核心網NFV規劃建設

沈蕾，吳麗華

（中國移動通信集團設計院有限公司網絡所，北京100080）

1 引言

隨著萬物互聯時代的逐漸到來，業務流量指數級增長、視頻等大流量類業務需求增多，通信產業正在進入一個新的高速發展時期。移動通信運營商在快速發展VoLTE及4G時，存在網絡建設周期長、業務上線時間長、網絡建設代價高、業務部署缺乏靈活性等問題。尤其是隨著LTE的大規模部署，網絡面臨大規模更新換代，而中國移動基礎業務收入逐步下降，低成本高效運營壓力大。運營商迫切需要一種成本低/效率高的運營方式、一種能夠靈活快速部署業務的網絡架構。

NFV（network function virtualization，網絡功能虛擬化）實現了電信網絡功能節點的軟件/硬件解耦，能夠提升網絡彈性、縮短業務部署時間、促進網絡高效低成本運營。引入NFV，有利于提升網絡部署能力，降低網絡部署成本，增強運營能力。NFV是電信級業務云化的核心技術和架構，是未來網絡演進的必然趨勢。

2 NFV基本概念

2.1 NFV基本架構

NFV是采用虛擬化技術，將傳統的電信設備與硬件解耦，可基于通用的計算、存儲、網絡設備實現電信網絡功能，提升管理和維護效率,增強系統靈活性。網絡虛擬化系統由“3+1”架構組成，如圖1所示，包括硬件資源、虛擬資源和虛擬網元功能三層以及一個核心網云管理（management and orchestration,MANO）系統。

圖1 NFV的系統架構

·硬件資源：包含計算、存儲、網絡等一系列硬件基礎設施。

·虛擬資源：VM（virtual machine，虛擬機）將上層操作系統的指令映射為具體對宿主硬件的操作；hypervisor（虛擬機監控器）負責虛擬機的創建、監控、銷毀等。

·虛擬網元功能：VNF（virtualized network function，虛擬網元功能），為CSCF、HSS等網元的虛擬化功能的軟件實體。

與傳統電信核心網管理相比，MANO增加了對硬件資源、虛擬資源層、虛擬化網元以及完整網絡功能的管理和調度。實現核心網云管理的網元功能包括VIM(virtual infrastructure management，虛擬設施管理）、VNFM（virtual network function management，虛 擬 網 元 管 理）和NFVO（NFV orchestrator，虛擬業務編排），其主要功能區塊如下。

·VIM：虛擬設施管理器，負責虛擬機及硬件的管理調度。

·VNFM：虛擬網元功能管理器，根據OMC的請求，向VIM申請/釋放虛擬機資源，并在虛擬機上加載/卸載虛擬網元功能軟件。

·NFVO：虛擬資源管理和調度，負責跨VIM的虛擬資源申請、授權、調度，并負責虛擬資源池的狀態監控。

2.2 NFV解耦模式

NFV架構下硬件資源、虛擬資源和虛擬網元功能三層有4種解耦模式，如圖2所示。

（1）方案一：單廠商

硬件資源、虛擬資源、虛擬網元功能層均向通信設備廠商“一攬子”采購，其中硬件資源、虛擬化軟件可能是通信設備廠商自身設備，也有可能是外購的第三方廠商設備。

（2）方案二：共享資源池

運營商自行采購的硬件資源和虛擬化軟件，IT廠商提供硬件資源和硬件資源適配的虛擬化軟件，并向通信廠商采購虛擬網元功能軟件。運營商采購的硬件資源和虛擬化軟件應滿足通信廠商虛擬網元功能軟件的運行、適配要求。

（3）方案三：硬件獨立

硬件資源由運營商自行采購，并向通信廠商采購虛擬網元功能和其適配的虛擬化軟件，其中虛擬化軟件可能是通信廠商外購的商用軟件，也可能是通信廠商在開源軟件基礎上自行改造。

（4）方案四：三層全解耦

硬件資源和虛擬化軟件由運營商自行采購且兩層之間無緊耦合關系，并向通信廠商采購虛擬網元功能軟件。運營商自行采購的硬件資源和虛擬化軟件應滿足上層虛擬網元功能軟件的運行要求，同時，上層虛擬網元功能可能需要根據虛擬化軟件的具體版本做相應適配改造。

