基于NFV架构的IMS核心网实现方案

郑舒，王晓东（福建省邮电规划设计院有限公司， 福州 350003）



基于NFV架构的IMS核心网实现方案

郑舒，王晓东
（福建省邮电规划设计院有限公司， 福州 350003）

摘 要本文分析了NFV技术架构和NFV将给核心网络带来的效益，提出了基于NFV架构的IMS网络实现方案和网络演进思路，并总结了当前NFV技术面临的挑战。

关键词NFV；IMS；虚拟化；NFVI；VNF；MANO

1　NFV技术架构

NFV（Network FunctionsVirtualization，网络功能虚拟化）是由运营商主导发起的新型网络技术，旨在通过通用硬件以及虚拟化技术，来承载相关网络功能，从而降低网络成本并提升业务开发部署能力。

根据发布于软件定义网络（SDN）和OpenFlow世界大会的网络功能虚拟化白皮书，网络功能虚拟化的目标是改变当前的网络运营架构模式，利用IT虚拟化技术，将现有的各类网络设备功能整合进标准的工业IT设备，如高密度服务器、交换机、存储等设备。这将使传统网络传输功能可以运行在不同的IT工业标准服务器硬件上，并且可以使之可迁移，实例化，按需分布在不同位置，而无需做新设备的安装。

欧洲电信标准化协会（ETSI）为NFV制定了参考架构，以便所有参与者可以依照共同的框架完成相关研发工作，如图1所示。

根据该架构，NFV包括如图1所示的3部分实体功能。

图1　ETSI制定的NFV参考架构

NFVI（NFV Infrastructure）。具体来说就是，NFVI是一种包含服务器、存储硬件、虚拟化管理程序（Hypervisor）、操作系统、虚机、虚拟交换机和网络资源的云数据中心。NFVI需要将物理计算/存储/交换资源通过虚拟化成虚拟的计算/存储/交换资源池。

VNF（虚拟化的网络功能），实现的是传统各电信网元的功能，VNF所需资源需要分解为虚拟的计算/存储/交换资源，由NFVI来承载。VNF之间的接口依然采用传统网络定义的信令接口（3GPP+ITU-T），VNF的业务网管依然采用NE-EMS-NMS体制。

MANO（管理和编排功能），负责对NFVI和VNF的管理和编排。同其他云计算组织相比，MANO是NFV-ISG提出的创新架构，是实现电信级虚拟化的技术手段。

MANO内部包括VIM、VNFM和Orchestrator 3个实体，分别完成对NFVI、VNF和NS 3个层次的管理。

Orchestrator：编排器是整个MANO域的控制中心，负责对NFV-基础设施资源和软件资源的统一管理和编排。通常整个网络部署1套编排器，可以采用分布式，集群方式部署来提升处理能力和可靠性。

VNFM负责对VNF的生命周期进行管理，包括实例化/升级/扩容/缩容/终止等，VNFM、VNF间关系可以是1：1，也可以是1：N。VNFM可以管理同类VNF，也可以管理不同类VNF。

VIM：包括管理功能和运维功能。管理功能包括资产管理功能、资源池化功能、资源管理和分配。运维功能包括对NFVI的管理和可视、从NFVI层面对性能和故障进行根本原因分析、故障信息的收集和上报、容量规划和性能统计等。

ETSI NFV ISG在定义网络功能虚拟化的同时，也梳理了网络功能虚拟化的主要应用场景：

（1）基于虚拟业务边缘提升自动化水平的场景（如vCPE、vSTB等）；

（2）强调计算能力提升业务控制灵活性的场景（如vEPC、vIMS等）；

（3）利用硬件通用性提升资源共享与智能控制能力的场景（如vBRAS等）。

2　核心网引入NFV技术的优势

现有核心网网络架构复杂，网络功能与网络设备是超强耦合的关系，网络功能均通过专门设计的、厂商专有的设备来实现，这带来了诸多不便。

（1）核心网网元种类繁多，硬件资源难共享，性能提升依赖硬件替换。

（2）新业务引入困难。当运营商要部署新业务的时候，需采用特定厂家的软硬件平台。因为软硬件是紧耦合的，因此开发周期长，代价大，定制繁琐。

（3）由于网络复杂，规划和网维的工作量较大。

在核心网引入NFV，就是把电信设备从目前的专用平台迁移到通用的设备上。也就是说，各种网元变成了独立的应用，可以灵活部署在基于标准的服务器、存储、交换机构建的统一平台上，这样软硬件解耦，每个应用可以通过快速增加减少虚拟资源来达到快速缩扩容的目的，大大提升网络的弹性，如图2所示。

