NFV在5G核心网中的应用

NFV在5G核心网中的应用

李强

天元瑞信通信技术股份有限公司 陕西 西安 710119

摘要：网络功能虚拟化（NFV）是CT与IT相融合的产物，目标是实现移动和固定网络各个网元在开放IT平台上的虚拟化，以更低成本、更高灵活性满足移动互联网时代爆炸性增长的动态业务需求，并摆脱对厂家专用硬件系统、封闭软件平台的依赖，构造一个有竞争力的、创新的开放生态系统。

关键字：NFV、网络功能、架构

前言：随着数字化中国的建设，流量爆炸的移动互联网时代来临，用户数据流量持续高速增长、用户体验需求不断提升，对核心网和承载网建设带来巨大挑战，现有核心网网络架构已不能满足业务发展的需求，促使运营商加快网络转型，通过网络功能虚拟化技术实现流量的本地分流和卸载。网络向云架构的演进将是下一步的发展方向。电信云将在大幅降低运营商的CAPEX/OPEX支出的同时，为智能手机用户带来更佳的移动互联使用体验，为运营商带来新的业务和利润增长契机。

1 传统核心网存在的问题

网络结构复杂

移动通信经历了1G到5G迅猛的发展，现实网络结构复杂多样、硬件设备种类多、多种接入技术长期共存成为突出特征。传统模式下如何高效地运行和维护多张不同制式的网络，实现最优的资源利用率，提高竞争力，提升用户体验，减少运维成本和实现节能减排是运营商要面临和解决的问题。

业务部署周期长

核心网由于软硬件耦合度高，单个网元一般由设备商提供，新业务功能的开发也依赖于对应的设备商，以网元为单位大颗粒整包交付导致开发周期长，测试工作量大、升级影响大，软件发布周期需要3至9个月。定制化的功能也很复杂，造成运营商部署新业务的困难，无法有效满足业务发展需求。

高CAPEX和OPEX

核心网专用硬件设备种类各异，网元数量众多，网元间接口多且开放度不高，系统参数设置复杂，异厂家硬件设备不能通用，容量部署缺乏弹性，设备利用率不高且生命周期趋短，更新换代加速，导致核心网复合CAPEX和OPEX增加。

2 NFV的优点

NFV（Network Functions Virtualization）即网络功能虚拟化，通过虚拟化技术，使用标准工业界服务器、交换机和存储设备部署网络应用，以软件的形式实现网络功能，以此取代目前网络中私有、专用和封闭的网元设备。降低组网复杂度，提供自由灵活的网络弹性和敏捷性，在提高网络资源利用率的同时降低网络运维成本。简而言之，NFV就是网络功能的软硬件解耦及网络设备IT化。NFV技术是针对EPC软件与硬件严重耦合问题提出的解决方案，这使得运营商可以在那些通用的的服务器、交换机和存储设备上部署网络功能，极大地降低时间和成本。

EPC核心网的网络功能虚拟化后，网络可分成三层：设备层、虚拟层和应用层。采用这种架构，运营商将只需维护统一的虚拟化平台，而不同的网元将以虚拟机的形式运行在虚拟化平台之上，新增网元或者网元升级则体现为新的虚拟机实例化或虚拟机中软件版本升级。对纯软件商开放，引入更多的硬件厂商，提高运营商定价话语权，提供多租户及虚拟运营粒度的网络服务能力。

由于虚拟化技术屏蔽了底层物理平台的差异，跨网元、跨厂家的硬件资源共享问题将迎刃而解。利用虚拟机动态迁移、生成等特性，结合对虚拟化平台的智能管理，根据业务量的变化通过资源池的方式实现网元的动态扩容、缩容，提高硬件利用率和软件可移植性，降低运维成本和减少新业务的部署时间，以实现移动网络高效的建设、扩容及运营，实现新网络能力的快速开发和新业务的灵活应用。

从通信运营商角度来看，NFV 是通信运营商为提高自身经济效益，降低网络设备资金投入量而提出的最终设备架构，可以基于实际业务需求实现安排部署自动化、弹性伸缩、故障隔离、增强容灾能力、自动诊断和修复等。

3 NFV面临的挑战

云管理平台

虚拟化技术经过在IT领域的实践和完善，已经相当成熟，但是当其应用到电信网中,其性能及可靠性仍需要做进一步改进。虚拟化不仅是将网元功能的虚拟化部署，更重要的是基于虚拟化的云管理，如虚拟机的创建更新迁移、虚拟资源的管理及分配、与OSS/BSS接口对接、不同厂家云平台与不同的虚拟机监视器的兼容性等。

运营模式

核心网虚拟化后，分成了硬件设备维护、软件设备维护和虚拟化网络资源编排及云管理维护等。运行维护的范围也从以省级为单位向更广范围扩展，虚拟化网络能实现区域级、集团级的统一控制和资源的灵活调度。为了完成网络集成工作，要改变网络维护模式，加快构建分层维护模式取代网元分类维护模式，将硬件与软件分类维护。

流量影响

核心网单节点虚拟化除了对网元设备形态有所改变，对承载及流量工程并没有太大影响。虚拟化的节点仍部署在原来位置。当核心网网元以集中的方式虚拟化后，尤其是数据面网元也采用集中的方式部署，则集中的云节点产生的数据流量形式将不同于传统电信网的树级汇聚的流量形式，需要重新考虑承载的设计及流量工程。

系统集成

核心网引入虚拟化技术后，软件和硬件可以由不同厂家提供，而且增加了虚拟机监视器中间件。这导致电信设备商提供网络功能的方式发生改变，即整个软件功能，中间件和硬件的适配由谁来做，设备如何接受等问题。而且中间件的引入也会为系统的解决难题带来影响。

虚拟化数据面性能

NFV将数据面虚拟化作为其目标之一。目前厂家广泛采用数据平面开发套件(DPDK)加速包处理来提高x86平台上的数据转发效率，但是其性能及与专用芯片相比仍待验证。此外使用Intel专用加速包及加速网卡的影响仍需评估。相关数据面网元的虚拟化技术成熟仍需时日。

4 结语

随着科学技术和通讯技术的不断发展，传统以专有硬件为主导的设备产品架构、基于预先规划的建设模式，已难以适应高速数据业务发展的要求。NFV技术将成为运营商网络重构的重要技术手段，它颠覆了传统电信封闭专用平台的思想，引入灵活的弹性资源管理理念，利用标准化IT硬件平台和虚拟化技术取代电信网络私有专用的网元设备，提高网络运营灵活性，提升管理和维护效率并降低成本。

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