通信云三層解耦研究

胡 祎，張 奎，張世華，趙以爽，申 佳（中訊郵電咨詢設(shè)計(jì)院有限公司鄭州分公司，河南鄭州 450007）

1 概述

以5GC 網(wǎng)絡(luò)部署為契機(jī)，運(yùn)營商大力推動網(wǎng)絡(luò)上云、業(yè)務(wù)上云，網(wǎng)絡(luò)云化進(jìn)程在加速。基于網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)架構(gòu)體系，運(yùn)營商布局構(gòu)建了通信云。當(dāng)前運(yùn)營商通信云主流建設(shè)方式基本上是采用軟硬兩層解耦，這樣做降低了集成難度、減少了異廠家對接工作量、滿足了5GC 等業(yè)務(wù)商用部署初期快速交付的要求。但是也帶來了新的問題，在通信云資源池內(nèi)存在多廠家技術(shù)架構(gòu)，各廠家業(yè)務(wù)的計(jì)算、存儲、網(wǎng)絡(luò)資源需要獨(dú)立規(guī)劃部署，形成了事實(shí)上的軟煙囪，資源池內(nèi)的資源無法完全共享、調(diào)度，不利于多業(yè)務(wù)融合部署、資源池統(tǒng)一技術(shù)棧發(fā)展和統(tǒng)一運(yùn)維管理。

基于資源共享和統(tǒng)一資源運(yùn)營的要求，通信云要向三層解耦目標(biāo)演進(jìn)，基于統(tǒng)一NFV 云平臺技術(shù)架構(gòu)搭建通信云，滿足多廠家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備云化統(tǒng)一部署的要求，實(shí)現(xiàn)資源池的集約、收斂，提升通信云資源運(yùn)營效率。

2 通信云三層解耦分析

2.1 通信云分層架構(gòu)

通信云基于NFV 標(biāo)準(zhǔn)架構(gòu)進(jìn)行構(gòu)建，整體架構(gòu)如圖1 所示，縱向分為3 層：硬件層、虛擬化層、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能層，橫向增加一個管理編排域。

圖1 通信云分層架構(gòu)

a）通用硬件：硬件資源包括計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等。

b）虛擬化層：虛擬化中間件對硬件資源進(jìn)行抽象，將物理硬件的計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)通信資源進(jìn)行池化，并以虛擬機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)的形式提供給應(yīng)用（即虛擬化的網(wǎng)元功能VNF），實(shí)現(xiàn)VNF 應(yīng)用軟件和底層硬件的解耦，保證VNF 可以部署在不同的通用硬件資源上。

c）VNF：VNF 指將傳統(tǒng)網(wǎng)元設(shè)備虛擬化并運(yùn)行在虛擬機(jī)上的軟件應(yīng)用。

d）管理編排域（MANO）包括VIM/PIM、VNFM、NFVO，分別完成對NFVI、VNF 和NS 等3 個層次的管理。

（a）NFVO：主要負(fù)責(zé)全網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、虛擬資源和策略的編排部署和管理。

（b）VNFM：實(shí)現(xiàn)VNF 生命周期管理，包括VNF 實(shí)例化、擴(kuò)縮容、升級、終止等。

（c）VIM：實(shí)現(xiàn)NFVI 基礎(chǔ)設(shè)施資源管理，包括VM資源管理和分配，實(shí)現(xiàn)對NFVI 資源的監(jiān)控、故障、性能信息收集和上報(bào)。

（d）PIM：實(shí)現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施中的通用硬件設(shè)備進(jìn)行管理。

目前由于網(wǎng)元VNF 廠家的定制化要求，運(yùn)營商通信云均采用VNF 廠家提供的云平臺（虛擬化層/VIM/PIM）。這些云平臺在功能、性能、可靠性、安全、運(yùn)維等方面做了電信級的增強(qiáng)，由于缺乏統(tǒng)一的國際標(biāo)準(zhǔn)和企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，各廠家按照各自的理解來實(shí)現(xiàn)，由此帶來了一些解耦的障礙。

