虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)部署方式探討

馬金蘭，彭莉，楊征

（1.中國電信股份有限公司廣州研究院，廣東 廣州 510630；2.中國電信股份有限公司，北京 100033）

1 引言

虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)指的是在IMS網(wǎng)絡(luò)中引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)，將IMS網(wǎng)絡(luò)的功能實(shí)體承載在標(biāo)準(zhǔn)化的X86服務(wù)器等通用IT設(shè)備上，采用通用IT設(shè)備取代IMS網(wǎng)絡(luò)中的專業(yè)硬件設(shè)備，實(shí)現(xiàn)IMS網(wǎng)絡(luò)軟件功能與硬件資源的解耦，是IMS網(wǎng)絡(luò)發(fā)展演進(jìn)的趨勢和方向。

引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)后，硬件資源和IMS網(wǎng)絡(luò)功能之間將引入虛擬化層，同時(shí)將引入新的管理域MANO（Management and Orchestration，管理與編排）對網(wǎng)絡(luò)功能以及資源進(jìn)行管理，這些網(wǎng)絡(luò)層面以及實(shí)體之間將引入眾多的接口，接口的標(biāo)準(zhǔn)化以及各實(shí)體的集成需求將給運(yùn)營商部署虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)帶來挑戰(zhàn)。

因此，很有必要在研究IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出各種不同的部署方式，并在多維度比較分析的基礎(chǔ)上，提出運(yùn)營商選擇部署方式的建議，解決虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)部署方式的選擇問題。

2 IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)

虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)是ETSI定義的NFV架構(gòu)中的其中一種用例，虛擬化IMS網(wǎng)元對應(yīng)架構(gòu)中的VNF實(shí)體，其架構(gòu)如圖1所示。

在ETSI定義的NFV架構(gòu)中：

（1）最底層的是硬件資源層，指的是包括計(jì)算、存儲和網(wǎng)絡(luò)資源在內(nèi)的通用IT設(shè)備，其中X86服務(wù)器等計(jì)算資源提供計(jì)算處理能力，磁陣等存儲資源提供存儲能力，通用交換機(jī)及路由器等網(wǎng)絡(luò)資源提供網(wǎng)絡(luò)連接功能。

（2）VNF（Virtualize Network Function，虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能）層是虛擬化后的IMS網(wǎng)元功能，主要包括核心層網(wǎng)元I-CSCF、S-CSCF、E-CSCF/LRF、MMtel AS、ENUM/DNS、HSS、MRFC、MRFP、BSF/AP以及接入層網(wǎng)元P-CSCF/BAC。接入層網(wǎng)元P-CSCF/BAC涉及媒體轉(zhuǎn)發(fā)，目前受限于通用設(shè)備的轉(zhuǎn)發(fā)能力，該類網(wǎng)元的虛擬化進(jìn)展相比核心層網(wǎng)元較為滯后?；ネňW(wǎng)元MGCF、IM-MGW主要用于與傳統(tǒng)網(wǎng)元的互通，隨著網(wǎng)絡(luò)的演進(jìn)發(fā)展，傳統(tǒng)網(wǎng)元將陸續(xù)退網(wǎng)，該類網(wǎng)元將不再被需要，因此，大部分廠家并不考慮此類網(wǎng)元的虛擬化。

（3）在VNF和硬件資源層之間的是虛擬資源層，主要作為IMS網(wǎng)元和硬件資源層之間的適配層，將硬件資源虛擬化，提供vCPU、虛擬內(nèi)存、虛擬硬盤及虛擬網(wǎng)卡等組件供VNF調(diào)用。由于IMS網(wǎng)絡(luò)提供的音視頻業(yè)務(wù)為實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)，對時(shí)延性能要求較高，因此，部分廠家的IMS網(wǎng)元將通過給虛擬資源層提出相應(yīng)的優(yōu)化需求來提升網(wǎng)元整體性能。虛擬資源層通過VI-Ha接口與硬件資源層進(jìn)行交互，通過Vn-Nf與VNF層即IMS網(wǎng)元進(jìn)行交互。虛擬資源層和硬件資源層合并稱為基礎(chǔ)設(shè)施層NFVI（NFV Infrastructure，NFV基礎(chǔ)設(shè)施）。

