采用網(wǎng)絡(luò)云的移動核心網(wǎng)虛擬化應(yīng)用

李鳳鳳

【摘要】 文章針對當前移動核心網(wǎng)面臨的問題，探討了三種關(guān)鍵技術(shù)：SDN架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）和云管理，并將三種技術(shù)應(yīng)用于移動核心網(wǎng)，提出了未來移動核心網(wǎng)架構(gòu)。為運營商解決大數(shù)據(jù)、大流量給網(wǎng)絡(luò)帶來的問題提供參考。

【關(guān)鍵詞】 虛擬化 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化 軟件定義網(wǎng)絡(luò) 云管理

The Application of Virtualization on The Mobile Core Network

Based on Could Management

LI Feng-Feng

（Hebei Communication Design &Consultation Co.，LTD， The second Integrated Communication Design Institute，Shijiazhuang，050021，China）

Abstract： Based on the current problems of mobile core network， this paper discusses three kinds of key technology： the software defined network （SDN）， network function virtualization （NFV） and could management architecture. We apply the three techniques to the mobile core network； propose a future architecture of the mobile core network； provide reference to solve the problem on a large amount of data and flow.

Keyword： virtualization； network function virtualization； software-defined networks； could management

一、移動核心網(wǎng)的發(fā)展現(xiàn)狀

移動核心網(wǎng)主要負責系統(tǒng)內(nèi)部信息的交換、安全管理以及與其它通信系統(tǒng)進行信息交流，從而完成整個通信系統(tǒng)的傳遞工作。對于整個網(wǎng)絡(luò)的順暢運行具有重要作用。

隨著通信技術(shù)變革，移動核心網(wǎng)也在不斷演進：最初的以TDM交換為主進行基本的語音通信；到分組域的引入來滿足數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求；再到軟交換技術(shù)的實現(xiàn)，將控制和承載完全分離，通過服務(wù)器上的軟件實現(xiàn)呼叫控制功能，系統(tǒng)不需要單獨鋪設(shè)網(wǎng)絡(luò)，采用網(wǎng)絡(luò)共享實現(xiàn)統(tǒng)一管理與維護，極大的降低成本；最后到現(xiàn)在的IMS網(wǎng)絡(luò)，支持多元化的接入、支持無縫移動性和業(yè)務(wù)連續(xù)性，以及近期已逐步建設(shè)完成并商用的EPC架構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)全IP承載，簡化網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提供高效的信號指令控制與實現(xiàn)流程，降低業(yè)務(wù)連接時延。總體來說，移動核心網(wǎng)是向多元化發(fā)展，利用寬帶及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，不斷加速通信事業(yè)發(fā)展和融合，從而為用戶提供更多簡單、便捷、多樣化業(yè)務(wù)。

二、移動核心網(wǎng)目前面臨的問題

隨著智能終端普及和移動互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的井噴式發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的流量和信令處于爆炸性增長，這對網(wǎng)絡(luò)容量和性能本身提出了更高的要求。然而，運營商的收入和利潤卻并不隨網(wǎng)絡(luò)流量大幅增長。其主要原因是運營業(yè)務(wù)已從語音短信向高速數(shù)據(jù)遷移，從而給網(wǎng)絡(luò)造成了巨大負荷壓力。為了應(yīng)對日益增長的數(shù)據(jù)流量，運營商不得不加大投資力度，縮短投資建設(shè)周期，對移動網(wǎng)絡(luò)進行新建、升級或改造，造成巨額資本支出（CAPEX）和運營成本（OPEX）。

另外，不同的無線技術(shù)造成多種制式網(wǎng)絡(luò)并存，各制式網(wǎng)絡(luò)縱向分布、相互封閉。同一用戶可能同時是其他網(wǎng)絡(luò)用戶，但申請業(yè)務(wù)、感知度無法統(tǒng)一。而在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，很難統(tǒng)籌部署網(wǎng)絡(luò)感知能力，無法感知網(wǎng)絡(luò)情況、用戶分布情況，也無法提升網(wǎng)絡(luò)智能進行自適應(yīng)調(diào)整和策略部署。

