關于面向云化的核心網架構探討

聶子寧

（廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司,廣東 深圳 518000）

0 引 言

在傳統的通信網絡系統中，采用專有軟硬件組成核心網絡，對網絡數據進行轉發與處理，網元性能和可靠性較高，但是在網絡部署與設計方面缺乏靈活性，導致存在網絡建設的周期長、投資成本較高以及網絡資源利用效率低等情況。采用虛擬技術進行云體系建構，可以實現核心網絡設備與軟硬件平臺的分離，提高了網絡資源的利用效率，降低了網絡的運營成本。此外，采用NFV和SDN技術還能實現移動核心通信網絡的云化處理。

1 核心網云化的必要性

隨著網絡通信業務由語音向多媒體方向的演變，采用傳統的網絡通信技術明顯不能滿足大容量通信的要求。在多種場景的應用中，如何提高用戶的體驗效果也是網絡通信面臨的關鍵性問題。傳統核心網絡系統架構如圖1所示。

圖1 傳統核心網絡系統架構

1.1 傳統網絡的靈活性不足

由圖1的網絡系統架構可以看出，核心網絡中的各個設備之間相互隔離，傳統的移動通信網絡建設的周期長、規模小且網絡部署的靈活性較差[1]。在對網絡規模進行調整時，網絡設備等都需要重新部署與調試，提高了網絡建設的成本，而利用云化處理可以使得硬件與軟件進行有序耦合與分離，并利用軟件技術取代了網絡硬件的部署，不僅能提高網絡的通信效率，而且還能實現靈活組網。

1.2 體系架構復雜

傳統的CPCI移動網絡架構體系中，網元結構繁多而復雜且功能固定，軟件控制與硬件控制功能融合在一起，導致網絡資源的共享難度增加，進而增加了網絡的運營成本，也影響著網絡的靈活性[2]。采用云化的虛擬網絡和新型的服務器管理設備，不僅能改善網絡消耗，而且使得網絡的硬件平臺與軟件應用部署分離，降低了網絡架構的復雜度與網絡建設成本。

1.3 網絡統一調度比較復雜

由于傳統網絡采用的網絡設備較多，在資源部署與編排調度方面缺乏統一性，不同數據資源采用不同的平臺進行管理，因此不能快速地對網絡中的數據進行調度處理，從而影響著平臺功能的共享[3]。采用云化技術可以靈活地分配網絡資源，實現網絡資源的統一編排與調度，對實現網絡資源的共享具有十分重要的作用。

1.4 業務處理能力存在差異

采用傳統的網絡系統架構，物理網元不能相互關聯，網絡系統結構比較煩瑣，網絡開放比較困難，開展新功能的開發也比較困難。采用核心云化網絡，在控制層中運用SDN技術，簡化了移動通信的網絡結構，能有效地協調與監控多個網絡資源設備的在不同層級之間的轉換，提高了網絡的運維效率，也便于實現新功能的開發[4]。

此外，核心網的云化具有較高的性價比。在提高網絡資源利用的效率同時，還能提升網絡中硬件與軟件之間的耦合性。此外還能降低網絡的運用成本，快速實現了多種業務的開發，并能靈活調整網絡結構，有利于提升網絡服務效率。

2 核心網云化的技術分析

NFV與SDN技術是一種新型的網絡架構技術，二者可融合在一起為網絡提供虛擬資源，增加了網絡資源使用者與各種資源的粘合度，從而高效地實現網絡資源共享，成為核心網絡云化的關鍵技術。在虛擬網絡通信中，NFV的功能是提供網元，SDN的功能是連接網絡，利用NFV與SDN技術可以實現網元功能的虛化，利用硬件能實現NFV與SDN技術之間的信息傳輸與控制，對核心網的云化具有十分重要的作用。

2.1 NFV技術

利用網絡功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術對網絡功能進行虛擬化處理，從而能提高網絡的適應性。采用IT虛擬化技術對各個網絡設備進行虛化處理，并在網絡服務器、存儲設備采用虛擬技術對軟件、資源等進行集中控制與管理。針對網絡應用的環境而言，NFV技術提供的虛擬網絡環境十分透明，從而能將應用程序、業務流程和軟件等融合在一起，形成虛擬化的網絡環境[5]。

2.2 SDN技術

軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）技術可提供網絡連接，利用分成控制的思想將網絡的控制與數據傳輸相分離。其顯著特點就是數據平面與控制平面之間擁有松耦合系統，從而提高網絡集中化控制的能力，增加底層與上層之間耦合的透明度。SDN技術通過集中控制軟件對網絡結構與資源進行調度，不僅能增強網絡的虛擬能力與核心網虛化的靈活性，還有利于整合網絡通信的資源，提高網絡通信的效率。

3 核心網系統云化管理架構

核心網系統云化不僅有利于提高網絡與硬件資源的利用效率，還能提升網絡軟件的可移植性，有利于降低網絡的建設與運營成本，并能靈活調度網絡資源，提高網絡資源的利用效率。核心網的云化就是將軟件、網絡業務統一編排，將硬件云資源池化，形成一體化的服務模式。采用云計算技術能將網絡資源集中在一起，對網絡資源進行統一調度，降低網絡運營的成本。在網絡利用高峰期，通過統一調度網絡資源來保證網絡通信的質量，采用虛擬化技術使得網元間的接口變化更加靈活。網絡的硬件平臺與軟件平臺分離，建立虛擬通道，各個通道之間相互獨立，能實現網絡資源的靈活調度。

