核心網(wǎng)引入云計算技術研究

（中國移動通信集團設計院有限公司安徽分公司, 合肥 230041）

1 概述

當前，核心網(wǎng)的發(fā)展和建設存在兩個特點，一方面運營商采用集中化方式建設核心網(wǎng)，通過集中化建設、集中化運維管理實現(xiàn)低成本高效運營。另一方面，現(xiàn)網(wǎng)主流廠家的核心網(wǎng)設備，逐步由CPCI平臺向基于x86架構(gòu)的ATCA和BC平臺演進。在此基礎上部署云技術，動態(tài)調(diào)度計算資源則是提高資源利用率，降低建維成本的重要舉措。

本文主要針對目前尚未有成熟標準和產(chǎn)品的核心網(wǎng)領域引入云計算的必要性、可行性、引入策略和步驟進行了分析和研究，目的是為了在運營商在未來的建設和采購過程中，推動核心網(wǎng)廠家產(chǎn)品朝著IT化、虛擬化和云化的目標逐步發(fā)展，最終達到建設一張低成本、高效率運行的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡。

2 云計算技術

云計算是一種利用大規(guī)模低成本運算單元通過IP網(wǎng)絡相連而組成的運算系統(tǒng)，以提供各種計算和存儲服務。

就目前云計算技術發(fā)展來看，其關鍵技術可分為以下幾類：

服務器虛擬化：計算機的虛擬化使單個計算機看起來像多個計算機或完全不同的計算，從而提高資源利用率并降低IT成本。

x86服務器集群：由低成本、通用化的x86組成的服務器集群已經(jīng)在高性能計算中占據(jù)主流，性價比高于現(xiàn)有的小型機系統(tǒng)。

虛擬存儲與云存儲：分布式云存儲采用冗余存儲的方式來保證存儲數(shù)據(jù)的可靠性，以高可靠軟件來彌補硬件的不可靠，從而提供廉價可靠的系統(tǒng)。

3 核心網(wǎng)引入云計算技術的必要性分析

3.1 核心網(wǎng)現(xiàn)狀存在的問題

3.1.1 大部分設備硬件平臺為傳統(tǒng)平臺，分散部署

現(xiàn)網(wǎng)普遍采用CPCI等傳統(tǒng)平臺技術，設備平均容量較低，現(xiàn)網(wǎng)設備的單位占地和能耗較大?，F(xiàn)網(wǎng)設備分布在大量的交換機房，造成運維成本較高，運維效率較低。

3.1.2 設備軟硬件不可分割，通用性較差

現(xiàn)網(wǎng)各設備廠家依照既定的網(wǎng)元功能、接口協(xié)議和設備要求等規(guī)范開發(fā)各自的硬件和軟件產(chǎn)品，網(wǎng)元功能均基于特定的硬件平臺開發(fā)，軟硬件具有不可分割性；網(wǎng)元分類多，控制/承載類/存儲/計費等各類網(wǎng)元功能存在明顯差異，不利于集中采購。

3.1.3 存在多種用戶數(shù)據(jù)

2G/TD-SCDMA HLR用戶數(shù)據(jù)、IMS的固網(wǎng)IMS-HSS用戶數(shù)據(jù)以及TD-LTE的SAE-HSS用戶數(shù)據(jù)在不同設備單獨設置，不利于用戶數(shù)據(jù)的統(tǒng)一管理和開通。

3.2 云計算提供了解決核心網(wǎng)問題的方案

引入云計算技術，采用高容量、集中化、基于x86架構(gòu)的標準ATCA平臺或刀片式服務器平臺，可以解決現(xiàn)網(wǎng)大部分設備硬件平臺為傳統(tǒng)平臺，設備容量較低，占地/能耗較高，從而降低建設和維護成本，使網(wǎng)絡低成本、高效率地運行。

引入云計算技術，在統(tǒng)一的硬件平臺上運行統(tǒng)一的軟件平臺，實現(xiàn)虛擬化技術，可以解決現(xiàn)網(wǎng)網(wǎng)元功能復雜，通用性較差，設備軟硬件不可分割和網(wǎng)元服務區(qū)域性強的問題，從而保障網(wǎng)絡系統(tǒng)具有高度的擴展性和彈性，節(jié)約全網(wǎng)資源。

通過向UDC架構(gòu)演進，實現(xiàn)“數(shù)據(jù)存儲云”，實現(xiàn)全網(wǎng)用戶數(shù)據(jù)統(tǒng)一，便于推行統(tǒng)一的監(jiān)控和業(yè)務部署。

