虚拟化IMS网络部署方式探讨

马金兰，彭莉，杨征

（1.中国电信股份有限公司广州研究院，广东 广州 510630；2.中国电信股份有限公司，北京 100033）

1 引言

虚拟化IMS网络指的是在IMS网络中引入网络功能虚拟化技术，将IMS网络的功能实体承载在标准化的X86服务器等通用IT设备上，采用通用IT设备取代IMS网络中的专业硬件设备，实现IMS网络软件功能与硬件资源的解耦，是IMS网络发展演进的趋势和方向。

引入网络功能虚拟化技术后，硬件资源和IMS网络功能之间将引入虚拟化层，同时将引入新的管理域MANO（Management and Orchestration，管理与编排）对网络功能以及资源进行管理，这些网络层面以及实体之间将引入众多的接口，接口的标准化以及各实体的集成需求将给运营商部署虚拟化IMS网络带来挑战。

因此，很有必要在研究IMS网络虚拟化架构的基础上，提出各种不同的部署方式，并在多维度比较分析的基础上，提出运营商选择部署方式的建议，解决虚拟化IMS网络部署方式的选择问题。

2 IMS网络虚拟化架构

虚拟化IMS网络是ETSI定义的NFV架构中的其中一种用例，虚拟化IMS网元对应架构中的VNF实体，其架构如图1所示。

在ETSI定义的NFV架构中：

（1）最底层的是硬件资源层，指的是包括计算、存储和网络资源在内的通用IT设备，其中X86服务器等计算资源提供计算处理能力，磁阵等存储资源提供存储能力，通用交换机及路由器等网络资源提供网络连接功能。

（2）VNF（Virtualize Network Function，虚拟化网络功能）层是虚拟化后的IMS网元功能，主要包括核心层网元I-CSCF、S-CSCF、E-CSCF/LRF、MMtel AS、ENUM/DNS、HSS、MRFC、MRFP、BSF/AP以及接入层网元P-CSCF/BAC。接入层网元P-CSCF/BAC涉及媒体转发，目前受限于通用设备的转发能力，该类网元的虚拟化进展相比核心层网元较为滞后。互通网元MGCF、IM-MGW主要用于与传统网元的互通，随着网络的演进发展，传统网元将陆续退网，该类网元将不再被需要，因此，大部分厂家并不考虑此类网元的虚拟化。

（3）在VNF和硬件资源层之间的是虚拟资源层，主要作为IMS网元和硬件资源层之间的适配层，将硬件资源虚拟化，提供vCPU、虚拟内存、虚拟硬盘及虚拟网卡等组件供VNF调用。由于IMS网络提供的音视频业务为实时业务，对时延性能要求较高，因此，部分厂家的IMS网元将通过给虚拟资源层提出相应的优化需求来提升网元整体性能。虚拟资源层通过VI-Ha接口与硬件资源层进行交互，通过Vn-Nf与VNF层即IMS网元进行交互。虚拟资源层和硬件资源层合并称为基础设施层NFVI（NFV Infrastructure，NFV基础设施）。

（4）MANO是为了适应新的架构提出的管理域，包括Orchestrator、VNFM（Virtualisation Network Functions Manager，虚拟化网络功能管理器）和VIM（Virtualised Infrastructure Manager，虚拟化基础设施管理器）。Orchestrator主要提供虚拟资源的自动编排和调度功能，可以跨专业、跨VNFM管理。VNFM主要负责VNF的生命周期等相关管理功能，通过Or-Vnfm接口与Orchestrator进行交互，通过Ve-Vnfm接口与VNF进行交互。VIM是虚拟化基础设施管理系统，实现对硬件资源和虚拟资源的管理和监控，通过Nf-Vi接口与NFVI进行交互，通过Vi-Vnfm接口进行交互，通过Or-Vi接口与Orchestrator进行交互。

