IMS核心网网络功能虚拟化方案研究

彭莉

【摘    要】网络功能虚拟化将传统网络设备的软件功能和硬件功能解耦合，从而降低网络的投资和运营成本，提高新业务的部署效率。SDN为网络功能虚拟化的承载网提供了解决方案，确保网络功能虚拟化的实现。主要对IMS核心网网络功能虚拟化方案进行了论述，并基于SDN架构提出了IMS核心网虚拟化环境下的承载网组网方案。

【关键词】NFV    IMS    SDN

中图分类号：TN03    文献标识码：A    文章编号：1006-1010（2014）-22-0060-05

Research on Virtualization Solution of IMS core Network Functions

PENG Li

（Guangzhou Research Institute of China Telecom Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）

[Abstract] As network function virtualization （NFV） decouple the software functions and hardware functions of traditional network equipments， it decreases the investment and operating costs to enhance the deployment efficiency of new business. SDN provides a solution to NFV bearer network and ensures the implementation of NFV. In this paper， the solution to NFV of IMS core network is discussed， as well as the networking scheme of the bearer network in the environment of IMS core network visualization based on SDN framework is proposed.

[Key words]NFV    IMS    SDN

1   引言

网络功能虚拟化（NFV，Network Functions Virtualisation）改变了现有网络运营商构建网络的方法：不再采用专用的网络设备，而是利用IT虚拟化技术在标准的高性能服务器、交换机、存储设备上来实现各类网络节点和用户前端设备的功能。原则上，所有网络节点的功能都可以被虚拟化并在标准的服务器上运行。

软件定义网络（SDN，Software Defined Network）提出了一种新型的网络架构：将1—4层网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并提供开放的接口和实现可编程化控制。

多媒体业务统一控制层IMS网络的虚拟化可以提高多媒体业务部署的灵活性并降低成本，但同时也对承载网带来了新的功能需求。SDN架构可以满足该需求，并进一步增强IMS虚拟化的能力。

2   NFV和SDN概述

2.1  NFV体系架构及关键技术

由全球领先的7家电信网络运营商发起成立的ETSI网络功能虚拟化行业规范工作组（ETSI NFV ISG）是目前业界一致认可的NFV相关标准体系研究的领跑者和主要推动者，现已制订和发布了NFV虚拟化需求、NFV用户案例、NFV体系框架等5个文档。

在NFV架构中，所有的网络功能都是以纯软件的方式运行于统一分配的计算、存储和网络等基础设施之上，软件功能不再和原有的专用硬件平台相捆绑。其体系架构如图1所示：

图1    NFV体系架构

NFV体系架构包括虚拟网络功能（VNFs，Virtualised Network Functions）、NFV基础设施（NFVI，NFV Infrastructure）、NFV管理和业务编排（NFV Management and Orchestration）3个核心工作域，具体如下：

（1）虚拟网络功能（VNFs）：运行在NFVI之上的执行指定网络功能的软件，如IMS网络中的P/I/S-CSCF、HSS。网元节点的功能和状态与它是否虚拟化无关。物理的网络功能和虚拟化的网络功能的能力以及对外的运维接口应该是相同的。一个VNF可以由多个内部组件构成。在该场景下，同一个VNF可以部署在多个虚机上，也可以运行在同一个虚机上。前者每个虚机只运行该VNF的一个组件。

（2）NFV基础设施（NFVI）：包括硬件和软件在内的提供VNFs部署、管理和执行的环境。硬件资源包括通过虚拟化层为VNFs提供处理、存储和连接能力的计算、存储和网络资源。虚拟化层对硬件资源进行了抽象，并把VNF的软件功能和底层的硬件解耦合，从而保证硬件资源与VNFs的无关性。

（3）NFV管理和业务编排：包括业务编排系统、VNF管理系统和NFVI管理系统3部分。其中，业务编排系统负责NFV基础设施、软件资源的编排和管理，并在NFV上提供网络服务;VNF管理系统负责VNF生命周期的管理（如建立、更新、扩展、终结）;NFVI管理系统为VNF提供管理和控制其所需的计算、存储及网络资源的能力。

2.2  SDN体系架构及关键技术

SDN是一种新型的网络架构，其设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离，并实现可编程化控制。ONF、IETF等各大标准组织都根据各自的研究领域和技术观点对SDN的技术进行了研究，并制订相应的标准。虽然各大流派的具体技术方案不尽相同，但所遵循的总体框架和关键技术是基本一致的。endprint

