網(wǎng)絡(luò)云三層解耦架構(gòu)研究及5GC實(shí)踐應(yīng)用

張 磊（中國(guó)電信集團(tuán)有限公司，北京 100033）

1 概述

國(guó)家“十四五”數(shù)字經(jīng)濟(jì)發(fā)展規(guī)劃提出，要加快建設(shè)高速泛在、天地一體、云網(wǎng)融合、智能敏捷、綠色低碳、安全可控的智能化綜合性數(shù)字信息基礎(chǔ)設(shè)施。通信運(yùn)營(yíng)商作為我國(guó)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)、數(shù)字中國(guó)建設(shè)的主力軍，加快建設(shè)5G、云計(jì)算、基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)信安全等云網(wǎng)融合新型信息基礎(chǔ)設(shè)施，加速推進(jìn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)轉(zhuǎn)型，全面提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)智化運(yùn)營(yíng)水平。

隨著5G、云計(jì)算、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等關(guān)鍵技術(shù)的廣泛應(yīng)用，通信運(yùn)營(yíng)商在大力推進(jìn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上云，解決網(wǎng)絡(luò)專用硬件設(shè)備成本高、靈活性差、開(kāi)放度低、開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)等問(wèn)題，滿足新形勢(shì)下業(yè)務(wù)敏捷調(diào)度、資源高效利用、網(wǎng)元按需部署的網(wǎng)絡(luò)云化建設(shè)要求。網(wǎng)絡(luò)云化的本質(zhì)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)將通信網(wǎng)絡(luò)與IT 技術(shù)深度融合，使得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加敏捷開(kāi)放、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)更加集約自動(dòng)化、網(wǎng)絡(luò)部署更加靈活低成本化，最終實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)的一體化供給、一體化運(yùn)營(yíng)和一體化服務(wù)。

目前通信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)云建設(shè)主要采用軟硬件解耦的方式，在一定程度上降低了集成部署、異廠家適配、網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)運(yùn)維的難度，但該部署模式存在網(wǎng)絡(luò)云資源池技術(shù)架構(gòu)不統(tǒng)一、不同業(yè)務(wù)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源獨(dú)立規(guī)劃部署等問(wèn)題，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)云資源池?zé)o法實(shí)現(xiàn)完全共享和靈活調(diào)度，不利于多業(yè)務(wù)融合部署、統(tǒng)一技術(shù)棧發(fā)展和統(tǒng)一運(yùn)維管理等。因此，構(gòu)建自主可控的網(wǎng)絡(luò)上云三層解耦架構(gòu)至關(guān)重要，該架構(gòu)可有效提升運(yùn)營(yíng)商在云網(wǎng)建設(shè)中的自主掌控力及產(chǎn)業(yè)鏈話語(yǔ)權(quán)。

2 基于自研虛擬化三層解耦網(wǎng)絡(luò)云架構(gòu)

2.1 三層解耦網(wǎng)絡(luò)云總體架構(gòu)

為積極響應(yīng)國(guó)家“自主可控”技術(shù)發(fā)展要求，經(jīng)過(guò)多年的網(wǎng)絡(luò)云化實(shí)踐，提出了基于自研高性能虛擬化平臺(tái)承載三層解耦網(wǎng)絡(luò)上云的目標(biāo)架構(gòu)，通過(guò)硬件層、虛擬化層、網(wǎng)元應(yīng)用層的全解耦，滿足不同廠商及網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一架構(gòu)云化部署的要求，實(shí)現(xiàn)云資源池的架構(gòu)統(tǒng)一及集約共享，有效提高云網(wǎng)自主可控力，提升云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)效率，降低建設(shè)運(yùn)營(yíng)成本。

自研網(wǎng)絡(luò)云主要用于承載關(guān)鍵網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)元及通信類業(yè)務(wù)平臺(tái)等應(yīng)用，通過(guò)對(duì)自研云計(jì)算產(chǎn)品進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)通用硬件環(huán)境、虛擬化資源和網(wǎng)絡(luò)功能等三層解耦架構(gòu)的承載，對(duì)標(biāo)主流廠家可承載的5G核心網(wǎng)（5GC）、虛擬IP 多媒體子系統(tǒng)（vIMS）、視頻彩鈴、邊緣計(jì)算、5G 消息、安全能力池等CT 類云業(yè)務(wù)，三層技術(shù)架構(gòu)如下。

a）通用硬件層。硬件資源包括計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等，通過(guò)白名單機(jī)制兼容通用硬件資源。

