關(guān)于面向云化的核心網(wǎng)架構(gòu)探討

聶子寧

（廣東南方電信規(guī)劃咨詢設(shè)計院有限公司,廣東 深圳 518000）

0 引 言

在傳統(tǒng)的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中，采用專有軟硬件組成核心網(wǎng)絡(luò)，對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)與處理，網(wǎng)元性能和可靠性較高，但是在網(wǎng)絡(luò)部署與設(shè)計方面缺乏靈活性，導(dǎo)致存在網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的周期長、投資成本較高以及網(wǎng)絡(luò)資源利用效率低等情況。采用虛擬技術(shù)進(jìn)行云體系建構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)核心網(wǎng)絡(luò)設(shè)備與軟硬件平臺的分離，提高了網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，降低了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本。此外，采用NFV和SDN技術(shù)還能實(shí)現(xiàn)移動核心通信網(wǎng)絡(luò)的云化處理。

1 核心網(wǎng)云化的必要性

隨著網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)由語音向多媒體方向的演變，采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)明顯不能滿足大容量通信的要求。在多種場景的應(yīng)用中，如何提高用戶的體驗(yàn)效果也是網(wǎng)絡(luò)通信面臨的關(guān)鍵性問題。傳統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)核心網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的靈活性不足

由圖1的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)可以看出，核心網(wǎng)絡(luò)中的各個設(shè)備之間相互隔離，傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的周期長、規(guī)模小且網(wǎng)絡(luò)部署的靈活性較差[1]。在對網(wǎng)絡(luò)規(guī)模進(jìn)行調(diào)整時，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等都需要重新部署與調(diào)試，提高了網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的成本，而利用云化處理可以使得硬件與軟件進(jìn)行有序耦合與分離，并利用軟件技術(shù)取代了網(wǎng)絡(luò)硬件的部署，不僅能提高網(wǎng)絡(luò)的通信效率，而且還能實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)。

1.2 體系架構(gòu)復(fù)雜

傳統(tǒng)的CPCI移動網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)體系中，網(wǎng)元結(jié)構(gòu)繁多而復(fù)雜且功能固定，軟件控制與硬件控制功能融合在一起，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源的共享難度增加，進(jìn)而增加了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)營成本，也影響著網(wǎng)絡(luò)的靈活性[2]。采用云化的虛擬網(wǎng)絡(luò)和新型的服務(wù)器管理設(shè)備，不僅能改善網(wǎng)絡(luò)消耗，而且使得網(wǎng)絡(luò)的硬件平臺與軟件應(yīng)用部署分離，降低了網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的復(fù)雜度與網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。

1.3 網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一調(diào)度比較復(fù)雜

由于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)采用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備較多，在資源部署與編排調(diào)度方面缺乏統(tǒng)一性，不同數(shù)據(jù)資源采用不同的平臺進(jìn)行管理，因此不能快速地對網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)進(jìn)行調(diào)度處理，從而影響著平臺功能的共享[3]。采用云化技術(shù)可以靈活地分配網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)一編排與調(diào)度，對實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享具有十分重要的作用。

1.4 業(yè)務(wù)處理能力存在差異

采用傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)，物理網(wǎng)元不能相互關(guān)聯(lián)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較煩瑣，網(wǎng)絡(luò)開放比較困難，開展新功能的開發(fā)也比較困難。采用核心云化網(wǎng)絡(luò)，在控制層中運(yùn)用SDN技術(shù)，簡化了移動通信的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，能有效地協(xié)調(diào)與監(jiān)控多個網(wǎng)絡(luò)資源設(shè)備的在不同層級之間的轉(zhuǎn)換，提高了網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維效率，也便于實(shí)現(xiàn)新功能的開發(fā)[4]。

此外，核心網(wǎng)的云化具有較高的性價比。在提高網(wǎng)絡(luò)資源利用的效率同時，還能提升網(wǎng)絡(luò)中硬件與軟件之間的耦合性。此外還能降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)用成本，快速實(shí)現(xiàn)了多種業(yè)務(wù)的開發(fā)，并能靈活調(diào)整網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，有利于提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)效率。

2 核心網(wǎng)云化的技術(shù)分析

NFV與SDN技術(shù)是一種新型的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)，二者可融合在一起為網(wǎng)絡(luò)提供虛擬資源，增加了網(wǎng)絡(luò)資源使用者與各種資源的粘合度，從而高效地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源共享，成為核心網(wǎng)絡(luò)云化的關(guān)鍵技術(shù)。在虛擬網(wǎng)絡(luò)通信中，NFV的功能是提供網(wǎng)元，SDN的功能是連接網(wǎng)絡(luò)，利用NFV與SDN技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元功能的虛化，利用硬件能實(shí)現(xiàn)NFV與SDN技術(shù)之間的信息傳輸與控制，對核心網(wǎng)的云化具有十分重要的作用。

