基于NFV的核心网重构研究与探讨

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2016年11月第11期（第29卷总第230期）月刊
电信工程技术与标准化工程与设计2016年第11期
基于NFV的核心网重构研究与探讨
许航天，梁雪梅，方晓农
（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京210019）
摘要运营商正在通过引入IT基因来重构网络，以应对互联网企业的竞争。其中核心网的重构将是整网重构的切入
点，而网络功能虚拟化（NFV）则是实现重构的重要手段。本文首先分析了核心网基于NFV进行重构的背
景，然后介绍了核心网重构的目标架构和虚拟化相关的关键技术，最后探讨了核心网重构的相关策略。
关键词网络功能虚拟化；核心网；重构；管理和编排
中图分类号TN915文献标识码A文章编号1008-5599（2016）11-0040-05
收稿日期：2016-06-07
当前大量数字业务爆发，网络数据流量激增，运营
商却发现这并没有带来相应的收益。究其深层次原因，
当前IT技术的通用化、标准化、组件化的发展理念在
实践中得到了广泛应用，其高效和灵活的基因极大地推
动了互联网业务的发展。而回顾过去十年核心网的发展，
它虽然进行了承载及接口协议等外在通信方式的IP化，
但诸如网络柔性、业务快速部署、基础设施通用化和自
动运维等关键能力，都无法与互联网相提并论。
在未来的数字化进程中，运营商传统语音业务被数
据业务侵蚀已经成为不可逆转的趋势，运营商的收入将
与数字业务更加密切相关。不甘心沦为数字管道、希望
在未来数字业务中占据一席之地的运营商，正在努力通
过对网络的重构，以便在即将到来的全连接、全数字化
的时代能够应对互联网的挑战与竞争。作为通信网络控
制中枢的核心网，对其引入IT基因进行重构，已经成
为运营商当前实施整网重构的重要抓手；而网络功能虚
拟化（NFV）则是实现这一重构的重要手段。
1基于NFV的重构目标架构
NFV的目标是通过研究和发展IT的虚拟化技术，
构建一种基于x86通用服务器的全新架构，将网络功能
从专用硬件中剥离出来，网元以软件形式部署，从而实
现网络能力的灵活配置，提高网络设备的通用化和适配
性，加快网络部署和调整的速度，降低业务部署的复杂度。
为了更快推动NFV理念的推广和产品的实现，
2012年10月，13家运营商发起在ETSI（European
TelecommunicationsStandardsInstitute，欧洲电信
标准化协会）组织下正式成立网络功能虚拟化工作组，
即ETSIISGNFV，致力于实现网络虚拟化的需求定义
和系统架构制定。基于ETSI虚拟化工作组提出的NFV
概念，核心网目标网络架构如图1所示。
NFV基础设施（NFVI）提供虚拟网络功能的运行
环境，包括所需的硬件及软件。硬件包括计算、存储
和网络资源；软件主要包括Hypervisor、网络控制器、
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工程与设计电信工程技术与标准化
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2016年第11期
存储管理器等工具。物理资源被虚拟化为虚拟资源，并
进行池化，以资源池形式供上层虚拟网元使用。在资源
池化的过程中，使用了云计算相关技术。虚拟化技术实
现了软件与硬件解耦，使得资源的供给速度大大提高，
网元部署从数天缩短到数分钟，为新业务的快速上线创
造了条件；云计算技术对虚拟资源进行管理，实现网络
的弹性伸缩，增加了网络的柔性，使资源和业务负荷相
匹配，提高了资源利用效率。
虚拟网络功能包括两部分：虚拟网络功能（VNF）
和网元管理系统（EMS）。虚拟网络功能对应的就是目
前电信网元，每个物理网元映射为一个虚拟网元的VNF
（如图1中vIMS、vEPC即为VNF的实例）。VNF所需
资源需分解为虚拟的计算/存储/网络资源，由NFVI
来承载。VNF之间的接口依然采用传统的信令/媒体
接口，VNF的业务网管依然采用NE-EMS-NMS体制。
管理和编排（MANO）由3个功能模块构成。虚
拟基础设施管理器（VIM）是NFV基础设施的管理模
块，其计算模块通常运行于对应的基础设施节点中，主
要功能包括：资源的发现、虚拟资源的管理分配、故障
处理等，为VNF运行提供资源支持。虚拟网络功能管
理器（VNFM）主要负责对VNF的生命周期（实例化、
配置、关闭等）进行控制。NFV编排器（NFVO）是对
NS（NetworkService）生命周期的管理模块，
同时负责协调NS、组成NS的VNFs以及承
载各VNF的虚拟资源的控制和管理。
BSS/OSS可以沿用现有运营支撑系统，
随着后续网络的发展，必要时可以为虚拟化进
行必要的修改和调整。
综上所述，虚拟化的架构对如IMS网络、
EPC网络等核心网网元功能、接口的技术要
求并未改变，但由于基础设施平台的改变、网
元形态的变化，必然导致电信核心网各层面发
生根本性的变革。
2关键技术分析
基于NFV的核心网重构在实际部署中，将面临一
