IMS虛擬化網絡性能提升方案探討

馬金蘭，楊征，陳慶年，陶啟茜

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信股份有限公司，北京 100033；3.中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510081）

IMS虛擬化網絡性能提升方案探討

馬金蘭1，楊征2，陳慶年3，陶啟茜3

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信股份有限公司，北京 100033；3.中國電信股份有限公司廣東分公司，廣東 廣州 510081）

為了解決虛擬化帶來的網絡性能方面的問題，在研究IMS網絡虛擬化架構的基礎上，提出了轉發性能、可靠性能、可管可維性能提升方案，作為IMS虛擬化網絡部署的參考。

網絡功能虛擬化 IMS網絡 網絡性能

1 引言

網絡功能虛擬化指的是利用虛擬化技術，在標準化的X86服務器等通用IT設備上實現IMS、EPC、BRAS等各種網絡設備功能，采用通用IT設備取代通信網絡中專業的硬件設備，從而實現軟件功能與硬件資源的解耦，是通信網絡演進的趨勢和方向。

采用虛擬化技術后，虛擬化層的引入可能會降低網絡的轉發性能和可靠性能，這對提供高質量實時通話業務的IMS網絡影響較大，因此，需要在虛擬化的架構下采用性能提升技術，以滿足IMS網絡的業務需求。同時，引入虛擬化技術后，軟件功能和硬件功能解耦引入更多的管理網元，對網絡的統一管理維護是一種挑戰。

因此，本文將在研究IMS網絡虛擬化架構的基礎上，提出轉發性能、可靠性能、可管可維性能提升方案，以解決虛擬化帶來的網絡性能方面的問題。

2 IMS網絡虛擬化架構

ETSI定義的NFV架構如圖1所示，虛擬化IMS系統遵循ETSI定義的NFV架構，虛擬化IMS網元對應圖1的VNF實體。

IMS網絡虛擬化架構分為三個部分：

（1）NFVI（NFV Infrastructure，NFV基礎設施）

1）硬件資源層：NFVI中物理硬件資源包括計算、存儲和網絡資源。計算資源提供計算處理能力；存儲資源提供存儲能力；網絡資源指交換機和路由器等網絡連接設備。

2）虛擬資源層：虛擬機VM是虛擬化IMS網元的最小資源粒度。每個VM包含vCPU、虛擬內存、虛擬硬盤及虛擬網卡等組件。虛擬化中間件Hypervisor對硬件資源進行抽象，將物理硬件與上層功能軟件分開，數據轉發需要經過Hypervisor層，數據轉發性能下降，功能軟件對物理硬件的狀態感知需經過Hypervisor層，這也將影響網絡可靠性能。

（2）虛擬網元與網管

1）VNF（Virtualize Network Function，網絡功能虛擬化）：虛擬化后的IMS網元功能包括P-CSCF/BAC、I-CSCF、S-CSCF、E-CSCF/LRF、MMtel AS、BGCF、IBCF、BGF、ENUM/DNS、MRFC、MRFP、MGCF、IM-MGW等IMS網元。

2）EMS（Element Management System，網元管理系）：EMS完成傳統的網元管理功能，同時完成虛擬化環境下的新增網元功能。

（3）NFV MANO（NFV Management and Orchestration，NFV管理與編排）

1）Orchestrator：負責目錄管理、實例管理、拓撲管理、網絡服務生命周期管理、VNF生命周期管理、VNF包管理、虛擬資源管理、策略管理管理功能，提供自動化的管理能力，對虛擬資源進行編排和調度。

2）VNFM（VNF Manager，VNF管理）：負責VNF的生命周期、VNF實例創建、VNF實例啟用、VNF實例停止、VNF升級、VNF擴縮容及VNF實例管理等相關管理功能。

3）VIM（Virtualize Infrastructure Management，虛擬化基礎設施管理系統）：實現對NFVI層硬件資源和虛擬資源的管理和監控。

4）OSS（Business Support System，業務支撐系統）/BSS（Operation Support System，運營支撐系統）：支持傳統網絡管理和業務發放功能，同時支持通過與Orchestrator之間的接口，完成虛擬化網絡的部署與維護管理功能。

