虛擬化核心網(wǎng)的建設(shè)和運(yùn)維探索

王志

【摘要】 虛擬化是電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然方向，它提升了網(wǎng)絡(luò)的靈活性、擴(kuò)展性，但同時也給運(yùn)營和維護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)。本文結(jié)合vIMS試點工作，對虛擬化網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和運(yùn)維進(jìn)行了探索，從流程、人才、規(guī)劃、運(yùn)維工具、彈性策略、告警關(guān)聯(lián)幾個角度進(jìn)行了研究，為今后規(guī)模部署虛化核心網(wǎng)提供一些思路和建議。

【關(guān)鍵詞】 NFV 網(wǎng)絡(luò)虛擬化 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維 核心網(wǎng)

一、引言

3GPP標(biāo)準(zhǔn)組織的研究表明，4G時代之后，電信網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)出扁平化、融合化的發(fā)展趨勢，客觀上要求電信網(wǎng)絡(luò)需要采取更加扁平、更加高效的分層式架構(gòu)與之適配[1]。

電信網(wǎng)絡(luò)引入虛擬化是大勢所趨，是傳統(tǒng)通信網(wǎng)絡(luò)從CT 向IT 轉(zhuǎn)型的必經(jīng)之路，引入虛擬化后，勢必給網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和運(yùn)營維護(hù)帶來新的變化和挑戰(zhàn)。本文結(jié)合vIMS的試點工作，重點從運(yùn)營維護(hù)角度進(jìn)行了探索和研究。

二、NFV介紹

2.1 NFV概述

NFV（Network Function Virtualization， 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化），2013 年由ETSI 推動13 家通信運(yùn)營商發(fā)起研究，采用虛擬化技術(shù)，基于通用硬件，實現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的軟件化，專注于快速部署、應(yīng)用規(guī)模擴(kuò)展和升級，是未來通信網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)技術(shù)[2]。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）從網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的角度出發(fā)，提出的一種軟、硬件分離的架構(gòu)，通過標(biāo)準(zhǔn)化的IT虛擬化技術(shù)，實現(xiàn)軟件的靈活加載，靈活部署、靈活配置[3]。

NFV 采用虛擬化技術(shù)，基于通用硬件實現(xiàn)電信功能節(jié)點的軟件化，實現(xiàn)了電信網(wǎng)絡(luò)功能節(jié)點的軟、硬件解耦。NFV能夠提升網(wǎng)絡(luò)彈性，縮短業(yè)務(wù)部署時間，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)高效低成本運(yùn)營。通過軟、硬件解耦，使得網(wǎng)絡(luò)設(shè)備開放化，軟硬件可以獨(dú)立演進(jìn)，參與的廠家數(shù)量大幅增加，整個電信設(shè)備產(chǎn)業(yè)鏈變得更大。硬件基于IT 產(chǎn)業(yè)的通用COTS（Commercial off the Shelf） 設(shè)備來部署，借助于IT 產(chǎn)業(yè)的巨大規(guī)模帶來較低的采購成本，同時硬件設(shè)備的更新速度也大幅加快。NFV 將網(wǎng)元功能和硬件資源解耦，避免廠家鎖定，實現(xiàn)了系統(tǒng)功能軟件化和硬件資源通用化，未來虛擬化包括如下特點[4-8]。

2.2 vIMS系統(tǒng)架構(gòu)

由于4G 業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，多數(shù)運(yùn)營商基于IMS（IP Multimedia Subsystem） 的VoLTE（Voice over LTE）正在建設(shè)或?qū)⒁ㄔO(shè)，在時間節(jié)點上又正好與NFV 的興起交匯，因此電信網(wǎng)絡(luò)虛擬化的IMS（又稱vIMS）首當(dāng)其沖。

NFV 網(wǎng)絡(luò)虛擬化系統(tǒng)架構(gòu)由物理硬件資源、虛擬資源和虛擬網(wǎng)元功能三層以及一個資源和網(wǎng)元管理調(diào)度域組成。NFV 軟硬件解耦后，IMS網(wǎng)絡(luò)由傳統(tǒng)的煙囪式的封閉網(wǎng)元重構(gòu)為NFVI、VNF、MANO 開放網(wǎng)元。