2.1 NFV技術(shù)

利用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）技術(shù)對網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行虛擬化處理，從而能提高網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性。采用IT虛擬化技術(shù)對各個網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行虛化處理，并在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、存儲設(shè)備采用虛擬技術(shù)對軟件、資源等進(jìn)行集中控制與管理。針對網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的環(huán)境而言，NFV技術(shù)提供的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境十分透明，從而能將應(yīng)用程序、業(yè)務(wù)流程和軟件等融合在一起，形成虛擬化的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境[5]。

2.2 SDN技術(shù)

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）技術(shù)可提供網(wǎng)絡(luò)連接，利用分成控制的思想將網(wǎng)絡(luò)的控制與數(shù)據(jù)傳輸相分離。其顯著特點(diǎn)就是數(shù)據(jù)平面與控制平面之間擁有松耦合系統(tǒng)，從而提高網(wǎng)絡(luò)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(shù)通過集中控制軟件對網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與資源進(jìn)行調(diào)度，不僅能增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的虛擬能力與核心網(wǎng)虛化的靈活性，還有利于整合網(wǎng)絡(luò)通信的資源，提高網(wǎng)絡(luò)通信的效率。

3 核心網(wǎng)系統(tǒng)云化管理架構(gòu)

核心網(wǎng)系統(tǒng)云化不僅有利于提高網(wǎng)絡(luò)與硬件資源的利用效率，還能提升網(wǎng)絡(luò)軟件的可移植性，有利于降低網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)與運(yùn)營成本，并能靈活調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率。核心網(wǎng)的云化就是將軟件、網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)統(tǒng)一編排，將硬件云資源池化，形成一體化的服務(wù)模式。采用云計算技術(shù)能將網(wǎng)絡(luò)資源集中在一起，對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營的成本。在網(wǎng)絡(luò)利用高峰期，通過統(tǒng)一調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源來保證網(wǎng)絡(luò)通信的質(zhì)量，采用虛擬化技術(shù)使得網(wǎng)元間的接口變化更加靈活。網(wǎng)絡(luò)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(dú)立，能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的靈活調(diào)度。

在不同的虛擬機(jī)中可以靈活配置多種網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，虛擬機(jī)的網(wǎng)絡(luò)配置可實(shí)現(xiàn)多版本部署，支持不同環(huán)境的用戶配置，快速實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，降低了網(wǎng)絡(luò)的通信成本[6]。業(yè)務(wù)能力開放和虛擬化系統(tǒng)統(tǒng)一管理是核心網(wǎng)絡(luò)云化的關(guān)鍵，在網(wǎng)絡(luò)核心層引入網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，利用NFV與SDN技術(shù)簡化網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，集中部署網(wǎng)絡(luò)控制功能，并向第三方開放網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)元應(yīng)用的管理層，從而能夠?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的有效協(xié)調(diào)管理與監(jiān)控，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的資源配置。核心網(wǎng)系統(tǒng)具體的云化架構(gòu)如圖2所示。

圖2 核心網(wǎng)系統(tǒng)云化架構(gòu)圖

3.1 物理層

物理層主要由硬件服務(wù)器、網(wǎng)絡(luò)存儲設(shè)備以及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施等構(gòu)成，通過物理設(shè)置管理軟件進(jìn)行控制與管理。在采用云化方式進(jìn)行管理之后，能為上層虛擬化層提供穩(wěn)定的物理基礎(chǔ)設(shè)施與可靠的工作環(huán)境[7]。硬件層要求為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維提供支持，主要包括承擔(dān)著網(wǎng)絡(luò)計算存儲和內(nèi)外部互連互通任務(wù)的功能，還需為網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維提供計算和存儲資源，通過網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)和物理硬件管理軟件對整個物理層進(jìn)行連接管理。此外，結(jié)合Hypervisor對物理硬件層進(jìn)行虛化處理，實(shí)現(xiàn)物理網(wǎng)絡(luò)通信連接，還要實(shí)現(xiàn)云核心的虛擬機(jī)與外部物理設(shè)備的聯(lián)通。

3.2 虛擬化層

虛擬化層利用虛擬化技術(shù)將網(wǎng)絡(luò)的物流硬件與網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)分開運(yùn)行，從而使得不同的操作系統(tǒng)能夠在多個虛擬服務(wù)器上運(yùn)用，而這些虛擬服務(wù)器則共享同一個物理服務(wù)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(wù)器管理平臺進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)度，提高物理服務(wù)器的硬件利用率，減少網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)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(wù)提供高效穩(wěn)定的運(yùn)行環(huán)境。