系列问题，如接口标准化、可靠性、性能、网络资源调度
及协调编排、运行维护方式的转变等问题，其中性能问题
和可靠性问题将是影响网络是否能够满足电信要求的最基
础性的问题，是需要产业链各方都深度思考参与的问题。
2.1性能提升技术
为了支撑电信业务的低时延、高带宽的需求，NFV
架构需要对虚拟化内核进行针对性的优化。目前业界主
要从虚拟计算能力和虚拟网络转发能力两方面出发，提
出了各种方案进行性能提升。
2．1．1虚拟计算能力优化
（1）CPU绑定隔离：为了防止虚拟机对物理CPU
的无序竞争和抢占，虚拟机和物理CPU绑定，保证一
些关键电信业务不受其它业务的干扰，提高这些电信业
务的性能和实时性。
（2）NUMA（Non-uniformmemoryaccess)：非
统一内存访问技术，将全局内存打碎分给每个CPU独立
访问，避免多个CPU访问内存时造成的因资源竞争而导
致的性能下降。云平台在对虚拟机进行部署时，应尽量
将其虚拟CPU与内存部署在一个NUMA节点内，避免
虚拟机跨NUMA节点部署，从而充分降低内存访问时延。
图1基于NFV概念的核心网目标网络架构图
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图2核心网NFV切入点分析图
（3）巨页内存：虚拟机使用内存巨页，从而减少用
户程序缺页次数，提高性能。
2．1．2虚拟网络转发能力优化
（1）DPDK（DataPlaneDevelopmentKit)：
Intel提供的x86平台报文快速处理的库和驱动的套件，
通过采用用户态分组处理增强机制替代内核处理来提高
转发性能。
（2）SR-IOV（SingleRootI/OVirtualization)：
基于硬件的网卡虚拟化方案，将虚拟机直接连接到物理
网卡，获得等同于物理网卡的I/O性能和低时延。
（3）OVS（OpenvSwitch）：基于软件实现的开源
虚拟交换机，提供对OpenFlow协议的支持，可与众
多开源的虚拟化平台相整合，传递虚拟机之间的流量，
以及实现虚拟机和外界网络的通信。
2.2可靠性增强技术
虚拟化的核心网硬件设备基于通用服务器，通用服
务器与传统的电信硬件相比在可靠性方面有所下降。为
了保证实现电信网络及业务电信级的可靠性，除了硬件
可靠性提升之外，还需要其它机制予以保证，其中故障
自愈和地理容灾是最为重要的两个手段。
2．2．1故障自愈
故障自愈是网络在发生故障时，无需人为干预，即
可在极短时间内从失效故障中自动恢复，其过程为：
（1）设置物理资源、虚拟机或VNF等为监控对象；
（2）当VNFM或VIM模块监测到监
控对象发生异常或故障时，将把故障上报至
故障决策点；
（3）故障决策点（架构中为EMS或
NFVO）调用故障恢复策略，并下发给故障
恢复执行体；
（4）故障恢复执行体执行故障恢复动
作，例如硬件资源的故障，VIM将在另外
的节点进行虚拟机重生的动作；虚拟机或
VNF的故障，VIM将启用备用虚拟机并且
对虚拟机进行重启动的操作。
2．2．2地理容灾
地理容灾是保障网络在各种灾难下快速恢复的机
制，需要网络各层协同来实现。
（1）NFV基础设施（NFVI）：以冗余方式部署，
跨DC部署时，DC之间的二层链路需要满足IP承载网
链路的要求；
（2）虚拟网络功能：继承传统网元的地理容灾方式；
（3）管理和编排（MANO）：需要新建相应模块，
并进行1+1主备方式部署。
3基于NFV的核心网重构策略
3.1重构原则与切入点
基于NFV的核心网重构的原则是兼顾效率和技术
成熟度，由简入手逐步推进。
核心网元数量少且集中化，率先基于NFV重构有
利于业务创新，能够以较小代价积累NFV经验。核心
网内部，业务和控制面对新功能需求强烈，具有计算敏
感性，适合先行部署，而媒体转发面流量大，性能要求高，
影响业务感知，待技术逐渐成熟后部署。业务部署角度，
首先从新业务领域引入NFV，有利于提前获取NFV红
利，并且能够减少对现网成熟业务的冲击。由图2分析
可知，目前基于NFV进行VoLTE网络的IMS部署，
将是核心网重构的最佳切入点。
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3.2部署策略
从业务层面看，NFV网络归属电信云范畴，通过
表1对比可以发现，基于NFV的电信云和IT云对网络
需求存在很大差别，表现为对虚拟化层软件和云平台软
件的要求也更高。因此电信云和IT云独立部署是现阶
段普遍认可的选择，未来随着云技术的发展，可以再考
虑电信云和IT云是否可以融合。
3.3解耦策略
NFV架构是一个开放架构，原则上可以由不同的
厂商分层提供相应的软硬件产品。但由于目前的标准对
各层之间接口的定义还不甚清晰，因此在业界的实践中，
运营商会根据自己的实际能力选用图3中某一种方案进
行核心网的重构。
虽然方案3各层全解耦符合NFV的初衷，网络不
再被某一厂商的设备绑定，但是方案3对运营商的集成
能力和接口标准化能力都是非常大的挑战，同时不同厂
家的上层虚拟网元对下层异厂家的虚拟化层的要求如果
得不到满足，系统的性能将会大打折扣。而采用方案1，
虽然形式上进行了分层解耦，但是实质上与之前的单厂
家提供专用硬件无异。在现阶段，作为一种折衷方案，
