VDC资源测算及部署策略探讨

陈 飞，欧中焱（.中讯邮电咨询设计院有限公司郑州分公司，河南郑州 450007；.中国联通福建分公司，福建福州 350000）

1 概述

虚拟化已经成为数据中心建设所必须要考虑的重要方面，虚拟化数据中心（VDC——Virtual Data Center）是将云计算概念运用于IDC 的一种新型的数据中心形态。通过NFV 与云计算技术的结合，建设统一创新型的通信云运营管理系统，应用虚拟化、自动化部署等技术，构建可伸缩的虚拟化基础架构，采用集中管理、分布服务模式，向用户提供一点受理、全网服务的基础设施方案与服务。

未来的通信网络是“以DC 为中心”的“云化网络”，NFV 改变现有通信设备软硬件一体化部署模式，使设置在一个数据中心机房中的各虚拟通信网元，通过统一的虚拟资源层，部署到共享通信云资源池（服务器、存储系统等）中，实现了通信云资源池内资源共享。

2 研究背景

网络功能虚拟化（NFV）带来的好处是：一方面基于x86 标准的IT 设备成本低廉，能够为运营商节省巨大的投资成本；另一方面开放的API接口，也能帮助运营商获得更多、更灵活的网络能力。通过软硬件解耦及功能抽象，网络设备功能不再依赖于专用硬件，资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。

目前，中国联通已完成NB-IoT 专网和VIMS 网的虚拟化架构部署，并在加快推进vEPC 的部署，统一资源、统一调度、统一管理已成为通信云部署时必须解决的问题。

未来通信网络以DC 为中心进行布局，核心网、无线网、数据网等专业部署在统一的云基础设施上，满足4G/5G、宽带业务的布局和覆盖要求；传输、承载网要满足DC 间对带宽、时延及安全的要求；机房空间、电源、空调等要满足设备布放的环境要求。

3 VDC部署策略

中国联通NFV 的部署以VoLTE 业务和新兴物联网应用为切入点，在统一的云化平台下集成vIMS/vEPC/业务链功能，提供完整的核心网云化解决方案，进行控制面集中部署，构建统一的资源管理系统。

VDC 通过云计算技术部署NFV 虚拟化通信网元，各数据中心通过IP 承载网络（以SDN 技术实现智能调度）连接。

3.1 NFV部署

NFV 将传统通信网络设备功能软件化，通过OpenStack虚拟化技术，基于通用的计算、存储、网络硬件设备实现通信网络功能，NFV 将实现传统电信行业与IT产业的深度融合。

NFV 的主要目标是降低成本，节能增效，提高网络/业务管理、维护、部署效率以及未来的开放/创新潜力。

NFV 在实现硬件资源与软件功能解耦的同时，引入了管理和编排功能（MANO），主要用于提供虚拟化资源、虚拟化网络功能和网络业务的统一管理，包含3类功能模块：NFV 编排器（NFVO）、VNF 管理器（VNFM）和虚拟化基础设施管理器（VIM），NFV 具体架构如图1所示。

图1 NFV架构

中国联通目前已实现NB-IoT 和vIMS 的NFV 部署，本文在这基础上对基础设施机房（VDC）以及VDC资源测算进行相应的探讨。

3.2 VDC机房的选取

中国联通VDC 需要满足IDC、通信、IPTV、CDN 等业务的需求，需要结合公有云、通信云和私有云的发展，着眼未来。

3.2.1 VDC机房整体布局及定位

未来云化网络按照区域、本地、边缘三层布局，对于特殊场景需求，个别功能网元下沉到接入层，三层布局架构示意图如图2所示。

图2 VDC三层架构示意图

按照三层布局的架构部署，各层级网络的主要功能及部署网元如下：

a）区域集中：服务全国、大区或全省的业务、控制面网元。主要部署在物联网vCore、vIMS 的控制面（CSCF）及业务层（AS）、4G/5G 核心网控制面（MME、vGW-C、AMF、SMF）、骨干CDN、省中心CDN、IP 支持系统（AAA、DNS）、一干网络的控制器等。

