虚拟化核心网在4G车载站的应用

贾雷亮++范君军++申卫华++黄新波

摘要：本文实现了一种基于虚拟化核心网技术的车载站，通过虚拟化技术，将4G核心网不同网元的硬件运行在同一个处理器硬件下，不影响原有方案的性能，缩小了产品体积，节省了硬件成本，维护成本等，同时提升了设备的升级、维护方便性等。

关键词：虚拟化；无线通信；4G；KVM；车载站

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）01-0240-03

1 概述

传统的车载站大多都采用分布组网方式，将传统的基站单元集成，每个网元占用一定的空间，产生一定的功耗，同时各个网元之间采用特定的数据传输。

图1 传统车载站方案

采用虚拟化架构的核心网之后，可以将多个模块，甚至是单板合并到一个单板之中，使用一个单板的硬件实现原来多个单板的功能。设备的体积和功耗有了大大的改善。更加体现了车载站的灵活机动、快速部署特点，在性能上也能达到传统车载站的性能。

图2 虚拟化后的车载站方案

2 基于KVM技术的4G核心网实现

2.1虚拟化简介

所谓虚拟化[2]就是把事物从一种形式改变为另一种形式。计算机的虚拟化使单个计算机看起来像多个计算机或者完全不同的计算机，也可以使多台计算机看起来像一台计算机，虚拟化代表着对计算资源的抽象，而不仅仅局限于虚拟机的概念。虚拟化技术主要分为以下几个大类：平台虚拟化、资源虚拟化和应用程序虚拟化等。我们通常所说的虚拟化主要是指平台虚拟化技术。随着近年多核系统、集群、网格甚至云计算的广泛部署，虚拟化技术在商业应用上的优势日益体现，不仅降低了 IT 成本，而且还增强了系统安全性和可靠性，虚拟化的概念也逐渐深入到人们日常的工作与生活中。本文针对 linux平台，基于KVM虚拟化方案使用Intel-VT 硬件辅助虚拟化技术实现了虚拟化技术在4G网络中的应用。

2.1.1 KVM简介

KVM 是一种完全虚拟化解决方案[3]，它有一个方面非常独特：它将 Linux 内核转换为一个使用内核模块的 hypervisor[4]。这个模块允许使用其他客户操作系统，然后在宿主 Linux 内核的用户空间中运行（参见图 1）。内核中的 KVM 通过[5] /dev/kvm

字符设备来公开虚拟化后的硬件。客户操作系统使用为PC硬件仿真修改过的 QEMU 进程与 KVM 模块接口。

2.2 SR-IOV技术简介

SR-IOV全称Single-Root I/O Virtualization，通过SR-IOV，一个PCIe设备不仅可以导出多个PCI物理功能，还可以导出共享该I/O设备上的资源的一组虚拟功能[6]。SR-IOV标准允许在虚拟机之间高效共享PCIe设备，并且它是硬件实现的，可以获得能够与本机性能媲美的I/O性能[6]。图4介绍了针对PCIe硬件的SR-IOV技术。

图3 KVM全虚拟化： 使用Hypervisor分享底层硬件

图4 SR-IOV技术

每个SR-IOV设备都可有一个物理功能（Physical Function，PF），并且每个PF最多可有64000个与其关联的虚拟功能（Virtual Function，VF）。PF可以通过寄存器创建VF，这些寄存器设计有专门用于此目的的属性。一旦在PF中启用了SR-IOV，就可以通过PF的总线、设备和功能编号访问各个VF的PCI配置空间。每个VF都有一个PCI内存空间，用于映射其寄存器集。创建VF后，可以直接将其指定给各个应用程序。此功能使得虚拟功能可以共享物理功能，提高系统性能。

2.3 验证环境搭建

2.3.1 版本准备

移植传统的EPC和IMS版本，将原本的组网方式改变，采用内部虚拟网络进行通信。EPC和IMS分别运行在独立的虚拟机中。为了能够进一步验证系统的稳定性和性能，EPC和IMS版本均能够单独在基于intel的单板上运行起来[7]，进行单独测试验证。

2.3.2 Host操作系统安装及配置

首先安装Host操作系统，安装过程如下：

1.首先在CPU Bios中打开虚拟化选项。

2.Host操作系统选用Ubuntu 14.04版本

3.网卡选用intel的i350。通过lspci查看当前连接的pci设备，可以查看到有关i350网卡信息：

01：00.0 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.1 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.2 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.3 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

通过以下命令开启i350网卡vf模式：

modprobe –r igb

modprobe igb max_igb=2

通过lspci查看效果：

01：00.0 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.1 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.2 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.3 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

02：10.0 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Ethernet Controller Virtual Function （rev 01）

02：10.4 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Ethernet Controller Virtual Function （rev 01）