典型的SDN体系架构分为应用层、控制层和基础设施层3部分，具体如图2所示：

图2    SDN体系架构

（1）应用层：通过控制层提供的接口获取网络的控制权，并在其基础上开发各种业务应用，从而实现业务创新。

（2）控制层：是网络智能的集中，负责维护网络的整体状态和数据平面资源的编排，可根据用户不同的需求和全局网络拓扑，灵活动态地为每个用户分配资源。SDN控制器具有网络的全局视图，负责管理整个网络，对下通过标准的协议与基础网络进行通信，对上通过开放接口向应用层提供对网络资源的控制能力。

（3）基础设施层：是硬件设备层，专注于单纯的数据处理和转发。

3   IMS核心网虚拟化方案

IMS网络由业务层、控制层和接入层组成，不同层面之间采用开放的接口协议，在EPC和其他IP承载网上提供基于SIP协议的多媒体会话业务的控制能力及业务提供能力，包括业务层、控制层和接入层在内的IMS网络各个层面的网络设备功能都可以通过虚拟化的方式进行部署及建设。由于篇幅限制，本文将重点针对IMS核心控制层的网络功能虚拟化方案进行讨论。

IMS核心控制层主要完成SIP会话控制、资源分配、协议处理、路由、认证、计费、业务触发等功能，控制层的功能实体包括P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、AGCF、HSS、SLF、MGCF、MGW、BGCF、ENUM/DNS、BAC等。目前这些网络实体都是基于ATCA硬件架构实现，运营商根据预测的业务量进行网络部署。

IMS核心网网元功能虚拟化通过重新设计P/I/S-CSCF、HSS等核心网网元的系统和软件架构，使其可以独立于底层的硬件设备而运行于通用服务器平台之上。运营商在部署IMS网络时不需要购置专用的硬件平台，而是根据业务量的实际需要动态地在云平台上加载、安装、运行P/I/S-CSCF等各核心网网元软件功能模块。IMS虚拟化逻辑架构如图3所示：

图3    IMS虚拟化逻辑架构

IMS虚拟化应提供以下4个基本功能：

（1）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）部署的一键完成：根据预定义好的业务模板和脚本，包括P/I/S-CSCF所有IMS核心网元在内的虚拟网络功能可以自动地在云平台上加载安装。

（2）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）的自动扩展：虚拟网络功能管理系统自动监测虚拟网络功能KPI运行指标。一旦监测到虚拟网络功能的负荷已经超过了警戒值，虚拟网络功能管理系统则申请计算、存储、网络等资源，并使用预定义好的模板和脚本在新增的虚机上自动安装相关的IMS虚拟网络功能。

（3）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）的自动回收：虚拟网络功能管理系统自动监测虚拟网络功能KPI运行指标。一旦监测到虚拟网络功能的负荷已经低于最低值，虚拟网络功能管理系统则通知虚拟网络功能准备关闭。在虚拟网络功能关闭准备工作完成后，虚拟网络功能管理系统会收回分配的资源。

（4）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）的自动容灾保护：当运行虚拟网络功能实例的虚机发生故障时，一个新的安装有同样虚拟网络功能实例的虚机会被自动创建，以接管发生故障的虚机承担的呼叫。

4   基于SDN架构的虚拟化IMS核心网承

载网解决方案

4.1  IMS核心网虚拟化对承载网络的需求

IMS系统是基于IP承载的应用系统，因此IMS网络的核心网网元是通过IP网络进行连接的。在现有的IMS网络部署中，网络容量、网络路由组织都是在网络建设过程中根据预测的业务量和业务流量流向配置及设计的，每个网元对IP承载网带宽、端口数、IP地址的需求都是明确和固定不变的。IP承载网只需根据IMS系统提出的具体带宽、端口和路由需求提供网络连接。除非有IMS网络设备退网，否则其承载网方案都是无需变化的。

IMS网元功能虚拟化后，各个网元功能以软件的形式按用户容量变化的实际需要自动在通用硬件平台上加载或卸载。IMS核心网网元功能间的信令流程以及提供IMS业务的终端和核心网网元功能间的信令、业务流程仍保持不变。也就是说，网元功能虚拟化后各网元功能和终端仍是基于IP网络进行承载的，只是承载的需求发生了根本性的变化。IMS核心网网络功能虚拟化后对承载网络的需求如下：

（1）IMS核心网网络功能虚拟化后，各网元功能将部署于运营商的网络功能虚拟基础设施（NFVI）中以共享计算、网络和存储资源。因此，IMS虚拟化网络功能会同时部署在多个数据中心里，需实现数据中心内部和数据中心之间的网络连接。