在不同的虛擬機中可以靈活配置多種網絡應用，虛擬機的網絡配置可實現多版本部署，支持不同環境的用戶配置，快速實現網絡資源的共享，降低了網絡的通信成本[6]。業務能力開放和虛擬化系統統一管理是核心網絡云化的關鍵，在網絡核心層引入網絡虛擬化技術，利用NFV與SDN技術簡化網絡架構，集中部署網絡控制功能，并向第三方開放網絡能力，不同的虛擬化資源分別屬于不同的物理層、虛擬化層以及網元應用的管理層，從而能夠實現網絡的有效協調管理與監控，優化網絡的資源配置。核心網系統具體的云化架構如圖2所示。

圖2 核心網系統云化架構圖

3.1 物理層

物理層主要由硬件服務器、網絡存儲設備以及網絡基礎設施等構成，通過物理設置管理軟件進行控制與管理。在采用云化方式進行管理之后，能為上層虛擬化層提供穩定的物理基礎設施與可靠的工作環境[7]。硬件層要求為網絡運維提供支持，主要包括承擔著網絡計算存儲和內外部互連互通任務的功能，還需為網絡運維提供計算和存儲資源，通過網絡交換機和物理硬件管理軟件對整個物理層進行連接管理。此外，結合Hypervisor對物理硬件層進行虛化處理，實現物理網絡通信連接，還要實現云核心的虛擬機與外部物理設備的聯通。

3.2 虛擬化層

虛擬化層利用虛擬化技術將網絡的物流硬件與網絡操作系統分開運行，從而使得不同的操作系統能夠在多個虛擬服務器上運用，而這些虛擬服務器則共享同一個物理服務器，從而能最大效度地利用物理硬件資源。然后通過虛擬化服務器管理平臺進行統一調度，提高物理服務器的硬件利用率，減少網絡基礎設施建設的投資成本[8]。場景的虛擬化管理軟件有OpenStack、VMware以及TECS等，可以為上層服務提供高效穩定的運行環境。

3.2.1 虛擬機

虛擬機擁有完整的計算機和服務器功能，運行在一個獨立的環境中，能按照不同的網絡軟件和管理軟件實現獨立網元控制，實現不同的網絡通信功能。

3.2.2 Hypervisor

Hypervisor支持KVM、XEN以及EXSi等虛擬化服務，功能隔離與分區網絡的物理資源，從而能夠有效協調虛擬機對網絡硬件資源的訪問與控制，并在各個虛擬機之間進行防護與保護。在網絡服務器執行Hypervisor技術時，就會加載所有的虛擬機客戶端操作系統，根據網絡需求自動給每個虛擬機分配適量的內存、CPU以及存儲陣列等。

3.3 網元應用層

網元應用層的功能主要是為實現網絡云化的設備功能進行虛化處理，提高虛擬網絡的適應性，它支持EPC、IMS以及EMS等核心網網元的虛擬化處理與應用。可以管理虛擬化資源的生命周期，具有自動部署和彈性伸縮的性能，與Orchestrator結合在一起能完成網絡虛擬化后的服務處理。將控制軟件布置在VM上能執行虛擬網元的功能，便于與其他實體網絡設備的接口保持一致。

網元管理系統能對核心網云化中的所有控制網元進行管理，也能靈活配置網元，實現網絡資源與業務的快速部署，快速改變邏輯網絡結構，實現靈活組網等。

利用軟件技術來控制云化核心網絡的網元。網元軟件可以在不同的虛擬機上運行，與傳統的網元功能相似，而且對外接口與傳統網元保持一致，從而實現虛擬網與傳統網絡設備之間的互通[9]。利用網元軟件技術還能實時采集網絡物理服務器的工作狀態與虛擬化狀態，便于對網絡資源進行調度。核心網絡中的物理設備和虛擬化層軟件來源不同，利用網元軟件實時采集網絡的工作狀態，在系統出現故障時，網元軟件能將網絡故障以標準化的格式映射到相應的網絡虛擬機環境，從而使得上層管理軟件與應用系統能快速、準確地處理故障，恢復正常通信功能。

3.4 服務管理層

服務管理層的主要功能是對整個網絡進行管理。在虛擬網絡環境下，OSS/BSS負責對網絡的運維進行管理，并具有網絡流量計費的功能，主要包括網絡軟件運行狀態的統計、上報、故障統計與分析以及費用統計系統等，以便于統計網絡提供的服務[10]。虛擬化網絡服務編排的功能是對網絡服務功能進行編排、統計與分析，主要包括云化核心網絡的服務生命周期和虛擬網元的服務生命周期，此外還可以提供網絡服務管理策略等。

4 結 論

核心網絡的云化對優化網絡資源具有十分重要的意義，實現了網絡中軟件與硬件的耦合以及網絡資源的共享，可以提高網絡資源的利用效率，也便于對內部的網絡進行部署。此外，核心網的云化不僅能降低網絡的運維成本，而且還能實現網絡資源的優化靈活調度，提高網絡業務的處理能力和網絡用戶的體驗效果。