2.2 三層解耦接口分析

通信云三層解耦涉及到的接口包括虛擬化層與硬件層的接口、網(wǎng)元層與虛擬化層的接口、網(wǎng)元層內(nèi)部接口、網(wǎng)元層與NFVO 的接口、MANO 接口。通信云三層解耦接口如圖2所示。

圖2 通信云三層解耦接口

2.2.1 虛擬化層與硬件層接口

a）Pm-Ha：負(fù)責(zé)對服務(wù)器、存儲、網(wǎng)絡(luò)等設(shè)備的監(jiān)控和管理。

b）Vi-Ha：Hypervisor 與硬件資源間的接口，為VNF 創(chuàng)建執(zhí)行環(huán)境（VM），并收集相關(guān)硬件資源狀態(tài)信息。

c）Nf-Vi：VIM 通過Nf-Vi 接口與NFVI 資源交互，對計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)NFVI 資源的狀態(tài)進(jìn)行管理和監(jiān)控。

2.2.2 網(wǎng)元層與虛擬化層接口

Vn-Nf：虛擬化層向上層VNF 提供執(zhí)行環(huán)境（VM），不承擔(dān)任何特定的控制協(xié)議，保證硬件獨(dú)立的生命周期以及VNF的功能和性能要求。

2.2.3 網(wǎng)元層內(nèi)部接口

a）Ve-Vnfm-Vnf：VNFM 通過Ve-Vnfm-Vnf 接口與VNF 進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)VNF 實(shí)例的配置。此外，VNF通過此接口將性能、告警信息轉(zhuǎn)發(fā)給VNFM。

b）Ve-Vnfm-Em：VNFM 通過Ve-Vnfm-Em 接口與EMS 交互，實(shí)現(xiàn)VNF 實(shí)例信息變化及時(shí)通知EMS，并將虛擬化資源的故障信息、性能信息轉(zhuǎn)發(fā)給EMS。

2.2.4 網(wǎng)元層與NFVO接口

Nfvo-Em：VNF 網(wǎng)元上報(bào)信息需滿足網(wǎng)管北向接口要求。

2.2.5 MANO接口

a）Or-Vnfm：NFVO 通過Or-Vnfm 接口與VNFM交互，實(shí)現(xiàn)對VNFM 資源分配申請的認(rèn)證授權(quán)、配合VNFM實(shí)現(xiàn)VNF實(shí)例生命周期管理。

b）Or-Vi：NFVO 通過Or-Vi 接口與VIM 交互，實(shí)現(xiàn)對VNF 與PNF 以及VNF 相連網(wǎng)絡(luò)資源的分配和管理，對計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)硬件資源及虛擬化資源的性能KPI采集、狀態(tài)監(jiān)控、資源變化和故障上報(bào)。

c）Vi-Vnfm：VNFM 通過Vi-Vnfm 接口與VIM 交互，實(shí)現(xiàn)對VNF 相關(guān)計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)虛擬化資源的分配和釋放，虛擬化資源故障信息的上報(bào)，虛擬化資源性能信息的收集。

d）Os-Ma-Nfvo：NFVO 通 過Os-Ma-Nfvo 接 口 與OSS/BSS 交互，實(shí)現(xiàn)對NSD 管理、NS 生命周期管理、VNF 生命周期管理、策略管理、性能管理、故障管理等。

通信云三層解耦接口解耦說明如表1所示。

表1 通信云三層解耦接口解耦說明

目前虛擬化層與硬件層的解耦已經(jīng)實(shí)現(xiàn)，需要進(jìn)一步推動網(wǎng)元層與虛擬化層解耦、網(wǎng)元層內(nèi)部解耦、網(wǎng)元層與NFVO 解耦以及MANO 間的解耦。三層解耦涉及的主要接口包括表1 中的4、5、6、7、8、9、10，總體上都有相應(yīng)的國際標(biāo)準(zhǔn)或企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但沒有經(jīng)過成熟的測試和部署。