總之，移動互聯(lián)網(wǎng)時代，運營商迫切需要降低CAPEX和OPEX，提升網(wǎng)絡(luò)開放性和業(yè)務(wù)效率；迫切需要提升網(wǎng)絡(luò)智能化、加強網(wǎng)絡(luò)控制能力；迫切需要提升負載分擔、容量統(tǒng)籌調(diào)度及網(wǎng)絡(luò)的可擴展性。而有效解決這些問題，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)管理靈活性，設(shè)備高利用率，降低運維成本，是各大運營商必須真正思考的問題。

目前，傳統(tǒng)以硬件為主導的設(shè)備產(chǎn)品網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)已難以適應(yīng)未來高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)發(fā)展需求。因此需要顛覆傳統(tǒng)電信設(shè)備認識理念，利用新技術(shù)來支撐新業(yè)務(wù)模式，對網(wǎng)絡(luò)資源有定制化的訴求，包括設(shè)備形態(tài)、配置管理、擴容升級等方面。在移動互聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域，SDN技術(shù)中引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV），并基于NFV實現(xiàn)核心網(wǎng)云管理成為解決設(shè)備通用化、業(yè)務(wù)快速上線和資源靈活管理與共享，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護成本可控，實現(xiàn)利潤可持續(xù)增長的新契機。

三、熱點技術(shù)分析

3.1 SDN架構(gòu)介紹

圖1 SDN架構(gòu)圖

SDN的概念為網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新帶來了新的機會，最初起源于斯坦福大學提出的OpenFlow協(xié)議，應(yīng)用于校園網(wǎng)絡(luò)，解決網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新和封閉設(shè)備體系之間的矛盾。后來逐步推廣，至今已成為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域研究的熱點。它是一種新型的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，精髓理念有兩點：一是將網(wǎng)絡(luò)的控制平面及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)平面進行分離；二是網(wǎng)絡(luò)集中控制，并具備可編程能力。SDN構(gòu)架如圖1：

在SDN構(gòu)架中，網(wǎng)絡(luò)被劃分為3個層面，分別是應(yīng)用層、控制層和基礎(chǔ)設(shè)施層。其中應(yīng)用層包括各種業(yè)務(wù)和應(yīng)用；控制層主要負責處理數(shù)據(jù)平面資源的編排，維護網(wǎng)絡(luò)拓撲、狀態(tài)信息等；基礎(chǔ)設(shè)施層負責基于流的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。

基礎(chǔ)設(shè)施層為轉(zhuǎn)發(fā)層，是一個無智能的快速轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備；網(wǎng)絡(luò)所有智能設(shè)備集中在網(wǎng)絡(luò)控制層，由控制器對轉(zhuǎn)發(fā)面進行轉(zhuǎn)發(fā)策略的調(diào)度和管理，支持運行在網(wǎng)絡(luò)控制器之上的不同業(yè)務(wù)。

SDN帶來了IP領(lǐng)域一輪新的變革，為核心網(wǎng)虛擬化提供動態(tài)靈活的傳輸構(gòu)架，以滿足其分布式的對虛擬機、工作負載等高度協(xié)調(diào)和控制的要求。它能對電信網(wǎng)絡(luò)的所有領(lǐng)域添加控制，并將云控制和網(wǎng)絡(luò)控制連接起來，且集成了網(wǎng)絡(luò)控制和系統(tǒng)構(gòu)架、云管理等服務(wù)。

3.2網(wǎng)絡(luò)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NV）通常認為是對物理網(wǎng)絡(luò)及其組件（如交換機、端口及路由器）進行抽象，并從中分離網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的一種方式。采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以將多個物理網(wǎng)絡(luò)抽象為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，或者將一個物理網(wǎng)絡(luò)分割為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)。它打破了網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備層和邏輯業(yè)務(wù)層之間的綁定關(guān)系，每個物理設(shè)備被虛擬化的網(wǎng)元所取代，管理員能夠?qū)μ摂M網(wǎng)元進行配置以滿足其獨特的需求。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）最早是由歐洲電信標準組織（ETSI）從網(wǎng)絡(luò)運營商的角度出發(fā)提出的一種軟件和硬件分離的架構(gòu)，主要是希望通過標準化的IT虛擬化技術(shù)，采用業(yè)界標準的大容量服務(wù)器、存儲和交換機承載各種各樣的網(wǎng)絡(luò)軟件功能，實現(xiàn)軟件的靈活加載，從而可以在數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶端等不同位置靈活部署。

隨著軟件虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等技術(shù)的發(fā)展，利用分布式軟件技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能集合理抽象、分割以及靈活調(diào)度，已經(jīng)逐步成為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的主流實現(xiàn)模式。