b）本地布局：服务本地网的业务、控制面及部分用户面网元。主要部署在4G/5G核心网用户面（vGWU、UPF）等功能、vBNG、vCDN地（市）节点等。

c）边缘分布：接入层以及边缘计算类网元。边缘云要综合考虑B2C和B2B业务需求，结合无线接入、核心网用户面功能部署，统筹规划边缘云。

3.2.2 VDC机房选取

对于大中型数据中心（DC）机房，如区域DC（全国、省级）、大中型本地DC，侧重于机房的建设与维护成本，尤其需关注如何降低长期运维费用。在建设方面，需重点考虑靠近资源、设备低功耗、高密度与集中管理等因素，同时机房选址还需要考虑容灾备份对承载网的要求，如承载网的网络拓扑、网络质量、不同DC之间交互信息的带宽和时延等。

对于小型数据中心（DC）机房，如小型本地DC、边缘DC，则更关注于机房改造成本，尤其是原有PSTN机房在改造过程中面临的电力、空调等问题。

依据不同的DC层级，选取相应的DC机房：

a）区域DC：机房来源主要是全国大区数据中心基地或者省级通信枢纽机房。

b）本地DC：机房来源是地（市）核心机房和核心节点机房。

c）边缘DC：机房是汇聚机房。

根据DC 部署节奏，在DC 部署前需整合腾退现网机房资源，适时启动机房改造计划。VDC 机房硬件均为通用硬件服务器、存储及交换机设备，设备功率密度较大（传统设备机柜功耗一般不超过5 kW，通用服务器机柜满配能达到8～10 kW），要求机柜深度较深（传统设备机柜深度一般为800 mm，通用服务器机柜为1 000 mm）、设备电源需求以交流为主（传统设备以直流为主），这些变化对传统通信机房的供电、空调、机架等提出了新的挑战。

a）机房空间：根据主设备数量和占地面积，统计各类型机房面积需求，对现有机房进行清理，对现有机房内的走线架等配套设备进行相应的改造，以满足机柜装机需求。

b）空调制冷：合理规划通信设备布局及机房气流组织，采用高密度的供电制冷设备，提高供电制冷能力和能源生产效率。

c）电力改造：加大交流电的引入，考虑到现有传统机房电力问题，建议适当减少单机柜的功耗需求，以满足电源及制冷的需求。

3.2.3 VDC机房容灾需求

NFVI（通用硬件+虚拟层）应具备硬件和软件的冗余备份能力。硬件方面，支持冗余电源接入、冗余网卡连接、冗余散热风扇等高可用性部件，避免由电源及网络接入等单点故障影响业务功能。交换模块需要支持冗余设计，任何一个部件故障不影响带宽和业务性能。软件方面，应支持虚拟机的快速恢复，对于管理软件需要实现组件级的备份。

对于区域级DC 内的虚拟化设备，建议同城异址，不同副本分属不同机房，确保单一局址故障后业务自动迁移不中断，对于本地DC 内的虚拟化设备，将不同副本分割在不同故障域，确保单一故障域发生故障后，本业务自动迁移不中断。

整体从业务和管理2个层面进行容灾部署。

a）业务域：对有业务层容灾方案的网元，采用业务层容灾，网元与传统容灾方式保持一致；对无业务层容灾方案的网元，由NFVI提供相应的容灾机制。

b）管理域：NFVO、VNFM 采用双机负载分担或主备方式容灾，优选双机负载分担；VIM 在DC 内多节点部署，暂不考虑跨DC容灾。

3.3 VDC资源需求测算

VDC 内组网采用Spine/Leaf 的分层架构，组网如图3所示。

图3 VDC组网示意图

以NB-IoT和VIMS建设为基础，通过对vEPC的测算得出一套适合测算VDC 资源池的方法论，该方法论能够指导测算后续新增业务对资源池和机房空间需求。

构建云资源池的要求如下：

a）硬件：采用通用硬件服务器，以x86 架构为主，ARM 架构为辅。存储从集中存储逐步向服务器存储过渡。

b）虚拟层：每个DC 机房部署1 套虚拟层软件（包含VIM 和Hypevisor），VIM 以OpenStack 为主，Hypevisor以KVM为主，后续可向容器类中间件演进。

