基于NFV架構(gòu)的5G核心網(wǎng)

  1. NFV典型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

  NFV概念最早由ETSI 組織于2012年10月提出，是指通過(guò)IT虛擬化技術(shù)，利用標(biāo)準(zhǔn)化的通用IT設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能。其本質(zhì)是實(shí)現(xiàn)硬件資源與軟件功能的解耦，目標(biāo)是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的x86服務(wù)器、存儲(chǔ)和交換設(shè)備來(lái)取代通信網(wǎng)絡(luò)中私有的、專用的網(wǎng)元設(shè)備，在為運(yùn)營(yíng)商節(jié)省投資的同時(shí)實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開(kāi)發(fā)和部署，并基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求實(shí)現(xiàn)自動(dòng)部署、容量的彈性伸縮、故障隔離和自愈等功能。NFV典型架構(gòu)示意如圖1所示。

  圖1 NFV典型架構(gòu)示意

  整個(gè)NFV架構(gòu)可分為3個(gè)主要部分。

  (1)NFV基礎(chǔ)設(shè)施(NFV Infrastructure，NFVI)。NFV基礎(chǔ)設(shè)施包括物理資源、虛擬化層及其上的虛擬資源，其中物理資源包含計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分的硬件資源，相應(yīng)的虛擬資源也對(duì)應(yīng)計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)3個(gè)部分。

  (2)虛擬網(wǎng)元與網(wǎng)管。虛擬網(wǎng)元與網(wǎng)管包括虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能(Virtualize Network Function，VNF)與網(wǎng)元管理系統(tǒng)(Element Management System，EMS)。VNF：虛擬化后的業(yè)務(wù)網(wǎng)元部署在虛擬機(jī)上，其功能與接口和非虛擬化時(shí)保持一致，只是實(shí)現(xiàn)方式不同。EMS：完成傳統(tǒng)的網(wǎng)元管理功能。

  (3)NFV的管理和編排(NFV Management and Orchestration，MANO)。MANO包括NFV Orchestrator、VNFM 與VIM，負(fù)責(zé)虛擬業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)的部署、調(diào)度、運(yùn)維和管理，構(gòu)建可管、可控、可運(yùn)營(yíng)的業(yè)務(wù)支撐能力。

  此外，MANO還有OSS/業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)(Business Support System，BSS)網(wǎng)元。該網(wǎng)元除支持傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)管理功能外，還支持在虛擬化環(huán)境下與Orchestrator交互，完成維護(hù)與管理。

  2. 基于NFV的5GC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

  具體到5GC(5G核心網(wǎng))，基于NFV的5GC網(wǎng)絡(luò)組織如圖2所示。

  圖2 基于NFV的5GC網(wǎng)絡(luò)組織

  在基于NFV的網(wǎng)絡(luò)中，傳統(tǒng)專用硬件架構(gòu)的網(wǎng)元被拆分成NFVI 和VNF。NFVI為云資源池內(nèi)的計(jì)算、存儲(chǔ)及網(wǎng)絡(luò)資源，VNF為網(wǎng)元的功能。NFV架構(gòu)只是改變了網(wǎng)元功能的實(shí)現(xiàn)方式，不改變網(wǎng)元之間的邏輯關(guān)系。

  (1) NFVI

  NFV基礎(chǔ)設(shè)施包括硬件資源、虛擬化層及其上的虛擬資源，具體描述如下。

  ●計(jì)算資源為上層應(yīng)用提供計(jì)算處理能力，其設(shè)備形態(tài)主要包括機(jī)架式服務(wù)器、刀片式服務(wù)器、整機(jī)柜服務(wù)器等通用x86服務(wù)器，x86 服務(wù)器內(nèi)組件主要包括 CPU、內(nèi)存、網(wǎng)卡、硬盤(pán)等。