3.3 核心網(wǎng)云管理

核心網(wǎng)虛擬化后，將打破現(xiàn)有以網(wǎng)元為中心的軟硬件緊耦合的管理模式，轉(zhuǎn)向以資源為中心軟硬件松耦合的管理模式，從而實現(xiàn)跨域、跨地區(qū)、跨平臺集中管理，實現(xiàn)資源智能調(diào)度，這就是基于NFV的核心網(wǎng)云管理。

與傳統(tǒng)電信核心網(wǎng)管理相比，核心網(wǎng)云管理增加了對硬件資源、虛擬資源層、虛擬化網(wǎng)元以及完整網(wǎng)絡(luò)功能管理和調(diào)度。實現(xiàn)核心網(wǎng)云管理的網(wǎng)元功能包括虛擬設(shè)施管理，虛擬網(wǎng)元管理和虛擬業(yè)務(wù)編排。核心網(wǎng)云系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：

1）虛擬設(shè)施管理主要負責采集硬件資源和虛擬資源的狀態(tài)信息并上報給虛擬網(wǎng)元管理，實現(xiàn)資源監(jiān)測、故障監(jiān)測和上報；接收來自上層的應(yīng)用請求并進行認證，通過控制虛擬機管理器來執(zhí)行上層應(yīng)用請求，實現(xiàn)資源的遷移和彈性伸縮。

2）虛擬網(wǎng)元管理負責虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的生命周期管理及資源使用情況的監(jiān)控，包括VNF的添加、刪除、更改、查詢和容量伸縮等。

3）業(yè)務(wù)編排負責基礎(chǔ)設(shè)施和VNF的管理和編排，進而實現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。以LTE為例，業(yè)務(wù)編排可以通過對MME、HSS、S/P-GW的功能進行虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的編排，進而提供一個完整的LTE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。它可以通過標準接口提供跨數(shù)據(jù)中心和跨廠家的協(xié)同管理。

四、采用網(wǎng)絡(luò)云管理的基于SDN的NFV移動核心網(wǎng)架構(gòu)

當前通信運營商需要面對互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)商的激烈競爭，不斷提供各種增值服務(wù)、差異化服務(wù)來滿足用戶需求。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源配置復(fù)雜，效率低，投資成本及設(shè)備能耗高，因此采用新的技術(shù)架構(gòu)是運營商急需考慮的問題。

因此，將云的管理方式、軟件定義和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的技術(shù)進行融合，構(gòu)建移動核心網(wǎng)架構(gòu)，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)靈活擴展、靈活配置，有助于運營商提升配置和維護效率，縮短新業(yè)務(wù)部署時間，降低開展新業(yè)務(wù)風險，快速提供各種差異化服務(wù)。而且通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化運營商可以很容易在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)上構(gòu)建多種虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為不同用戶提供服務(wù)，最大程度的提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。從而對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)通用化和統(tǒng)一化，減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投資維護成本和設(shè)備能耗。基于SDN的虛擬化移動核心網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示：

架構(gòu)分為4層，分別為接入層、轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層和業(yè)務(wù)層。接入層為目前的2G網(wǎng)、3G網(wǎng)、Wi-Fi網(wǎng)、LTE網(wǎng)等其他無線接入網(wǎng)。在接入層和轉(zhuǎn)發(fā)層之間部署虛擬化的接入適配網(wǎng)元。接入適配網(wǎng)元北向與轉(zhuǎn)發(fā)層接口，采用標準接口；南向與無線接入網(wǎng)絡(luò)接口，適配各接入制式。

由于現(xiàn)網(wǎng)移動軟交換和LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)了控制面與媒體轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，因此轉(zhuǎn)發(fā)層在控制層的調(diào)度下只負責轉(zhuǎn)發(fā)流量包。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中MGW/GGSN/PDSN/SGW/PGW的媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能。媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能由SDN的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備來承擔，由SDN控制器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的管理和策略的下發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備可以基于通用硬件平臺來實現(xiàn)，提高轉(zhuǎn)發(fā)能力。