（4）MANO是為了適應(yīng)新的架構(gòu)提出的管理域，包括Orchestrator、VNFM（Virtualisation Network Functions Manager，虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理器）和VIM（Virtualised Infrastructure Manager，虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器）。Orchestrator主要提供虛擬資源的自動編排和調(diào)度功能，可以跨專業(yè)、跨VNFM管理。VNFM主要負(fù)責(zé)VNF的生命周期等相關(guān)管理功能，通過Or-Vnfm接口與Orchestrator進(jìn)行交互，通過Ve-Vnfm接口與VNF進(jìn)行交互。VIM是虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對硬件資源和虛擬資源的管理和監(jiān)控，通過Nf-Vi接口與NFVI進(jìn)行交互，通過Vi-Vnfm接口進(jìn)行交互，通過Or-Vi接口與Orchestrator進(jìn)行交互。

3 虛擬化IMS部署方式

3.1 概述

根據(jù)ETSI定義的NFV架構(gòu)，部署虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)需要依次部署以下組件并按架構(gòu)完成組件之間的接口互通：硬件資源層、虛擬資源層、VIM、VNFM、>Orchestrator、VNF，即虛擬化IMS網(wǎng)元。根據(jù)各組件之間的接口的標(biāo)準(zhǔn)化程度，虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)的部署可以采用以下幾種方式：單廠家集成、軟硬件解耦部署和全解耦部署。

3.2 單廠家集成

單廠家集成方式指的是由IMS廠家統(tǒng)一提供硬件資源層、虛擬資源層、VIM、VNFM以及IMS網(wǎng)元軟件，組件之間的接口都采用私有接口。Orchestrator由于涉及多網(wǎng)元、跨專業(yè)的調(diào)度，通常由第三方提供，但是也可以由其中的一個(gè)VNF廠家提供。

3.3 軟硬件解耦部署

軟硬件解耦部署方式指的是由IMS廠家統(tǒng)一提供虛擬資源層、VIM、VNFM以及IMS網(wǎng)元軟件，組件之間的接口都采用私有接口。硬件資源層由第三方提供，與其他組件之間采用標(biāo)準(zhǔn)接口。Orchestrator可以由VNF廠家或者第三方提供。

3.4 全解耦部署

全解耦部署方式指的是IMS廠家只提供VNFM和IMS網(wǎng)元軟件，硬件資源層、虛擬資源層、VIM和Orchestrator分別由其他不同的第三方提供。除了VNF和VNFM之間的接口以外，架構(gòu)中的其他接口都采用標(biāo)準(zhǔn)化接口。

4 部署方式分析及建議

4.1 技術(shù)成熟度

在vIMS虛擬化架構(gòu)的接口方面，目前ETSI并沒有對所有的接口都制定統(tǒng)一的接口標(biāo)準(zhǔn)，比如VIM與NFVI、VNFM和Orchestrator之間的接口，這些接口的標(biāo)準(zhǔn)化需要由運(yùn)營商來完成。雖然部分IMS廠家已經(jīng)在全解耦實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)完成了接口的互通，但是虛擬資源層往往需要根據(jù)IMS網(wǎng)元進(jìn)行相應(yīng)的適配，同時(shí)，僅僅針對部分廠家的虛擬資源層，沒有遍歷測試，沒有測試所有的接口功能，也沒有現(xiàn)網(wǎng)商用的案例，因此，全解耦部署方式的接口還需進(jìn)一步標(biāo)準(zhǔn)化。

在vIMS網(wǎng)絡(luò)功能方面，以VoLTE vIMS網(wǎng)絡(luò)為例，目前已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下基于全解耦模式完成部分廠家核心層vIMS網(wǎng)元的VoLTE業(yè)務(wù)功能驗(yàn)證，但是并沒有對所有IMS廠家都進(jìn)行驗(yàn)證。主流IMS廠家基于軟硬件解耦的部署方式已經(jīng)在國內(nèi)運(yùn)營商現(xiàn)網(wǎng)完成了試點(diǎn)，全面進(jìn)行了VoLTE網(wǎng)絡(luò)不同廠家系統(tǒng)之間的聯(lián)調(diào)，與現(xiàn)網(wǎng)增值業(yè)務(wù)平臺的對接，與IT系統(tǒng)的對接，并完成VoLTE業(yè)務(wù)基本功能端到端的測試驗(yàn)證。國際上主流運(yùn)營商的商用案例也大都采用軟硬件解耦部署方式。單廠家集成方式是IMS廠家最早推出的方式，但是由于軟硬件解耦部署方式已經(jīng)成熟，目前已經(jīng)很少被應(yīng)用。