在核心网引入NFV技术会为网络运营商带来诸多效益：

图2　引入NFV后核心网网元形态变化

（1）通过整合设备以及利用IT行业的规模经济效应，来降低运营商的设备成本和能源消耗。同时物理网络统一标准，能够提高运维效率。

（2）网络功能虚拟化在统一的基础架构上运行业务，测试业务，将有力保障了有效的测试和集成工作，减少开发成本，加快业务上线速度，提高创新能力。

（3）基于地理位置或者客户群的针对性服务成为可能，能够根据具体需求快速的扩展或者降低服务能力。另外，基于软件的远程服务无需增加新的硬件设备，这也有助于服务及时性的提升。

（4）网络应用能实现多版本及多租户，支持不同的应用、用户、租户共享统一的平台，网络共享的支持水到渠成。

（5）形成一个广泛多样的产业链，并鼓励开放。它可以开放虚拟一体设备市场给单纯的软件商，自由开发者或者研究人员，鼓励这些开发者带来更多的创新，在很低的风险下带来新的服务以及新的收入。

3　基于NFV的IMS核心网实现方案

IMS设备是否适合采用虚拟化主要考虑以下几个方面：设备接口是否IP化；负责即时语音数据传输的设备不适合虚拟化；需要复杂计算的设备适合采用虚拟化；有大量数据存储、操作和维护需求的设备适合采用虚拟化。

综合以上几个方面，可以看出IMS的业务面、控制面网元具有密集计算处理的特征，符合COTS服务器计算能力较强，适合处理状态转移和信令交互等流程的特点，因此尤其适合进行虚拟化部署。用户数据面的网元对存储可靠性要求高，需要专用的存储和软件，可逐步实现存储虚拟化。而媒体转发面的网元由于负责即时的语音数据传输，还是需要使用专用硬件进行转发。因此建议核心网的NFV部署按照虚拟化的易难程度，逐步演进，如图3所示。

图3　核心网的NFV演进路线图

IMS的控制面网元包括P-CSCF、I-CSCF、S-CSCF、MRFC等；业务面网元主要为TAS。而这些网络实体都是基于ATCA硬件架构实现。IMS核心网网元功能虚拟化通过重新设计P/I/S-CSCF、TAS等核心网网元的系统和软件架构，使其可以独立于底层的硬件设备而运行于通用的服务器平台上。

基于NFV的IMS网络架构如图4所示，所有网元将统一部署于通用硬件之上，通过虚拟化层抽象为归一化虚拟资源提供给上层移动核心网网元软件应用调用。

引入NFV技术以后，网元部署的方式发生变化，包括：需要预先部署NFVI资源池以及MANO系统；各物理网元变为虚拟网元；各网元通过编排的方式生成所需处理资源，加载网元软件后完成部署；新增部署实体，包括NFVO、VNFM和VIM，完成网络自动化部署和监控。

NFV并没有改变网络的逻辑架构。IMS的网元功能虚拟化后，各个网元功能以软件的形式按用户容量变化的实际需要自动在通用硬件平台上加载或卸载。IMS网络的各接口依然存在，信令流程保持不变。

