基于NFV架構的5G核心網

  1. NFV典型網絡架構

  NFV概念最早由ETSI 組織于2012年10月提出，是指通過IT虛擬化技術，利用標準化的通用IT設備來實現各種網絡設備功能。其本質是實現硬件資源與軟件功能的解耦，目標是通過標準的x86服務器、存儲和交換設備來取代通信網絡中私有的、專用的網元設備，在為運營商節(jié)省投資的同時實現新業(yè)務的快速開發(fā)和部署，并基于實際業(yè)務需求實現自動部署、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NFV架構可分為3個主要部分。

  (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、網絡3個部分的硬件資源，相應的虛擬資源也對應計算、存儲和網絡3個部分。

  (2)虛擬網元與網管。虛擬網元與網管包括虛擬化網絡功能(Virtualize Network Function，VNF)與網元管理系統(tǒng)(Element Management System，EMS)。VNF：虛擬化后的業(yè)務網元部署在虛擬機上，其功能與接口和非虛擬化時保持一致，只是實現方式不同。EMS：完成傳統(tǒng)的網元管理功能。

  (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)務網絡的部署、調度、運維和管理，構建可管、可控、可運營的業(yè)務支撐能力。

  此外，MANO還有OSS/業(yè)務支撐系統(tǒng)(Business Support System，BSS)網元。該網元除支持傳統(tǒng)網絡管理功能外，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 網絡架構

  具體到5GC(5G核心網)，基于NFV的5GC網絡組織如圖2所示。

  圖2 基于NFV的5GC網絡組織

  在基于NFV的網絡中，傳統(tǒng)專用硬件架構的網元被拆分成NFVI 和VNF。NFVI為云資源池內的計算、存儲及網絡資源，VNF為網元的功能。NFV架構只是改變了網元功能的實現方式，不改變網元之間的邏輯關系。

  (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器、刀片式服務器、整機柜服務器等通用x86服務器，x86 服務器內組件主要包括 CPU、內存、網卡、硬盤等。

  ●存儲資源為上層應用提供存儲能力，主要包括各類集中式存儲和分布式存儲設備，例如，集中式磁盤陣列、通用服務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服務器。

  ●網絡資源為NFV基礎設施環(huán)境提供物理網絡互聯互通能力，主要包括交換機、路由器、防火墻、負載均衡等網絡設備。

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

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

  ●支持虛擬機的創(chuàng)建、刪除、上電、下電、查詢等基本操作。

  ●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(jiān)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、虛擬磁盤占用率、虛擬網卡的吞吐占用率等。

  ●支持物理服務器運行狀態(tài)的監(jiān)控及向VIM的上報，包括運行、停止、故障及其他狀態(tài)信息，也包括物理服務器CPU、內存、磁盤、網卡等關鍵部件的狀態(tài)及CPU 利用率、內存利用率、網絡吞吐率、磁盤讀取速率、磁盤寫入速率、CPU溫度等信息。

  虛擬資源層是NFV基礎設施通過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絡資源，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)務網元，對應到初期部署的5GC，主要業(yè)務網元包括AMF、SMF、UPF、UDM、PCF、NSSF、NRF、BSF 等。

  (3) EMS

  EMS是VNF業(yè)務網絡管理系統(tǒng)，提供網元管理功能。EMS與VNF一般由同一廠商提供。

  (4) VNFM

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

  (5) VIM

  VIM能夠實現對計算、存儲、網絡資源的管理、調度與編排，具備資源監(jiān)控告警等功能，并配合NFVO和VNFM實現上層業(yè)務和NFVI資源間的映射和關聯，以及 OSS/BSS業(yè)務資源流程的實施等。

  (6) NFVO

  NFVO負責NFVI資源編排及NFV生命周期的管理和編排，并負責網絡服務模板(Network Service Descriptor，NSD)的生成與解析。

  3. 基于NFV的5GC的集成方式

  基于NFV方式的網絡部署，不可避免地會遇到集成問題，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的、透明的，即軟件部署與硬件的類型、型號無關，軟件可以部署在A廠商提供的硬件設備上，也可以部署在B廠商提供的設備上，對應到計算資源，可以理解為軟件部署在x86服務器上，與哪個設備廠商是什么型號的服務器無關。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、網絡資源抽象為虛擬資源，實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商單獨部署，虛擬化層以及應用軟件由廠商統(tǒng)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廠商集成。

  三層解耦是在軟硬件解耦的基礎上再進一步解耦，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商或服務商提供。在三層解耦架構下，系統(tǒng)集成可以根據解耦開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，單廠商模式層間開放性不夠，但因為都是廠商內部設備的互通，層與層間的兼容適配等問題解決起來相對更快，理論上完成整體集成工作所需的時間最短。全解耦模式下運營商的選擇性最大，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，為保證NFV架構的網絡能按照預期設定的目標運行，運營商會在網絡正式部署前開展相關解耦測試等準備工作，以統(tǒng)一各參與方對跨層互通的一致性，屏蔽提供方的個性化方案，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，時間因素、集成的成熟度、測試情況、供貨情況、投資成本等，運營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闡述5GC的云資源池方案。