关于面向云化的核心网架构探讨

聂子宁

（广东南方电信规划咨询设计院有限公司,广东 深圳 518000）

0 引 言

在传统的通信网络系统中，采用专有软硬件组成核心网络，对网络数据进行转发与处理，网元性能和可靠性较高，但是在网络部署与设计方面缺乏灵活性，导致存在网络建设的周期长、投资成本较高以及网络资源利用效率低等情况。采用虚拟技术进行云体系建构，可以实现核心网络设备与软硬件平台的分离，提高了网络资源的利用效率，降低了网络的运营成本。此外，采用NFV和SDN技术还能实现移动核心通信网络的云化处理。

1 核心网云化的必要性

随着网络通信业务由语音向多媒体方向的演变，采用传统的网络通信技术明显不能满足大容量通信的要求。在多种场景的应用中，如何提高用户的体验效果也是网络通信面临的关键性问题。传统核心网络系统架构如图1所示。

图1 传统核心网络系统架构

1.1 传统网络的灵活性不足

由图1的网络系统架构可以看出，核心网络中的各个设备之间相互隔离，传统的移动通信网络建设的周期长、规模小且网络部署的灵活性较差[1]。在对网络规模进行调整时，网络设备等都需要重新部署与调试，提高了网络建设的成本，而利用云化处理可以使得硬件与软件进行有序耦合与分离，并利用软件技术取代了网络硬件的部署，不仅能提高网络的通信效率，而且还能实现灵活组网。

1.2 体系架构复杂

传统的CPCI移动网络架构体系中，网元结构繁多而复杂且功能固定，软件控制与硬件控制功能融合在一起，导致网络资源的共享难度增加，进而增加了网络的运营成本，也影响着网络的灵活性[2]。采用云化的虚拟网络和新型的服务器管理设备，不仅能改善网络消耗，而且使得网络的硬件平台与软件应用部署分离，降低了网络架构的复杂度与网络建设成本。

1.3 网络统一调度比较复杂

由于传统网络采用的网络设备较多，在资源部署与编排调度方面缺乏统一性，不同数据资源采用不同的平台进行管理，因此不能快速地对网络中的数据进行调度处理，从而影响着平台功能的共享[3]。采用云化技术可以灵活地分配网络资源，实现网络资源的统一编排与调度，对实现网络资源的共享具有十分重要的作用。

1.4 业务处理能力存在差异

采用传统的网络系统架构，物理网元不能相互关联，网络系统结构比较烦琐，网络开放比较困难，开展新功能的开发也比较困难。采用核心云化网络，在控制层中运用SDN技术，简化了移动通信的网络结构，能有效地协调与监控多个网络资源设备的在不同层级之间的转换，提高了网络的运维效率，也便于实现新功能的开发[4]。

此外，核心网的云化具有较高的性价比。在提高网络资源利用的效率同时，还能提升网络中硬件与软件之间的耦合性。此外还能降低网络的运用成本，快速实现了多种业务的开发，并能灵活调整网络结构，有利于提升网络服务效率。

2 核心网云化的技术分析

NFV与SDN技术是一种新型的网络架构技术，二者可融合在一起为网络提供虚拟资源，增加了网络资源使用者与各种资源的粘合度，从而高效地实现网络资源共享，成为核心网络云化的关键技术。在虚拟网络通信中，NFV的功能是提供网元，SDN的功能是连接网络，利用NFV与SDN技术可以实现网元功能的虚化，利用硬件能实现NFV与SDN技术之间的信息传输与控制，对核心网的云化具有十分重要的作用。

2.1 NFV技术

利用网络功能虚拟化（Network Functions Virtualization，NFV）技术对网络功能进行虚拟化处理，从而能提高网络的适应性。采用IT虚拟化技术对各个网络设备进行虚化处理，并在网络服务器、存储设备采用虚拟技术对软件、资源等进行集中控制与管理。针对网络应用的环境而言，NFV技术提供的虚拟网络环境十分透明，从而能将应用程序、业务流程和软件等融合在一起，形成虚拟化的网络环境[5]。

2.2 SDN技术

软件定义网络（Software Defined Network，SDN）技术可提供网络连接，利用分成控制的思想将网络的控制与数据传输相分离。其显著特点就是数据平面与控制平面之间拥有松耦合系统，从而提高网络集中化控制的能力，增加底层与上层之间耦合的透明度。SDN技术通过集中控制软件对网络结构与资源进行调度，不仅能增强网络的虚拟能力与核心网虚化的灵活性，还有利于整合网络通信的资源，提高网络通信的效率。

3 核心网系统云化管理架构

核心网系统云化不仅有利于提高网络与硬件资源的利用效率，还能提升网络软件的可移植性，有利于降低网络的建设与运营成本，并能灵活调度网络资源，提高网络资源的利用效率。核心网的云化就是将软件、网络业务统一编排，将硬件云资源池化，形成一体化的服务模式。采用云计算技术能将网络资源集中在一起，对网络资源进行统一调度，降低网络运营的成本。在网络利用高峰期，通过统一调度网络资源来保证网络通信的质量，采用虚拟化技术使得网元间的接口变化更加灵活。网络的硬件平台与软件平台分离，建立虚拟通道，各个通道之间相互独立，能实现网络资源的灵活调度。