b）虛擬化層。基于自研高性能服務(wù)器虛擬化平臺(tái)，將硬件資源進(jìn)行抽象和池化，提供用于承載VNF網(wǎng)元的計(jì)算、存儲(chǔ)與網(wǎng)絡(luò)能力，實(shí)現(xiàn)硬件與虛擬化層的完全解耦。

c）虛擬化網(wǎng)元功能（VNF）層。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。

為實(shí)現(xiàn)對(duì)云網(wǎng)資源的高效調(diào)度，構(gòu)建管理編排層進(jìn)行端到端管理，其中自研虛擬資源管理（VIM）、自研物理資源管理（PIM）實(shí)現(xiàn)對(duì)資源池物理資源和虛擬資源的統(tǒng)一監(jiān)控和告警管理；虛擬網(wǎng)元管理（VNFM）實(shí)現(xiàn)對(duì)VNF 實(shí)例化、擴(kuò)縮容等全生命周期的管理，NFVO實(shí)現(xiàn)對(duì)全網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、虛擬資源和網(wǎng)絡(luò)策略的編排、調(diào)度和管理。基于自研虛擬化的三層解耦網(wǎng)絡(luò)云總體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于自研虛擬化的三層解耦網(wǎng)絡(luò)云總體架構(gòu)

2.2 高性能網(wǎng)絡(luò)云平臺(tái)

自研高性能網(wǎng)絡(luò)云虛擬化平臺(tái)基于ETSI NFV 架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，具有強(qiáng)大的虛擬化功能和資源池管理能力，能夠有效整合基礎(chǔ)設(shè)施資源，提供成本更低、可靠性更高、維護(hù)更簡(jiǎn)單的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施架構(gòu)，使集群從傳統(tǒng)架構(gòu)向云架構(gòu)平滑演進(jìn)，以實(shí)現(xiàn)硬件資源、虛擬化軟件和網(wǎng)元的云化解耦。高性能網(wǎng)絡(luò)云虛擬化平臺(tái)主要具備以下3個(gè)特點(diǎn)，具體架構(gòu)如圖2所示。

圖2 高性能網(wǎng)絡(luò)云虛擬化平臺(tái)架構(gòu)

a）強(qiáng)化網(wǎng)絡(luò)上云可靠性。面向網(wǎng)絡(luò)上云場(chǎng)景要求，平臺(tái)具備操作系統(tǒng)內(nèi)核優(yōu)化、硬件直通或硬件卸載、中斷優(yōu)化等性能增強(qiáng)能力，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)上云場(chǎng)景多種電信網(wǎng)元承載，滿足NFV 應(yīng)用對(duì)高實(shí)時(shí)性、高吞吐性和高可靠性的要求。

b）實(shí)現(xiàn)資源高效管理。平臺(tái)具備虛擬機(jī)HA、主機(jī)HA、虛擬機(jī)實(shí)時(shí)熱遷移、管理系統(tǒng)高可用、管理數(shù)據(jù)自動(dòng)備份、網(wǎng)絡(luò)斷流檢測(cè)等能力；具備一站式虛擬化主機(jī)、集群、共享存儲(chǔ)、虛擬網(wǎng)絡(luò)配置、發(fā)放和調(diào)度管理、批量部署與配置管理；可實(shí)現(xiàn)對(duì)云數(shù)據(jù)中心內(nèi)完整計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源和網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一管理可視化功能。

c）提升智能運(yùn)維能力。提供標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)議支持的北向開(kāi)放接口，具備智能敏捷的資源監(jiān)控與告警、安全配置與檢測(cè)、日常健康巡檢等特性。

對(duì)標(biāo)主流軟件，自主研發(fā)虛擬化平臺(tái)的能力如表1所示。

表1 自研高性能網(wǎng)絡(luò)云虛擬化平臺(tái)主要能力對(duì)標(biāo)