图4　基于NFV的IMS网络架构

目前各大运营商均部署了IMS核心网络，为确保演进过程中业务的平滑、安全过渡，建议采用逐步分阶段引入虚拟化网元的方式。

第一阶段：部分网元虚拟化，进行试点。

在现阶段可利用现网网元进行混合组网，使IMS传统设备及虚拟化设备同时在网运行并提供能力，同时保持传统IMS网络与vIMS网络的分离。vIMS提供给试点用户接入，而普通用户仍然使用传统IMS网络。通过相对小规模的应用，可积累vIMS的集成、部署、运维及管理经验，验证vIMS的运营能力。建设初期，建议选取IMS核心网的S-CSCF/ I-CSCF和TAS网元实现虚拟化。新增试点SBC内置P-CSCF及DNS功能，试点用户应由试点SBC接入。新增的虚拟化S/I-CSCF和TAS需连接现网HSS，试点SBC需连接现网PCRF。组网架构如图5所示。

第二阶段：虚拟化网元逐步替代传统网元，实现vIMS网络的全面部署。

随着网络规模不断扩大，vIMS网络开始接入普通用户，传统的IMS网络设备逐步退出服务，最后完成向全面的NFV架构演进。在网络层面，采用SDN架构实现控制与转发分离，控制面集中化部署在数据中心，采用NFV实现资源共享与动态调度。

4　NFV技术在核心网应用带来的挑战

NFV技术在核心网真正实现商用还面临着一些挑战。

4.1标准化协议

ETSI提出的NFV规范了网络功能虚拟化的架构，但是各模块间的接口只定义了功能，未细化协议细节。

4.2底层设备性能

虚拟化是NFV的关键技术，然而测试结果显示，虚拟化会造成IMS设备的处理能力下降，系统时延较大，达不到传统设备的水平。比如NFV技术部署到服务器上后，I/O接口数据转发存在性能瓶颈，和传统网络设备相比会有30%～40%的性能损失，只有缩小到10%以内才能达到商用水平。因此，NFV的真正商用对虚拟化技术和硬件的处理能力都提出了更高的要求。

图5　部分网元进行NFV试点的IMS组网架构

4.3可靠性

传统核心网的可靠性要求达到5个9，即99.999%，虚拟化核心网设备基于通用服务器，可靠性要低于专用的高性能网络设备。NFV必须采用虚拟机分散、虚拟机备份和管理系统备份等方式来提高虚拟化系统的可靠性，不过这些技术的引入又增加了NFV实现的难度，使得NFV技术过于复杂。

4.4业务部署方式

NFV部署流程与传统流程在很多方面有所不同。传统网络通过容量测算后采集硬件设备，再通过调货调试然后业务上线。NFV引入后，硬件采用虚拟资源池中的资源，由MANO实现业务编排、虚拟资源需求计算及申请，完成网络能力部署。业务部署方式的变化对现行的设备采购模式、运行维护模式产生较大的冲击，虚拟化核心网如何集成、运维是一个巨大的挑战。

5　结束语

随着虚拟化和云计算技术的发展，NFV的出现为解决传统核心网架构的弊端提供了很好的思路。NFV基于虚拟化技术提供了一个新的网络产品环境，推动IT和电信行业融合，实现运营商网络部署能力的提升、网络部署成本的降低和运营能力的增强。虽然NFV在技术路线、硬件/平台技术、网络管理体系、组网建设方案等多方面还有许多关键技术问题待攻关，但核心网向NFV架构演进仍将是未来网络的重要部分，值得我们继续深入研究。

参考文献

［1］ 赵慧玲，解云鹏，史凡. 网络虚拟化及网络功能虚拟化技术探讨［J］. 中兴通讯技术， 2014（5）.

［2］ 王茹， 曲璐. IMS网络虚拟化部署分析［J］. 移动通信， 2015（5）.

News

Implementation scheme of IMS based on NFV architecture

ZHENG Shu， WANG Xiao-dong
（Fujian Post&Telecom Planning and Designing Institute， Fuzhou 350003，China）

AbstractThis paper expounds the technical architecture of NFV， and analyzes the benefits that NFV brings to the core network. At the same time， it puts forward the implementation scheme of IMS network based on NFV architecture and the evolution of the network， and summarizes the current challenges of NFV technology.

KeywordsNFV； IMS；Virtualization； NFVI；VNF； MANO

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）05-0008-05

收稿日期：2016-04-13