IMS網絡虛擬化后，網絡管理系統包括MANO、EMS以及OSS/BSS。MANO包含VIM、VNFM、NFVO三個網元，三個網元均承擔了對物理資源、虛擬資源、VNF、VM、NS、虛擬網絡等不同資源粒度的管理。虛擬化IMS網元同時受EMS和VNFM的管理，因此，管理網絡的復雜性正是網絡可管可維性能下降的原因。

3 IMS虛擬化網絡性能提升方案

3.1 轉發性能提升

IMS網絡虛擬化后采用X86等通用IT硬件代替原來的ATCA硬件，X86服務器配備高速網卡后基本可以滿足大多數低速率的數據轉發需求，但是IMS網絡在轉發性能方面要求更高，為了提升用戶的接續時延，IMS網絡中的控制網元要求硬件層的數據轉發時延更低，P-CSCF/BAC、IM-MGW等涉及媒體數據轉發的網元同時要求更高的轉發速率和吞吐量，因此，必須采用相關技術提升轉發性能。

在網絡虛擬化中，業界目前采用的性能提升技術主要有：

（1）DPDK（Data Plane Development Kit，數據平面開發套件）

在虛擬化IMS系統中，數據報文從網卡中接收，再傳送到虛擬化的用戶態應用程序VNF，即IMS網元處理，需要經歷多個費時的CPU操作和I/O處理環節。業內通常采用消除海量中斷、旁路內核協議棧、減少內存拷貝等技術來提升報文處理性能，從而提升數據轉發性能。

DPDK是intel提供的開源數據平面開發工具集，是X86平臺報文快速處理的庫和驅動的集合，它通過環境抽象層旁路內核協議棧、輪詢模式的報文無中斷收發、優化內存、優化緩沖區、優化隊列管理等多項技術，實現X86服務器的高性能報文轉發能力。因此，在虛擬化IMS系統中應用DPDK技術將大大提升數據轉發性能。

（2）I/O性能優化

在虛擬化IMS系統中，IMS網元包含多種不同的模塊，這些模塊部署在不同的VM（虛擬機）中。對I/O設備的虛擬化使得單個I/O設備可被這些虛擬機共享使用，采用不同的I/O虛擬化技術直接影響虛擬機數據轉發性能。

軟件模擬、網卡直通和SR-IOV是目前的三種主流I/O虛擬化技術。軟件模擬是通過虛擬化Hypervisor層模擬虛擬網卡，提供物理網卡相同的接口，虛擬機操作系統直接驅動虛擬網卡，比如采用OVS（Open Virtual Switch，虛擬交換機）傳遞虛擬機VM之間的流量以及實現VM和外界網絡的通信。但是由于OVS無法繞過Hypervisor層，I/O性能相對較差。網卡直通支持虛擬機繞過Hypervisor層，直接訪問物理I/O設備，具有很高的性能，但是在同一時刻，物理I/O設備只能被一個虛擬機獨享。

SR-IOV（Single-Root I/O Virtualization，單根I/O虛擬化）把具有SR-IOV功能的設備定義成為一種外圍設備物理功能模塊（PF），在外圍設備物理功能模塊PF下，創建不只一個虛擬功能設備（VFs），VFs能共享外圍設備的I/O物理資源，并且與SR-IOV服務器上的虛擬機系統進行關聯，實現多個虛擬機對單個I/O資源的共享。同時，每個PF和VF都會收到唯一的PCIe標識符，Hypervisor系統中的SR-IOV虛擬內存管理器據此區分不同的網絡流量，并且能使用DMA（Direct Memory Access，直接內存存取）技術進行重新映射內存地址，在SR-IOV外圍設備和目標虛擬主機之前進行數據遷移時進行地址轉換，繞過Hypervisor層直接發送和接收I/O數據，從根本上避免了Hypervisor系統所帶來的處理開銷和延時，使得其通信性能接近非虛擬化水平。因此，在P-CSCF/BAC、IM-MGW等涉及媒體數據轉發的虛擬化網元中應用SR-IOV，將獲得更好的數據轉發性能。

