IMS網絡虛擬化部署分析

王茹，曲璐

（中國移動通信集團設計院有限公司黑龍江分公司，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 引言

傳統電信設備價格昂貴，其應急需求及故障恢復與倒換還額外需要容災設備的配置和軟件邏輯的支持。激烈的競爭要求運營商不斷減少運營成本，價格昂貴的電信設備已然成為核心網發展的瓶頸。與此同時，在移動互聯網時代，虛擬化、云計算的IT技術正在改變傳統電信網絡。2012年10月，中國移動等全球13家運營商提出了NFV的概念，即網絡功能虛擬化，旨在改變現有電信設備的形態及實現方式，擬基于通用標準的服務器、存儲及網絡設備并利用IT虛擬化技術以軟件的方式實現現有多種電信設備的功能，推進電信網絡虛擬化架構及關鍵技術的研發工作。基于虛擬化技術的云平臺具有更好的可擴展性和計算能力，也是下一代網絡的發展方向。移動網絡和固定網絡中的控制網元和數據轉發網元是NFV的重要應用場景。

業界普遍認為在已經部署且穩定經營的現有網絡上直接替換并進行虛擬化改造的收益不大，因此承載VoLTE的IMS網絡成為核心網虛擬化的觸發點，同時需要建立虛擬化的核心網來更好地支撐VoLTE。

2 IMS網絡虛擬化可行性分析

2.1 云架構對核心網設備要求

核心網設備的云化適用性主要有4個方面：

（1）IP化架構

設備接口IP化，才能保證設備可以異地存放和布局，不會占用過多的傳輸資源，是實現云架構的基礎條件。由于核心網設備需要與其他非IP化設備互聯，可采用鏈路直達云端或者進行IP接口改造。

（2）即時通信的數據類型

語音通信部分中，話路建立后，大量的即時語音數據需要及時傳輸并且不需要保留，這種情況不適合云計算，可直接通過本地設備轉接。云計算更適合計算類型的服務或者數據需要存儲查詢類型的服務。

（3）實現服務交互及頻繁計算

云計算以其特有的體系架構，非常適合復雜計算，通過IP網絡實現數據交互。

（4）大量數據存儲、操作和維護

云計算適合于整合多個小的存儲體系，減少了數據單元互通，可保證全網數據準確一致及時更新。

由于網絡架構的改變必將引入新的投資，是否有必要投資也是必須要考慮的重要問題。IMS域是未來通信網絡架構，是一個提供會話類業務的平臺，是運營商后續部署VoLTE、RCS、融合/高清會議等業務必不可少的技術。同時，IMS是基于IP的技術，可接入手機、平板電腦、PC等多種終端，不受物理位置限制，且網元邏輯功能獨立，多以信令處理為主，IMS的這些特性適合在云上運行。

2.2 IMS網絡虛擬化帶來的利益

云計算應用在IMS，可為運營商帶來利益。

（1）降低CAPEX和OPEX

在云上部署IMS的一個重要優勢是節省CAPEX和OPEX，用戶亦可享受更優惠的語音/視頻等業務。另外運營商維護傳統網元硬件成本非常高。虛擬化技術解除了應用和硬件的綁定關系，運營商可以利用標準的ATCA、通用服務器，并可以在服務器之間進行靈活的資源調度，提升資源利用率。采用虛擬機之后，不同的業務可以進行遷移，而不取決于是何種操作系統。另外，云的伸縮性為新網元部署以及網元擴容都帶來了更大的靈活性。

（2）靈活的應用場景

采用云計算虛擬化技術，一些原來花費很高或者很難實現的場景，比如IMS Hosting、IMS in a box等小型化方案都可以輕松地利用虛擬機實現。不同的虛擬機可由不同的主體（分支運營商、分銷商等）管理，為運營商創立了新的商業模式，不僅可以對終端用戶收費，也可以對其他運營主體收費。虛擬化技術尤其適用于話務分布不均的跨國運營商，比如一些分支很小、一些較大，可以在大的分支上建一套IMS設備，通過虛擬化技術為不同的分支服務，節省設備成本。

