精品知识分享 NFV及vIMS的部署实施

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楼主 2022-05-09 14:17:17
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随着5G和物联网等领域的快速发展,移动数据业务飞速增长,而传统电信网络基于专用硬件的架构和封闭式的网元,已经成为运营商拓展新业务的严重障碍。NFV能够根据用户和业务需求灵活动态地进行网络资源配置,实现网络资源的高效利用,有效降低CAPEX和OPEX成本。伴随VoLTE的大规模商用部署以及为了应对物联网未来的大量业务需求,NFV和vIMS无疑是电信运营商的最佳选择。


一、为什么要引入NFV

随着5G和物联网等领域的快速发展,移动数据业务飞速增长,而传统电信网络基于专用硬件的架构和封闭式的网元,已经成为运营商拓展新业务的严重障碍。电信运营商的网络及业务平台通常采用大量的专用硬件设备,例如:核心网的信令控制设备(MME、CSCF等)、运营支撑系统(如网管、计费、业务开通等系统)业务处理机的小型机等。这些专用硬件设备业务之间公用性差,存在着大量的性能浪费,造成电信运营商设备建设投入高,增加了CAPEX成本;同时由于不同业务的专用硬件不通用,造成新业务开发周期长,后期运维成本增加,设备空间及能源存在很大的浪费,无法降低网络的OPEX成本。因此,运营商迫切需要对网络进行变革,通过引入NFV(Network Functions Virtualization),将网络进行软硬件解耦,实现网络虚拟化,从而将基于硬件的网络向灵活的软件控制网络转变。NFV能够根据用户和业务需求灵活动态地进行网络资源配置,实现网络资源的高效利用。


根据相关的调查分析,电信运营商希望通过部署NFV来实现:

· 灵活性 – 通过软件控制网络资源,快速推出新的服务,以推动运营商收入的增长;

· 高效性 – 提升运营效率,降低成本;

· 高速性 – 根据业务需求,能够进行快速增容和减容。



图一. 电信运营商对NFV的期望


所以,运营商对NFV的期望为电信设备厂商指明了市场的发展方向和趋势,爱立信预测到2020年NFV将全面改变电信运营商构建和管理网络的方式。


二、基于NFV的5G网络架构

2012年10月,AT&T、英国电信、德国电信、Orange等运营商在欧洲电信标准协会(ETSI)发起成立了一个新的网络功能虚拟化标准工作组NFV ISG(Industry Specification Group)。NFV工作组的研究目标主要是希望通过广泛采用标准化的IT虚拟化技术,采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能,实现软件的灵活加载,实现在数据中心、网络节点和用户端等各个位置灵活的部署配置,从而加快网络部署和调整的速度,降低业务部署的复杂度,提高网络设备的统一化、通用化、适配性等,最终降低网络的CAPEX和OPEX。


根据工作组的以上目标,我们不难得出以下结论:在将网络功能虚拟化时,通过引入云平台,使用标准IT通用硬件以及虚拟化技术,来承载电信网络的各种应用。虚拟化的网络功能(VNF)将像虚拟机一样运行在COTS平台上,并且通过编排工具来管理要执行或创建的服务。NFV使电信网络及业务平台的功能不再依赖于专用硬件,网络资源可以充分灵活共享,这就有效降低了网络的CAPEX成本;同时,VNFs由云平台进行管理,具有根据实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等优点,能够实现新业务的快速开发和部署,这就有效降低了网络的OPEX成本。


NFV彻底颠覆了传统电信网络的架构,引入灵活的弹性资源管理机制。ETSI 提出的NFV架构如图二所示。


图二. ETSI NFV架构


我们可以把NFV的架构按照横向和纵向进行解析。


横向分为三层:

1. 基础设施层:即NFVI(Network Functions Virtualization Infrastructure,网络功能虚拟化基础设施)。从云计算的角度看,NFVI就是一个资源池。NFVI需要将物理的计算、存储、网络资源通过虚拟化转换为虚拟的计算、存储、网络资源。