3 虚拟化IMS部署方式

3.1 概述

根据ETSI定义的NFV架构，部署虚拟化IMS网络需要依次部署以下组件并按架构完成组件之间的接口互通：硬件资源层、虚拟资源层、VIM、VNFM、>Orchestrator、VNF，即虚拟化IMS网元。根据各组件之间的接口的标准化程度，虚拟化IMS网络的部署可以采用以下几种方式：单厂家集成、软硬件解耦部署和全解耦部署。

3.2 单厂家集成

单厂家集成方式指的是由IMS厂家统一提供硬件资源层、虚拟资源层、VIM、VNFM以及IMS网元软件，组件之间的接口都采用私有接口。Orchestrator由于涉及多网元、跨专业的调度，通常由第三方提供，但是也可以由其中的一个VNF厂家提供。

3.3 软硬件解耦部署

软硬件解耦部署方式指的是由IMS厂家统一提供虚拟资源层、VIM、VNFM以及IMS网元软件，组件之间的接口都采用私有接口。硬件资源层由第三方提供，与其他组件之间采用标准接口。Orchestrator可以由VNF厂家或者第三方提供。

3.4 全解耦部署

全解耦部署方式指的是IMS厂家只提供VNFM和IMS网元软件，硬件资源层、虚拟资源层、VIM和Orchestrator分别由其他不同的第三方提供。除了VNF和VNFM之间的接口以外，架构中的其他接口都采用标准化接口。

4 部署方式分析及建议

4.1 技术成熟度

在vIMS虚拟化架构的接口方面，目前ETSI并没有对所有的接口都制定统一的接口标准，比如VIM与NFVI、VNFM和Orchestrator之间的接口，这些接口的标准化需要由运营商来完成。虽然部分IMS厂家已经在全解耦实验室环境内完成了接口的互通，但是虚拟资源层往往需要根据IMS网元进行相应的适配，同时，仅仅针对部分厂家的虚拟资源层，没有遍历测试，没有测试所有的接口功能，也没有现网商用的案例，因此，全解耦部署方式的接口还需进一步标准化。

在vIMS网络功能方面，以VoLTE vIMS网络为例，目前已经在实验室环境下基于全解耦模式完成部分厂家核心层vIMS网元的VoLTE业务功能验证，但是并没有对所有IMS厂家都进行验证。主流IMS厂家基于软硬件解耦的部署方式已经在国内运营商现网完成了试点，全面进行了VoLTE网络不同厂家系统之间的联调，与现网增值业务平台的对接，与IT系统的对接，并完成VoLTE业务基本功能端到端的测试验证。国际上主流运营商的商用案例也大都采用软硬件解耦部署方式。单厂家集成方式是IMS厂家最早推出的方式，但是由于软硬件解耦部署方式已经成熟，目前已经很少被应用。

在vIMS可靠性方面，硬件资源层与虚拟资源层的故障都会引起IMS网元的故障，体现为对vIMS业务的影响，由于vIMS提供的是实时的语音业务，对可靠性的要求更高。单厂家集成方式以及软硬件解耦部署方式下，IMS厂家更容易结合虚拟资源层与IMS网元的故障，判断故障由虚拟资源层还是由IMS网元进行恢复，对于故障的判断可以更及时，策略也将更合理，故障将恢复得更快，对业务的影响将更低。在对部分厂家的vIMS全解耦实验室测试中，通过vIMS网元的可靠性机制基本能满足业务的需求，但是更多地依赖vIMS网元的实现。

在vIMS性能方面，vIMS网元通常会对虚拟化层提出一些功能需求，比如DPDK、巨页内存、NUMA亲和性等，以提升vIMS的性能，降低vIMS网元处理时延。一般来说，单厂家集成方式以及软硬件解耦部署方式下，虚拟资源层会根据IMS网元的需求做更多的适配，性能相对会更好些。在对部分厂家的vIMS全解耦实验室测试中发现虚拟资源层对vIMS的性能影响很大，在虚拟资源层不稳定或者性能不够优化的情况下，vIMS的稳定性和性能会出现问题。虽然在抽样式的全解耦实验室中，在经过试验环境的调测后，性能数据基本也能满足要求，但是目前没有遍历测试，无法验证主流的虚拟资源层是否都能满足vIMS性能要求。