但是，SR-IOV同樣存在一些限制，硬件必須支持SR-IOV以便虛擬機能使用虛擬化功能（VF），支持的VF數量有限，將一個VM遷移到另一個SR-IOV服務器上存在問題。因此，部分廠家考慮在OVS的基礎上進行優化，提出新的虛擬交換技術以提升轉發性能，比如AVS（Accelerated Virtual Switch，加速型vSwitch）。對比OVS，AVS具有更高的網絡轉發性能，IMS虛擬網元的GUEST OS可以通過插件的方式支持AVS。

通過上述分析，為了提升虛擬化后網絡的轉發性能，應在虛擬化IMS網絡的部署中應用DPDK技術，要求網卡等硬件層、虛擬化層以及虛擬化網絡功能（VNF）支持DPDK能力。同時，對于P-CSCF/BAC、IM-MGW等涉及媒體數據轉發的網元，需要考慮應用SR-IOV技術，而對于IMS網絡控制層網元可以不應用SR-IOV技術，但是需要在OVS的基礎上采用類似AVS等相關性能優化技術。

3.2 可靠性能提升

IMS網絡虛擬化后由于軟件和硬件解耦，引入更多的不可靠因素，端到端業務的可靠性很難與傳統網絡保持一致，因此，需要從各層面探討可靠性技術來提升虛擬化IMS網絡的可靠性。虛擬化IMS網元應在硬件資源層、虛擬化層、業務層提供冗余，支持VNF實例的冗余備份和負載均衡、VNF內VNFC/VM的冗余和負載均衡、VM內進程的冗余和負載均衡、通信平臺以及硬件的冗余備份與負載均衡，以滿足可靠性需求。

（1）硬件資源層

在硬件資源層，數據中心要預留一定比例的計算資源用于虛機重生、維護遷移等操作，存儲設備除存儲本身的冗余外還需要在設備層面提供冗余，支持內部通信平面的隔離和冗余備份，網絡資源需要從網卡到接入均提供物理雙平面的主備或互備。

（2）虛擬化層

虛擬化層采用親和性及反親和性部署原則，避免承擔相同功能的主備VNFC部署在相同物理服務器。虛擬化層可以根據硬件類型、供電線路等因素，支持將主備或者互備或者負荷分擔的VNFC部署在不同資源區，避免整機框/機架故障導致的虛擬化IMS整網元故障。

虛擬化層支持秒級快速檢測物理機掉電、虛擬機異常、Hypervisor重啟、管理網絡或業務網絡中斷等服務器、虛擬機、虛擬網絡故障，以及服務器硬盤故障、磁盤陣列故障、風扇故障、電源模塊故障等硬件故障，將故障信息通過VNFM傳遞至EMS，EMS實現VNF與故障的關聯，VNFM可以根據策略在上述故障發生時自動發起虛擬機重啟、遷移或自動重建操作。

（3）業務層

虛擬化IMS網元需要在軟件架構、故障檢測、冗余備份等機制上保證軟件和業務的可用性。虛擬化IMS網元模塊間應設置主備、互備或負荷分擔的冗余備份關系。虛擬化IMS網元應該具備對VM、進程、軟件模塊等的狀態進行實時監測的能力，主用模塊出現故障的情況下，虛擬化IMS網元能秒級快速檢測并觸發虛擬化IMS網元業務模塊主備快速倒換動作，保證IMS業務不中斷。在物理機或者虛擬機故障的場景下，虛擬機應該具備自動恢復或自動遷移功能。備用模塊對應虛擬機自動恢復或自動熱遷移后，虛擬化IMS網元應能恢復對應模塊的備用工作狀態，恢復模塊間的正常冗余備份關系。

VNFM需要支持VM的狀態檢測，備用模塊虛擬機無法自動恢復或遷移的情況下，VNFM能啟動虛擬機自動重建功能，在其他虛擬機上重建備用模塊，重建成功后虛擬化IMS網元應能恢復對應模塊的備用工作狀態，恢復模塊間的正常冗余備份關系。虛擬化IMS網元應支持對故障硬件或軟件模塊進行隔離，避免對其它模塊產生影響。