3 5GC三層解耦網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新實(shí)踐

3.1 5GC網(wǎng)絡(luò)部署方案分析

5G 網(wǎng)絡(luò)具有高速率、大連接、低時(shí)延等特征，未來(lái)業(yè)務(wù)需求的多樣性要求5G 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)具備差異化服務(wù)和靈活調(diào)度能力。5G核心網(wǎng)架構(gòu)在設(shè)計(jì)之初，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)服務(wù)化、軟件微服務(wù)化等技術(shù)，使網(wǎng)絡(luò)天然具有云原生部署能力。5GC網(wǎng)絡(luò)采用SBA服務(wù)化架構(gòu)設(shè)計(jì)，將網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行模塊快拆解，對(duì)外提供自包含、自管理和可重用的網(wǎng)絡(luò)功能，獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)功能（NF）可進(jìn)行獨(dú)立擴(kuò)容、獨(dú)立演進(jìn)和按需部署；服務(wù)間在業(yè)務(wù)功能上解耦，通過(guò)統(tǒng)一類型的服務(wù)化接口實(shí)現(xiàn)調(diào)用，使網(wǎng)絡(luò)具備敏捷部署、彈性伸縮和靈活編排能力，為5GC云化解耦部署奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外5GC 網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商主要采用軟硬一體以及軟硬解耦部署方案，但在這種部署模式下，虛擬化平臺(tái)未實(shí)現(xiàn)與上層應(yīng)用的有效解耦，I 層資源基于VNF 廠商獨(dú)立分配，造成網(wǎng)絡(luò)云資源難以完全共享、對(duì)廠商依賴度高、技術(shù)架構(gòu)不統(tǒng)一等問(wèn)題，難以發(fā)揮云資源池靈活調(diào)度和彈性共享的差異化優(yōu)勢(shì)。為解決上述問(wèn)題，本文提出一種基于自研虛擬化統(tǒng)一架構(gòu)的5GC 三層解耦技術(shù)方案，可實(shí)現(xiàn)硬件、網(wǎng)元、應(yīng)用的分層解耦，有效解決網(wǎng)絡(luò)云化中業(yè)務(wù)與廠商鎖定、運(yùn)維與產(chǎn)品鎖定的困境，有效提高自主可控度，增加產(chǎn)業(yè)生態(tài)博弈手段，防止云資源碎片化，提升集約化運(yùn)營(yíng)水平。5GC部署方案對(duì)比分析如表2所示，通過(guò)3種部署方案的對(duì)比可以得出，三層解耦方案是未來(lái)目標(biāo)演進(jìn)方案，但同時(shí)也對(duì)運(yùn)營(yíng)運(yùn)維模式、工程建設(shè)方式等方面帶來(lái)一定挑戰(zhàn)。

表2 5GC部署方案對(duì)比分析

3.2 5GC三層解耦網(wǎng)絡(luò)實(shí)踐

為加快推進(jìn)5GC 三層解耦網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)架構(gòu)的試商用，從實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證、現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)、商用部署等方面統(tǒng)籌推進(jìn)，基于自研高性能虛擬化平臺(tái)部署網(wǎng)絡(luò)云資源池，按照三層解耦模式進(jìn)行5GC 業(yè)務(wù)加載試點(diǎn)，驗(yàn)證和評(píng)估自研虛擬化承接業(yè)務(wù)平臺(tái)及關(guān)鍵網(wǎng)元的業(yè)務(wù)能力。5GC三層解耦網(wǎng)絡(luò)側(cè)驗(yàn)證主要分為3個(gè)階段，如圖3所示。

圖3 5GC三層解耦網(wǎng)絡(luò)側(cè)驗(yàn)證

a）第一階段：建立統(tǒng)一的測(cè)試驗(yàn)證環(huán)境，對(duì)自研虛擬化平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，驗(yàn)證I 層資源的功能性、可靠性、安全性和運(yùn)維監(jiān)控能力，進(jìn)行5GC 網(wǎng)元部署及聯(lián)調(diào)測(cè)試，打通5GC解耦網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)Firstcall。

b）第二階段：對(duì)標(biāo)商用網(wǎng)絡(luò)要求，對(duì)不同廠商5GC 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行功能測(cè)試，包括服務(wù)化架構(gòu)，移動(dòng)性管理、會(huì)話管理、安全管理等主要業(yè)務(wù)流流程，網(wǎng)絡(luò)切片、與EPC 互操作，IMS 功能以及組POOL 等100 余項(xiàng)測(cè)試內(nèi)容；同時(shí)，結(jié)合5G 業(yè)務(wù)流量模型進(jìn)行200 萬(wàn)用戶的大容量性能測(cè)試，驗(yàn)證承載大并發(fā)性能及網(wǎng)絡(luò)可靠性。

c）第三階段：與現(xiàn)網(wǎng)環(huán)境打通，對(duì)標(biāo)5GC 解耦網(wǎng)絡(luò)試商用要求進(jìn)行現(xiàn)網(wǎng)試點(diǎn)驗(yàn)證及工程驗(yàn)收測(cè)試，對(duì)5GC 資源池能力、5GC 網(wǎng)元與承載網(wǎng)絡(luò)、EPC 網(wǎng)絡(luò)的互通性，語(yǔ)音、短信、VPDN、定向流程等主要業(yè)務(wù)流程，可靠性及容災(zāi)倒換測(cè)試，計(jì)費(fèi)及開(kāi)銷戶聯(lián)調(diào)，以及與運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)對(duì)接等內(nèi)容進(jìn)行測(cè)試。