4.2 技术先进性

在系统架构方面，全解耦部署方式各组件之间采用标准的接口，符合ETSI定义的NFV目标架构，是IMS网元演进发展的目标与方向。

在硬件资源利用率方面，单厂家集成和软硬件解耦部署方式下，虚拟资源层与IMS网元紧耦合，不利于统一云资源池的引入，异厂家之间网元使用的硬件资源难以共享，资源利用率低；而在全解耦部署方式下，虚拟资源层与IMS网元解耦合，可实现在同一云资源池部署不同厂家IMS网元或者其他网元，比如EPC，可实现资源之间的最大共享，资源利用率高。

在运营商对资源的管控程度方面，单厂家集成和软硬件解耦部署方式下，除了Orchestrator，其他组件都由IMS厂家提供，运营商对资源的管控程度低；而在全解耦部署方式下，运营商可以采用现有资源池承载IMS网元，采用现有云资源池管理平台作为VIM，提升对资源的管控程度。

4.3 集成与部署工作量

单厂家集成方式最大的优点是由单一厂家统一集成，集成工作量小。软硬件解耦部署方式虚拟资源层、VIM、VNFM以及IMS网元软件由VNF厂家集成，硬件资源层由第三方提供，由于硬件资源层与虚拟化层之间的接口较为成熟与简单，集成工程量也比较小。全解耦部署方式VNFM和IMS网元软件、硬件资源层、虚拟资源层、VIM和Orchestrator分别由5个不同的厂家提供，涉及到6个不同组件所有接口的互通，部分接口目前没有制定统一的标准，需要运营商制定接口标准，集成复杂、工作量大。

4.4 维护便利性

单厂家集成方式可以由IMS厂家实现各组件的故障关联，容易实现故障的统一定位，维护起来很便利。全解耦部署方式各组件由不同厂家提供，需要由运营商定义实现故障关联的组件、其他组件与该组件之间故障传递的接口信息，故障的统一定位实现复杂。但是，当所有的接口都实现标准化后，全解耦方式就能采用统一的接口实现故障的关联与统一定位，可以引入统一Orchestrator实现，维护起来同样很便利。软硬件解耦部署方式可以由IMS厂家实现除了硬件以外的其他组件的故障关联，故障统一定位相比全解耦方式较容易实现，硬件故障的管理相比单厂家集成方式较复杂。

4.5 分析总结与部署建议

根据上面几个维度的分析，单厂家集成方式、软硬件解耦部署方式与全解耦部署方式比较情况总结如表1所示。

从三种部署方式的对比分析可以看出，目前尚没有一个完美的方案，运营商需要根据vIMS的商用时间进展、标准化以及研发能力等实际情况分阶段选择上述的vIMS部署方式，并确定演进的方案：

表1 三种部署方式对比分析总结

（1）对于vIMS商用时间较晚的运营商，可以等待接口标准化的成熟，直接选择全解耦部署方式。

（2）对于vIMS商用时间不是很迫切的运营商，且该运营商标准化和研发能力较强，可以利于运营商自身的力量促进接口的标准化与全解耦部署方式的成熟，直接选择全解耦部署方式。

（3）对于vIMS商用时间很迫切的运营商，为了稳健起见，可以考虑先采用软硬件解耦方式，后续再考虑演进到全解耦部署方式。

5 结束语

本文在研究IMS网络虚拟化架构的基础上，提出各种不同的部署方式，并在多维度比较分析的基础上，提出运营商选择部署方式的建议，解决虚拟化IMS网络部署方式的选择问题，运营商需根据vIMS的商用时间进展、标准化以及研发能力等实际情况分阶段选择vIMS部署方式，并确定演进的方案。本文从几个维度分析了vIMS部署方式需要考虑的几个技术因素，但是，vIMS部署方式的选择是与运营商实际情况密切关联的复杂工程，需要考虑的因素可能不仅限本文所提出的。