2. 虚拟网络层:虚拟网络层对应的就是各个传统电信业务网络,每个物理网元映射为一个虚拟网元VNF(Virtualized Network Function),如EPC网络的MME映射成vMME,IMS网络的CSCF映射成vCSCF等。VNF所需资源需要分解为虚拟的计算、存储、网络资源,由NFVI来承载。VNF之间的接口依然采用传统网络定义的信令接口。EMS负责VNF的FCAPS网管功能,即告警、配置、计费、性能和安全管理。


3. 运营支撑层:运营支撑层,相当于传统电信网络的OSS/BSS系统。


从纵向看,NFV分为两个域:


1. 业务网络域:指目前的各电信业务网络,如EPC、IMS网络。


2. 管理编排域:即MANO(Management and Orchestration,管理和编排),MANO负责对整个NFVI资源的管理和编排,负责业务网络和NFVI资源的映射和关联,负责OSS业务资源流程的实施等,MANO内部包括VIM,VNFM和Orchestrator三个实体,分别完成对NFVI,VNF和NS(Network Service,网络业务)三个层次的管理:


· VIM(Virtualized Infrastructure Manager - 虚拟化基础设施管理器),负责对网络功能虚拟化基础设施(NFVI)的计算资源、存储资源以及网络资源进行控制与管理,如对硬件和虚机的启停、初始化、升级等等。

· VNFM(Virtualized Network Function Manager - 虚拟化网络功能管理器),用于对虚拟化网络功能(VNF)的生命周期和容量进行管理,比如vCSCF的负荷高了,VNFM可以对vCSCF的虚机进行扩容,即增加vCSCF的虚机个数。

· NFVO (NFV Orchestrator - NFV编排器),负责对整个NFV网络的资源进行统一的调配和编排。


随着5G和物联网等领域的快速发展,运营商需要更高效、更灵活、具有业务创新能力的网络。由于NFV的引入,运营商将基于硬件的网络演进为灵活的、高效的、软件自动控制的网络,不仅实现了网络资源的高效利用,同时也为业务创新提供了巨大的便利性。爱立信的基于NFV的5G网络具有以下5大特点:网络切片化、分布式的云平台、虚拟化、软件定义网络、自动控制与编排调度。



图三. 基于NFV的5G网络架构


· 网络切片化 – 由于面向物联网的各种行业应用以及承载巨大的设备连接个数,网络切片化是重要核心,即将网络切分为一片一片的虚拟资源片,将每个虚拟资源片分配给特定行业或商业应用。这样不仅可以方便地引入各种新的业务,满足运营商对业务创新的需求;同时也可以实现不同行业应用之间的业务隔离,因为每种应用运行在特定的虚拟资源片上,便于业务的管理与协调。

· 分布式的云平台 – 分布式的云平台(数据中心)提供网络功能虚拟化的基础设施,即虚拟的计算、存储、网络资源,对于网络内部传送的大量数据进行高效管理。

· 虚拟化 – NFV可以实现基于标准COTS硬件的VNF,完成VNF的自动实例话,这是实现网络切片化的关键。

· 软件定义网络 – SDN能够实现网络的自动配置,在不影响网络质量的前提下能够将VNF实例进行有效的分配。

· 自动控制与编排调度 – 将整个网络的资源进行统一的调配和编排管理,保证运营商能够高效地运营网络。


网络切片化是5G网络的核心特征,特别是支持物联网的应用。在实现网络切片化时,需要考虑时延、移动性、高可用性等方面的问题,而且必须保证虚拟资源切片之间是隔离的。一个公共的虚拟IMS网络为所有EPC网络切片和所有IMS终端提供服务,某个特定的IMS应用实例可以被某些用户或终端设备所独享,通过现有的IMS业务触发机制来实现,如iFC过滤、P-CSCF发现、基于业务能力的S-CSCF选择等。如图四所示。



