基于NFV架構的5G核心網(wǎng)

  1. NFV典型網(wǎng)絡(luò )架構

  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)，利用標準化的通用IT設備來(lái)實(shí)現各種網(wǎng)絡(luò )設備功能。其本質(zhì)是實(shí)現硬件資源與軟件功能的解耦，目標是通過(guò)標準的x86服務(wù)器、存儲和交換設備來(lái)取代通信網(wǎng)絡(luò )中私有的、專(zhuān)用的網(wǎng)元設備，在為運營(yíng)商節省投資的同時(shí)實(shí)現新業(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典型架構示意如圖1所示。

  圖1 NFV典型架構示意

  整個(gè)NFV架構可分為3個(gè)主要部分。

  (1)NFV基礎設施(NFV Infrastructure，NFVI)。NFV基礎設施包括物理資源、虛擬化層及其上的虛擬資源，其中物理資源包含計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )3個(gè)部分的硬件資源，相應的虛擬資源也對應計算、存儲和網(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(Element Management System，EMS)。VNF：虛擬化后的業(yè)務(wù)網(wǎng)元部署在虛擬機上，其功能與接口和非虛擬化時(shí)保持一致，只是實(shí)現方式不同。EMS：完成傳統的網(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，負責虛擬業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò )的部署、調度、運維和管理，構建可管、可控、可運營(yíng)的業(yè)務(wù)支撐能力。

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

  2. 基于NFV的5GC 網(wǎng)絡(luò )架構

  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，傳統專(zhuān)用硬件架構的網(wǎng)元被拆分成NFVI 和VNF。NFVI為云資源池內的計算、存儲及網(wǎng)絡(luò )資源，VNF為網(wǎng)元的功能。NFV架構只是改變了網(wǎng)元功能的實(shí)現方式，不改變網(wǎng)元之間的邏輯關(guān)系。

  (1) NFVI

  NFV基礎設施包括硬件資源、虛擬化層及其上的虛擬資源，具體描述如下。

  ●計算資源為上層應用提供計算處理能力，其設備形態(tài)主要包括機架式服務(wù)器、刀片式服務(wù)器、整機柜服務(wù)器等通用x86服務(wù)器，x86 服務(wù)器內組件主要包括 CPU、內存、網(wǎng)卡、硬盤(pán)等。

  ●存儲資源為上層應用提供存儲能力，主要包括各類(lèi)集中式存儲和分布式存儲設備，例如，集中式磁盤(pán)陣列、通用服務(wù)器構成的分布式存儲設備等。對于分布式存儲，其設備形態(tài)與計算資源設備形態(tài)一致，均為通用x86服務(wù)器。

  ●網(wǎng)絡(luò )資源為NFV基礎設施環(huán)境提供物理網(wǎng)絡(luò )互聯(lián)互通能力，主要包括交換機、路由器、防火墻、負載均衡等網(wǎng)絡(luò )設備。

  具體的5GC的NFV 基礎設施可以根據需要對x86服務(wù)器的具體配置進(jìn)行定制，例如，對計算資源的x86服務(wù)器可以加強CPU的配置，對于分布式存儲服務(wù)器可以加強存儲的定制，以提高硬件基礎設施的使用效率。

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

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

  ●支持虛擬機間的資源隔離。

  ●支持虛擬機熱遷移。

  ●支持分布式虛擬交換機。

  ●支持虛擬機運行狀態(tài)的監控及向VIM上報，包括運行、停止、故障及其他狀態(tài)信息，也包括虛擬機的vCPU占用率、虛擬內存使用率、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)器運行狀態(tài)的監控及向VIM的上報，包括運行、停止、故障及其他狀態(tài)信息，也包括物理服務(wù)器CPU、內存、磁盤(pán)、網(wǎng)卡等關(guān)鍵部件的狀態(tài)及CPU 利用率、內存利用率、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基礎設施通過(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算資源、虛擬存儲資源和虛擬網(wǎng)絡(luò )資源，為NFV提供所需的運行環(huán)境。

  (2) VNF

  VNF是基于NFVI虛擬資源部署的業(yè)務(wù)網(wǎng)元，對應到初期部署的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，提供網(wǎng)元管理功能。EMS與VNF一般由同一廠(chǎng)商提供。

  (4) VNFM

  VNFM是VNF管理系統，負責VNF生命周期管理，運營(yíng)商的維護人員通過(guò)VNFM可以對VNF進(jìn)行透明運維管理。

  (5) VIM

  VIM能夠實(shí)現對計算、存儲、網(wǎng)絡(luò )資源的管理、調度與編排，具備資源監控告警等功能，并配合NFVO和VNFM實(shí)現上層業(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負責NFVI資源編排及NFV生命周期的管理和編排，并負責網(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(lèi)型、型號無(wú)關(guān)，軟件可以部署在A(yíng)廠(chǎng)商提供的硬件設備上，也可以部署在B廠(chǎng)商提供的設備上，對應到計算資源，可以理解為軟件部署在x86服務(wù)器上，與哪個(gè)設備廠(chǎng)商是什么型號的服務(wù)器無(wú)關(guān)。在軟硬件解耦中虛擬化層將具體的物理計算資源、存儲資源、網(wǎng)絡(luò )資源抽象為虛擬資源，實(shí)現上層應用軟件與底層硬件的透明化。在軟硬件解耦架構下，硬件基礎設施可以由運營(yíng)商單獨部署，虛擬化層以及應用軟件由廠(chǎng)商統一集成，當然在軟硬件解耦架構下也可以把全部軟硬件都交付給一個(gè)廠(chǎng)商集成。

  三層解耦是在軟硬件解耦的基礎上再進(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)+ 應用軟件(NFV)三層的相互獨立，這三層間相互透明。通用硬件、虛擬化、應用軟件可以分別由不同的廠(chǎng)商或服務(wù)商提供。在三層解耦架構下，系統集成可以根據解耦開(kāi)放程度的不同分為單廠(chǎng)商模式、共享虛擬資源模式、軟硬件獨立模式和全解耦模式?；贜FV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(chǎng)商模式層間開(kāi)放性不夠，但因為都是廠(chǎng)商內部設備的互通，層與層間的兼容適配等問(wèn)題解決起來(lái)相對更快，理論上完成整體集成工作所需的時(shí)間最短。全解耦模式下運營(yíng)商的選擇性最大，集成相應的也是最復雜的，涉及不同層間的兼容性適配，即層間互通難度較大。當采用三層全解耦模式時(shí)，為保證NFV架構的網(wǎng)絡(luò )能按照預期設定的目標運行，運營(yíng)商會(huì )在網(wǎng)絡(luò )正式部署前開(kāi)展相關(guān)解耦測試等準備工作，以統一各參與方對跨層互通的一致性，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、測試情況、供貨情況、投資成本等，運營(yíng)商需要根據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。