方案2硬件的独立得到了大多数运营商的接受。后续在
接口标准成熟、产业链更加完善、运营商的IT集成能
力增强的情况下，可以考虑采用方案3的全解耦方式。
3.4网管策略
基于NFV的核心网重构使得原来统一的网管系统演
进为网元管理和基础设施资源管理两部分，一个北向管理
接口演进为两个北向管理接口。虚拟化平台上的虚拟资源、
硬件资源的KPI指标由VIM节点负责采集；虚拟网元相
关的KPI指标由VNF节点负责采集。
网元传统的配置、计费、性能和安全管理，
由VNF上报EMS，但是对于网元故障管理，
需要对将VNF告警和NFVI告警进行关联和
展示，在关联和展示点的选择上有3种方案，
如图4所示。
方案1在VNFM进行告警关联和展示，
该方案的优点为新增功能在VNFM实现，对
IT云现状基于NFV的电信云需求
架构及部署形态多种架构并存，分布式部署以ETSI定义的NFV架构为基础，较为集中部署
可靠性企业级要求99.9%电信级要求99.999%
性能交换只关心可达，时延和QoS要求不高关注设备端到端时延和QoS
故障检测与恢复分钟级要求亚秒级要求
硬件资源以CPU和存储为中心，性能与CPU强相关以网络功能和转发为中心，性能与接口和转发强相关
虚拟化技术
虚拟机粒度小，各虚拟机之间相关性小虚拟机粒度大，各虚拟机之间相关性强
虚拟化层（Hypervisor）多种技术并存，
VMware私有技术占较大比重
虚拟化层普遍基于开源KVM/OpenStack进行扩展，对加速技术
有较高要求
业务需求
无实时高性能转发，无标准的SLA要求实时高性能转发，有标准的SLA要求
基本不考虑网络拓扑与网络拓扑强相关
IT应用种类极大丰富电信应用种类有限，但需要使能互联网的海量应用
IT业务各自独立，南北数据流量大于东西数
据流量
电信业务需要业务之间有逻辑关系，东西内部流量变大，大于南北
数据流量
运维管理模块化运维，各自具备自动化能力整网高度自动化运维
表1IT云和基于NFV的电信云比较表
图3分层解耦方案图
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Researchanddiscussiononre-architectingcorenetworkbasedonNFV
XUHang-tian,LIANGXue-mei,FANGXiao-nong
(JiangsuPosts&TelecommunicationsPlanningandDesigningInstituteCo.,Ltd.,Nanjing210019,China)
AbstractOperatorsarere-architectingthenetworkbyintroducingITgenestoconfrontthecompetitionfromInternet
companies.Re-architectingcorenetworkisthebreakthroughpointofthewholenetwork'sprocess,and
NFV(NetworkFunctionsVirtualization)istheimportantmeanstorealizeit.ThebackgroundofrearchitectingcorenetworkbasedonNFVisanalyzedfirstly.Thetargetarchitectureofcorenetworkand
therelatedkeytechnologiesareintroduced.Finally,therelevantstrategiestore-architectcorenetwork
arediscussed.
Keywordsnetworkfunctionsvirtualization;corenetwork;re-architecting;managementandorchestration
现有网管不会有任何改动；缺点是VNF的KPI值上报
EMS，VNFM关联的告警中缺失关联的VNF的KPI
值。方案2在EMS进行告警关联，沿袭了传统的告警
运维习惯，在告警信息中可以看到业务告警与虚拟资
源、物理资源的关联关系，便于故障快速定位；缺点
是为了适配EMS的变化，需要对OSS进行升级。方案
3是EMS、NFVO直接转发告警信息，由OSS进行关
联，在OSS能够查阅全网多个设备厂家的告警关联关系，
这样可以从全网角度快速定位故障并下派工单，迅速解
决故障；缺点是NFVO和OSS之间的接口目前没有标
准化，接口不够成熟，同时接口较为复杂，不可控因素
较多。
从后续整体运营的角度看，方案3无疑是运营商的
最优选择，但选择该方案也将考验运营商的网络规划能
力和OSS的集成与运维能力。
4结束语
电信网络IT化已经是通信业发展的趋势，核心网
基于NFV进行重构也是业界研究的热点问题之一。本
文就核心网重构的目标、关键技术及相关策略进行了初
步探讨。基于NFV的核心网重构将是对核心网架构的
革命性演进，但这种演进无法一蹴而就，仍需要业界产
业链上下游共同探索。
图4告警关联点方案示意图
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