虚拟化核心网的建设和运维探索

2017-07-16王志

中国新通信 2017年12期

王志

【摘要】虚拟化是电信运营商网络发展的必然方向，它提升了网络的灵活性、扩展性，但同时也给运营和维护带来新的挑战。本文结合vIMS试点工作，对虚拟化网络的建设和运维进行了探索，从流程、人才、规划、运维工具、弹性策略、告警关联几个角度进行了研究，为今后规模部署虚化核心网提供一些思路和建议。

【关键词】 NFV 网络虚拟化网络运维核心网

一、引言

3GPP标准组织的研究表明，4G时代之后，电信网络呈现出扁平化、融合化的发展趋势，客观上要求电信网络需要采取更加扁平、更加高效的分层式架构与之适配[1]。

电信网络引入虚拟化是大势所趋，是传统通信网络从CT 向IT 转型的必经之路，引入虚拟化后，势必给网络建设和运营维护带来新的变化和挑战。本文结合vIMS的试点工作，重点从运营维护角度进行了探索和研究。

二、NFV介绍

2.1 NFV概述

NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化），2013 年由ETSI 推动13 家通信运营商发起研究，采用虚拟化技术，基于通用硬件，实现电信网络节点的软件化，专注于快速部署、应用规模扩展和升级，是未来通信网络的基础技术[2]。网络功能虚拟化（NFV）从网络运营商的角度出发，提出的一种软、硬件分离的架构，通过标准化的IT虚拟化技术，实现软件的灵活加载，灵活部署、灵活配置[3]。

NFV 采用虚拟化技术，基于通用硬件实现电信功能节点的软件化，实现了电信网络功能节点的软、硬件解耦。NFV能够提升网络弹性，缩短业务部署时间，促进网络高效低成本运营。通过软、硬件解耦，使得网络设备开放化，软硬件可以独立演进，参与的厂家数量大幅增加，整个电信设备产业链变得更大。硬件基于IT 产业的通用COTS（Commercial off the Shelf）设备来部署，借助于IT 产业的巨大规模带来较低的采购成本，同时硬件设备的更新速度也大幅加快。NFV 将网元功能和硬件资源解耦，避免厂家锁定，实现了系统功能软件化和硬件资源通用化，未来虚拟化包括如下特点[4-8]。

2.2 vIMS系统架构

由于4G 业务的高速发展，多数运营商基于IMS（IP Multimedia Subsystem）的VoLTE（Voice over LTE）正在建设或将要建設，在时间节点上又正好与NFV 的兴起交汇，因此电信网络虚拟化的IMS（又称vIMS）首当其冲。

NFV 网络虚拟化系统架构由物理硬件资源、虚拟资源和虚拟网元功能三层以及一个资源和网元管理调度域组成。NFV 软硬件解耦后，IMS网络由传统的烟囱式的封闭网元重构为NFVI、VNF、MANO 开放网元。

NFVI （NFV Infrastructure）：NFV 基础设施，包括虚拟机管理软件和硬件，网络基础设施NFVI提供云资源池，是将分离的多个服务器，交换机，磁阵整合为统一的资源池。虚拟化层作为云资源池的中间件，将各种规格的服务器、网络、存储资源整合为统一规格的虚拟机、虚拟网络、虚拟存储资源，通过虚拟化技术，可以将资源池的计算/ 存储/ 网络资源对外分配；这些虚拟资源可以动态申请、迁移、调整、释放、重生。

VNF ：虚拟化网络功能，运行在虚拟化平台上的应用软件，VNF 软件需要能够基于x86 通用服务器来运行，需要去除对专用硬件的依赖以适应NFV 架构。VNF 软件内部需要实现服务和物理位置无关。最小部署单元是一个或者多个VM，例如vSBC、vCSCF、vTAS 等。

MANO（Management and Orchestration）是“管理和编排”功能的简称，负责对NFVI和VNF的管理和编排。MANO=NFVO+VNFM+VIM。其中，NFVO（NFV Orchestration）负责网络业务的部署，以及跨厂家、跨数据中心的全局资源管理。VNFM （VNF Manager）负责网元生命周期管理，基本能力包括网元VM 的增、删、查、改。VIM（Virtual Infrastructure Manager）是云平台的管理，负责硬件管理、VM 部署、VM 协调和调度等。

三、NFV试点建设方案

电信市场竞争激烈，运营商的传统网络很有可能沦为包袱沉重、敏捷性差的廉价管道。核心网虚拟化是运营商解决低成本、高效率、快速部署业务的灵活利器。它基于通用硬件实现电信网络功能，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。

