移动核心网虚拟化演进趋势探讨

      摘要：从移动互联网时代背景出发，对网络功能虚拟化概念、网络虚拟化演进的必要性进行分析，指出了移动核心网虚拟化需求，并针对移动核心网虚拟化演进架构趋势进行探讨。

1 引言

       随着智能终端的普及和移动互联网业务的井喷式发展，网络中的流量和信令一直处于的爆炸性增长，对网络容量和性能本身提出了更高的要求。然而，运营商的收入和利润却并不能随着网络中的流量而大幅增长，甚至是出现负增长，形成著名的收入和成本的“剪刀差”现象。究其原因，运营商的业务重心已经由语音短信向高速数据业务迁移，就是因为这些高速发展的移动宽带业务给网络造成了巨大的负荷压力。为了应对网络中日益增长的数据流量，运营商不得不加大投资力度，缩短投资建设周期，对移动网络进行新建、升级或者改造，造成了巨额的网络资本支出（CAPEX，Capital Expenditures）及运营成本（OPEX，Operational Expenditures）。

      如何有效地提高网络管理灵活性和设备的利用率、降低网络运维成本，这是移动宽带时代各大运营商开始不得不正视并认真思考的问题。当前，传统以专有硬件为主导的设备产品架构、基于预先规划的建设模式，已经难以适应未来高速数据业务发展的要求，需颠覆传统电信设备的认识理念并利用新的技术理念来支撑新的业务模式对网络资源有定制化的诉求，包括设备形态、配置管理、扩容升级等方面，以推动网络向基于云化、开放的网络架构演进。

      信息通信技术（ICT）融合发展背景下，电信网络将借助于网络功能虚拟化（NFV，Network Function Virtualization）技术提高网络设备的利用率，降低运营商OPEX/CAPEX支出，同时还提供了高可扩展性、多网融合的端到端智能管道，为用户带来更佳的业务使用体验，为运营商带来新的利润增长契机。

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      传统网络设备由于基于网络应用实际需求，大多采用专有硬件平台独立开发，网元功能与硬件平台耦合性高。NFV技术的目的是为了提供了电信设备的硬件基础设施和上层网络功能应用的解耦，与当前烟囱式、垂直化的网络应用部署相比较，底层资源（包括计算、存储和网络资源）通过虚拟化技术进行同构化和归一化，并可以被多种上层逻辑网络应用所动态共享。如图1所示，NFV技术主要设计思路是采用通用服务器硬件平台，在服务器之上运行虚拟化软件并生成虚拟机，各种网元以软件的形式运行在虚拟机之上。采用这种架构，运营商将只需维护统一的虚拟化平台，而不同的网元将以虚拟机的形式运行在虚拟化平台之上，新增网元或者网元升级则体现为新的虚拟机实例化或虚拟机中软件版本升级。同时，由于虚拟化技术屏蔽了底层物理平台的差异，跨网元、跨厂家的硬件资源共享问题将迎刃而解。并且，利用虚拟机动态迁移，动态生成等特性，结合对虚拟化平台的智能管理，根据业务量的变化实现网元的动态扩容、缩容，从而本质上提高硬件利用率和软件的可移植性，同时带来运维的成本和应用部署时间的显著降低。

       毫无疑问，NFV技术理念将对传统电信运营商及电信设备商思路带来颠覆性的冲击。对运营商而言，这是摆脱厂商专有设备的限制，实现更高效灵活、自动化的网络建设与经营的良好契机，然而却无法重用现网的固有投资；对传统电信设备商而言，除了需要在商用成品（COTS，Commercial Off-The-Shelf）服务器硬件平台上满足电信高标准业务需求，同时将与更多的IT软件开发商展开竞争。NFV技术是通信技术（CT，Communication Technology）与信息技术（IT，InformationTechnology）融合的集中体现，它的提出在是IT硬件平台上实现CT技术的思路，其将对IT和CT领域各自的开发模式和产品规划的冲击不言而喻。IT与CT之间的互相渗入将引入并鼓励更多的竞合。

       为了更快推动NFV理念的推广和产品和实现，2012年10月，13家运营商发起在ETSI组织下正式成立网络功能虚拟化工作组，即ETSI ISG NFV，致力于实现网络虚拟化的需求定义和系统架构制定。ETSI NFV工作组的目标是实现移动和固定网络各个网元在开放IT平台上的虚拟化，以更低成本、更灵活运营应对移动互联网时代难以预测的动态业务需求，并摆脱对厂家专用硬件系统、封闭软件平台的依赖，致力于制定网络功能虚拟化的相关需求，并对系统框架进行定义与设计，同时对关键技术进行相关研究并提供相关的差距分析（Gap Analysis）。但是，由于ETSI NFV并不是严格意义上的国际标准化组织，本身并不制定国际标准，而是以技术白皮书、需求文档发布以及联络函（Liaison）形式输出并影响产业界及相关标准化组织。然而，ETSI NFV作为NFV领域最有影响力的研究组织，截止目前，ETSI NFV拥有超过170家成员单位，涵盖几乎所有IT和CT领域的顶级运营商、设备商、IT厂商，包括Cisco、Ericsson、Huawei、HP、Dell、Intel在内的等众多厂家积极反馈，明确表示对NFV的欢迎和支持。2014年11月，ETSINFV组织已完成第一阶段工作，发布NFV技术白皮书第三版，进展符合业界预期。