控制層包括控制網(wǎng)元及數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元。控制網(wǎng)元實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)所有的控制功能，如呼叫控制、路由選擇、網(wǎng)絡(luò)感知、策略部署等功能，將涵蓋MSC Server/SGSN/PDSN/SGW/PGW/MME等網(wǎng)元的控制功能，數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲、用戶數(shù)據(jù)存儲、用戶的認證、鑒權(quán)等功能。例如HSS/HLR/AAA等功能。控制網(wǎng)元和數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元運營商可以采用云的管理模式利用軟件方式對各個虛擬網(wǎng)元進行管理，對支撐系統(tǒng)進行業(yè)務(wù)編排，從而在全網(wǎng)范圍調(diào)度資源，提升控制層網(wǎng)元可擴展性，實現(xiàn)資源統(tǒng)籌調(diào)度。

業(yè)務(wù)層通過與控制層協(xié)同實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，通過控制層定義的開發(fā)API調(diào)用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

采用云管理的移動核心網(wǎng)SDN的NFV構(gòu)架可以滿足大數(shù)據(jù)處理的需求，很好的實現(xiàn)全網(wǎng)資源的虛擬化，達到調(diào)度全網(wǎng)資源，解決流量高峰沖擊的問題；還能避免重復(fù)建設(shè)，避免多制式的無線網(wǎng)建多個核心網(wǎng)，有利的降低了運營商的CAPEX及OPEX；通過采用SDN架構(gòu)將增加網(wǎng)絡(luò)感知能力及策略控制能力，提升網(wǎng)絡(luò)智能，增強網(wǎng)絡(luò)控制、業(yè)務(wù)快速部署的能力。

五、結(jié)束語

本文從移動核心的發(fā)展趨勢入手，深入分析了移動寬帶、互聯(lián)網(wǎng)對傳統(tǒng)電信業(yè)的沖擊，使得電信運營商必須采取措施應(yīng)對即將到來的問題。運用軟件定義網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)網(wǎng)元的虛擬化、采用云技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行管理，這些技術(shù)已經(jīng)逐步進入運營商的視野，由于這些技術(shù)的特點和所具體的優(yōu)勢，將正在成為電信業(yè)未來的發(fā)展趨勢，但相關(guān)的技術(shù)實現(xiàn)還需要進一步研究。

參 考 文 獻

[1] Network Function Virtualization[R]. Introductory White Paper. SDN and OpenFlow World congress. October 22-24， 2012.

[2] 羅萱，黃保青，韋建文.面向數(shù)據(jù)中心的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（2014-02-20 ）.

[3] 王茜，趙慧玲，解云鵬.SDN標準化和應(yīng)用場景探討[J].中興通訊技術(shù)，2013.19（05）：06-09.

[4] 王茜， 解云鵬，陳運清.未來數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（FDN）的應(yīng)用場景和需求[S].CCSA，2013.

[5] 林利，石文昌.構(gòu)建云計算平臺開源軟件綜述[J].計算機科學，2012，39（11）：7-13.

[6] Network Functions virtualization （NFV）； Architectural Framework[EB/OL].（2014-03-20）.

SDN帶來了IP領(lǐng)域一輪新的變革，為核心網(wǎng)虛擬化提供動態(tài)靈活的傳輸構(gòu)架，以滿足其分布式的對虛擬機、工作負載等高度協(xié)調(diào)和控制的要求。它能對電信網(wǎng)絡(luò)的所有領(lǐng)域添加控制，并將云控制和網(wǎng)絡(luò)控制連接起來，且集成了網(wǎng)絡(luò)控制和系統(tǒng)構(gòu)架、云管理等服務(wù)。

3.2網(wǎng)絡(luò)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NV）通常認為是對物理網(wǎng)絡(luò)及其組件（如交換機、端口及路由器）進行抽象，并從中分離網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的一種方式。采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以將多個物理網(wǎng)絡(luò)抽象為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，或者將一個物理網(wǎng)絡(luò)分割為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)。它打破了網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備層和邏輯業(yè)務(wù)層之間的綁定關(guān)系，每個物理設(shè)備被虛擬化的網(wǎng)元所取代，管理員能夠?qū)μ摂M網(wǎng)元進行配置以滿足其獨特的需求。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）最早是由歐洲電信標準組織（ETSI）從網(wǎng)絡(luò)運營商的角度出發(fā)提出的一種軟件和硬件分離的架構(gòu)，主要是希望通過標準化的IT虛擬化技術(shù)，采用業(yè)界標準的大容量服務(wù)器、存儲和交換機承載各種各樣的網(wǎng)絡(luò)軟件功能，實現(xiàn)軟件的靈活加載，從而可以在數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶端等不同位置靈活部署。