图四. 通过网络切片化引入新的IMS应用


三、vIMS的部署实施

截止到2015年,全球大约有1亿VoLTE用户,超过50个运营商部署了商用VoLTE网络。随着VoLTE商用网络的逐渐成熟,预计2017年将有80%的VoLTE网络使用vIMS。目前,爱立信已为NTT DoCoMo、Vodafone、TeliaSonera等四十多个运营商部署了vIMS的商用或试验网络。


爱立信的vIMS网络架构如图五所示,遵从ETSI NFV标准。



图五. 爱立信vIMS网络架构


· 爱立信云执行环境CEE(Cloud Execution Environment)主要提供NFVI和VIM的功能

· vIMS网络包括各种虚拟IMS网元功能,如vCSCF、vSBG、vMTAS等网元以及相应的EMS功能

· OSS-RC网管系统实现NFV标准中的OSS/BSS功能

· 爱立信云管理器ECM(Ericsson Cloud Manager),实现NFV标准中的VNFM和NFVO的功能

· vIMS与传统IMS网络集成


下面以vIMS网络为例介绍vIMS的部署实施。如图六所示的IMS网络,我们需要引入NFV,将SBG、CSCF和MTAS等网元进行虚拟化,实现vSBG、vCSCF和vMTAS,同时完成这些VNF与IMS网络其它传统节点的集成。



图六. 基于爱立信云平台的vIMS网络


从大的方面讲,vIMS网络的部署实施包括垂直集成和水平集成两个大的方面。



图七. 爱立信vIMS的部署实施


对于垂直集成,首先是NFVI和VIM的实现,即云平台的基础设施。运营商可以选择COTS的标准IT硬件设备,也可以选择爱立信的云服务器(BSP8000或HDS8000)作为云平台的底层硬件设备。 在此之上通过第三方的虚拟化管理软件,如VMWare、开源的OpenStack等实现云平台的基础设施。运营商也可以选择爱立信的CEE(云执行环境),由爱立信提供云集成服务,通过CEE实现NFVI和VIM的功能。第二步是在云平台基础设施之上实现VNF及其EMS,即实现vSBG、vCSCF和vMTAS以及虚拟网元的管理功能(FCAPS),这也是垂直集成的核心。这一步需要选定VNF都具有哪些功能特性,并基于预测的话务量模型来计算VNF的容量规模,根据容量规模提出对NFVI的需求,如每个VNF需要的虚机个数、存储和网络资源等,在此之上形成vSBG、vCSCF和vMTAS的详细设计文档。调测工程师根据这个详细设计文档进行VNF的安装和功能调测。


垂直集成完成后,在IMS网络中就已实现了相应的虚拟IMS网元节点,接下来进行水平集成。


对于水平集成,需要完成VoLTE端到端的网络集成,包括VNF节点之间以及VNF与传统IMS物理节点之间的信令连接测试,VoLTE各种业务的功能测试。除此之外,还要完成NFVI和VNF的各种故障及冗余倒换测试等等,以保证vIMS网络的高可用性和高可靠性。


vIMS网络还需要集成OSS/BSS,VNFM和NFVO相关的运营支撑功能,爱立信的OSS-RC、BSS以及ECM(爱立信云管理器)可以提供网管、计费、业务开通、VNF的自动管理和编排调度等功能。


四、结束语

虽然当前运营商对于引入NFV可能存在一些担忧,比如虚拟IMS网络的性能是否能达到传统专用硬件设备组建的网络性能以及网络的安全性等等,但是为了应对未来几年电信业务的重大变化,特别是5G和物联网的业务,电信运营商们正在寻找更灵活、更高效、成本更低,并且可以支撑新业务快速上线的解决方案。综上所述,NFV和vIMS无疑是最佳的选择!


本文作者史健,于1999年加入爱立信学院,一直从事通信行业技术培训,是爱立信学院的中青年骨干教师。为爱立信全球认证高级方案架构师,爱立信全球认证高级讲师。


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