     由于NFV技术颠覆了传统电信封闭专用平台的思想，同时引入灵活的弹性资源管理理念，因此，ETSI NFV提出了突破传统网元功能限制、全新通用的NFV架构如图2所示。NFV技术主要由3个域构成：网络功能虚拟化基础设施（NFVI，NFV Infrastructure）、虚拟网络功能（VNF，VirtualizedNetwork Function）和NFV管理与编排（MANO，Management and Orchestration）。

 ■VNF是网元功能的软件实现，运行于NFVI之上，比如EPC网元、IMS网元等的逻辑实现。

 ■NFVI包括计算、存储和网络硬件资源与其相应的虚拟化资源，以及虚拟化层，支持VNF的资源调用，比如COTS服务器、通用交换机等。

 ■NFVMANO在NFV框架中集中了所有NFV相关的管理功能，实现对NFVI和VNF的管理以及对网络业务编排功能和支持虚拟化的物理/软件资源和VNF的生命周期管理。

NFV概念架构为NFV在不同场景下的实现和应用提供了理论参考，功能模块与接口标准将围绕概念架构进行制定。

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      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。

3.1 移动核心网虚拟化场景

      传统移动核心网架构如图3所示，其组成网元根据所执行主要功能可以划分为如下几类：控制面、用户面和用户数据三类网元。其中，控制面网元包括MME/SGSN、PCRF；用户面网元包括S-GW、P-GW；用户数据网元包括HSS。控制面设备主要处理移动性管理、会话管理等功能，以控制信令交互为主；用户面设备则主要处理用户数据的交换与转发、计费数据处理等功能，同时接受控制面设备信令控制；用户数据网元则存储用户签约静态数据，以类似于数据库操作为主，同时接受控制面设备信令控制。

移动核心网通过NFV技术实现网元在同一硬件平台上的部署，尤其适合控制面网元设备主要处理控制信令，由于COTS服务器计算能力较强，适合处理状态转移和信令交互等流程。

3.2 移动核心网虚拟化演进架构

      移动核心网向NFV方向演进架构如图4所示，所有网元将统一部署于通用服务器硬件（H/W）之上，通过虚拟化层抽象为归一化虚拟资源提供给上层移动核心网网元软件应用调用。其中，对于用户面设备，针对处理用户高速数据，需要对其进行必要的硬件加速功能，如通过Intel的DPDK套装或者SR-IOV绕过虚拟化层直接调用硬件资源，提高COTS服务器上的吞吐量性能。

      考虑到未来NFV与SDN技术的结合，移动核心网的SDN/NFV愿景架构如图5所示。移动核心网虚拟化的网元在部署到统一的数据中心以实现集中化部署，提供网络的运维效率，同时将控制面与转发面分离。架构中的控制面网元通过南向接口控制通用转发面交换机完成用户数据的转发和疏导，有利于实现全网的统一高效的管理和控制策略以及控制面/转发面的可扩展性，实现从封闭黑盒的网络走向开放可编程的移动软网络。

3.3标准、产业现状

      当前网络虚拟化研究处于起步阶段，ETSI NFV第一阶段已完成NFV技术的应用场景和关键需求梳理，目前已启动第二阶段工作，重点关注NFV架构与接口的规范化、生态系统与演进、可靠性与安全等方面问题；3GPP SA5正在评估NFV引入对传统的网管影响；ITU也正在进行核心网的控制网元和控制转转发分离架构研究； CCSA TC3和TC5分别完成《核心网控制网元虚拟化技术研究》、《移动软网络需求及架构（SAME）研究》等多个研究立项，推动核心网虚拟化的需求明确和标准制定工作。

NFV技术在标准研究同时，在产业链生态系统方面也正在逐步形成，电信设备商及其上下游厂商，都在积极抢占核心网虚拟化商用产品制高点。传统电信设备商，华为、爱立信、阿朗、中兴、诺基亚、思科为了维护各自电信领域的市场，正在全力转向在提供传统专有硬件解决方案同时提供电信虚拟化解决方案；通用服务器厂家HP、DELL，通用芯片厂家Intel、AMD等相关行业，为了通过NFV技术进一步打开电信市场，其积极程度毫不逊色；传统电信仪表厂家思博伦也针对电信虚拟化趋势提供网络虚拟化的测试解决方案。

4 结语

      本文从网络虚拟化概念入手，阐述了NFV技术的优势及其在移动核心网的应用，详细分析了移动核心网未来虚拟化的演进趋势。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。

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