綜上所述，云計算的技術特點能夠在一定程度上解決目前核心網(wǎng)存在的問題。

4 核心網(wǎng)引入云計算技術的可行性分析

4.1 引入云計算技術的判斷流程與因素

4.1.1 判斷因素

云計算最初是針對IT系統(tǒng)設計引入的，適合引入云計算的系統(tǒng)一般具備以下特點：

(1) 系統(tǒng)規(guī)模、發(fā)展趨勢：由具備一定規(guī)模的多個節(jié)點組成的系統(tǒng)，規(guī)模幾乎可以無限擴大。呈平穩(wěn)或增長趨勢的系統(tǒng)和新建系統(tǒng)。

(2) 系統(tǒng)部署方式：硬件設備可集中部署的應用系統(tǒng)。

(3) 系統(tǒng)硬件平臺：不依賴特殊外設硬件的應用系統(tǒng)，具備高度的擴展性。服務器基于或可改造為虛擬化技術架構(gòu)。

(4) 業(yè)務類型：各種批處理應用、OLAP、OLTP等。

(5) 應用形式：交互型、存儲型、數(shù)據(jù)分析型、內(nèi)容類等應用。

(6) 設備形態(tài)：基于x86部署的設備。

4.1.2 判斷流程

對于一個系統(tǒng)是否適合引入云計算，一般按照如下的流程進行判斷：

(1) 首先判斷系統(tǒng)的規(guī)模和發(fā)展趨勢：對于規(guī)模區(qū)域縮減、后期逐漸被其他系統(tǒng)融合、取代的系統(tǒng)，不適合引入云計算。

(2) 判斷系統(tǒng)的部署方式：對于不能集中化部署的系統(tǒng)，不考慮部署。

(3) 判斷系統(tǒng)的硬件平臺：對于依賴特殊外設的系統(tǒng)，不考慮部署。

(4) 判斷系統(tǒng)業(yè)務類型：各種批處理應用、OLAP、OLTP均可以遷移至云平臺。

(5) 判斷系統(tǒng)應用層次：應用層、Web層應用更適合遷移至云平臺。

(6) 判斷系統(tǒng)設備形態(tài)：對于基于x86部署的設備更適合遷移至云平臺。

4.2 核心網(wǎng)已經(jīng)或即將具備引入云計算技術的要求

4.2.1 集中化的建設模式

集中化面對的問題是網(wǎng)元的位置問題，在同一地理位置部署各種網(wǎng)元是“云化”的前提。大容量設備和網(wǎng)絡的支持是集中化必須考慮的基本問題。大容量、集中化的建設模式符合云計算部署的場景，為在核心網(wǎng)中引入云計算技術提供了前提條件。

4.2.2 IT化成為業(yè)界趨勢

核心網(wǎng)若要引入云計算，必須硬件采用通用的x86平臺，具有高度可擴展性；同時軟/硬件分離解耦，可靈活匹配；業(yè)務和計算/存儲解耦；引入資源共享、動態(tài)分配、負載均衡等虛擬化技術，實現(xiàn)資源的虛擬化。

目前，核心網(wǎng)主流的設備廠家的新版本設備都朝著大容量、集中化、IT化方向發(fā)展。諾西公司的Open Core戰(zhàn)略，所有核心網(wǎng)元均采用ATCA硬件平臺，以及統(tǒng)一的Open Core軟件平臺；華為公司的Single Core解決方案中，不同網(wǎng)元的軟件模塊具備共機柜、共機框、共單板部署；愛立信公司也提出了核心網(wǎng)設備共機架、共機框的Blade System解決方案。

4.2.3 IP化

控制、承載、業(yè)務分離的架構(gòu)，以及話音、數(shù)據(jù)、信令的IP承載，是集中化部署的前提，即“云化”的前提。

4.2.4 接口開放

控制層與承載層設備之間接口完全開放，實現(xiàn)異廠家設備對接，是實現(xiàn)服務無區(qū)域限制的前提。

4.2.5 用戶數(shù)據(jù)融合

用戶數(shù)據(jù)融合(UDC)將HLR、HSS、AS等實體中的用戶數(shù)據(jù)抽取出來在數(shù)據(jù)庫中統(tǒng)一存儲和訪問，從而分離用戶數(shù)據(jù)存儲和應用邏輯、統(tǒng)一數(shù)據(jù)管理、提高數(shù)據(jù)訪問效率，進而簡化網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)、為基于用戶數(shù)據(jù)融合的網(wǎng)絡和業(yè)務融合創(chuàng)造條件。

UDC的數(shù)據(jù)存儲部分（BE）可應用云計算技術，引入基于通用硬件集群的分布式存儲系統(tǒng)，替代現(xiàn)有的盤陣存儲方式，實現(xiàn)低成本、高效率的海量數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理。

