虛擬化核心網(wǎng)在4G車載站的應(yīng)用

賈雷亮++范君軍++申衛(wèi)華++黃新波

摘要：本文實(shí)現(xiàn)了一種基于虛擬化核心網(wǎng)技術(shù)的車載站，通過虛擬化技術(shù)，將4G核心網(wǎng)不同網(wǎng)元的硬件運(yùn)行在同一個(gè)處理器硬件下，不影響原有方案的性能，縮小了產(chǎn)品體積，節(jié)省了硬件成本，維護(hù)成本等，同時(shí)提升了設(shè)備的升級(jí)、維護(hù)方便性等。

關(guān)鍵詞：虛擬化；無線通信；4G；KVM；車載站

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）01-0240-03

1 概述

傳統(tǒng)的車載站大多都采用分布組網(wǎng)方式，將傳統(tǒng)的基站單元集成，每個(gè)網(wǎng)元占用一定的空間，產(chǎn)生一定的功耗，同時(shí)各個(gè)網(wǎng)元之間采用特定的數(shù)據(jù)傳輸。

圖1 傳統(tǒng)車載站方案

采用虛擬化架構(gòu)的核心網(wǎng)之后，可以將多個(gè)模塊，甚至是單板合并到一個(gè)單板之中，使用一個(gè)單板的硬件實(shí)現(xiàn)原來多個(gè)單板的功能。設(shè)備的體積和功耗有了大大的改善。更加體現(xiàn)了車載站的靈活機(jī)動(dòng)、快速部署特點(diǎn)，在性能上也能達(dá)到傳統(tǒng)車載站的性能。

圖2 虛擬化后的車載站方案

2 基于KVM技術(shù)的4G核心網(wǎng)實(shí)現(xiàn)

2.1虛擬化簡介

所謂虛擬化[2]就是把事物從一種形式改變?yōu)榱硪环N形式。計(jì)算機(jī)的虛擬化使單個(gè)計(jì)算機(jī)看起來像多個(gè)計(jì)算機(jī)或者完全不同的計(jì)算機(jī)，也可以使多臺(tái)計(jì)算機(jī)看起來像一臺(tái)計(jì)算機(jī)，虛擬化代表著對(duì)計(jì)算資源的抽象，而不僅僅局限于虛擬機(jī)的概念。虛擬化技術(shù)主要分為以下幾個(gè)大類：平臺(tái)虛擬化、資源虛擬化和應(yīng)用程序虛擬化等。我們通常所說的虛擬化主要是指平臺(tái)虛擬化技術(shù)。隨著近年多核系統(tǒng)、集群、網(wǎng)格甚至云計(jì)算的廣泛部署，虛擬化技術(shù)在商業(yè)應(yīng)用上的優(yōu)勢日益體現(xiàn)，不僅降低了 IT 成本，而且還增強(qiáng)了系統(tǒng)安全性和可靠性，虛擬化的概念也逐漸深入到人們?nèi)粘５墓ぷ髋c生活中。本文針對(duì) linux平臺(tái)，基于KVM虛擬化方案使用Intel-VT 硬件輔助虛擬化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了虛擬化技術(shù)在4G網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

2.1.1 KVM簡介

KVM 是一種完全虛擬化解決方案[3]，它有一個(gè)方面非常獨(dú)特：它將 Linux 內(nèi)核轉(zhuǎn)換為一個(gè)使用內(nèi)核模塊的 hypervisor[4]。這個(gè)模塊允許使用其他客戶操作系統(tǒng)，然后在宿主 Linux 內(nèi)核的用戶空間中運(yùn)行（參見圖 1）。內(nèi)核中的 KVM 通過[5] /dev/kvm

字符設(shè)備來公開虛擬化后的硬件?？蛻舨僮飨到y(tǒng)使用為PC硬件仿真修改過的 QEMU 進(jìn)程與 KVM 模塊接口。

2.2 SR-IOV技術(shù)簡介

SR-IOV全稱Single-Root I/O Virtualization，通過SR-IOV，一個(gè)PCIe設(shè)備不僅可以導(dǎo)出多個(gè)PCI物理功能，還可以導(dǎo)出共享該I/O設(shè)備上的資源的一組虛擬功能[6]。SR-IOV標(biāo)準(zhǔn)允許在虛擬機(jī)之間高效共享PCIe設(shè)備，并且它是硬件實(shí)現(xiàn)的，可以獲得能夠與本機(jī)性能媲美的I/O性能[6]。圖4介紹了針對(duì)PCIe硬件的SR-IOV技術(shù)。

圖3 KVM全虛擬化： 使用Hypervisor分享底層硬件

圖4 SR-IOV技術(shù)

每個(gè)SR-IOV設(shè)備都可有一個(gè)物理功能（Physical Function，PF），并且每個(gè)PF最多可有64000個(gè)與其關(guān)聯(lián)的虛擬功能（Virtual Function，VF）。PF可以通過寄存器創(chuàng)建VF，這些寄存器設(shè)計(jì)有專門用于此目的的屬性。一旦在PF中啟用了SR-IOV，就可以通過PF的總線、設(shè)備和功能編號(hào)訪問各個(gè)VF的PCI配置空間。每個(gè)VF都有一個(gè)PCI內(nèi)存空間，用于映射其寄存器集。創(chuàng)建VF后，可以直接將其指定給各個(gè)應(yīng)用程序。此功能使得虛擬功能可以共享物理功能，提高系統(tǒng)性能。

2.3 驗(yàn)證環(huán)境搭建

2.3.1 版本準(zhǔn)備

移植傳統(tǒng)的EPC和IMS版本，將原本的組網(wǎng)方式改變，采用內(nèi)部虛擬網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。EPC和IMS分別運(yùn)行在獨(dú)立的虛擬機(jī)中。為了能夠進(jìn)一步驗(yàn)證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能，EPC和IMS版本均能夠單獨(dú)在基于intel的單板上運(yùn)行起來[7]，進(jìn)行單獨(dú)測試驗(yàn)證。