3.2.1 虛擬機(jī)

虛擬機(jī)擁有完整的計算機(jī)和服務(wù)器功能，運(yùn)行在一個獨(dú)立的環(huán)境中，能按照不同的網(wǎng)絡(luò)軟件和管理軟件實(shí)現(xiàn)獨(dú)立網(wǎng)元控制，實(shí)現(xiàn)不同的網(wǎng)絡(luò)通信功能。

3.2.2 Hypervisor

Hypervisor支持KVM、XEN以及EXSi等虛擬化服務(wù)，功能隔離與分區(qū)網(wǎng)絡(luò)的物理資源，從而能夠有效協(xié)調(diào)虛擬機(jī)對網(wǎng)絡(luò)硬件資源的訪問與控制，并在各個虛擬機(jī)之間進(jìn)行防護(hù)與保護(hù)。在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器執(zhí)行Hypervisor技術(shù)時，就會加載所有的虛擬機(jī)客戶端操作系統(tǒng)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)需求自動給每個虛擬機(jī)分配適量的內(nèi)存、CPU以及存儲陣列等。

3.3 網(wǎng)元應(yīng)用層

網(wǎng)元應(yīng)用層的功能主要是為實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)云化的設(shè)備功能進(jìn)行虛化處理，提高虛擬網(wǎng)絡(luò)的適應(yīng)性，它支持EPC、IMS以及EMS等核心網(wǎng)網(wǎng)元的虛擬化處理與應(yīng)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(jié)合在一起能完成網(wǎng)絡(luò)虛擬化后的服務(wù)處理。將控制軟件布置在VM上能執(zhí)行虛擬網(wǎng)元的功能，便于與其他實(shí)體網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的接口保持一致。

網(wǎng)元管理系統(tǒng)能對核心網(wǎng)云化中的所有控制網(wǎng)元進(jìn)行管理，也能靈活配置網(wǎng)元，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源與業(yè)務(wù)的快速部署，快速改變邏輯網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)靈活組網(wǎng)等。

利用軟件技術(shù)來控制云化核心網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)元。網(wǎng)元軟件可以在不同的虛擬機(jī)上運(yùn)行，與傳統(tǒng)的網(wǎng)元功能相似，而且對外接口與傳統(tǒng)網(wǎng)元保持一致，從而實(shí)現(xiàn)虛擬網(wǎng)與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備之間的互通[9]。利用網(wǎng)元軟件技術(shù)還能實(shí)時采集網(wǎng)絡(luò)物理服務(wù)器的工作狀態(tài)與虛擬化狀態(tài)，便于對網(wǎng)絡(luò)資源進(jìn)行調(diào)度。核心網(wǎng)絡(luò)中的物理設(shè)備和虛擬化層軟件來源不同，利用網(wǎng)元軟件實(shí)時采集網(wǎng)絡(luò)的工作狀態(tài)，在系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，網(wǎng)元軟件能將網(wǎng)絡(luò)故障以標(biāo)準(zhǔn)化的格式映射到相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)環(huán)境，從而使得上層管理軟件與應(yīng)用系統(tǒng)能快速、準(zhǔn)確地處理故障，恢復(fù)正常通信功能。

3.4 服務(wù)管理層

服務(wù)管理層的主要功能是對整個網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行管理。在虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，OSS/BSS負(fù)責(zé)對網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維進(jìn)行管理，并具有網(wǎng)絡(luò)流量計費(fèi)的功能，主要包括網(wǎng)絡(luò)軟件運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)計、上報、故障統(tǒng)計與分析以及費(fèi)用統(tǒng)計系統(tǒng)等，以便于統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)提供的服務(wù)[10]。虛擬化網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排的功能是對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能進(jìn)行編排、統(tǒng)計與分析，主要包括云化核心網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)生命周期和虛擬網(wǎng)元的服務(wù)生命周期，此外還可以提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理策略等。

4 結(jié) 論

核心網(wǎng)絡(luò)的云化對優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)資源具有十分重要的意義，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中軟件與硬件的耦合以及網(wǎng)絡(luò)資源的共享，可以提高網(wǎng)絡(luò)資源的利用效率，也便于對內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行部署。此外，核心網(wǎng)的云化不僅能降低網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維成本，而且還能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源的優(yōu)化靈活調(diào)度，提高網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的處理能力和網(wǎng)絡(luò)用戶的體驗(yàn)效果。