虚拟核心网IMS技术及试点应用

靳晓嘉， 杨舟

（中国移动通信集团河北有限公司，石家庄 050021）

虚拟核心网IMS技术及试点应用

靳晓嘉， 杨舟

（中国移动通信集团河北有限公司，石家庄 050021）

本文针对传统核心网如何演进到NFV技术，以及核心网NFV化存在哪些关键技术。尤其演进到NFV后，能给运营商带来哪些实质性的利益做了总结。同时NFV引入还对传统运维、网管、采购、网络规划等都产生了巨大变化，在引入NFV之前如何提高相关部门的技能水平等。

NFV；COTS硬件；VIM/Hypervisor；MANO；VNFM/VNF

1 引言

随着VoLTE-IMS的规模使用，传统IMS包含有SBC、P/I/S-CSCF、BGCF、MGCF、MMTel AS、SCC AS等众多网元，且都由设备厂家专用的软、硬件设备组成。TCO随着网络VoLTE规模扩大和升级换代持续攀升，尤其新业务的部署效率远低于IT行业。NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）技术使用通用硬件和虚拟化技术承载网络功能业务，软硬件的解耦使网络功能可以共享硬件资源池，从而降低昂贵的硬件采购成本，NFV-MANO编排器引入，加快了新业务的上线，并基于业务需求进行自动部署和自动运维，显著降低网络运维的复杂度。

2 运营商核心网引入NFV的需求

随着IT技术向CT技术的渗透，VoLTE使用IMS技术，已经完成了电信业务的集中控制，使得控制层引入NFV具有了更好的可行性，NFV引入IT的COTS服务器及虚拟化技术，增加了NFV-MANO管理及编排层，IT/CT融合对核心网网元带来“颠覆性”的变革。

以VoLTE为例，其传统设备部署已经相当复杂，涉及40多个网元、60多个接口，且存在建设周期长、业务上线慢、成本代价高、业务部署缺乏灵活性等问题。尤其是随着运营商间市场竞争激烈，基础业务收入逐步下降，低成本低效率运营压力大，降低成本、快速部署业务成为追逐的方向。

NFV化核心网是运营商解决低成本、高效率、快速部署业务的灵活利器。它基于通用的计算、存储、网络设备实现电信网络功能，具备软硬件解耦、资源弹性化、业务上线短、高效低成本运营等一系列特点。硬件统一招标集采，规模采购节省成本；资源池化带来更细粒度的资源分配，基于云的自愈和弹性实现低冗余率/高利用率，节省硬件设备数量；通过弹性和按需设定来实现网元缩扩容，根据负载变化和用户请求来有效调整资源配置，有效应对节假日、话务流量上升、潮汐现象等用户事件的发生；网元部署自动化，业务扩容自动化，告警关联及原因分析等手段可减少操作环节，节省运维时间；传统网络建设方式为规划-＞设计-＞采购-＞实施，其周期为月级，NFV实现自动化安装部署，实施周期以天计；运维的自动化使得网管运维体系规模得到较大的精简，简化网络运维的复杂度，降低运维成本。

3 NFV关键技术

3.1 NFV关键技术

NFV技术发展经过了若干阶段变化，NFV本身的几大核心技术如下。

软硬解耦：核心网网元运行在通用的COTS服务器上，摆脱了对设备商的软/硬件绑定束缚，规模采购通用硬件，可降低30%～40%的成本；同时解放了运营商的核心网建设思路和运营模式。

弹性伸缩：NFV具备的弹性扩缩容能力，使得资源池内多网元可共享硬件，运营商应对突发大业务的处置能力有着更低的成本、更灵活的手段。

快速建网：基础硬件和虚拟化管理系统提前部署后，对设备商/IT厂商采购对应网元的LICENSE后，可快速部署、快速建网。

业务部署：NFV中引入MANO及编排器，通过集中的一级NFVO或二级NFVO，可对全国或一个省份多厂家网元快速部署新功能、新业务，提高了运营商对OTT的竞争能力，更好满足用户的需求。

3.2NFV工作原理

ETSI ISG NFV组织定义的技术架构，中国移动结合标准架构，提出增强型架构，如图1所示。

图1中的C1、C10接口为中国移动特别增加，便于物理资源、网元业务层（VNF）出现故障后，能快速上报告警信息，缩短对故障的处理时间。

NFV具有NFVI、VIM、NFVO、VNFM、VNF、EM 6类功能实体，其中：

NFVI即虚拟化基础设施，是虚拟化环境的硬件资源和虚拟资源的总和，NFVI支持跨多个物理数据中心，物理资源通过虚拟化技术组成资源资源池，包括物理资源、虚拟资源。

VIM是NFVI层资源的管理系统，提供了统一的API接口给上层应用使用，VIM本身也提供了对NFVI资源的管理和监控功能；VIM一般也包含PIM及硬件管理功能。

NFVO是虚拟化新增的网元，NFVO实现网络服务的编排管理，NFVO实现VNF的编排管理，NFVO实现硬件资源和虚拟资源的管理和监控，NFVO实现网络服务、VNF的性能和告警监控，NFVO实现网络服务、VNF的策略管理和触发。

VNFM是虚拟化新增的网元，目的是提供厂商对VNF的管理，提高代码复用度，屏蔽VNF的差异，VNFM实现VNF的部署、终止、修改等流程的管理与控制，VNFM实现硬件资源和虚拟资源信息的采集和过滤，VNFM与EMS交互，上报VNF部署信息及虚拟化信息。

图1　中国移动NFV架构图

VNF（虚拟化的网络功能），目前按照3GPP定义的网元实体实现，后续可能会有变化，VNF使用的资源为NFVI的虚拟资源，VNF业务面的实现目前保持传统实现不变（3GPP、ITU-T）。