在不同的虚拟机中可以灵活配置多种网络应用，虚拟机的网络配置可实现多版本部署，支持不同环境的用户配置，快速实现网络资源的共享，降低了网络的通信成本[6]。业务能力开放和虚拟化系统统一管理是核心网络云化的关键，在网络核心层引入网络虚拟化技术，利用NFV与SDN技术简化网络架构，集中部署网络控制功能，并向第三方开放网络能力，不同的虚拟化资源分别属于不同的物理层、虚拟化层以及网元应用的管理层，从而能够实现网络的有效协调管理与监控，优化网络的资源配置。核心网系统具体的云化架构如图2所示。

图2 核心网系统云化架构图

3.1 物理层

物理层主要由硬件服务器、网络存储设备以及网络基础设施等构成，通过物理设置管理软件进行控制与管理。在采用云化方式进行管理之后，能为上层虚拟化层提供稳定的物理基础设施与可靠的工作环境[7]。硬件层要求为网络运维提供支持，主要包括承担着网络计算存储和内外部互连互通任务的功能，还需为网络运维提供计算和存储资源，通过网络交换机和物理硬件管理软件对整个物理层进行连接管理。此外，结合Hypervisor对物理硬件层进行虚化处理，实现物理网络通信连接，还要实现云核心的虚拟机与外部物理设备的联通。

3.2 虚拟化层

虚拟化层利用虚拟化技术将网络的物流硬件与网络操作系统分开运行，从而使得不同的操作系统能够在多个虚拟服务器上运用，而这些虚拟服务器则共享同一个物理服务器，从而能最大效度地利用物理硬件资源。然后通过虚拟化服务器管理平台进行统一调度，提高物理服务器的硬件利用率，减少网络基础设施建设的投资成本[8]。场景的虚拟化管理软件有OpenStack、VMware以及TECS等，可以为上层服务提供高效稳定的运行环境。

3.2.1 虚拟机

虚拟机拥有完整的计算机和服务器功能，运行在一个独立的环境中，能按照不同的网络软件和管理软件实现独立网元控制，实现不同的网络通信功能。

3.2.2 Hypervisor

Hypervisor支持KVM、XEN以及EXSi等虚拟化服务，功能隔离与分区网络的物理资源，从而能够有效协调虚拟机对网络硬件资源的访问与控制，并在各个虚拟机之间进行防护与保护。在网络服务器执行Hypervisor技术时，就会加载所有的虚拟机客户端操作系统，根据网络需求自动给每个虚拟机分配适量的内存、CPU以及存储阵列等。

3.3 网元应用层

网元应用层的功能主要是为实现网络云化的设备功能进行虚化处理，提高虚拟网络的适应性，它支持EPC、IMS以及EMS等核心网网元的虚拟化处理与应用。可以管理虚拟化资源的生命周期，具有自动部署和弹性伸缩的性能，与Orchestrator结合在一起能完成网络虚拟化后的服务处理。将控制软件布置在VM上能执行虚拟网元的功能，便于与其他实体网络设备的接口保持一致。

网元管理系统能对核心网云化中的所有控制网元进行管理，也能灵活配置网元，实现网络资源与业务的快速部署，快速改变逻辑网络结构，实现灵活组网等。

利用软件技术来控制云化核心网络的网元。网元软件可以在不同的虚拟机上运行，与传统的网元功能相似，而且对外接口与传统网元保持一致，从而实现虚拟网与传统网络设备之间的互通[9]。利用网元软件技术还能实时采集网络物理服务器的工作状态与虚拟化状态，便于对网络资源进行调度。核心网络中的物理设备和虚拟化层软件来源不同，利用网元软件实时采集网络的工作状态，在系统出现故障时，网元软件能将网络故障以标准化的格式映射到相应的网络虚拟机环境，从而使得上层管理软件与应用系统能快速、准确地处理故障，恢复正常通信功能。

3.4 服务管理层

服务管理层的主要功能是对整个网络进行管理。在虚拟网络环境下，OSS/BSS负责对网络的运维进行管理，并具有网络流量计费的功能，主要包括网络软件运行状态的统计、上报、故障统计与分析以及费用统计系统等，以便于统计网络提供的服务[10]。虚拟化网络服务编排的功能是对网络服务功能进行编排、统计与分析，主要包括云化核心网络的服务生命周期和虚拟网元的服务生命周期，此外还可以提供网络服务管理策略等。

4 结 论

核心网络的云化对优化网络资源具有十分重要的意义，实现了网络中软件与硬件的耦合以及网络资源的共享，可以提高网络资源的利用效率，也便于对内部的网络进行部署。此外，核心网的云化不仅能降低网络的运维成本，而且还能实现网络资源的优化灵活调度，提高网络业务的处理能力和网络用户的体验效果。