NFVI （NFV Infrastructure）：NFV 基礎(chǔ)設(shè)施，包括虛擬機(jī)管理軟件和硬件，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施NFVI提供云資源池，是將分離的多個服務(wù)器，交換機(jī)，磁陣整合為統(tǒng)一的資源池。虛擬化層作為云資源池的中間件，將各種規(guī)格的服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)、存儲資源整合為統(tǒng)一規(guī)格的虛擬機(jī)、虛擬網(wǎng)絡(luò)、虛擬存儲資源，通過虛擬化技術(shù)，可以將資源池的計算/ 存儲/ 網(wǎng)絡(luò)資源對外分配；這些虛擬資源可以動態(tài)申請、遷移、調(diào)整、釋放、重生。

VNF ：虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能，運(yùn)行在虛擬化平臺上的應(yīng)用軟件，VNF 軟件需要能夠基于x86 通用服務(wù)器來運(yùn)行，需要去除對專用硬件的依賴以適應(yīng)NFV 架構(gòu)。VNF 軟件內(nèi)部需要實現(xiàn)服務(wù)和物理位置無關(guān)。最小部署單元是一個或者多個VM，例如vSBC、vCSCF、vTAS 等。

MANO（Management and Orchestration）是“管理和編排”功能的簡稱，負(fù)責(zé)對NFVI和VNF的管理和編排。MANO=NFVO+VNFM+VIM。其中，NFVO（NFV Orchestration） 負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的部署，以及跨廠家、跨數(shù)據(jù)中心的全局資源管理。VNFM （VNF Manager）負(fù)責(zé)網(wǎng)元生命周期管理，基本能力包括網(wǎng)元VM 的增、刪、查、改。VIM（Virtual Infrastructure Manager）是云平臺的管理，負(fù)責(zé)硬件管理、VM 部署、VM 協(xié)調(diào)和調(diào)度等。

三、NFV試點建設(shè)方案

電信市場競爭激烈，運(yùn)營商的傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)很有可能淪為包袱沉重、敏捷性差的廉價管道。核心網(wǎng)虛擬化是運(yùn)營商解決低成本、高效率、快速部署業(yè)務(wù)的靈活利器。它基于通用硬件實現(xiàn)電信網(wǎng)絡(luò)功能，具備軟硬件解耦、資源彈性化、業(yè)務(wù)上線短、高效低成本運(yùn)營等一系列特點。

某通信運(yùn)營商2016 年啟動電信網(wǎng)絡(luò)的NFV試點，主要針對IMS、EPC等網(wǎng)元，進(jìn)行NFV 改造和試驗環(huán)境搭建，實現(xiàn)相關(guān)網(wǎng)元的NFV 功能驗證、現(xiàn)網(wǎng)互通測試、探索適合NFV 架構(gòu)的運(yùn)維體系，為今后規(guī)模部署NFV、建設(shè)電信云積累經(jīng)驗，同時做好技術(shù)和人員儲備。下面重點介紹vIMS試點情況。

3.1 NFV試點方案

NFV試點總體要求：以vIMS為切入點，推動NFV相關(guān)技術(shù)規(guī)范的完善和驗證，以未來滿足商用為目標(biāo)。引入多廠商、多形態(tài)服務(wù)器（刀片/架式），推動資源池的多樣化、虛擬層的高兼容性，為未來硬件集采提供多種選擇。以滿足VoLTE業(yè)務(wù)為主要抓手，充分驗證VoLTE業(yè)務(wù)承載在NFV的各種能力，包括網(wǎng)管、BOSS、計費(fèi)、POOL組網(wǎng)等，為NFV未來商用掃清障礙。圖1是試點vIMS組網(wǎng)架構(gòu)。

試點新建了vCSCF、vTAC、vEMS 以及MANO（包括NFVO和VNFM）和TECS（一種VIM），刀片服務(wù)器采用了HPC7000和ZTE E9000。同時與現(xiàn)網(wǎng)進(jìn)行互通測試，現(xiàn)網(wǎng)設(shè)備包括EPC、PCRF、HSS、DRA、SBC等網(wǎng)元。