（2）P/I/S-CSCF、MGCF等IMS网元是用SIP URI进行标识的，通过DNS查询到下一跳网元的网元标识对应的IP地址进行网元间的逐跳SIP消息路由及寻址。当一键完成IMS虚拟网络功能的自动部署时，需要给每个网元分配IP地址和SIP URI，并在IMS域内的DNS中自动生成各个网元IP地址和SIP URI的对应解析关系。

（3）当网络根据业务量的变化自动扩展IMS虚拟网络功能时，部分IMS用户会被调整接入到新的网元中，这要求除了在IMS域内的DNS中自动生成各个新生成网元的IP地址和SIP URI的对应解析关系外，还需在公网的DNS中自动加入新增用户接入网元P-CSCF或BAC的IP地址和域名对应解析关系。

（4）当网络根据业务量的变化自动回收IMS虚拟网络功能时，部分IMS用户会被调整接入到别的网元中，这要求需在IMS域内的DNS中自动删除被回收网元的IP地址和SIP URI的对应解析关系，同时在公网的DNS中自动删除被回收接入网元P-CSCF或BAC的IP地址和域名对应解析关系，并新增被调整用户的SIP URI和其接入网元的IP地址的对应关系。endprint

（5）当IMS虚拟网络功能进行自动容灾保护时，部分IMS用户的业务会被新的网元接管，这要求在IMS域内的DNS中将发生故障网元的SIP URI对应的IP地址更新为新生成网元的IP地址。如果是接入网元发生容灾倒换，则还需在公网的DNS中将被接管用户的SIP URI对应的IP地址改为新生成网元的IP地址。

4.2  IMS核心网虚拟化承载网组网方案

IMS核心网的各个虚拟化网络功能具备自动部署、自动扩展、自动回收和容灾保护的特性，这要求虚拟化网络功能所在数据中心的承载网支持自动为IMS虚拟化网络功能建立虚拟专网、分配网络资源和IP地址、提供有QoS保证的专用网络通道，而且该虚拟专网还应能跨域跨数据中心。

目前数据中心内部和跨数据中心的组网方案都不具备上述能力，因此需要重新考虑数据中心的承载网方案。

SDN体系架构将网络的控制面和转发面相分离，实现了对网络资源的自动管理，可以很好地实现上述功能。基于SDN架构的组网方案如图4所示：

该架构把物理网络资源虚拟化，形成一个虚拟网络。虚拟网络以业务的方式开放给IMS虚拟化网络功能，负责承载业务流，从而屏蔽掉了实际的物理网络。数据中心域内SDN控制器负责管理域内的交换机、路由器等物理节点设备，并通过北向API把物理网络的相关信息传送给虚拟基础设施管理系统。虚拟基础设施管理系统再根据收集到的物理网络拓扑信息，整理出整个虚拟网络的网络拓扑和状态，对虚拟网络的网络资源进行管理，并将相关信息开放给虚拟网络功能管理系统和业务编排系统。

IMS核心网虚拟化包括自动部署、自动扩展、自动回收和容灾保护4个基本应用场景，由于篇幅有限，本文仅针对自动部署和自动回收这2种场景进行说明。自动扩展场景可参考自动部署场景，容灾保护场景则参考自动扩展和回收场景。

（1）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）部署的一键完成：虚拟网络功能管理系统把部署IMS虚拟网络功能对计算、存储和网络等资源的需求提交给虚拟基础设施管理系统。虚拟基础设施管理系统收到网络资源需求时，根据虚拟网络的网络资源使用情况为IMS虚拟网络功能建立专用的VPN，并为相关的网络功能分配IP地址。虚拟基础设施管理系统将相关的路由策略通过SDN控制器下发给涉及到的交换机和路由器，并将资源的分配情况反馈给虚拟网络功能管理系统。虚拟网络功能管理系统根据分配到的资源生成P/S/I-CSCF等IMS虚拟网络功能，同时在DNS中添加各个网元IP地址和SIP URI的对应解析关系。

（2）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）的自动回收：待被回收的IMS虚拟网络功能关闭后，虚拟网络功能管理系统把可回收的计算、存储和网络资源需求提交给虚拟基础设施管理系统，同时在DNS中删去回收网元IP地址和SIP URI的对应解析关系。虚拟基础设施管理系统收到回收网络资源请求时，根据虚拟专网的网络资源使用情况回收相对应的网络资源和IP地址，并将修改后的路由策略通过SDN控制器下发给交换机和路由器。

5   结束语

NFV和SDN作为解决现有网络存在的网络不能感知应用、无法实时灵活部署业务、无法共享基础设施资源、运营成本高等问题的新的体系架构，得到了业界的一致认可，是未来网络发展的方向。虽然近年来NFV和SDN技术发展十分迅速，但仍处于发展初期，ONF/IETF/ETSI/OpenSource的大部分技术方案离规模部署还需要进一步的细化和验证。

参考文献：

[1] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 004 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Virtualisation Requirements[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[2] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 001 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Use Cases[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[3] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 002 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Architectural Framework[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[4] NFV ETSI ISG. ETSI NFV POC Report-2014 Multi-Vendor on-Boarding of vIMS on a Cloud Management Framework[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2014.

