李媛

（中国联合通信网络有限公司山西省分公司，山西省太原市，030006）

 

摘要：随着流量爆炸的移动互联网时代来临，面对如何降低网络部署成本，加强网络资源的可扩展性和运维的灵活性，提供多租户、虚拟运营粒度的网络服务能力等方面重要挑战，NFV技术在ICT融合背景下开始成为影响未来通信业长期发展的关键因素之一。本文对NFV技术的应用领域中的移动核心网虚拟化进行了进一步的探讨与分析，旨在完善NFV技术的实际应用。

关键词: NFV  虚拟化  网络功能  架构

 

 

Based on the NFV Mobile core network virtualization

YUAN LI

（China united telecommunications network co., LTD. Shanxi Province branch

Taiyuan city, Shanxi Province in 030006）

 

ABSTRACT：As traffic explosion of mobile Internet era,, facing how to reduce network deployment cost, enhance the scalability of network resources and operational flexibility, multi-tenancy, virtual operating granularity network service ability and so on important challenges, NFV technology under the background of ICT integration began to become one of the key factors affecting the long-term development of the future telecommunication industry。 This paper further discusses and analyzes the virtualization of mobile core network in the application field of NFV technology, aiming at improving the practical application of NFV Technology。

 

  KEY WORDS：NFV   Virtualiazation    Network Function   Architecture

 

 

1 引言

近年来，虚拟现实，增强现实、智能可穿戴设备等新型网络服务应用带来了海量的流量增长，网络运营商面临巨大的压力；同时，现有的通信系统架构较为封闭，缺乏专用的高效网络设备以满足需求，而提供新增网络服务时所开发的新设备存在生命周期限制等问题，于是，网络功能虚拟化（NFV）由运营商牵头提出。

原则上，所有的网络功能和节点都可以通过标准的方式虚拟化，但是从NFVI ISG会员企业的角度出发，NFV USE CASE标准确定了第一组重要的服务模式和NFV初始的应用领域。应用领域包括VNF转发图，移动核心网虚拟化、移动基站虚拟、CND虚拟化、家庭网络虚拟化以及固定接入网虚拟化。本文主要针对移动核心网虚拟化进行了深入的探讨

2  NFV概况

由于传统网络存在封闭、专用、不能灵活调度、缺乏高效管理、运营成本高、利用率低等问题，因此网络运营商必须对网络架构进行改革，以此取代目前网络中私有、专用和封闭的网元设备。这些设备可以位于数据中心，网络节点和用户驻地网。

NFV是利用IT虚拟化技术将现有的网络设备功能整合进标准的服务器、存储器和交换机等设备，以软件的形式实现网络功能，以此取代目前网络中私有、专用和封闭的网元设备。

NFV的愿景如图1所示。传统网络节点的设备包括消息路由器（Message Router）、边缘路由器(PE Router)，内容分发网络（CDN）设备、会话边界控制器（Session Border Controller，SBC）、WAN加速器（WAN Acceleration）、深度包检测（DPI）设备、防火墙（Firewall）、服务GPRS支持节点（Serving GPRS Support Node，SGSN）、网关GPRS支持节点（Gateway GPRS Support Node,GGSN）、宽带远程接入服务器（Broadband Remote Access Server,BRAS）、无线接入网节点（Radio Access Nerwork Nodes）等。这些传统网络节点是分离、功能单一的，节点中的每个功能都需要部署一台专用的物理设备。在NFV中独立的软件开发商能够基于大容量的标准服务器、大容量的标准存储器、大容量的以太网交换机等工业标准设备，开发支持协同、自动、远程安装的网络功能软件。以此构造了一个有竞争力的、创新的开放生态系统。

 

NFV系统的结构示意图如图2所示，包括网络功能虚拟化基础设施NFVI、虚拟化网络功能VNF、网络功能虚拟化管理与编排NFV MANO。NFVI包括很多物理资源以及这些物理资源如何虚拟化，NFVI支持VNF的执行；VNF是基于软件实现的网络功能，它可以运行在VNFI上；NFV MANO涉及软硬件资源和VNF的管理与编排。

 

 

 

