06-0062-05

2017-01-18