某通信运营商2016 年启动电信网络的NFV试点，主要针对IMS、EPC等网元，进行NFV 改造和试验环境搭建，实现相关网元的NFV 功能验证、现网互通测试、探索适合NFV 架构的运维体系，为今后规模部署NFV、建设电信云积累经验，同时做好技术和人员储备。下面重点介绍vIMS试点情况。

3.1 NFV试点方案

NFV试点总体要求：以vIMS为切入点，推动NFV相关技术规范的完善和验证，以未来满足商用为目标。引入多厂商、多形态服务器（刀片/架式），推动资源池的多样化、虚拟层的高兼容性，为未来硬件集采提供多种选择。以满足VoLTE业务为主要抓手，充分验证VoLTE业务承载在NFV的各种能力，包括网管、BOSS、计费、POOL组网等，为NFV未来商用扫清障碍。图1是试点vIMS组网架构。

试点新建了vCSCF、vTAC、vEMS 以及MANO（包括NFVO和VNFM）和TECS（一种VIM），刀片服务器采用了HPC7000和ZTE E9000。同时与现网进行互通测试，现网设备包括EPC、PCRF、HSS、DRA、SBC等网元。

NFV试点预期目标：深入验证NFV满足市场和业务需求发展的支撑能力：以量化方式验证业务的快速上线、网络的快速部署和功能更新。验证方案可行性：全面验证软硬件解耦、vIMS组网、站点组网等技术方案，评估SBC媒体面网元虚拟化可行性，摸索虚拟化性能影响评估方法。验证NFV管理功能：全面验证资源池组网能力，在未来网管整体架构确定后，逐步验证各项管理功能、接口及流程。深入验证传统IMS和vIMS容灾备份能力：验证vIMS独立组POOL、和传统IMS混合组POOL的优劣势和建设思路。

NFV试点阶段：第一阶段验证vIMS的组网、运维、功能、性能等；第二阶段验证vEPC的组网、运维、功能、性能等。为今后大规模部署NFV、建设电信云积累经验，提供建设方向指导。

3.2 NFV建设及运维面临的挑战

虚拟化技术给电信运营商带来了很多好处，比如：（1）通过软、硬件的解耦合，运营商基于标准的通用服务器部署网元功能，有效的降低了CAPEX和OPEX。（2）NFV 实现自动化安装部署，自适应伸缩，缩短了网络建设周期，节省运维时间。（3）资源池化带来更细粒度的资源分配，自愈和弹性实现低冗余率/高利用率，节省硬件设备数量，提升了资源利用率。（4）MANO管理组件的引入，业务部署与调度全局化，运维的自动化，简化网络运维的复杂度，降低运维成本。

NFV技术除了带来了众多好处，同时也引入了一些新的问题和挑战。通过试点并与现网传统IMS 网络的对比，vIMS当前存在如下问题：

1、核心网虚拟化对运营的内部组织流程、人才的培养带来新的挑战；

2、传统的规划采购已不适用网络虚拟化的建设，NFV架构对采购带来的新的变化；

3、虚拟化在已有的逻辑网元之外，又引入了多个网元的UI 界面，其中VIM/VNFM/NFVO/EMS都有自己的UI 界面，不利于维护人员使用；

4、弹性扩缩容策略比较单一，目前厂商版本还只支持按CPU＼BHCA 进行弹性，实际商用需要多种组合策略；

5、告警关联可以在VNFM上运行，也可以在EMS上执行，也可以在NFVO上进行关联，存在方案的选择。

四、NFV网络运维探索

下文结合核心网虚拟化试点工作，针对试点中发现的一些问题，进行了一定的研究和探索，并给出了一些建议。

4.1对流程和人才的建议

引入NFV后，运营商的运营思路由“Carrier Operations”转向“DevOps”，企业文化需要深层次的变革。运营商转型成所谓的“软件”公司。运营商角色将从传统的对电信网络支撑转型到对网络真正的主导控制，从而具备自我规划、自我设计的能力。软件及软件系统的技能和实力将成为真正的硬实力。

从组织架构角度：核心网运维工作整体上分为设备维护、网络分析及业务支撑三大部分。引入虚拟化架构之后，需要对组织架构进行融合，将不同的组织实体进行融合，并梳理新的管理实体的部门职能、部门职责、岗位设置及岗位职责。从而更好的服务于NFV的运维。

从运维模式角度：一方面，建立面向CS/PS/IMS业务的一体化融合运维模式，建立CS/PS/IMS一体化流程规范体系，统一接口、统一支撑，实现CS/PS/IMS深度融合和一体化运作。另一方面，可以采用分层次的运维模式，即成立两个团队，专门负责基础设施维护的团队和专门负责虚拟化以及上层业务的团队。优势是起点要求相对较低，上手容易；劣势是有可能面临流程上的问题以及各部门协作的一系列问题。这时候就需要从流程上把两个团队连贯起来。