  ●存儲(chǔ)資源為上層應(yīng)用提供存儲(chǔ)能力，主要包括各類集中式存儲(chǔ)和分布式存儲(chǔ)設(shè)備，例如，集中式磁盤(pán)陣列、通用服務(wù)器構(gòu)成的分布式存儲(chǔ)設(shè)備等。對(duì)于分布式存儲(chǔ)，其設(shè)備形態(tài)與計(jì)算資源設(shè)備形態(tài)一致，均為通用x86服務(wù)器。

  ●網(wǎng)絡(luò)資源為NFV基礎(chǔ)設(shè)施環(huán)境提供物理網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)互通能力，主要包括交換機(jī)、路由器、防火墻、負(fù)載均衡等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。

  具體的5GC的NFV 基礎(chǔ)設(shè)施可以根據(jù)需要對(duì)x86服務(wù)器的具體配置進(jìn)行定制，例如，對(duì)計(jì)算資源的x86服務(wù)器可以加強(qiáng)CPU的配置，對(duì)于分布式存儲(chǔ)服務(wù)器可以加強(qiáng)存儲(chǔ)的定制，以提高硬件基礎(chǔ)設(shè)施的使用效率。

  虛擬化層是通過(guò)虛擬化軟件(例如，Hypervisor)為虛擬機(jī)提供運(yùn)行環(huán)境。它允許多個(gè)客戶操作系統(tǒng)(GuestOS)同時(shí)運(yùn)行在一個(gè)物理主操作系統(tǒng)(HostOS)上，GuestOS共享主機(jī)的硬件，使每個(gè)操作系統(tǒng)都有自己虛擬的處理器、內(nèi)存和其他硬件資源。虛擬化層可以實(shí)現(xiàn)以下功能。

  ●支持虛擬機(jī)的創(chuàng)建、刪除、上電、下電、查詢等基本操作。

  ●支持虛擬機(jī)間的資源隔離。

  ●支持虛擬機(jī)熱遷移。

  ●支持分布式虛擬交換機(jī)。

  ●支持虛擬機(jī)運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控及向VIM上報(bào)，包括運(yùn)行、停止、故障及其他狀態(tài)信息，也包括虛擬機(jī)的vCPU占用率、虛擬內(nèi)存使用率、虛擬磁盤(pán)占用率、虛擬網(wǎng)卡的吞吐占用率等。

  ●支持物理服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)控及向VIM的上報(bào)，包括運(yùn)行、停止、故障及其他狀態(tài)信息，也包括物理服務(wù)器CPU、內(nèi)存、磁盤(pán)、網(wǎng)卡等關(guān)鍵部件的狀態(tài)及CPU 利用率、內(nèi)存利用率、網(wǎng)絡(luò)吞吐率、磁盤(pán)讀取速率、磁盤(pán)寫(xiě)入速率、CPU溫度等信息。

  虛擬資源層是NFV基礎(chǔ)設(shè)施通過(guò)虛擬化軟件處理后輸出的邏輯資源。虛擬資源包括虛擬計(jì)算資源、虛擬存儲(chǔ)資源和虛擬網(wǎng)絡(luò)資源，為NFV提供所需的運(yùn)行環(huán)境。

  (2) VNF

  VNF是基于NFVI虛擬資源部署的業(yè)務(wù)網(wǎng)元，對(duì)應(yīng)到初期部署的5GC，主要業(yè)務(wù)網(wǎng)元包括AMF、SMF、UPF、UDM、PCF、NSSF、NRF、BSF 等。

  (3) EMS

  EMS是VNF業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)，提供網(wǎng)元管理功能。EMS與VNF一般由同一廠商提供。

  (4) VNFM

  VNFM是VNF管理系統(tǒng)，負(fù)責(zé)VNF生命周期管理，運(yùn)營(yíng)商的維護(hù)人員通過(guò)VNFM可以對(duì)VNF進(jìn)行透明運(yùn)維管理。