3.3.1 测算总架构

虚拟化数据中心通过整合服务器将共用的基础架构资源聚合到池中，打破原有的“1 台服务器1 个应用程序”的模式，提高了现有资源的利用率。本文将VDC 资源需求测算的总架构分为通用服务器需求测算和VDC 机房资源需求测算2 个部分，分别如图4 和图5所示。

图4 VDC通用服务器需求测算

图5 VDC机房资源需求测算

3.3.2 基础数据来源

所谓的典配模型必须先选定“建议服务器配置”。实际建设中参考现网IDC 机房以及IT 行业主流服务器配置情况，选取合适的“建议服务器配置”。因各厂家选用或推荐的服务器配置不完全一致，在一期项目建设中，为保证招标清单的标准化，选用统一的服务器配置，各厂家实际配置的服务器应不低于“建议服务器配置”。

第1 部分数据来源：各厂家的典配模型服务器需求是在“建议服务器配置”的基础上，考虑不同厂家的虚拟机（VM）对通用硬件的配置需求以及亲和、反亲和性的不一致后进行配置的，所以各厂家的典型配置模型服务器需求以厂家提供为主，该部分主要测算VNF所需的服务器数量。

第2部分数据来源：VDC部署除了通用服务器外，还需要部署相应的组网交换机，Leaf 交换机（含存储、管理、业务TOR 以及硬件管理交换机）依据服务器的数量进行相应的配置；Spine 交换机按照每DC 机房2台考虑；磁阵也按照每DC 机房2套考虑。该部分主要是根据网络组网需求提供数据。

3.3.3 VDC机架需求测算

3.3.3.1 系数取定

考虑到业务节点服务器冗余，取定冗余系数为1.4；单机架面积：3 m2；单服务器功耗：400 W；TOR 交换机功耗：250 W；Spine 交换机功耗：5 000 W；磁阵功耗：500 W。

3.3.3.2 VDC需求资源测算

根据各机房VNF 的容量、厂家提供的服务器典型配置，计算每个机房所需的业务服务器数量，其中Leaf交换机安装在服务器机柜中，不单独测算机架需求。

总服务器数量=业务服务器数量×1.4（硬件冗余系数）+9 台管理节点服务器（VIM/VNFM/NFVO/PIM，固定配置）

Leaf 交换机数量=管理TOR（服务器数量/40×2）+存储TOR（服务器数量/40×2）+业务TOR（服务器数量/20×2）+硬件管理交换机（服务器数量/40）

总机架需求=总服务器数量/8（每机架装8 台服务器）+2个EOR机架+1个磁阵机架

机房空间需求=总机架需求×3 m2

机房功耗需求=总服务器数量×400 W+Leaf 交换机数量×250 W+Spine交换机数量×5 000W+磁阵数量×500 W。

4 结束语

随着NFV 的快速发展，VDC 的部署需求不断增加，本文从VDC 机房的选取以及VDC 资源测算2 个方面着手，系统地阐述了VDC 建设的关键点。首先，依据中国联通的总体建设要求，明确各省、地（市）机房的定位需求；其次，依据VDC 的资源测算方法，合理地测算VDC 机房所需的空间和功耗的需求；最终，结合VDC 机房的需求定位、VDC 机房的资源需求，并综合考量机房空间、电源和制冷等方面的改造量，选取合适的VDC 机房。本文对VDC 机房的选取和资源测算都有较大的指导意义。另外，选取合适的VDC 机房，合理规划VDC资源也有利于NFV更快更好地部署。