由于虚拟机启动时需要br0设备，因此需要创建一个br0网桥设备。

brctl addbr br0

2.3.3 客户机安装及配置

客户机包含两台，分别运行EPC和IMS。

在Ubuntu14.04虚拟机系统管理器中分别创建2台虚拟机，记做Guest0和Guest1。均使用CentOS6.3操作系统[8]。

将CPU资源等分给Guest0和Guest1。

将服务器物理内存40%分别分配给Guest0和Guest1。

对主机上安装的PCIe网卡i350配置2个VF网络接口，将2个VF网络接口分别分配给Guest0和Guest1。

2.3.4 性能测试模型

EPC性能测试模型如下：

图5 EPC性能测试模型

IMS性能测试模型如下：

图6 EPC性能测试模型

EPC和IMS同时部署性能测试模型如下：

图7 EPC和IMS连调性能测试模型

车载站性能测试模型如下：

图8 车载站性能测试模型

配置测试呼叫器如下：

测试模型：运行attach+S1+X2+TAU混合脚本，呼叫模型21.6KBHCA。

分别模拟4路eNB：

eNB1：attach，最大在线用户300个，每500ms接入一个用户，每个用户在线保持100秒，上下行各100M；

eNB2：attach+S1切换脚本，最大在线用户300个，每500ms接入一个用户，每个用户在线保持150秒，不带业务。

eNB3：attach+TAU切换脚本，最大在线用户300个，每500ms接入一个用户，每个用户在线保持150秒，不带业务。

eNB4：attach+X2脚本，最大在线用户300个，每500ms接入一个用户，每个用户在线保持 150秒，不带业务。

3 测试结果

3.1 单跑部署EPC测试结果

经过长时间压力拷机测试，测试结论如下：

服务器主机Ubuntu14.04系统正常；

EPC虚拟机运行正常；

服务器和EPC虚拟机网口均正常；

使用多种测试呼叫配置进行呼叫，呼叫正常。

EPC各个进程运行正常；

内存使用正常；

CPU最高占用率不超过30%。

3.2 单独部署IMS测试结果

服务器主机Ubuntu14.04系统正常；

IMS虚拟机运行正常；

语音呼叫正常，语音清晰无延时；

视频呼叫正常，语音视频都清晰，无延时；

信息发送正常；

文件传送正常；

内存使用率正常；

CPU所占用率不超过30%。

3.3 EPC和IMS同时部署性能测试结果

语音和视频呼叫接听和挂断正常；

终端与PC端语音功能正常；

终端与PC端视频功能正常，无马赛克；

呼叫器呼叫成功率99.99%；

呼叫过程中未出现系统异常。

3.4 车载站性能测试结果

多台终端单独呼叫和挂断正常；

多台终端同时建立语音正常；

多台终端同时传输高清视频正常；

4 结论

本文所搭建的环境在最开始并没有用到SR-IOV技术，导致网口的性能非常低，丢包率非常高，使用SR-IOV技术后，网口性能基本可以达到限速，从而可以达到传统方式的性能。

随着硬件设备性能的不断升级，特别是多核CPU性能的提升，以及虚拟化技术的不断完善，虚拟化技术在无线通信领域中的应用会越来越广泛，越来越成熟。

参考文献：

[1] 黄新波，陈贵荣，王孝敬，等.输电线路在线监测与故障诊断[M].北京：中国电力出版社，2008：197-217.

[2] IBM developerWorks中国Linux虚拟化技术.

[3] IBM developerWorks中国KVM内存虚拟化及其实现.

[4] IBM developerWorks中国虚拟设备和Open Virtualization Format.

[5] IBM developerWorks中国创建基于KVM的虚拟服务器.

[6] 张克平.LTE/LTE-Advanced—B3G/4G/B4G移动通信系统无线技术

[7] www.3gpp.org/ftp/information/work-plan.

[8]www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/TSG_RAN/Work_Item_sheets.

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[10] 李凤凤.采用网络云的移动核心网虚拟化应用[J].中国信通信，2014（4）.

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[12] 刘丽萍，黄启虎，曹彦飞.核心网设备云化可行性分析[J].移动通信，2014（7）.

[13] 伍元胜，郭兵，沈艳.面向核心网的多层网络能耗优化方法[J].计算机学报，2013（4）.

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[15] 薛淼，符刚，朱斌.基于SDN/NFV的核心网演进关键技术研究[J].邮电设计技术，2014（6）.

[16] 王茹，曲璐.IMS网络虚拟化部署分析[J].移动通信，2015（7）.

（下转第249页）

（上接第242页）

[17]ASPARTIC PROTEASE， Powell，David，Kay，John，Hill，Jeffrey –IEEE Symposium on Computers & Communication - 1998

[18] Cloudified IP Multimedia Subsystem（IMS） for Network Function Virtualization（NFV）-based architectures Carella，Giuseppe，Corici，Marius，Crosta，Paolo IEEE Symposium on Computers & Communication，2014

[19]Dependability Evaluation and Benchmarking of Network Function Virtualization Infrastructures， Cotroneo，Domenico，De Simone，Luigi，lannillo，Antonio IEEE Conference on Network Softwarization，2015.