（3）多元化的采購選擇

IMS部署在云上帶來了網元在水平方向的功能分割，在理想的狀態下，軟件和硬件可以完全來自不同的廠商，比如硬件采用A、虛擬機來自B、上層IMS應用來自C，這樣減少了運營商對設備商的依賴。

（4）多種運營模式

IMS云的層面：IaaS，基礎設施即服務，如大型企業可以運行自己的云或IMS；還有一種是SaaS，軟件即服務，即IMS為不同的角色服務，如個人用戶、分銷商等，這些業務主要是語音、高清視頻等業務。另外還有CaaS、DaaS、PaaS等服務模式。

3 IMS網絡云架構及云部署策略

3.1 IMS網絡架構

IMS系統基于IP承載，以SIP協議作為基本控制協議。CM-IMS——全業務運營，不僅滿足固定用戶需求，VoLTE商用網絡更能夠支持高清的語音及視頻業務。與接入無關的IMS總體網絡架構：包括核心控制層、業務層、接入層、承載層。IMS網絡架構圖如圖1所示。

3.2 IMS虛擬化云架構

虛擬化的技術是云計算的重要基礎，其虛擬的邏輯結構以及高度集成的物理設備對于IDC數據中心有重大意義，更是大數據時代云化發展的必經之路。

基于IMS架構，IMS的虛擬化云可大致分為3個方面，即IMS控制云、媒體資源云和應用云。

圖1 IMS網絡架構圖

（1）媒體資源云化

IMS系統的媒體資源部分為媒體資源管理器，它包括MRFC（Multimedia Resource Function Controller，多媒體資源控制器）和MRFP（Multimedia Resource Function Processor，多媒體資源處理器）2個功能實體，可與AS合設或單獨設置。媒體資源管理器需要為應用層的不同應用提供多媒體處理業務。

IMS媒體資源云實現場景：媒體資源管理服務器可虛擬化取決于它采用通用硬件的服務器架構，再通過云主機部署虛擬化軟件。媒體資源云通過云媒體處理單元按需進行動態分配、負載均衡，以處理業務平臺發起的各種媒體資源處理請求。

媒體資源云管理平臺或資源池可采用集中建設的方式，可作為基礎能力對外提供整體的行業解決方案，也可以作為開放式平臺，為OTT或所有網絡用戶提供豐富的傳真、收號、視頻會議以及話音等媒體類業務。

（2）核心控制層云化

IMS核心控制網元具有密集處理、大容量的特征，這一特性符合虛擬化部署的特點。核心控制層包含P-CSCF、I/S/E-CSCF/BGCF，用戶數據庫HSS/SLF，互通類網元MGCF、IM-MGW等會話控制類功能實體。

IMS控制層云具備開放應用調測和應用開發的環境，具備對第三方提供運營支撐的能力。開發商即可以快速部署并按需獲取所需要的網絡通信資源，并且不需要大量的前期投入就可以使用相應的網絡通信服務。

IMS控制云實現場景：可通過采用虛擬化技術，一塊ATCA單板或一臺商用服務器，實現多個不同的IMS網元（包括完整的控制網元、HSS等功能），極大地提高IMS集成度。原本需要多個機框實現的功能，通過虛擬技術可借助單框或單個服務器實現。

（3）應用層云化

應用層是運行在云平臺層上的應用的集合，每個應用都對應一個業務需求，實現一組特定的業務邏輯。應用層云化可以很好的支撐新業務的創新和試點以及應用的快速部署。把各種應用部署引入云和虛擬化技術，可給核心網的技術帶來最大的靈活性。

用戶可通過SaaS方式獲得應用層中的各種服務。現有運營企業也可以通過和第三方開發服務商合作或者以Paas平臺為基礎，將IMS網絡、處理能力與企業自身的互聯網應用進行集成化改造，從而提供定制化、多樣化、個性化的服務。IMS網絡整體云化架構邏輯圖如圖2所示。