通過(guò)對(duì)自研虛擬化平臺(tái)及與5GC 業(yè)務(wù)的全方位測(cè)試驗(yàn)證，上述測(cè)試項(xiàng)目全部通過(guò)，性能與商業(yè)虛擬化軟件以及5GC 網(wǎng)絡(luò)的基本可比。多輪次對(duì)現(xiàn)網(wǎng)用戶進(jìn)行業(yè)務(wù)割接的驗(yàn)證測(cè)試表明，該平臺(tái)成功實(shí)現(xiàn)了全球首個(gè)基于自研虛擬化的5GC 三層解耦網(wǎng)絡(luò)試商用，這標(biāo)志著運(yùn)營(yíng)商自主研發(fā)的高性能電信云虛擬化底座承載網(wǎng)絡(luò)上云業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)了重大突破，是踐行云網(wǎng)融合戰(zhàn)略的最佳實(shí)踐和標(biāo)桿應(yīng)用，對(duì)運(yùn)營(yíng)商實(shí)現(xiàn)云網(wǎng)自主可控具有重要里程碑意義。

4 三層解耦網(wǎng)絡(luò)云面臨的挑戰(zhàn)

基于自主可控的三層解耦網(wǎng)絡(luò)云技術(shù)架構(gòu)對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)、運(yùn)營(yíng)運(yùn)維等模式提出了新的挑戰(zhàn)，亟需多措并舉共同構(gòu)建自主可控、合作開(kāi)放、網(wǎng)絡(luò)云化的可持續(xù)發(fā)展生態(tài)，打造領(lǐng)先安全的云網(wǎng)新型基礎(chǔ)設(shè)施，主要建議如下。

a）持續(xù)提升云網(wǎng)運(yùn)營(yíng)能力。三層解耦網(wǎng)絡(luò)面臨運(yùn)維技術(shù)難度高、跨專業(yè)協(xié)同難、跨層故障定界難、面向業(yè)務(wù)保障難等諸多困難。這要求運(yùn)營(yíng)商做好MANO和OSS 協(xié)同，基于統(tǒng)一的運(yùn)營(yíng)系統(tǒng)構(gòu)建新管理運(yùn)維模式，打造新型運(yùn)維流程，建立清晰的界面分工流程和仲裁機(jī)制，構(gòu)建端到端運(yùn)營(yíng)運(yùn)維工具手段，提升跨層告警關(guān)聯(lián)分析、故障聯(lián)動(dòng)處理能力，形成有效的全生命周期DevOps流程。

b）持續(xù)豐富網(wǎng)絡(luò)上云生態(tài)。加快完善不同類型網(wǎng)絡(luò)云化行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范，通過(guò)對(duì)不同硬件設(shè)備、網(wǎng)元、上層應(yīng)用的兼容適配，持續(xù)構(gòu)建技術(shù)體系與商業(yè)生態(tài)，逐漸形成運(yùn)營(yíng)商引領(lǐng)的硬件層、虛擬化層、網(wǎng)元應(yīng)用層網(wǎng)絡(luò)云持續(xù)發(fā)展生態(tài)，提升云核心技術(shù)自主掌控力，提高產(chǎn)業(yè)鏈話語(yǔ)權(quán)。

c）持續(xù)增強(qiáng)云網(wǎng)安全能力。由于云計(jì)算邊界消失的問(wèn)題，數(shù)據(jù)中心內(nèi)外部的安全威脅和漏洞成為潛在的網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險(xiǎn)，需要持續(xù)豐富安全服務(wù)特性，滿足網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)營(yíng)要求，打造具備增強(qiáng)功能、架構(gòu)開(kāi)放、高效穩(wěn)定的云網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)上云存在的主要問(wèn)題，提出了基于自研虛擬化平臺(tái)承載三層解耦網(wǎng)絡(luò)上云的目標(biāo)架構(gòu)，詳細(xì)闡述了5GC 三層解耦網(wǎng)絡(luò)方案、測(cè)試情況及創(chuàng)新實(shí)踐成果，并針對(duì)三層解耦網(wǎng)絡(luò)面臨的挑戰(zhàn)給出了相應(yīng)建議，為未來(lái)全面實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施云化轉(zhuǎn)型奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。