在vIMS可靠性方面，硬件資源層與虛擬資源層的故障都會引起IMS網(wǎng)元的故障，體現(xiàn)為對vIMS業(yè)務(wù)的影響，由于vIMS提供的是實(shí)時(shí)的語音業(yè)務(wù)，對可靠性的要求更高。單廠家集成方式以及軟硬件解耦部署方式下，IMS廠家更容易結(jié)合虛擬資源層與IMS網(wǎng)元的故障，判斷故障由虛擬資源層還是由IMS網(wǎng)元進(jìn)行恢復(fù)，對于故障的判斷可以更及時(shí)，策略也將更合理，故障將恢復(fù)得更快，對業(yè)務(wù)的影響將更低。在對部分廠家的vIMS全解耦實(shí)驗(yàn)室測試中，通過vIMS網(wǎng)元的可靠性機(jī)制基本能滿足業(yè)務(wù)的需求，但是更多地依賴vIMS網(wǎng)元的實(shí)現(xiàn)。

在vIMS性能方面，vIMS網(wǎng)元通常會對虛擬化層提出一些功能需求，比如DPDK、巨頁內(nèi)存、NUMA親和性等，以提升vIMS的性能，降低vIMS網(wǎng)元處理時(shí)延。一般來說，單廠家集成方式以及軟硬件解耦部署方式下，虛擬資源層會根據(jù)IMS網(wǎng)元的需求做更多的適配，性能相對會更好些。在對部分廠家的vIMS全解耦實(shí)驗(yàn)室測試中發(fā)現(xiàn)虛擬資源層對vIMS的性能影響很大，在虛擬資源層不穩(wěn)定或者性能不夠優(yōu)化的情況下，vIMS的穩(wěn)定性和性能會出現(xiàn)問題。雖然在抽樣式的全解耦實(shí)驗(yàn)室中，在經(jīng)過試驗(yàn)環(huán)境的調(diào)測后，性能數(shù)據(jù)基本也能滿足要求，但是目前沒有遍歷測試，無法驗(yàn)證主流的虛擬資源層是否都能滿足vIMS性能要求。

4.2 技術(shù)先進(jìn)性

在系統(tǒng)架構(gòu)方面，全解耦部署方式各組件之間采用標(biāo)準(zhǔn)的接口，符合ETSI定義的NFV目標(biāo)架構(gòu)，是IMS網(wǎng)元演進(jìn)發(fā)展的目標(biāo)與方向。

在硬件資源利用率方面，單廠家集成和軟硬件解耦部署方式下，虛擬資源層與IMS網(wǎng)元緊耦合，不利于統(tǒng)一云資源池的引入，異廠家之間網(wǎng)元使用的硬件資源難以共享，資源利用率低；而在全解耦部署方式下，虛擬資源層與IMS網(wǎng)元解耦合，可實(shí)現(xiàn)在同一云資源池部署不同廠家IMS網(wǎng)元或者其他網(wǎng)元，比如EPC，可實(shí)現(xiàn)資源之間的最大共享，資源利用率高。

在運(yùn)營商對資源的管控程度方面，單廠家集成和軟硬件解耦部署方式下，除了Orchestrator，其他組件都由IMS廠家提供，運(yùn)營商對資源的管控程度低；而在全解耦部署方式下，運(yùn)營商可以采用現(xiàn)有資源池承載IMS網(wǎng)元，采用現(xiàn)有云資源池管理平臺作為VIM，提升對資源的管控程度。