NFV試點預(yù)期目標(biāo)： 深入驗證NFV滿足市場和業(yè)務(wù)需求發(fā)展的支撐能力：以量化方式驗證業(yè)務(wù)的快速上線、網(wǎng)絡(luò)的快速部署和功能更新。驗證方案可行性：全面驗證軟硬件解耦、vIMS組網(wǎng)、站點組網(wǎng)等技術(shù)方案，評估SBC媒體面網(wǎng)元虛擬化可行性，摸索虛擬化性能影響評估方法。驗證NFV管理功能：全面驗證資源池組網(wǎng)能力，在未來網(wǎng)管整體架構(gòu)確定后，逐步驗證各項管理功能、接口及流程。深入驗證傳統(tǒng)IMS和vIMS容災(zāi)備份能力：驗證vIMS獨(dú)立組POOL、和傳統(tǒng)IMS混合組POOL的優(yōu)劣勢和建設(shè)思路。

NFV試點階段：第一階段驗證vIMS的組網(wǎng)、運(yùn)維、功能、性能等；第二階段驗證vEPC的組網(wǎng)、運(yùn)維、功能、性能等。為今后大規(guī)模部署NFV、建設(shè)電信云積累經(jīng)驗，提供建設(shè)方向指導(dǎo)。

3.2 NFV建設(shè)及運(yùn)維面臨的挑戰(zhàn)

虛擬化技術(shù)給電信運(yùn)營商帶來了很多好處，比如：（1）通過軟、硬件的解耦合，運(yùn)營商基于標(biāo)準(zhǔn)的通用服務(wù)器部署網(wǎng)元功能，有效的降低了CAPEX和OPEX。（2）NFV 實現(xiàn)自動化安裝部署，自適應(yīng)伸縮，縮短了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)周期，節(jié)省運(yùn)維時間。（3）資源池化帶來更細(xì)粒度的資源分配，自愈和彈性實現(xiàn)低冗余率/高利用率，節(jié)省硬件設(shè)備數(shù)量，提升了資源利用率。（4）MANO管理組件的引入，業(yè)務(wù)部署與調(diào)度全局化，運(yùn)維的自動化，簡化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維的復(fù)雜度，降低運(yùn)維成本。

NFV技術(shù)除了帶來了眾多好處，同時也引入了一些新的問題和挑戰(zhàn)。通過試點并與現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)IMS 網(wǎng)絡(luò)的對比，vIMS當(dāng)前存在如下問題：

1、核心網(wǎng)虛擬化對運(yùn)營的內(nèi)部組織流程、人才的培養(yǎng)帶來新的挑戰(zhàn)；

2、傳統(tǒng)的規(guī)劃采購已不適用網(wǎng)絡(luò)虛擬化的建設(shè)，NFV架構(gòu)對采購帶來的新的變化；

3、虛擬化在已有的邏輯網(wǎng)元之外，又引入了多個網(wǎng)元的UI 界面， 其中VIM/VNFM/NFVO/EMS都有自己的UI 界面，不利于維護(hù)人員使用；

4、彈性擴(kuò)縮容策略比較單一，目前廠商版本還只支持按CPU＼BHCA 進(jìn)行彈性，實際商用需要多種組合策略；

5、告警關(guān)聯(lián)可以在VNFM上運(yùn)行，也可以在EMS上執(zhí)行，也可以在NFVO上進(jìn)行關(guān)聯(lián)，存在方案的選擇。

四、NFV網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維探索

下文結(jié)合核心網(wǎng)虛擬化試點工作，針對試點中發(fā)現(xiàn)的一些問題，進(jìn)行了一定的研究和探索，并給出了一些建議。

4.1對流程和人才的建議

引入NFV后，運(yùn)營商的運(yùn)營思路由“Carrier Operations”轉(zhuǎn)向“DevOps”，企業(yè)文化需要深層次的變革。運(yùn)營商轉(zhuǎn)型成所謂的“軟件”公司。運(yùn)營商角色將從傳統(tǒng)的對電信網(wǎng)絡(luò)支撐轉(zhuǎn)型到對網(wǎng)絡(luò)真正的主導(dǎo)控制，從而具備自我規(guī)劃、自我設(shè)計的能力。軟件及軟件系統(tǒng)的技能和實力將成為真正的硬實力。