从人才培养角度：尽快培养IT/CT复合型人才，新模式下更需要IT/CT专家，既熟悉业务层、也熟悉硬件资源层，也熟悉NFV和SDN等技术，以达到快速分析故障能力。在现有资源不增加的情况下，推动人员技能更新换代，拓展员工的职业发展空间，提升员工技能水平，满足NFV网络的运维需要。

4.2对规划采购的建议

传统网络建设方式为规划->设计->采购->实施，其周期为月级。传统网络的采购都是烟囱模式。对于烟囱模式，硬件和软件都是由同一厂商提供，运营商对设备提供商有验证依耐性，容易被绑架，建设成本也居高不下。

NFV实现了软、硬件的解耦合，这样运营商可以统一对通用硬件进行招标集采，规模采购节省成本。可有效避免单厂商依赖。

NFV使用的都是X86服务器，但X86服务器的更新迭代非常快，一般X86服务器随CPU/内存等的快速發展，不同CPU/内存等对支持的用户数有比较大的变化，且设备可能3-5年就退市，所以采购侧，比较合适的是按6-8个月周期采购。对网络规划，这需要改变原来按年份进行规划采购的模式。

4.3对运维工具的建议

NFV引入带来对现网维护的分层和复杂性，目前试点厂商vIMS支持采用图形工具模式，采用拖拽方式，进行业务网元的部署。省去了复杂的XML文件编辑，使维护人员大大减轻了对NFV维护的恐惧性。相对于部分厂家仅支持文件编辑模式，文件编辑模式对维护人员进行网元部署带来很大的不便。

为提高维护效率和尽快掌握NFV运维技能，以NFV网络可运维、可管理为目标，我们与试点厂商公司共同进行了相关运维工具的实验性部署，从运维角度进行了完善，使得图形化界面更易于维护。

但是vIMS系统维护界面UI比较多，这需要厂家进一步优化合并，便于商用维护快捷。比如VNFM/EMS的UI 界面合并；VIM/NFVO 在同厂家下建议合并。

4.4对弹性策略的建议

NFV 能够提升网络弹性，缩短业务部署时间，促进网络高效低成本运营。自适应伸缩，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。

目前弹性扩缩容策略比较单一，厂商版本还只支持按CPU和注册用户数进行弹性。实际商用需要有多种组合策略指导弹性。

需要深入挖掘多种组合策略，完善扩缩容机制，比如利用大数据技术，结合历史数据，提前进行弹性，避免用户量或者CPU突然上升，导致弹性失败或者一定的呼损。举例来说，针对重大节日，无需等到CPU上升再进行弹性，结合去年几年的数据，以及去年和现在的用户量，基于一定的模型估算出今年需要的系统容量，提前进行扩容。

4.5对告警关联的建议

传统的核心网网元告警不分层，物理资源的告警都是通过业务网元上报给EMS，业务告警中可以携带业务进程所在的物理资源的位置，这样业务告警就包含了硬件资源信息。NFV引入分层架构后，物理资源的告警由MANO检测和上报，VNF与硬件解耦，业务告警不方便获取物理位置，导致不能方便的定位到业务告警与之相关的硬件资源，增加了维护的难度。

因此需要通过告警关联，实现物理层、虚拟化层、业务层的告警关联。硬件资源层故障需要上报告警给VNFM和NFVO，而业务层故障告警上报给EMS，为快速定位故障根源，需要在VNFM或EMS上实现深度故障告警关联，便于维护人员快速定位故障源。此外，OSS和NFVO也可以实现告警关联。

上面表格介绍了各种告警关联方案的流程、优点、缺点。为了沿袭传统的告警运维习惯，推荐使用EMS关联方案。对于EMS比较弱而VNFM比较强的项目，可以使用VNFM关联方案。对于NFVO关联方案，适用于VNFM和NFVO为同厂商设备。对于OSS关联方案，由于现在NFVO和OSS的接口还不成熟，NFVO与OSS对接还比较复杂，除非NFVO和OSS是运营商自营自控的项目，方可以使用OSS关联方案。

四、总结

NFV 是电信运营商网络发展的必然方向，它为运营商带来了低成本、高效率、快速部署业务的好处。但是NFV 作为新的网络架构，给运营和维护带来新的挑战，本文结合试点工作，对虚拟化网络的运营维护进行了探索和实践，为今后规模部署提供一些思路和经验。