隨著軟件虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等技術(shù)的發(fā)展，利用分布式軟件技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能集合理抽象、分割以及靈活調(diào)度，已經(jīng)逐步成為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的主流實現(xiàn)模式。

3.3 核心網(wǎng)云管理

核心網(wǎng)虛擬化后，將打破現(xiàn)有以網(wǎng)元為中心的軟硬件緊耦合的管理模式，轉(zhuǎn)向以資源為中心軟硬件松耦合的管理模式，從而實現(xiàn)跨域、跨地區(qū)、跨平臺集中管理，實現(xiàn)資源智能調(diào)度，這就是基于NFV的核心網(wǎng)云管理。

與傳統(tǒng)電信核心網(wǎng)管理相比，核心網(wǎng)云管理增加了對硬件資源、虛擬資源層、虛擬化網(wǎng)元以及完整網(wǎng)絡(luò)功能管理和調(diào)度。實現(xiàn)核心網(wǎng)云管理的網(wǎng)元功能包括虛擬設(shè)施管理，虛擬網(wǎng)元管理和虛擬業(yè)務(wù)編排。核心網(wǎng)云系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：

1）虛擬設(shè)施管理主要負責采集硬件資源和虛擬資源的狀態(tài)信息并上報給虛擬網(wǎng)元管理，實現(xiàn)資源監(jiān)測、故障監(jiān)測和上報；接收來自上層的應(yīng)用請求并進行認證，通過控制虛擬機管理器來執(zhí)行上層應(yīng)用請求，實現(xiàn)資源的遷移和彈性伸縮。

2）虛擬網(wǎng)元管理負責虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的生命周期管理及資源使用情況的監(jiān)控，包括VNF的添加、刪除、更改、查詢和容量伸縮等。

3）業(yè)務(wù)編排負責基礎(chǔ)設(shè)施和VNF的管理和編排，進而實現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。以LTE為例，業(yè)務(wù)編排可以通過對MME、HSS、S/P-GW的功能進行虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的編排，進而提供一個完整的LTE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。它可以通過標準接口提供跨數(shù)據(jù)中心和跨廠家的協(xié)同管理。

四、采用網(wǎng)絡(luò)云管理的基于SDN的NFV移動核心網(wǎng)架構(gòu)

當前通信運營商需要面對互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)商的激烈競爭，不斷提供各種增值服務(wù)、差異化服務(wù)來滿足用戶需求。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源配置復(fù)雜，效率低，投資成本及設(shè)備能耗高，因此采用新的技術(shù)架構(gòu)是運營商急需考慮的問題。

因此，將云的管理方式、軟件定義和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的技術(shù)進行融合，構(gòu)建移動核心網(wǎng)架構(gòu)，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)靈活擴展、靈活配置，有助于運營商提升配置和維護效率，縮短新業(yè)務(wù)部署時間，降低開展新業(yè)務(wù)風險，快速提供各種差異化服務(wù)。而且通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化運營商可以很容易在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)上構(gòu)建多種虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為不同用戶提供服務(wù)，最大程度的提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。從而對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)通用化和統(tǒng)一化，減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投資維護成本和設(shè)備能耗。基于SDN的虛擬化移動核心網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示：

架構(gòu)分為4層，分別為接入層、轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層和業(yè)務(wù)層。接入層為目前的2G網(wǎng)、3G網(wǎng)、Wi-Fi網(wǎng)、LTE網(wǎng)等其他無線接入網(wǎng)。在接入層和轉(zhuǎn)發(fā)層之間部署虛擬化的接入適配網(wǎng)元。接入適配網(wǎng)元北向與轉(zhuǎn)發(fā)層接口，采用標準接口；南向與無線接入網(wǎng)絡(luò)接口，適配各接入制式。

由于現(xiàn)網(wǎng)移動軟交換和LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)了控制面與媒體轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，因此轉(zhuǎn)發(fā)層在控制層的調(diào)度下只負責轉(zhuǎn)發(fā)流量包。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中MGW/GGSN/PDSN/SGW/PGW的媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能。媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能由SDN的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備來承擔，由SDN控制器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的管理和策略的下發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備可以基于通用硬件平臺來實現(xiàn)，提高轉(zhuǎn)發(fā)能力。