3 通信云解耦策略

3.1 總體解耦策略

通信云并非為了三層解耦而解耦，解耦的目的是實(shí)現(xiàn)資源共享、統(tǒng)一資源池技術(shù)棧、統(tǒng)一管理、統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一運(yùn)營。因此沒有必要把所有接口都打開解耦，還要綜合考慮網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)維的復(fù)雜度，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的安全性和可靠性。經(jīng)過分析，總體解耦策略建議如下：

a）通信云資源池是基礎(chǔ)底座，建議通信云資源池內(nèi)統(tǒng)一云平臺（虛擬化層/VIM/PIM）。

b）NFVO 作為通信云的核心和大腦，負(fù)責(zé)全部網(wǎng)絡(luò)功能的管理和全局資源視圖，管理所有網(wǎng)元和虛擬資源的告警/性能、端到端告警關(guān)聯(lián)分析等；為了降低測試和部署復(fù)雜度，建議統(tǒng)一部署NFVO，并且和云平臺同廠家部署。

c）考慮到VNFM、EMS 跟VNF 網(wǎng)元關(guān)聯(lián)性比較強(qiáng)，因此建議EMS、VNFM一般與VNF同廠家部署。

d）在統(tǒng)一云平臺、統(tǒng)一NFVO 的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對網(wǎng)元層與云平臺和NFVO 等進(jìn)行解耦，承接第三方業(yè)務(wù)網(wǎng)元。

通信云三層解耦示意圖如圖3所示。

圖3 通信云三層解耦示意圖

3.2 分業(yè)務(wù)的解耦策略

目前通信云主要承載的業(yè)務(wù)包括核心網(wǎng)（5GC/IMS 等）、業(yè)務(wù)平臺（5G 消息平臺、視頻彩鈴、VoLTE 短信網(wǎng)關(guān)等），根據(jù)業(yè)務(wù)特點(diǎn)、運(yùn)營主體等方面的差異，核心網(wǎng)和業(yè)務(wù)平臺可以分別部署到核心網(wǎng)通信云資源池和業(yè)務(wù)平臺通信云資源池，不同的資源池解耦策略略有差異。

3.2.1 核心網(wǎng)通信云資源池的解耦策略

核心網(wǎng)（5GC/IMS）都是采用NFV 架構(gòu)，廠家VNF都會自帶VNFM，核心網(wǎng)的三層解耦主要是VNF 和云平臺、VNFM 和NFVO 的解耦，需要推動Vn-Nf、Nfvo-Em、Vi-Vnfm、or-Vnfm 等接口解耦，進(jìn)而推動核心網(wǎng)云平臺的收斂。

3.2.2 業(yè)務(wù)平臺通信云資源池的解耦策略

目前虛擬化的業(yè)務(wù)平臺多以非NFV 架構(gòu)為主，但是也有向NFV 架構(gòu)演進(jìn)的趨勢，部分業(yè)務(wù)平臺如5G消息已經(jīng)按NFV架構(gòu)部署。

對于采用NFV架構(gòu)的業(yè)務(wù)平臺解耦部署有2種方式。

方式1：如果第三方業(yè)務(wù)網(wǎng)元廠家自帶S-VNFM，就需要開放Vn-nf、Nfvo-Em、Vi-Vnfm、or-Vnfm 接口，實(shí)現(xiàn)第三方業(yè)務(wù)VNF 和云平臺、第三方EMS 與NFVO、S-VNFM與VIM、NFVO的解耦。

方式2：如果第三方業(yè)務(wù)網(wǎng)元廠家不提供VNFM，就需要由云平臺廠家提供通用G-VNFM，開放Vn-nf、Nfvo-Em、Ve-Vnfm-vnf、Ve-Vnfm-em 接口，實(shí)現(xiàn)第三方業(yè)務(wù)VNF和云平臺、第三方EMS與NFVO、G-VNFM與VNF、EMS 的解耦。G-VNFM 需要云平臺廠家VN?FM按照規(guī)范要求改造升級，支持適配第三方業(yè)務(wù)。