4.3 核心網(wǎng)引入云計算技術可行性小結(jié)

隨著網(wǎng)絡和設備的演進，核心網(wǎng)不斷朝著IT系統(tǒng)的方向發(fā)展。

(1) 隨著LTE的引入，電路域逐漸萎縮，分組域演進為接入通道，核心網(wǎng)由多網(wǎng)并存，演變成IMS為核心的統(tǒng)一的網(wǎng)絡。

(2) 隨著核心網(wǎng)設備的逐步x86化、IT化，核心網(wǎng)設備由軟硬件不可分割、多種設備類型逐步演進為通用的設備平臺，可支持多種類型軟件。

(3) 隨著設備的逐步集中化，網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)朝著扁平化方向發(fā)展。

由此可見，核心網(wǎng)在系統(tǒng)規(guī)模、發(fā)展趨勢、系統(tǒng)部署方式、系統(tǒng)硬件平臺、設備形態(tài)上都符合引入云計算的條件，根據(jù)判斷流程，核心網(wǎng)初步具備了引入云計算的可行性。

5 核心網(wǎng)引入云計算技術的策略和關注問題

5.1 總體策略

5.1.1 選擇適合使用云計算部署的網(wǎng)元

根據(jù)第4節(jié)的云計算技術引入判斷原則，將判斷依據(jù)歸類成以下3類：

(1) 是否有規(guī)模發(fā)展的潛力，是今后核心網(wǎng)的發(fā)展方向。

根據(jù)當前通信行業(yè)的發(fā)展趨勢，話音業(yè)務增長放緩，數(shù)據(jù)業(yè)務的增長日益迅猛，多媒體業(yè)務逐漸成為主流，下一代核心網(wǎng)將逐漸演進為：電路域萎縮、分組域演進為接入通道、IMS為主體的網(wǎng)絡。因此應選擇LTE系統(tǒng)中的核心網(wǎng)元和IMS域的核心網(wǎng)元作為引入云計算技術的重點。

(2) 是否適宜集中化方式部署。

核心網(wǎng)設備，包括SGSN/GGSN/CSCF/MME/SBC/HSS等，均能集中放置在同一個地理位置的機房中，但是考慮到網(wǎng)絡傳輸?shù)膯栴}，控制網(wǎng)元CSCF/MME/HSS對于承載網(wǎng)絡的要求較低，可集中放置；媒體網(wǎng)元SGSN/GGSN/SBC等對于承載的要求較高，從節(jié)約長途傳輸、避免路由迂回的角度而言，應盡量本地部署。

(3) 是否采用適宜部署云計算技術的設備：

硬件采用x86服務器，軟件采用Linux和統(tǒng)一的平臺軟件的設備是實施云計算的前提，在選擇網(wǎng)元類型時，將重點關注采用ATCA、BC平臺的設備。

5.1.2 遵循“按需替換”的引入原則

按需替換原則是指在有新建容量需求的區(qū)域逐步引入新平臺設備，并部署在省會或區(qū)域中心，后續(xù)在舊設備退網(wǎng)和擴容時，將容量逐步遷移到新平臺設備，其優(yōu)點是投資量較少，且對現(xiàn)網(wǎng)業(yè)務影響較小，存在的問題是建設調(diào)整的工作量較大。

5.1.3 堅持“循序漸進、逐步完善”的原則

電信云平臺是未來的發(fā)展方向，但當前的云技術尚不足以保障電信業(yè)務的開展；現(xiàn)階段主要考慮集中化的建設， 近期應更多關注虛擬化的應用，逐步實現(xiàn)多子網(wǎng)、多業(yè)務、多應用和多廠商異構(gòu)，在引入云計算技術時，應首先考慮相對容易實現(xiàn)的HSS系統(tǒng)，驗證存儲云試點的效果，討論研究部署控制云需要解決的問題，待IP化、接口開放及其他準備工作完成后，分階段試點部署控制云。

5.1.4 按照“先立后破”的原則進行部署

在確保業(yè)務質(zhì)量的前提下，通過現(xiàn)在省內(nèi)集中建設計算、存儲資源，集中建設/維護，降低機房投入、設備投入、人工維護投入和功耗，同時積累建設和運維經(jīng)驗。

在核心網(wǎng)引入云計算的幾個關鍵條件成熟的前提下，考慮在全國的幾個大區(qū)中心建設核心網(wǎng)云計算、存儲資源池，將大區(qū)周邊省市的業(yè)務割接到大區(qū)平臺，逐步關停省市的業(yè)務和設備，將硬件資源整合到大區(qū)中心。