圖2 核心網NFV解耦模式

各種方案主要區別見表1。

表1 NFV解耦方案對比

3 NFV規劃、建設特點

2014年中國移動啟動融合通信一期項目，并創新性地建設基于NFV架構的VoWi-Fi和新消息平臺。與傳統通信工程先試點、成熟后再建設的模式不同，融合通信項目建設之初，NFV的接口、協議尚未完善，規劃建設模式也處在摸索過程中，在這樣的背景下，一期采用方案一。

2015年，中國移動啟動融合通信與飛信融合項目，該項目進一步將硬件資源獨立，由廠商統一提供軟硬件演進為運營商自行采購通用硬件，解耦模式由方案一演進為方案三。

為有效解決核心網尤其是后續VoLTE網絡大規模部署和擴容的挑戰，中國移動在部分省份開展核心網虛擬化的小范圍外場“孕育式”試點，為商用積累經驗。試點采用方案三。

本文將結合現網項目，探討核心網NFV規劃、建設特點。

3.1 融合通信NFV規劃建設特點

3.1.1 計算資源的規劃與建設

雖然各大通信廠商遵循著相同的標準、規范，但在系統架構實現方式上有一定差別，即使在相同的容量需求、業務模型下，對硬件資源的消耗、虛擬機規格均存在一定差別。未來NFV正式商用前，應通過測試、評估等手段，明確標準集采模型下各廠商的資源需求。當建設模式采用先硬件、后軟件、虛擬網元功能廠商未知的前提下，還應規范、拉通各廠商的統一資源需求。

相比傳統物理網元，虛擬網元從部署在物理硬件資源上變為部署到虛擬資源上，網元配置由需要多少物理單板變為多少虛擬機，需要逐個核對每個功能模塊的配置原則、容量需求、備份方式、最小虛擬機規格等，最終得出虛擬機規格、數量并折算出相應的物理機規格、數量。

在硬件規格上，目前可適配NFV且符合電信業務高可靠性的通用服務器型號較少。主要包括HP C7000、HW FusionEngine等，通用硬件相比傳統核心網專用硬件，對環境要求更高，大部分通用服務器可適配數據中心機房，少量通用服務器如HW FusionEngine除適配數據中心機房外，還可適配傳統核心網機房。

3.1.2 存儲資源的規劃與建設

相比傳統物理網元，虛擬化網元的存儲需求除業務本身所需要的業務存儲、日志報表等存儲需求外，還包括資源池的glance鏡像、instance虛擬機實例、虛擬機快照等存儲。融合通信存儲方案遵循資源池存儲與業務平臺存儲物理上分離的總體原則，以確保資源池和業務互不干擾。

存儲配置首先需要根據網元特性和業務特性，明確存儲的技術方案，如使用集中塊存儲或分布式存儲；其次需要根據不同業務模塊的具體存儲需求特性，明確具體的計算、內存、讀寫、并發、存儲空間、擴展存儲、備份機制等需求，得出具體的存儲配置。

核心網控制面網元，對存儲空間、讀寫無特殊需求，可采用IP-SAN塊存儲方式。對于業務平臺，需根據具體的業務特性明確具體存儲方案。以融合通信項目為例，由于業務模塊較多、業務需求復雜，不同業務模塊對存儲的需求有一定差異，部分業務需要高I/O，部分業務需要大量存儲，導致存儲服務器規格較多。在配置存儲設備時，應注意將虛擬功能網元廠商的配置需求與集采規格相匹配，按照集采規格配置存儲設備。

3.1.3 網絡設備的規劃與建設

NFV資源池內部組網與云計算資源池組網類似，在架構設計上采用層次化、模塊化的設計方式，整個網絡分成三層。

·網絡出口層：負責與外部網絡的互聯，保證數據中心內部網絡高速訪問互聯網，并對數據中心內網和外網的路由信息進行轉換和維護。

·核心層：向下負責匯聚網絡內的接入層交換設備，保證網絡內接入層交換設備之間的高速交換，向上與出口路由設備進行互聯。在核心層部署防火墻，用于NAT并提供安全防護。

·業務接入層：包括網絡接入設備和終端設備。對于業務網絡來說，終端設備為彈性計算設備（包括日志詳單類數據存儲設備）。對于存儲網絡來說，終端設備為塊存儲設備。對于管理網絡來說，終端設備包括所有需要管理的網元設備。