控制層包括控制網(wǎng)元及數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元。控制網(wǎng)元實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)所有的控制功能，如呼叫控制、路由選擇、網(wǎng)絡(luò)感知、策略部署等功能，將涵蓋MSC Server/SGSN/PDSN/SGW/PGW/MME等網(wǎng)元的控制功能，數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲、用戶數(shù)據(jù)存儲、用戶的認證、鑒權(quán)等功能。例如HSS/HLR/AAA等功能。控制網(wǎng)元和數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元運營商可以采用云的管理模式利用軟件方式對各個虛擬網(wǎng)元進行管理，對支撐系統(tǒng)進行業(yè)務(wù)編排，從而在全網(wǎng)范圍調(diào)度資源，提升控制層網(wǎng)元可擴展性，實現(xiàn)資源統(tǒng)籌調(diào)度。

業(yè)務(wù)層通過與控制層協(xié)同實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，通過控制層定義的開發(fā)API調(diào)用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

采用云管理的移動核心網(wǎng)SDN的NFV構(gòu)架可以滿足大數(shù)據(jù)處理的需求，很好的實現(xiàn)全網(wǎng)資源的虛擬化，達到調(diào)度全網(wǎng)資源，解決流量高峰沖擊的問題；還能避免重復(fù)建設(shè)，避免多制式的無線網(wǎng)建多個核心網(wǎng)，有利的降低了運營商的CAPEX及OPEX；通過采用SDN架構(gòu)將增加網(wǎng)絡(luò)感知能力及策略控制能力，提升網(wǎng)絡(luò)智能，增強網(wǎng)絡(luò)控制、業(yè)務(wù)快速部署的能力。

五、結(jié)束語

本文從移動核心的發(fā)展趨勢入手，深入分析了移動寬帶、互聯(lián)網(wǎng)對傳統(tǒng)電信業(yè)的沖擊，使得電信運營商必須采取措施應(yīng)對即將到來的問題。運用軟件定義網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)網(wǎng)元的虛擬化、采用云技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行管理，這些技術(shù)已經(jīng)逐步進入運營商的視野，由于這些技術(shù)的特點和所具體的優(yōu)勢，將正在成為電信業(yè)未來的發(fā)展趨勢，但相關(guān)的技術(shù)實現(xiàn)還需要進一步研究。

參 考 文 獻

[1] Network Function Virtualization[R]. Introductory White Paper. SDN and OpenFlow World congress. October 22-24， 2012.

[2] 羅萱，黃保青，韋建文.面向數(shù)據(jù)中心的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（2014-02-20 ）.

[3] 王茜，趙慧玲，解云鵬.SDN標準化和應(yīng)用場景探討[J].中興通訊技術(shù)，2013.19（05）：06-09.

[4] 王茜， 解云鵬，陳運清.未來數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（FDN）的應(yīng)用場景和需求[S].CCSA，2013.

[5] 林利，石文昌.構(gòu)建云計算平臺開源軟件綜述[J].計算機科學，2012，39（11）：7-13.

[6] Network Functions virtualization （NFV）； Architectural Framework[EB/OL].（2014-03-20）.

SDN帶來了IP領(lǐng)域一輪新的變革，為核心網(wǎng)虛擬化提供動態(tài)靈活的傳輸構(gòu)架，以滿足其分布式的對虛擬機、工作負載等高度協(xié)調(diào)和控制的要求。它能對電信網(wǎng)絡(luò)的所有領(lǐng)域添加控制，并將云控制和網(wǎng)絡(luò)控制連接起來，且集成了網(wǎng)絡(luò)控制和系統(tǒng)構(gòu)架、云管理等服務(wù)。

3.2網(wǎng)絡(luò)虛擬化及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化

網(wǎng)絡(luò)虛擬化（NV）通常認為是對物理網(wǎng)絡(luò)及其組件（如交換機、端口及路由器）進行抽象，并從中分離網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)流量的一種方式。采用網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以將多個物理網(wǎng)絡(luò)抽象為一個虛擬網(wǎng)絡(luò)，或者將一個物理網(wǎng)絡(luò)分割為多個邏輯網(wǎng)絡(luò)。它打破了網(wǎng)絡(luò)物理設(shè)備層和邏輯業(yè)務(wù)層之間的綁定關(guān)系，每個物理設(shè)備被虛擬化的網(wǎng)元所取代，管理員能夠?qū)μ摂M網(wǎng)元進行配置以滿足其獨特的需求。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）最早是由歐洲電信標準組織（ETSI）從網(wǎng)絡(luò)運營商的角度出發(fā)提出的一種軟件和硬件分離的架構(gòu)，主要是希望通過標準化的IT虛擬化技術(shù)，采用業(yè)界標準的大容量服務(wù)器、存儲和交換機承載各種各樣的網(wǎng)絡(luò)軟件功能，實現(xiàn)軟件的靈活加載，從而可以在數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和用戶端等不同位置靈活部署。