2.3.2 Host操作系統(tǒng)安裝及配置

首先安裝Host操作系統(tǒng)，安裝過程如下：

1.首先在CPU Bios中打開虛擬化選項(xiàng)。

2.Host操作系統(tǒng)選用Ubuntu 14.04版本

3.網(wǎng)卡選用intel的i350。通過lspci查看當(dāng)前連接的pci設(shè)備，可以查看到有關(guān)i350網(wǎng)卡信息：

01：00.0 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.1 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.2 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.3 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

通過以下命令開啟i350網(wǎng)卡vf模式：

modprobe –r igb

modprobe igb max_igb=2

通過lspci查看效果：

01：00.0 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.1 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.2 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

01：00.3 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Gigabit Network Connection （rev 01）

02：10.0 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Ethernet Controller Virtual Function （rev 01）

02：10.4 Ethernet controller： Intel Corporation I350 Ethernet Controller Virtual Function （rev 01）

由于虛擬機(jī)啟動(dòng)時(shí)需要br0設(shè)備，因此需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)br0網(wǎng)橋設(shè)備。

brctl addbr br0

2.3.3 客戶機(jī)安裝及配置

客戶機(jī)包含兩臺(tái)，分別運(yùn)行EPC和IMS。

在Ubuntu14.04虛擬機(jī)系統(tǒng)管理器中分別創(chuàng)建2臺(tái)虛擬機(jī)，記做Guest0和Guest1。均使用CentOS6.3操作系統(tǒng)[8]。

將CPU資源等分給Guest0和Guest1。

將服務(wù)器物理內(nèi)存40%分別分配給Guest0和Guest1。

對(duì)主機(jī)上安裝的PCIe網(wǎng)卡i350配置2個(gè)VF網(wǎng)絡(luò)接口，將2個(gè)VF網(wǎng)絡(luò)接口分別分配給Guest0和Guest1。

2.3.4 性能測試模型

EPC性能測試模型如下：

圖5 EPC性能測試模型

IMS性能測試模型如下：

圖6 EPC性能測試模型

EPC和IMS同時(shí)部署性能測試模型如下：

圖7 EPC和IMS連調(diào)性能測試模型

車載站性能測試模型如下：

圖8 車載站性能測試模型

配置測試呼叫器如下：

測試模型：運(yùn)行attach+S1+X2+TAU混合腳本，呼叫模型21.6KBHCA。

分別模擬4路eNB：

eNB1：attach，最大在線用戶300個(gè)，每500ms接入一個(gè)用戶，每個(gè)用戶在線保持100秒，上下行各100M；

eNB2：attach+S1切換腳本，最大在線用戶300個(gè)，每500ms接入一個(gè)用戶，每個(gè)用戶在線保持150秒，不帶業(yè)務(wù)。

eNB3：attach+TAU切換腳本，最大在線用戶300個(gè)，每500ms接入一個(gè)用戶，每個(gè)用戶在線保持150秒，不帶業(yè)務(wù)。

eNB4：attach+X2腳本，最大在線用戶300個(gè)，每500ms接入一個(gè)用戶，每個(gè)用戶在線保持 150秒，不帶業(yè)務(wù)。

3 測試結(jié)果

3.1 單跑部署EPC測試結(jié)果

經(jīng)過長時(shí)間壓力拷機(jī)測試，測試結(jié)論如下：

服務(wù)器主機(jī)Ubuntu14.04系統(tǒng)正常；

EPC虛擬機(jī)運(yùn)行正常；

服務(wù)器和EPC虛擬機(jī)網(wǎng)口均正常；

使用多種測試呼叫配置進(jìn)行呼叫，呼叫正常。

EPC各個(gè)進(jìn)程運(yùn)行正常；

內(nèi)存使用正常；

CPU最高占用率不超過30%。

3.2 單獨(dú)部署IMS測試結(jié)果

服務(wù)器主機(jī)Ubuntu14.04系統(tǒng)正常；

IMS虛擬機(jī)運(yùn)行正常；

語音呼叫正常，語音清晰無延時(shí)；

視頻呼叫正常，語音視頻都清晰，無延時(shí)；

信息發(fā)送正常；

文件傳送正常；

內(nèi)存使用率正常；

CPU所占用率不超過30%。

3.3 EPC和IMS同時(shí)部署性能測試結(jié)果

語音和視頻呼叫接聽和掛斷正常；

終端與PC端語音功能正常；

終端與PC端視頻功能正常，無馬賽克；

呼叫器呼叫成功率99.99%；

呼叫過程中未出現(xiàn)系統(tǒng)異常。

3.4 車載站性能測試結(jié)果

多臺(tái)終端單獨(dú)呼叫和掛斷正常；

多臺(tái)終端同時(shí)建立語音正常；

多臺(tái)終端同時(shí)傳輸高清視頻正常；

4 結(jié)論

本文所搭建的環(huán)境在最開始并沒有用到SR-IOV技術(shù)，導(dǎo)致網(wǎng)口的性能非常低，丟包率非常高，使用SR-IOV技術(shù)后，網(wǎng)口性能基本可以達(dá)到限速，從而可以達(dá)到傳統(tǒng)方式的性能。

隨著硬件設(shè)備性能的不斷升級(jí)，特別是多核CPU性能的提升，以及虛擬化技術(shù)的不斷完善，虛擬化技術(shù)在無線通信領(lǐng)域中的應(yīng)用會(huì)越來越廣泛，越來越成熟。

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（下轉(zhuǎn)第249頁）

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