NFV架构实现了NFV实例的动态构建和管理以及VNFs间控制和管理。为此，以VNF为中心，从不同的角度来看，至少存在三种架构视图：

（1） 从虚拟化部署或应用的角度来看，与VNF关联的是虚拟化。

（2） 从供应商软件开发的角度来看，与VNF关联的是几个相互连接的虚拟化和一个描述其属性的部署模板。

（3） 从操作者的角度来看，与VNF关联的是对其的操作和管理，此时，VNF是以供应商软件包的形式接收的。

根据上面的阐述，VNFs之间至少存在以下关系。

一是，VNF-FG覆盖VNFs间的网络连接，例如VNFs（防火墙、NAT、负载均衡）连接到一个Web服务器层的连接。

二是，VNF Set覆盖未指定连通性的VNFs间的网络连接，例如Web服务器池、虚拟化的独立家庭网关。

NFV的整体架构关注运营商在网络功能虚拟化过程中可能发生的变化，也就是说，架构包括运营商网络虚拟化带来的新的功能块和参考点。这个架构只进行功能级上的说明，并没有提出任何具体的实施。

3 移动核心网虚拟化

3.1原因及优点

移动网络由种类繁多的专用硬件设备组成。网络功能虚拟化的目的是降低网络的复杂性，以及利用标准的IT虚拟化技术将各种各样的设备整合到行业标准的服务器以降低TCO。在这样的硬件资源池上，灵活配置网络功能能够大大地提高网路的使用效率，在大规模的自然灾害发生时也有助于容纳一些特别服务需求的增加，而不完全依赖于呼叫限制控制机制。例如汶川大地震发生时，因为大多数人都迫切想知道自己的家人、朋友是否安全，移动网络面临着巨大的来电语音通信尝试的需求。移动核心网EPC和IMS的虚拟化可能带来的优点包括以下几个方面：

（1） 降低TCO（总体拥有成本）

（2） 基于资源池灵活配置网络功能，提高网络使用效率

（3） 动态地配置网络，给用户提供的服务具有更高可用性和弹性

（4） 伸缩性：网络功能容量可根据实际负载动态修改，从而增加可扩展性

（5） 拓扑重构：网络拓扑结构可以重新动态地配置以优化性能

由于移动核心网具有大量不同功能的硬件网络设备，因此被业界认为是最适合并最早可以实现虚拟化的场景之一。虚拟化的移动核心网通过利用标准工业界服务器、交换机和存储设备部署网络应用降低组网复杂度，自由灵活的网络弹性在提高网络资源利用率的同时降低网络运维成本，与SDN技术结合提高与网络边缘应用（如防火墙、DPI、视频加速等）的组网与业务链串联可扩展性。

演进的分组核心网EPC是一种用于蜂窝系统的核心网络架构。该系统的特点是仅有分组域而无电路域、基于全IP结构、控制与承载分离且网络结构扁平化，其中主要包含MME、SGW、PGW、PCRF等网元。

IP多媒体子系统是一个会话控制架构，支持EPC和基于IP网络的其他多媒体服务，其网络功能包括P-CSCF、S-CSCF等。在端到端的结构中,HSS、PCRF以及其他3GPP的网络功能要求与EPC和IMS的网元相结合以提供服务。在线和离线计费系统是捕捉消费记录的系统，作为会话管理的一部分。

这个用例主要是将虚拟化应用到EPC、IMS以及上面提到的其他网络功能。基于NFV的虚拟化EPC如图3所示。

 

虚拟网络功能（VNFs），例如S/P-GW、MME，可独立地根据自己的具体资源需求进行伸缩，例如提高用户平面资源而不影响控制平面，反之亦然。此外，处理数据平面的VNFS和那些只处理信令的VNFs相比可能需要更多的NFV基础设施资源。

为了提供连续性和高可用性的服务，需要确保控制平面和数据平面的弹性，例如利用VNF实例的可移植性。图4展示了虚拟化的EPC和IMS，其中虚拟化的P/SGW和IMS功能分别处理PDN连接和IMS会话。当虚拟化发生过载或故障时，VNF实例需要动态地重定位，以达到运营商所需的服务连续性和高可用性。

 

 

 

 

3.2虚拟化目标

需要进行虚拟化的网络功能

（1） 移动核心网功能：EPC核心和 和附属网络功能，例如MME，S/P-GW,PCRF等；3G/EPC网络的互通功能，如SGSN,GGSN等。

（2） 所有IMS网络功能，例如P/S/I-CSCF、MGCF、AS。

根据运营商的选择，可能存在不同的核心网虚拟化方式，包括以下两种情况：

一是，移动核心网中部分组件实现虚拟化。在这种情况下，只有某些NFs是虚拟化的，如图5所示。它们可以使EPC控制功能（例如MME/SGSN），HSS或服务节点。

 

 

二是，虚拟化和非虚拟化的移动核心网络的共存。在这种情况下，运营商需要部署一个完整的虚拟化核心网，同时仍具有非虚拟化的传统核心网，如图6所示。虚拟化的核心网可用于特定的服务、设备或超出非虚拟化网络容量的流量。