4.3 集成與部署工作量

單廠家集成方式最大的優(yōu)點(diǎn)是由單一廠家統(tǒng)一集成，集成工作量小。軟硬件解耦部署方式虛擬資源層、VIM、VNFM以及IMS網(wǎng)元軟件由VNF廠家集成，硬件資源層由第三方提供，由于硬件資源層與虛擬化層之間的接口較為成熟與簡單，集成工程量也比較小。全解耦部署方式VNFM和IMS網(wǎng)元軟件、硬件資源層、虛擬資源層、VIM和Orchestrator分別由5個(gè)不同的廠家提供，涉及到6個(gè)不同組件所有接口的互通，部分接口目前沒有制定統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，需要運(yùn)營商制定接口標(biāo)準(zhǔn)，集成復(fù)雜、工作量大。

4.4 維護(hù)便利性

單廠家集成方式可以由IMS廠家實(shí)現(xiàn)各組件的故障關(guān)聯(lián)，容易實(shí)現(xiàn)故障的統(tǒng)一定位，維護(hù)起來很便利。全解耦部署方式各組件由不同廠家提供，需要由運(yùn)營商定義實(shí)現(xiàn)故障關(guān)聯(lián)的組件、其他組件與該組件之間故障傳遞的接口信息，故障的統(tǒng)一定位實(shí)現(xiàn)復(fù)雜。但是，當(dāng)所有的接口都實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化后，全解耦方式就能采用統(tǒng)一的接口實(shí)現(xiàn)故障的關(guān)聯(lián)與統(tǒng)一定位，可以引入統(tǒng)一Orchestrator實(shí)現(xiàn)，維護(hù)起來同樣很便利。軟硬件解耦部署方式可以由IMS廠家實(shí)現(xiàn)除了硬件以外的其他組件的故障關(guān)聯(lián)，故障統(tǒng)一定位相比全解耦方式較容易實(shí)現(xiàn)，硬件故障的管理相比單廠家集成方式較復(fù)雜。

4.5 分析總結(jié)與部署建議

根據(jù)上面幾個(gè)維度的分析，單廠家集成方式、軟硬件解耦部署方式與全解耦部署方式比較情況總結(jié)如表1所示。

從三種部署方式的對比分析可以看出，目前尚沒有一個(gè)完美的方案，運(yùn)營商需要根據(jù)vIMS的商用時(shí)間進(jìn)展、標(biāo)準(zhǔn)化以及研發(fā)能力等實(shí)際情況分階段選擇上述的vIMS部署方式，并確定演進(jìn)的方案：

表1 三種部署方式對比分析總結(jié)

（1）對于vIMS商用時(shí)間較晚的運(yùn)營商，可以等待接口標(biāo)準(zhǔn)化的成熟，直接選擇全解耦部署方式。

（2）對于vIMS商用時(shí)間不是很迫切的運(yùn)營商，且該運(yùn)營商標(biāo)準(zhǔn)化和研發(fā)能力較強(qiáng)，可以利于運(yùn)營商自身的力量促進(jìn)接口的標(biāo)準(zhǔn)化與全解耦部署方式的成熟，直接選擇全解耦部署方式。

（3）對于vIMS商用時(shí)間很迫切的運(yùn)營商，為了穩(wěn)健起見，可以考慮先采用軟硬件解耦方式，后續(xù)再考慮演進(jìn)到全解耦部署方式。

5 結(jié)束語

本文在研究IMS網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)的基礎(chǔ)上，提出各種不同的部署方式，并在多維度比較分析的基礎(chǔ)上，提出運(yùn)營商選擇部署方式的建議，解決虛擬化IMS網(wǎng)絡(luò)部署方式的選擇問題，運(yùn)營商需根據(jù)vIMS的商用時(shí)間進(jìn)展、標(biāo)準(zhǔn)化以及研發(fā)能力等實(shí)際情況分階段選擇vIMS部署方式，并確定演進(jìn)的方案。本文從幾個(gè)維度分析了vIMS部署方式需要考慮的幾個(gè)技術(shù)因素，但是，vIMS部署方式的選擇是與運(yùn)營商實(shí)際情況密切關(guān)聯(lián)的復(fù)雜工程，需要考慮的因素可能不僅限本文所提出的。