NFV資源池一方面繼承了現有核心網元外部接口復雜、網元眾多的特點；另一方面繼承了云計算資源池內部層次復雜的特點。網絡設備配置可參考云計算資源池網絡設備配置方法，同時，在出口層建設上，需要考慮核心網/基礎通信業務平臺多網絡連接的特性。傳統云計算資源池對外連接以CMNet和IP專網為主。而NFV資源池對外需要連接IP專網、CMNet、網絡網、計費、BOSS等多個網絡。

融合通信項目除考慮以上組網特點外，還需要考慮通用設備與專用設備組網問題。目前各廠商云化進度不一，在建設階段需要明確平臺內部是否全部云化，是否有部分模塊仍需采用專有硬件。以融合通信平臺為例，VoWi-Fi的放音設備MRFP（multimedia resource function processor）以及IP-SM-GW與HSTP（high signal transfer point）對接的7號信令接口模塊無法云化。

MRFP一般采用DSP（數字信號處理平臺）實現音視頻協議的編解碼功能，能夠提供高效的放音能力，而虛擬化平臺目前只能支持基于x86的處理器的計算能力虛擬化。基于傳統架構的MRFP無法移植到目前的虛擬化平臺。

IP-SM-GW基 于 傳 統 電 信 級 的ATCA（advanced telecom computing architecture），利用其硬件可靠性特點，在封裝了操作系統和基礎通信協議的單板上IP-SM-GW的具體業務邏輯。如果向虛擬化平臺移植，需要從底層平臺開始移植。由于IP-SM-GW等信令類產品的未來市場規模較小，部分廠商缺少向虛擬化平臺移植的驅動力。

當通用設備與專用設備混合組網時，需單獨配置一對專用硬件業務接入交換機，通過核心交換機與云化網元/模塊互通，實現通用硬件與專用硬件混合組網。

表2 刀片與機架服務器對比

3.2 NFV現網試點規劃建設特點

核心網NFV現網試點與融合通信NFV項目在規劃、建設上具有一定的共性，并進一步在設備性能、網管功能等方面進行驗證。與融合通信項目相比，現網NFV試點具有以下規劃、建設特點。

·每試點省建設2個資源池，進一步驗證在NFV場景下，MANO的多資源池管理能力。

·在計算資源選擇上，要求每試點省即有刀片式又有機架式，每試點省采用不同廠商的兩款服務器，同時設置2個資源池，每分別采用一款服務器，進一步驗證在NFV場景下，刀片式和機架式服務器的性能及NFV特性的適配。刀片及機架服務器對比見表2。

3.3 NFV規劃、建設特點

NFV技術是IT（信息技術）、CT（通信技術）的深度融合，兼具云計算資源池和核心網的規劃、建設特點。

在硬件基礎設施規劃、建設上，原有核心網按網元、機框、板卡規劃建設，NFV需要按照計算、存儲、網絡等基礎資源規劃建設。

在軟件規劃建設上，除原有網元功能軟件外，需要考慮虛擬化軟件、MANO軟件需求。未來假如網元功能軟件中的第三方軟件、中間件進一步解耦，還需考慮操作系統、數據庫等中間件軟件需求。

在組網規劃建設上，原有核心網主要關注網元對外組網，網元內部機柜、機框、板卡組網由廠商自行負責；NFV后，除繼續考慮出口層外部組網外，還需考慮原有網元內部組網演進為資源池內計算、存儲組網；兼具云計算資源池的內部組網復雜度和核心網對外多網絡連接的特性。

4 結束語

從“吃螃蟹”的融合通信項目，到穩步推進的現網“孕育式”試點工作。中國移動正在NFV設備、組網、運維等關鍵流程上進行持續探索。現階段，NFV在規劃、建設等方面還存在若干待解決的問題，本文希望基于以上項目經驗，在實踐中逐步推進規劃、建設的關鍵流程，助力后續NFV正式商用。

[1]中國移動通信有限公司研究院.中國移動技術愿景2020+白皮書[R].[S.l:s.n.],2015.China Mobile Group Research Institute.The technique vision white paper of China Mobile 2020+[R].[S.l:s.n.],2015.