[5] ONF. ONF White Paper-2012 Software-Defined Networking： The New Norm for Networks[S]. Palo Alto： ONF， 2012.endprint

（5）当IMS虚拟网络功能进行自动容灾保护时，部分IMS用户的业务会被新的网元接管，这要求在IMS域内的DNS中将发生故障网元的SIP URI对应的IP地址更新为新生成网元的IP地址。如果是接入网元发生容灾倒换，则还需在公网的DNS中将被接管用户的SIP URI对应的IP地址改为新生成网元的IP地址。

4.2  IMS核心网虚拟化承载网组网方案

IMS核心网的各个虚拟化网络功能具备自动部署、自动扩展、自动回收和容灾保护的特性，这要求虚拟化网络功能所在数据中心的承载网支持自动为IMS虚拟化网络功能建立虚拟专网、分配网络资源和IP地址、提供有QoS保证的专用网络通道，而且该虚拟专网还应能跨域跨数据中心。

目前数据中心内部和跨数据中心的组网方案都不具备上述能力，因此需要重新考虑数据中心的承载网方案。

SDN体系架构将网络的控制面和转发面相分离，实现了对网络资源的自动管理，可以很好地实现上述功能。基于SDN架构的组网方案如图4所示：

该架构把物理网络资源虚拟化，形成一个虚拟网络。虚拟网络以业务的方式开放给IMS虚拟化网络功能，负责承载业务流，从而屏蔽掉了实际的物理网络。数据中心域内SDN控制器负责管理域内的交换机、路由器等物理节点设备，并通过北向API把物理网络的相关信息传送给虚拟基础设施管理系统。虚拟基础设施管理系统再根据收集到的物理网络拓扑信息，整理出整个虚拟网络的网络拓扑和状态，对虚拟网络的网络资源进行管理，并将相关信息开放给虚拟网络功能管理系统和业务编排系统。

IMS核心网虚拟化包括自动部署、自动扩展、自动回收和容灾保护4个基本应用场景，由于篇幅有限，本文仅针对自动部署和自动回收这2种场景进行说明。自动扩展场景可参考自动部署场景，容灾保护场景则参考自动扩展和回收场景。

（1）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）部署的一键完成：虚拟网络功能管理系统把部署IMS虚拟网络功能对计算、存储和网络等资源的需求提交给虚拟基础设施管理系统。虚拟基础设施管理系统收到网络资源需求时，根据虚拟网络的网络资源使用情况为IMS虚拟网络功能建立专用的VPN，并为相关的网络功能分配IP地址。虚拟基础设施管理系统将相关的路由策略通过SDN控制器下发给涉及到的交换机和路由器，并将资源的分配情况反馈给虚拟网络功能管理系统。虚拟网络功能管理系统根据分配到的资源生成P/S/I-CSCF等IMS虚拟网络功能，同时在DNS中添加各个网元IP地址和SIP URI的对应解析关系。

（2）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）的自动回收：待被回收的IMS虚拟网络功能关闭后，虚拟网络功能管理系统把可回收的计算、存储和网络资源需求提交给虚拟基础设施管理系统，同时在DNS中删去回收网元IP地址和SIP URI的对应解析关系。虚拟基础设施管理系统收到回收网络资源请求时，根据虚拟专网的网络资源使用情况回收相对应的网络资源和IP地址，并将修改后的路由策略通过SDN控制器下发给交换机和路由器。

5   结束语

NFV和SDN作为解决现有网络存在的网络不能感知应用、无法实时灵活部署业务、无法共享基础设施资源、运营成本高等问题的新的体系架构，得到了业界的一致认可，是未来网络发展的方向。虽然近年来NFV和SDN技术发展十分迅速，但仍处于发展初期，ONF/IETF/ETSI/OpenSource的大部分技术方案离规模部署还需要进一步的细化和验证。

参考文献：

[1] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 004 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Virtualisation Requirements[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[2] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 001 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Use Cases[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[3] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 002 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Architectural Framework[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[4] NFV ETSI ISG. ETSI NFV POC Report-2014 Multi-Vendor on-Boarding of vIMS on a Cloud Management Framework[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2014.