從組織架構(gòu)角度：核心網(wǎng)運(yùn)維工作整體上分為設(shè)備維護(hù)、網(wǎng)絡(luò)分析及業(yè)務(wù)支撐三大部分。引入虛擬化架構(gòu)之后，需要對組織架構(gòu)進(jìn)行融合，將不同的組織實體進(jìn)行融合，并梳理新的管理實體的部門職能、部門職責(zé)、崗位設(shè)置及崗位職責(zé)。從而更好的服務(wù)于NFV的運(yùn)維。

從運(yùn)維模式角度：一方面，建立面向CS/PS/IMS業(yè)務(wù)的一體化融合運(yùn)維模式，建立CS/PS/IMS一體化流程規(guī)范體系，統(tǒng)一接口、統(tǒng)一支撐，實現(xiàn)CS/PS/IMS深度融合和一體化運(yùn)作。另一方面，可以采用分層次的運(yùn)維模式，即成立兩個團(tuán)隊，專門負(fù)責(zé)基礎(chǔ)設(shè)施維護(hù)的團(tuán)隊和專門負(fù)責(zé)虛擬化以及上層業(yè)務(wù)的團(tuán)隊。優(yōu)勢是起點要求相對較低，上手容易；劣勢是有可能面臨流程上的問題以及各部門協(xié)作的一系列問題。這時候就需要從流程上把兩個團(tuán)隊連貫起來。

從人才培養(yǎng)角度：盡快培養(yǎng)IT/CT復(fù)合型人才，新模式下更需要IT/CT專家，既熟悉業(yè)務(wù)層、也熟悉硬件資源層，也熟悉NFV和SDN等技術(shù)，以達(dá)到快速分析故障能力。在現(xiàn)有資源不增加的情況下，推動人員技能更新?lián)Q代，拓展員工的職業(yè)發(fā)展空間，提升員工技能水平，滿足NFV網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維需要。

4.2對規(guī)劃采購的建議

傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式為規(guī)劃->設(shè)計->采購->實施，其周期為月級。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的采購都是煙囪模式。對于煙囪模式，硬件和軟件都是由同一廠商提供，運(yùn)營商對設(shè)備提供商有驗證依耐性，容易被綁架，建設(shè)成本也居高不下。

NFV實現(xiàn)了軟、硬件的解耦合，這樣運(yùn)營商可以統(tǒng)一對通用硬件進(jìn)行招標(biāo)集采，規(guī)模采購節(jié)省成本?？捎行П苊鈫螐S商依賴。

NFV使用的都是X86服務(wù)器，但X86服務(wù)器的更新迭代非常快，一般X86服務(wù)器隨CPU/內(nèi)存等的快速發(fā)展，不同CPU/內(nèi)存等對支持的用戶數(shù)有比較大的變化，且設(shè)備可能3-5年就退市，所以采購側(cè)，比較合適的是按6-8個月周期采購。對網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃，這需要改變原來按年份進(jìn)行規(guī)劃采購的模式。

4.3對運(yùn)維工具的建議

NFV引入帶來對現(xiàn)網(wǎng)維護(hù)的分層和復(fù)雜性，目前試點廠商vIMS支持采用圖形工具模式，采用拖拽方式，進(jìn)行業(yè)務(wù)網(wǎng)元的部署。省去了復(fù)雜的XML文件編輯，使維護(hù)人員大大減輕了對NFV維護(hù)的恐懼性。相對于部分廠家僅支持文件編輯模式，文件編輯模式對維護(hù)人員進(jìn)行網(wǎng)元部署帶來很大的不便。

為提高維護(hù)效率和盡快掌握NFV運(yùn)維技能，以NFV網(wǎng)絡(luò)可運(yùn)維、可管理為目標(biāo)，我們與試點廠商公司共同進(jìn)行了相關(guān)運(yùn)維工具的實驗性部署，從運(yùn)維角度進(jìn)行了完善，使得圖形化界面更易于維護(hù)。

但是vIMS系統(tǒng)維護(hù)界面UI比較多，這需要廠家進(jìn)一步優(yōu)化合并，便于商用維護(hù)快捷。比如VNFM/EMS的UI 界面合并；VIM/NFVO 在同廠家下建議合并。