5.1.5 設備廠商遵循先單后多的原則

考慮到廠家的支持程度和進度的不統(tǒng)一性，在引入初期，考慮采用單廠家設備組建云，例如，采用華為設備組建MSS/CSCF/HSS云資源池，采用諾西設備組建CSCF/MME/HSS云資源池等。后期廠商的接口開放后，考慮在同一個硬件資源池內(nèi)部署多廠家的多種業(yè)務云。

5.2 核心網(wǎng)引入云計算技術帶來的問題

5.2.1 對設備的要求

從目前理論分析看，云平臺產(chǎn)品與電信級平臺主要有如下幾點問題需要關注：

(1) 可靠性：目前的通用云平臺產(chǎn)品可靠性要比電信級產(chǎn)品低，云化后可能使系統(tǒng)容量更大，承載網(wǎng)故障或大量錯包、丟包，影響用戶數(shù)可能會更多。

(2) 用戶體驗：從用戶體驗上看，核心網(wǎng)接續(xù)時延有所增加，按目前核心網(wǎng)接續(xù)時延為1～2s看，結(jié)合前期測試結(jié)果整體接續(xù)時延增加0.1～0.6s左右。

(3) 云接口標準化：目前云接口沒有標準化，各個廠家是按照自己方式設計接口，各個廠家的互聯(lián)互通問題比較多，無法滿足快速部署要求。

(4) 可維護性：原來網(wǎng)絡的問題定位只要考慮網(wǎng)元間的水平接口，“云化”后會增加網(wǎng)元層、虛擬化平臺層、硬件平臺層的垂直接口，涉及到更多廠家，增加了維護難度。

(5) 云安全：針對云計算平臺各層次面臨的安全威脅進行全方位的深入分析;多層次、多維度出發(fā)，綜合考慮云安全技術體系架構(gòu)。

5.2.2 對計費系統(tǒng)的改造需求

核心網(wǎng)引入云計算后，一臺設備可能會管轄多個省市的用戶，存在跨本地網(wǎng)組網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)，需區(qū)分本地網(wǎng)進行計費的需求。有以下兩種計費方式：

虛擬MSC ID 計費：對每一個計費區(qū)域（本地網(wǎng)）分配一個MSC ID（一個物理的MSC 按計費區(qū)域劃分多個虛擬的MSC）。

位置區(qū)計費：在本局出的主叫、被叫話單中填寫LAI，同時本局根據(jù)LAI 分配漫游號碼，這樣關口局可以從被叫的漫游號碼映射出被叫的位置，實現(xiàn)對用戶的計費。

5.2.3 對網(wǎng)管系統(tǒng)的改造需求

由于軟交換設備的集中放置，軟交換的網(wǎng)管系統(tǒng)也相應集中設置，各地軟交換網(wǎng)元需通過網(wǎng)管網(wǎng)接入到網(wǎng)管系統(tǒng)，并通過從返牽終端的方式接入到系統(tǒng)的OSS實現(xiàn)對本地設備的管理。

5.2.4 對局址、機房設置的要求

核心網(wǎng)引入云計算之后，云平臺由一系列x86服務器組成，高性能的處理/存儲能力一定會帶來設備在單位體積內(nèi)發(fā)熱量增加。在未來機房散熱系統(tǒng)的管理設計可以考慮針對設備采用更高效率的精準送風方式、冷/熱通道完全隔離的合理布局等措施提高冷卻效率。

6 結(jié)束語

云計算為未來IT技術發(fā)展提供了新的技術手段和業(yè)務模式，它不僅是企業(yè)降低建設和維護成本的重要手段，也為企業(yè)技術創(chuàng)新和市場開拓帶來了契機。本文主要針對目前尚未有成熟標準和產(chǎn)品的核心網(wǎng)引入云計算的必要性、可行性、引入策略和步驟進行了分析和研究，其目的是為了在運營商未來的建設和采購過程中，能夠有規(guī)劃、有針對性的對產(chǎn)品提出新的要求，推動核心網(wǎng)廠家將產(chǎn)品朝著IT化、虛擬化和云化的目標逐步發(fā)展，最終達到建設一張低成本、高效率運行的優(yōu)質(zhì)網(wǎng)絡，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

[1] 吳朱華. 云計算核心技術剖析[M]. 北京: 人民郵電出版社,2011.

[2] 趙慧玲.核心網(wǎng)發(fā)展趨勢的探討[J] .移動通信，2010,34(1).

[3] 韋樂平. 物聯(lián)網(wǎng)的特征、發(fā)展策略與挑戰(zhàn)[J]. 現(xiàn)代電信科技,2011,(4).