EM即传统网络中的EMS，负责维护和管理业务网元，EMS的定位与功能保持不变，EMS本身也支持虚拟化，EMS与VNF之间的接口保持传统网络的接口不变，EMS需要新增与VNFM的接口。

4 某运营商NFV-vIMS外场试点经验

4.1试点目的

为进一步验证通用x86服务器硬件、厂商网元功能软件，在NFV架构下，是否满足电信核心网设备的主要需求（容灾、可管、可视、可维），选取纯控制网元VoLTE-vCSCF/vTAS作为试点。

为满足上述试点目的：硬件：2类刀片服务器：HP C7000+ZTE E9000，1类上架服务器：Dell R730；：虚拟层Hypervisor：选取开源KVM；虚拟层VIM：选取支持Openstack的ZTE-TECS云管理系统；EMS/ VNFM/VNF等均由中兴厂家提供。

4.2试点环境搭建

本次试点配置8×ZTE-E9000、8×HP C7000刀片和8×Dell R730上架服务器，三类硬件服务器组合3朵云资源池，采用1套VNFM和NFVO、1套vEMS进行管理。网元部署如图2所示。

图2　试点网元部署图

HP刀片部署VNFM/NFVO/TECS/vCSCF1、ZTE刀片部署TECS/EMS/vTAS1、Dell服务器部署TECS/vCSCF2/vTAS2。验证测试规范的全部条目和VoLTE相关语音通话功能，特别验证了一键部署多网元时间、功能等。

参与试点的硬件、组网设备如表1所示。

表1　试点设备组成

4.3 试点结论及存在问题

试点按照某运营商的测试规范进行一致性测试，测试内容主要分为：硬件、系统安装、云管理、可靠性、网管、VoLTE业务等合计110条测试用例。整体一致性96%。

4.3.1某运营商vIMS试点结论

经过3个多月的试点，对NFV整体架构有了比较直观的了解，尤其对IT/CT功能融合有了深刻的认识，试点还获取了以下结论。

结论1：支持NFV的三大核心功能—容量弹性伸缩、网元快速部署、功能快速更新；且在软/硬件解耦架构下，中兴厂家的VoLTE-CSCF/TAS功能网元可运行在HP/ZTE/Dell的服务器上，可稳定支持VoLTE相关业务，包括用户注册、话音/视频通话等。

其中百万CSCF部署时间10 min；P-CSCF/ S-CSCF/AS同时部署时间22 min。vIMS下VoLTE话音/视频呼叫3～4 s，和现网相比，时延没有明显变化。

结论2：虚拟化可靠性方面既可支持按虚机主备、迁移、重生，也支持按VNF网元的主备、迁移和重生，满足电信设备对可靠性的要求；虚拟化网管支持接收VIM层的硬件资源/虚拟资源的上报、告警，也支持VNF层的业务资源上报/告警，并实现了告警深度关联，对后续设备维护和故障定位提供了较大便利。

其中单VM迁移成功小于3 s；底层硬件故障，引起Hpervisor层、VNF层均告警，快速定位根告警时间不超过15 s。

本次外场试点实现了NFV的主要特性功能，也对VoLTE业务进行了初步验证，为NFV迈向商用化进程提供了重要参考。

4.3.2试点存在问题及解决思路

通过试点并和现网传统VoLTE-IMS的对比，NFV-vIMS当前存在如下问题。

（1）UI界面多，其中VIM/VNFM/NFVO/EMS都有自己的UI界面，不利于维护人员使用；

解决思路：VNFM/EMS的UI界面合并；VIM/ NFVO在同厂家下建议合并。

（2）弹性扩缩容策略比较单一，厂商版本还只支持按CPUBHCA等，实际商用需要多种组合策略；

表2　商用时需要解决的问题

解决思路：需要深入挖掘多种组合策略，完善扩缩容机制。

（3）架式服务器和刀片相比，在风扇监控、更换；后插线缆及需要独立双路电源等多种要求，在NFV大规模使用，会对安装、管理、硬件更换带来很大不便；

解决思路：建议架式服务器厂家后续推出改进的产品，并支持易更换。

（4）试点中虚机规格不同，处理性能差别很大，且为非线性变化。例如2×vCPU组成的VM支持1万用户，8×vCPU组成的VM支持30万用户；

解决思路：虚机规格尽量统一，在统一前提下，易于引入其他厂家硬件或VNF。

同时在试点中，涉及ETSI NFV架构和标准定义模糊的地方，以及商用时，需要解决的问题及解决建议，见表2所示。

5 结束语

NFV商用当前虽然还存在一些问题，但针对国内三大运营商，以最简便的模式、最易于维护的方法，小范围商用NFV，并积累经验，通过商用提高IT/CT复合人才的培养，并按照逐步解耦的方式，循序渐进推进NFV扩大商用，是积极、稳妥的思路之一。

Virtualization core network IMS technology and application

JIN Xiao-jia， YANG Zhou
（China Mobile Group Hebei Co.， Ltd.， Shijiazhuang 050021， China）

Traditional core network evolution to NFV， Key technologies of NFV core network， In particular， the evolution of the NFV， the operators can bring what the benefi ts of a summary of what. Of course， NFV is also introduced to the traditional operation and maintenance， network management， procurement，network planning and so have a great change in the introduction of NFV before how to improve the skills of the relevant departments， etc...

NFV； COTS hardware； VIM/Hypervisor； MANO； VNFM/VNF

TN929.5

A

1008-5599（2016）09-0054-05

2016-05-20