4.4對彈性策略的建議

NFV 能夠提升網(wǎng)絡(luò)彈性，縮短業(yè)務(wù)部署時間，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)高效低成本運(yùn)營。自適應(yīng)伸縮，通過彈性和按需設(shè)定來實現(xiàn)網(wǎng)元縮、擴(kuò)容，根據(jù)負(fù)載變化和用戶請求有效調(diào)整資源配置，有效應(yīng)對節(jié)假日、話務(wù)流量上升、潮汐現(xiàn)象等用戶事件的發(fā)生。

目前彈性擴(kuò)縮容策略比較單一，廠商版本還只支持按CPU和注冊用戶數(shù)進(jìn)行彈性。實際商用需要有多種組合策略指導(dǎo)彈性。

需要深入挖掘多種組合策略，完善擴(kuò)縮容機(jī)制，比如利用大數(shù)據(jù)技術(shù)，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)，提前進(jìn)行彈性，避免用戶量或者CPU突然上升，導(dǎo)致彈性失敗或者一定的呼損。舉例來說，針對重大節(jié)日，無需等到CPU上升再進(jìn)行彈性，結(jié)合去年幾年的數(shù)據(jù)，以及去年和現(xiàn)在的用戶量，基于一定的模型估算出今年需要的系統(tǒng)容量，提前進(jìn)行擴(kuò)容。

4.5對告警關(guān)聯(lián)的建議

傳統(tǒng)的核心網(wǎng)網(wǎng)元告警不分層，物理資源的告警都是通過業(yè)務(wù)網(wǎng)元上報給EMS，業(yè)務(wù)告警中可以攜帶業(yè)務(wù)進(jìn)程所在的物理資源的位置，這樣業(yè)務(wù)告警就包含了硬件資源信息。NFV引入分層架構(gòu)后，物理資源的告警由MANO檢測和上報，VNF與硬件解耦，業(yè)務(wù)告警不方便獲取物理位置，導(dǎo)致不能方便的定位到業(yè)務(wù)告警與之相關(guān)的硬件資源，增加了維護(hù)的難度。

因此需要通過告警關(guān)聯(lián)，實現(xiàn)物理層、虛擬化層、業(yè)務(wù)層的告警關(guān)聯(lián)。硬件資源層故障需要上報告警給VNFM和NFVO，而業(yè)務(wù)層故障告警上報給EMS，為快速定位故障根源，需要在VNFM或EMS上實現(xiàn)深度故障告警關(guān)聯(lián)，便于維護(hù)人員快速定位故障源。此外，OSS和NFVO也可以實現(xiàn)告警關(guān)聯(lián)。

上面表格介紹了各種告警關(guān)聯(lián)方案的流程、優(yōu)點、缺點。為了沿襲傳統(tǒng)的告警運(yùn)維習(xí)慣，推薦使用EMS關(guān)聯(lián)方案。對于EMS比較弱而VNFM比較強(qiáng)的項目，可以使用VNFM關(guān)聯(lián)方案。對于NFVO關(guān)聯(lián)方案，適用于VNFM和NFVO為同廠商設(shè)備。對于OSS關(guān)聯(lián)方案，由于現(xiàn)在NFVO和OSS的接口還不成熟，NFVO與OSS對接還比較復(fù)雜，除非NFVO和OSS是運(yùn)營商自營自控的項目，方可以使用OSS關(guān)聯(lián)方案。

四、總結(jié)

NFV 是電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然方向，它為運(yùn)營商帶來了低成本、高效率、快速部署業(yè)務(wù)的好處。但是NFV 作為新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，給運(yùn)營和維護(hù)帶來新的挑戰(zhàn)，本文結(jié)合試點工作，對虛擬化網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營維護(hù)進(jìn)行了探索和實踐，為今后規(guī)模部署提供一些思路和經(jīng)驗。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 李永強(qiáng)等 4G時代運(yùn)營商核心網(wǎng)絡(luò)融合運(yùn)維模式的探索與實踐 移動通信 2015年第6期

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[3] 趙慧玲，網(wǎng)絡(luò)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)探討 中興通訊技術(shù) 2014年6月

[4] 靳曉嘉， 楊舟，虛擬核心網(wǎng)IMS技術(shù)及試點應(yīng)用電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化 2016年第9期

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