[5] ONF. ONF White Paper-2012 Software-Defined Networking： The New Norm for Networks[S]. Palo Alto： ONF， 2012.endprint

（5）当IMS虚拟网络功能进行自动容灾保护时，部分IMS用户的业务会被新的网元接管，这要求在IMS域内的DNS中将发生故障网元的SIP URI对应的IP地址更新为新生成网元的IP地址。如果是接入网元发生容灾倒换，则还需在公网的DNS中将被接管用户的SIP URI对应的IP地址改为新生成网元的IP地址。

4.2  IMS核心网虚拟化承载网组网方案

IMS核心网的各个虚拟化网络功能具备自动部署、自动扩展、自动回收和容灾保护的特性，这要求虚拟化网络功能所在数据中心的承载网支持自动为IMS虚拟化网络功能建立虚拟专网、分配网络资源和IP地址、提供有QoS保证的专用网络通道，而且该虚拟专网还应能跨域跨数据中心。

目前数据中心内部和跨数据中心的组网方案都不具备上述能力，因此需要重新考虑数据中心的承载网方案。

SDN体系架构将网络的控制面和转发面相分离，实现了对网络资源的自动管理，可以很好地实现上述功能。基于SDN架构的组网方案如图4所示：

该架构把物理网络资源虚拟化，形成一个虚拟网络。虚拟网络以业务的方式开放给IMS虚拟化网络功能，负责承载业务流，从而屏蔽掉了实际的物理网络。数据中心域内SDN控制器负责管理域内的交换机、路由器等物理节点设备，并通过北向API把物理网络的相关信息传送给虚拟基础设施管理系统。虚拟基础设施管理系统再根据收集到的物理网络拓扑信息，整理出整个虚拟网络的网络拓扑和状态，对虚拟网络的网络资源进行管理，并将相关信息开放给虚拟网络功能管理系统和业务编排系统。

IMS核心网虚拟化包括自动部署、自动扩展、自动回收和容灾保护4个基本应用场景，由于篇幅有限，本文仅针对自动部署和自动回收这2种场景进行说明。自动扩展场景可参考自动部署场景，容灾保护场景则参考自动扩展和回收场景。

（1）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）部署的一键完成：虚拟网络功能管理系统把部署IMS虚拟网络功能对计算、存储和网络等资源的需求提交给虚拟基础设施管理系统。虚拟基础设施管理系统收到网络资源需求时，根据虚拟网络的网络资源使用情况为IMS虚拟网络功能建立专用的VPN，并为相关的网络功能分配IP地址。虚拟基础设施管理系统将相关的路由策略通过SDN控制器下发给涉及到的交换机和路由器，并将资源的分配情况反馈给虚拟网络功能管理系统。虚拟网络功能管理系统根据分配到的资源生成P/S/I-CSCF等IMS虚拟网络功能，同时在DNS中添加各个网元IP地址和SIP URI的对应解析关系。

（2）IMS虚拟网络功能（IMS VNF）的自动回收：待被回收的IMS虚拟网络功能关闭后，虚拟网络功能管理系统把可回收的计算、存储和网络资源需求提交给虚拟基础设施管理系统，同时在DNS中删去回收网元IP地址和SIP URI的对应解析关系。虚拟基础设施管理系统收到回收网络资源请求时，根据虚拟专网的网络资源使用情况回收相对应的网络资源和IP地址，并将修改后的路由策略通过SDN控制器下发给交换机和路由器。

5   结束语

NFV和SDN作为解决现有网络存在的网络不能感知应用、无法实时灵活部署业务、无法共享基础设施资源、运营成本高等问题的新的体系架构，得到了业界的一致认可，是未来网络发展的方向。虽然近年来NFV和SDN技术发展十分迅速，但仍处于发展初期，ONF/IETF/ETSI/OpenSource的大部分技术方案离规模部署还需要进一步的细化和验证。

参考文献：

[1] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 004 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Virtualisation Requirements[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[2] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 001 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Use Cases[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[3] NFV ETSI ISG. ETSI GS NFV 002 V1.1.1-2013 Network Functions Virtualisation （NFV）： Architectural Framework[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2013.

[4] NFV ETSI ISG. ETSI NFV POC Report-2014 Multi-Vendor on-Boarding of vIMS on a Cloud Management Framework[S]. Sophia Antipolis： ETSI， 2014.

[5] ONF. ONF White Paper-2012 Software-Defined Networking： The New Norm for Networks[S]. Palo Alto： ONF， 2012.endprint