隨著軟件虛擬化、軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）等技術(shù)的發(fā)展，利用分布式軟件技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能集合理抽象、分割以及靈活調(diào)度，已經(jīng)逐步成為網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的主流實現(xiàn)模式。

3.3 核心網(wǎng)云管理

核心網(wǎng)虛擬化后，將打破現(xiàn)有以網(wǎng)元為中心的軟硬件緊耦合的管理模式，轉(zhuǎn)向以資源為中心軟硬件松耦合的管理模式，從而實現(xiàn)跨域、跨地區(qū)、跨平臺集中管理，實現(xiàn)資源智能調(diào)度，這就是基于NFV的核心網(wǎng)云管理。

與傳統(tǒng)電信核心網(wǎng)管理相比，核心網(wǎng)云管理增加了對硬件資源、虛擬資源層、虛擬化網(wǎng)元以及完整網(wǎng)絡(luò)功能管理和調(diào)度。實現(xiàn)核心網(wǎng)云管理的網(wǎng)元功能包括虛擬設(shè)施管理，虛擬網(wǎng)元管理和虛擬業(yè)務(wù)編排。核心網(wǎng)云系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示：

1）虛擬設(shè)施管理主要負責采集硬件資源和虛擬資源的狀態(tài)信息并上報給虛擬網(wǎng)元管理，實現(xiàn)資源監(jiān)測、故障監(jiān)測和上報；接收來自上層的應(yīng)用請求并進行認證，通過控制虛擬機管理器來執(zhí)行上層應(yīng)用請求，實現(xiàn)資源的遷移和彈性伸縮。

2）虛擬網(wǎng)元管理負責虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的生命周期管理及資源使用情況的監(jiān)控，包括VNF的添加、刪除、更改、查詢和容量伸縮等。

3）業(yè)務(wù)編排負責基礎(chǔ)設(shè)施和VNF的管理和編排，進而實現(xiàn)完整的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。以LTE為例，業(yè)務(wù)編排可以通過對MME、HSS、S/P-GW的功能進行虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的編排，進而提供一個完整的LTE網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。它可以通過標準接口提供跨數(shù)據(jù)中心和跨廠家的協(xié)同管理。

四、采用網(wǎng)絡(luò)云管理的基于SDN的NFV移動核心網(wǎng)架構(gòu)

當前通信運營商需要面對互聯(lián)網(wǎng)和應(yīng)用服務(wù)商的激烈競爭，不斷提供各種增值服務(wù)、差異化服務(wù)來滿足用戶需求。而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)資源配置復(fù)雜，效率低，投資成本及設(shè)備能耗高，因此采用新的技術(shù)架構(gòu)是運營商急需考慮的問題。

因此，將云的管理方式、軟件定義和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的技術(shù)進行融合，構(gòu)建移動核心網(wǎng)架構(gòu)，可以實現(xiàn)業(yè)務(wù)靈活擴展、靈活配置，有助于運營商提升配置和維護效率，縮短新業(yè)務(wù)部署時間，降低開展新業(yè)務(wù)風險，快速提供各種差異化服務(wù)。而且通過網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化運營商可以很容易在網(wǎng)絡(luò)設(shè)備基礎(chǔ)上構(gòu)建多種虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，為不同用戶提供服務(wù)，最大程度的提高網(wǎng)絡(luò)資源利用率。從而對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備實現(xiàn)通用化和統(tǒng)一化，減少網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的投資維護成本和設(shè)備能耗。基于SDN的虛擬化移動核心網(wǎng)架構(gòu)如圖3所示：