3.3 IMS云化建議思路

IMS云與其他企業內部云相似，都應逐步完成由私有至公有云服務的提供。

圖2 IMS網絡整體云化架構邏輯圖

（1）IMS私有云

IMS私有云是指運營商將IMS內部網絡部署到云上，實時云平臺是IMS的基礎設施，也是虛擬化的關鍵。這個階段需要重點解決的問題是虛擬化和云管理，不單單指性能和可靠性方面的目標，還應做到可運營、可管理。

IMS私有云的實施是一個循序漸進的過程，現階段IMS核心網的業務接入模塊、標準功能業務平臺、擴展功能業務平臺的云化成熟度不盡相同，可采用傳統ATCA、單廠家云、成熟云化這3種模式建設。最終業務接入模塊采用傳統ATCA廠家專有硬件建設；標準功能平臺采用單廠家云進行部署，部分功能如MRFP、CG、IP-SM-GW信令接口采用專有硬件部署。在初期階段，可先替換容量小用戶少的傳統設備，例如固網IMS核心控制層；或可在VoLTE（IMS提供話音等富媒體能力）試驗網部署時采用云平臺設備作為試點，使IMS傳統設備及云平臺設備同時在網運行并提供能力。隨著測試結果達標及穩定性驗證后，再逐步進行傳統設備的云化改造，使網絡平滑演進，最終完成到私有云平臺的遷移。

（2）IMS公有云

公有云開放在Internet網絡，面向所有用戶。IMS公有云是指運營商面向所有企業及個人用戶共享各種IMS的業務能力通信應用。IMS公有云的控制層云平臺及應用云平臺提供的多媒體服務一般體現在“平臺即服務”和“軟件即服務”。

從市場角度分析，公有云比私有云前景更廣闊，但是進入門檻相應也更高。業界認為私有云更具現實意義。的確，與公有云相比，私有云在安全、網絡架構、應用遷移等方面更易實現，業務風險也更小，在公有云尚未完全解決安全問題、公有云服務尚未完善之前，私有云是明智的選擇。但是，私有云并不完美。運營商在使用私有云的過程中，一定要保持謹慎、全面考慮。公有云才是最終歸宿，IMS公有云是IMS云化的目標。

3.4 云技術在IMS應用上的限制

云技術是IT技術發展的產物，和IMS這類從電信網絡演化而來的技術相結合，還存在一些限制。

（1）性能影響

虛擬化是云計算中的關鍵技術，然而虛擬化應用在實時的計算（比如IMS信令處理）時，測試結果顯示云計算會導致IMS設備處理性能下降，系統時延較大。如果采用VT-x的虛擬化技術，從性能和時延上看，要比單純的虛擬技術有所提升。雖然目前的試驗結果顯示虛擬化技術對于實時業務的處理并不能達到傳統設備的水平，但是業界提出了很多針對虛擬化的優化技術，硬件的處理能力也在逐年提高，相信2～3年內這一情況會有很大的改善。

（2）運維方式的變化

電信業務原有的網管模式是硬件和軟件功能等統一管理，而虛擬化技術的引入，打破了軟件和硬件的綁定，軟件和硬件可以歸屬在不同的主體去管理，這區別于傳統的軟硬件一體的運維模式。

云計算平臺服務端的復雜性和創新性，對于運維是個全新的挑戰，傳統運維思路和方式都將發生改變。這種改變不是簡單的在傳統運維結構上的優化，而是基于云計算特征孕育而生的運維重構，隨著云計算平臺的發展過程不斷演進并積累經驗。

4 結束語

核心網架構如何適應互聯網發展的需要？虛擬化是未來網絡的重要組成部分，但是核心網網絡虛擬化技術在基礎設施平臺、云管理以及轉發性能優化上仍存在很多亟待解決的問題。進一步加速電信網絡功能虛擬化（NFV）的進程，以及后續核心網虛擬化技術的研究，都是需要深入繼續的課題。

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