 

EPC以及IMS的虚拟化必须考虑到以下高层次的挑战。

（1） 资源伸缩：虚拟化EPC和IMS网络资源的向上/下伸缩。

（2） 虚拟化对服务的透明化：运行服务时不需要知道网络功能是否被虚拟化。

（3） 虚拟化对网络控制和管理的透明性：网络控制和管理平面不需要知道网络功能是否被虚拟化。

（4） 状态维护：在网络功能复制、迁移以及资源伸缩时，网络及网络功能的状态需要保持正常。

（5） 监测/故障检测/诊断/恢复：提供适当的机制用于虚拟化组件的监测/故障检测/诊断/恢复。

（6） 服务可用性：与非虚拟化的网络一样，虚拟化的移动核心网提供相同水平的服务可用性。

（7） 流量控制分离机制：提供虚拟化和非虚拟化核心网中数据及管理流量的认证与分离。

（8） 相关功能的影响：尽量减少对现有的非虚拟化网络功能的影响。

4运营商业务引入NFV问题

如何引入NFV，运营商面临技术路线、网络架构、业务部署、运维模式的重大选择。

（1）NFV增加了网络运营灵活性，降低了网络产品实现门槛，但是显著增加了网元的集成难度，对运营商的软件能力提出了极大的要求，NFV提供的业务快速迭代需求是建立在运营商强大的软件开发集成能力之上的。

（2）NFV实现网络设备及连接控制的软硬件分离，使得各种资源可集中管理、动态调度，提供更灵活的网络功能设计和结构规划空间。运营商网络架构需要调整为网络重构或者逐步演进。网络重构需要大规模地新建虚拟化网元，直接部署在数据中心，替换核心网机房里的传统设备，统一规划电信云和私有云、硬件资源池和虚拟资源池，虽然这种方式可以最大化地发挥优势，但是系统风险大。逐步演进的方式是逐步探索和制定NFV的管理、维护方案及配套流程，采用虚拟化技术逐步替换现有网元，最终过渡到全NFV网络，但是此方式需要兼顾两种网络架构而且兼容互通要求。现在行业考虑第二种方式，NFV要与现有系统兼容、共存。

（3）传统网络业务部署的流程是先根据所部署的业务进行网络容量测算，然后采集硬件设备，最后调试上线。而在虚拟化网络中，NFV先实现业务编排，然后计算并申请资源池中的资源，最后完成网络能力的部署，这使得现有业务部署的流程需要打破和革新。

（4）NFV呈现了一个高度灵活、可编程的网络，需要定制化、精细化的运营机制相匹配才能有效发挥作用。NFV增强了网络的自动化能力，能够大大地减轻传统运维的压力，提升运维的效率，但对运维转型提出了新的要求。在日常维护中，运营商提供NFV资源调度软件对VNF进行维护，硬件需要由云资源维护团队统一负责，因此维护人员除了掌握传统电信技术、协议外，还需掌握NFV系统基础知识，同时精通IP、IT虚拟资源管理算法及软件，这对现行的运维模式产生了较大的冲击。

5 结束语

本文从网络虚拟化概念入手，阐述了NFV技术的架构及其在移动核心网的应用，详细分析了移动核心网虚拟化的优势及其部署方式。电信网络将借助NFV技术提高网络设备的利用率，降低运营商OPEX/CAPEX支出，加快业务创新的步伐，为用户带来更佳的业务使用体验，以此构造一个有竞争力的、创新的开放生态系统。

 

 

 参考文献

[1]ETSI GS NFV 001: Network Functions Virtualisation (NFV); UseCases [EB/OL].[2015-2-4].

[2]ETSI GS NFV 002: Network Functions Virtualisation (NFV);Architectural Framework [EB/OL].[2015-2-4].http://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/NFV/001_099/001/01.01.01_60/gs_NFV001v010101p.pdf.

[3]解冲锋，胡晓娟，李晨等.NFV对于运营商IP网络的影响及挑战［J］.电信技术，2015（7）:14-18.

[4]程燕. 移动核心网云化和虚拟化［J］.通信世界，2013，（31）:39.

[5]陈晓贝，魏克军.全球5G研究动态和标准进展［J］.电信科学，2015，31（5）:10-13.

 

 

 

附：作者简介

李媛（1983.01），女，山西省榆次市，学士学位，中国联合网络通信有限公司山西省分公司，中级通信工程师，主要从事移动核心网电路域的维护、技术支撑。

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