架構(gòu)分為4層，分別為接入層、轉(zhuǎn)發(fā)層、控制層和業(yè)務(wù)層。接入層為目前的2G網(wǎng)、3G網(wǎng)、Wi-Fi網(wǎng)、LTE網(wǎng)等其他無線接入網(wǎng)。在接入層和轉(zhuǎn)發(fā)層之間部署虛擬化的接入適配網(wǎng)元。接入適配網(wǎng)元北向與轉(zhuǎn)發(fā)層接口，采用標準接口；南向與無線接入網(wǎng)絡(luò)接口，適配各接入制式。

由于現(xiàn)網(wǎng)移動軟交換和LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)實現(xiàn)了控制面與媒體轉(zhuǎn)發(fā)面的分離，因此轉(zhuǎn)發(fā)層在控制層的調(diào)度下只負責轉(zhuǎn)發(fā)流量包。實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中MGW/GGSN/PDSN/SGW/PGW的媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能。媒體轉(zhuǎn)發(fā)功能由SDN的網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備來承擔，由SDN控制器實現(xiàn)對轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備的管理和策略的下發(fā)，轉(zhuǎn)發(fā)面設(shè)備可以基于通用硬件平臺來實現(xiàn)，提高轉(zhuǎn)發(fā)能力。

控制層包括控制網(wǎng)元及數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元。控制網(wǎng)元實現(xiàn)移動網(wǎng)絡(luò)所有的控制功能，如呼叫控制、路由選擇、網(wǎng)絡(luò)感知、策略部署等功能，將涵蓋MSC Server/SGSN/PDSN/SGW/PGW/MME等網(wǎng)元的控制功能，數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元實現(xiàn)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)存儲、用戶數(shù)據(jù)存儲、用戶的認證、鑒權(quán)等功能。例如HSS/HLR/AAA等功能。控制網(wǎng)元和數(shù)據(jù)庫網(wǎng)元運營商可以采用云的管理模式利用軟件方式對各個虛擬網(wǎng)元進行管理，對支撐系統(tǒng)進行業(yè)務(wù)編排，從而在全網(wǎng)范圍調(diào)度資源，提升控制層網(wǎng)元可擴展性，實現(xiàn)資源統(tǒng)籌調(diào)度。

業(yè)務(wù)層通過與控制層協(xié)同實現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯，通過控制層定義的開發(fā)API調(diào)用網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)。

采用云管理的移動核心網(wǎng)SDN的NFV構(gòu)架可以滿足大數(shù)據(jù)處理的需求，很好的實現(xiàn)全網(wǎng)資源的虛擬化，達到調(diào)度全網(wǎng)資源，解決流量高峰沖擊的問題；還能避免重復(fù)建設(shè)，避免多制式的無線網(wǎng)建多個核心網(wǎng)，有利的降低了運營商的CAPEX及OPEX；通過采用SDN架構(gòu)將增加網(wǎng)絡(luò)感知能力及策略控制能力，提升網(wǎng)絡(luò)智能，增強網(wǎng)絡(luò)控制、業(yè)務(wù)快速部署的能力。

五、結(jié)束語

本文從移動核心的發(fā)展趨勢入手，深入分析了移動寬帶、互聯(lián)網(wǎng)對傳統(tǒng)電信業(yè)的沖擊，使得電信運營商必須采取措施應(yīng)對即將到來的問題。運用軟件定義網(wǎng)絡(luò)并實現(xiàn)網(wǎng)元的虛擬化、采用云技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)進行管理，這些技術(shù)已經(jīng)逐步進入運營商的視野，由于這些技術(shù)的特點和所具體的優(yōu)勢，將正在成為電信業(yè)未來的發(fā)展趨勢，但相關(guān)的技術(shù)實現(xiàn)還需要進一步研究。

參 考 文 獻

[1] Network Function Virtualization[R]. Introductory White Paper. SDN and OpenFlow World congress. October 22-24， 2012.

[2] 羅萱，黃保青，韋建文.面向數(shù)據(jù)中心的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（2014-02-20 ）.

[3] 王茜，趙慧玲，解云鵬.SDN標準化和應(yīng)用場景探討[J].中興通訊技術(shù)，2013.19（05）：06-09.

[4] 王茜， 解云鵬，陳運清.未來數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（FDN）的應(yīng)用場景和需求[S].CCSA，2013.

[5] 林利，石文昌.構(gòu)建云計算平臺開源軟件綜述[J].計算機科學，2012，39（11）：7-13.

[6] Network Functions virtualization （NFV）； Architectural Framework[EB/OL].（2014-03-20）.