虛擬化IMS網元支持分布式數據庫，并支持分布式數據庫的分布式存儲、同步和備份，保證數據的可靠性，確保業務所需靜態或動態數據不丟失。虛擬化IMS網元業務邏輯模塊故障時，對數據不造成影響，同時其它業務邏輯處理模塊可以迅速接管業務處理。

虛擬化IMS網元支持對虛擬化資源（vCPU、虛擬內存、虛擬存儲、虛擬網絡）的使用情況進行實時監控和統計，同時支持對業務負荷進行實時監控和統計，并根據業務負荷觸發Scale out/in操作或者Scale up/down操作。

3.3 可管可維性能提升

網絡管理系統的增多帶來虛擬化IMS網絡管理的復雜性，MANO、EMS應該各有分工，但又必須相互配合，提升虛擬化IMS網絡的可管可維性能。

EMS既要遵循傳統網元網絡管理功能要求，同時還必須支持針對虛擬化IMS網絡提出的各種新增的虛擬化相關管理功能，以提升IMS虛擬化網絡可管可維性能。EMS應支持與VNFM之間的接口，實現VNFM轉發與虛擬化IMS網元相關的虛擬化資源事件信息、相關的操作請求交互，如實例化請求、擴容/縮容請求等，支持虛擬機對應的資源模型及虛擬化IMS網元相關的性能統計和告警。

同時，虛擬化IMS網元與NFVI的監控和故障處理分別進行，不同故障通過不同渠道上報至OSS/NFVO。對于硬件層故障進而引起IMS網元故障的情況下，硬件層的故障和IMS網元故障無法在EMS統一呈現，不利于故障的定位，因此，需要EMS能夠與NFV系統的各模塊相互配合完成虛擬化IMS系統軟硬件故障與具體虛擬化IMS網元相應模塊之間的關聯，并統一呈現，提升IMS虛擬化網絡的可管可維性能。

在IMS網絡的演進中，虛擬化IMS網元和傳統的IMS網元并存，網元間采用現有業務接口互聯。為了統一對兩種不同架構的IMS網絡進行管理，需要EMS能對這兩種IMS網元進行統一管理維護。

4 結束語

本文在研究IMS網絡虛擬化架構的基礎上，提出了轉發性能、可靠性能、可管可維性能提升方案，具備很強的可操作性，可作為虛擬化IMS網絡部署的參考，用于解決虛擬化帶來的網絡性能方面的問題。虛擬化性能提升相關技術近年發展迅猛，新的技術層出不窮，在實際部署中需要根據各種技術的效果、局限性以及目標網絡的特點應用適合的性能提升技術。

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Research on IMS Virtualization Performance Enhancement Solutions

MA Jinlan1, YANG Zheng2, CHEN Qingnian3, TAO Qiqian3
(1. Guangzhou Research Institute of China Telecom Co., Ltd., Guangzhou 510630, China;2. China Telecom Co., Ltd., Beijing 100033, China;3. China Telecom Co., Ltd., Guangdong Branch, Guangzhou 510081, China)

In order to deal with the network performance brought by network function virtualization, a performance enhancement solution including forward, reliability, management and maintenance performances was proposed based on the architecture of IMS network virtualization to provide the reference to the deployment of IMS virtualized network.

network function virtualization IP multimedia subsystem network performance

10.3969/j.issn.1006-1010.2017.17.009

TN919.8

A

1006-1010(2017)17-0043-05

馬金蘭,楊征,陳慶年,等. IMS虛擬化網絡性能提升方案探討[J]. 移動通信, 2017,41(17)： 43-47.

2017-07-25

責任編輯：黃耿東 huanggengdong@mbcom.cn

馬金蘭：高級工程師，碩士，現任職于中國電信股份有限公司廣州研究院移動通信研究所，主要研究方向為IMS核心網絡、VoLTE以及IMS網絡虛擬化。

楊征：高級工程師，現任職于中國電信股份有限公司，主要研究方向為核心網、三網融合領域以及科技創新管理。

陳慶年：高級工程師，碩士，現任中國電信股份有限公司廣東分公司網運部核心網室經理，主要研究方向為通信核心網絡的維護及管理。