  (5) VIM

  VIM能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)資源的管理、調(diào)度與編排，具備資源監(jiān)控告警等功能，并配合NFVO和VNFM實(shí)現(xiàn)上層業(yè)務(wù)和NFVI資源間的映射和關(guān)聯(lián)，以及 OSS/BSS業(yè)務(wù)資源流程的實(shí)施等。

  (6) NFVO

  NFVO負(fù)責(zé)NFVI資源編排及NFV生命周期的管理和編排，并負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)模板(Network Service Descriptor，NSD)的生成與解析。

  3. 基于NFV的5GC的集成方式

  基于NFV方式的網(wǎng)絡(luò)部署，不可避免地會(huì)遇到集成問(wèn)題，而集成又涉及設(shè)備的軟硬件解耦或三層解耦。

  軟硬件解耦指的是硬件資源與部署在硬件資源上的軟件是不相關(guān)的、透明的，即軟件部署與硬件的類型、型號(hào)無(wú)關(guān)，軟件可以部署在A廠商提供的硬件設(shè)備上，也可以部署在B廠商提供的設(shè)備上，對(duì)應(yīng)到計(jì)算資源，可以理解為軟件部署在x86服務(wù)器上，與哪個(gè)設(shè)備廠商是什么型號(hào)的服務(wù)器無(wú)關(guān)。在軟硬件解耦中虛擬化層將具體的物理計(jì)算資源、存儲(chǔ)資源、網(wǎng)絡(luò)資源抽象為虛擬資源，實(shí)現(xiàn)上層應(yīng)用軟件與底層硬件的透明化。在軟硬件解耦架構(gòu)下，硬件基礎(chǔ)設(shè)施可以由運(yùn)營(yíng)商單獨(dú)部署，虛擬化層以及應(yīng)用軟件由廠商統(tǒng)一集成，當(dāng)然在軟硬件解耦架構(gòu)下也可以把全部軟硬件都交付給一個(gè)廠商集成。

  三層解耦是在軟硬件解耦的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步解耦，從下到上形成通用硬件+ 虛擬化(虛擬化層和虛擬資源)+ 應(yīng)用軟件(NFV)三層的相互獨(dú)立，這三層間相互透明。通用硬件、虛擬化、應(yīng)用軟件可以分別由不同的廠商或服務(wù)商提供。在三層解耦架構(gòu)下，系統(tǒng)集成可以根據(jù)解耦開(kāi)放程度的不同分為單廠商模式、共享虛擬資源模式、軟硬件獨(dú)立模式和全解耦模式。基于NFV的5GC集成方式如圖3所示。

  圖3 基于NFV的5GC集成方式

  上述不同模式的集成難度各不相同，單廠商模式層間開(kāi)放性不夠，但因?yàn)槎际菑S商內(nèi)部設(shè)備的互通，層與層間的兼容適配等問(wèn)題解決起來(lái)相對(duì)更快，理論上完成整體集成工作所需的時(shí)間最短。全解耦模式下運(yùn)營(yíng)商的選擇性最大，集成相應(yīng)的也是最復(fù)雜的，涉及不同層間的兼容性適配，即層間互通難度較大。當(dāng)采用三層全解耦模式時(shí)，為保證NFV架構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)能按照預(yù)期設(shè)定的目標(biāo)運(yùn)行，運(yùn)營(yíng)商會(huì)在網(wǎng)絡(luò)正式部署前開(kāi)展相關(guān)解耦測(cè)試等準(zhǔn)備工作，以統(tǒng)一各參與方對(duì)跨層互通的一致性，屏蔽提供方的個(gè)性化方案，為正式部署掃清障礙。

  具體集成模式的選擇需要考慮多種因素，例如，時(shí)間因素、集成的成熟度、測(cè)試情況、供貨情況、投資成本等，運(yùn)營(yíng)商需要根據(jù)自己的情況選擇最合適的集成模式。

  這里以軟硬件解耦方式為主來(lái)闡述5GC的云資源池方案。