對于非NFV 架構(gòu)的業(yè)務(wù)平臺，由云平臺廠家采用手工拉VM 方式部署第三方業(yè)務(wù)平臺網(wǎng)元。業(yè)務(wù)平臺需要按照云平臺廠家提供的第三方APP/VNF 集成模板提出資源需求等，并且需要提供與云平臺版本兼容適配的GuestOS版本、VM規(guī)格、VM鏡像等。

3.3 三層解耦推進(jìn)建議

通信云三層解耦需要從技術(shù)規(guī)范、測試驗(yàn)證、現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)、商用部署、運(yùn)維管理等幾個方面協(xié)同推進(jìn)。

3.3.1 技術(shù)規(guī)范

目前國際和國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)針對NFV 功能等都有要求，但是對于功能的具體要求、命名規(guī)范、接口的協(xié)議和參數(shù)定義，還需要進(jìn)一步細(xì)化；建議運(yùn)營商首先要完善技術(shù)規(guī)范，對功能要求、功能接口名稱進(jìn)行規(guī)范，詳細(xì)定義、明確要求接口協(xié)議和參數(shù)等，要求各廠家按照統(tǒng)一規(guī)范對云平臺、網(wǎng)元、MANO等功能組件及接口參數(shù)定義進(jìn)行修改，在技術(shù)層面掃除三層解耦的障礙。

3.3.2 測試驗(yàn)證

建立統(tǒng)一的驗(yàn)證測試環(huán)境，協(xié)同多廠家進(jìn)行驗(yàn)證；為減少對接測試的復(fù)雜度和工作量，建議可先選1～2 家成熟穩(wěn)定的云平臺廠家，重點(diǎn)是對異廠家網(wǎng)元與云平臺以及MANO 間的測試驗(yàn)證工作。測試驗(yàn)證要全面、充分，除了對三層解耦的性能、功能進(jìn)行測試驗(yàn)證外，還需要進(jìn)行安全、可靠性和運(yùn)維等方面的測試驗(yàn)證。

3.3.3 現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)

在完成內(nèi)場測試驗(yàn)證后，可以考慮在外場選取1～2 個地點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)，選取試點(diǎn)要充分考慮廠家組合和解耦方案的全面性，對試點(diǎn)中遇到的問題要充分暴露，然后進(jìn)行歸納、總結(jié)、分析，提出解決方案，形成解耦問題案例庫，為后續(xù)推廣部署積累經(jīng)驗(yàn)。

3.3.4 商用部署

在實(shí)際商用部署階段，要根據(jù)解耦廠家的情況，提前考慮版本適配、責(zé)任分工界面、對接調(diào)測等工程實(shí)施方面的問題，規(guī)范異廠家對接集成的標(biāo)準(zhǔn)流程，選擇集成能力強(qiáng)的廠家主導(dǎo)項(xiàng)目實(shí)施，建立工程協(xié)調(diào)機(jī)制，保障集成部署順利推進(jìn)。

3.3.5 運(yùn)維管理

三層解耦后，面臨硬件、虛擬化層、VNF 異廠商跨層告警關(guān)聯(lián)、故障定位、處理的難題，這就要求運(yùn)營商做好MANO和OSS協(xié)同，建立新管理運(yùn)維模式，打造新型運(yùn)維流程。運(yùn)營商要協(xié)同各層級廠家，制定跨層運(yùn)維規(guī)范，標(biāo)準(zhǔn)化縱向運(yùn)維接口，建立清晰的界面分工流程和仲裁機(jī)制，構(gòu)建端到端的運(yùn)維工具手段，提升跨層告警關(guān)聯(lián)分析、故障聯(lián)動處理的能力。

4 結(jié)束語

從目前產(chǎn)業(yè)發(fā)展情況來看，通信云NFV 三層架構(gòu)本身已經(jīng)驗(yàn)證沒有問題，三層解耦雖然面臨著一些挑戰(zhàn)，但卻是運(yùn)營商普遍認(rèn)可的目標(biāo)和方向，而且已經(jīng)不乏個別成功案例，運(yùn)營商需要進(jìn)一步規(guī)范要求、提前測試驗(yàn)證，通過現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)，逐步推動三層解耦走向成熟，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的全面云化。