虚拟化技术在核心网的应用研究

虚拟化技术在核心网的应用研究

李中华1

中国通信建设集团设计院有限公司第四分公司，郑州 450052

摘  要：随着 5G 通信技术的迅速发展，未来网络将突破传统网络的边界，实现全面数字化、智能化和虚拟化。其中，虚拟化技术逐渐成为核心网领域的研究热点，对核心网虚拟化技术的研究和实践具有重要的意义。虚拟化技术通过将硬件资源与软件资源分离，实现资源的动态调度和优化配置，提高了网络的灵活性、可扩展性和效率。本文首先介绍了虚拟化技术相关概念，然后分析了虚拟化技术在核心网中的应用场景，最后探讨了虚拟化技术在核心网应用中的优势。

关键词：虚拟化；核心网

1  引言

网络虚拟化技术是一种将物理网络资源抽象成逻辑资源的方法。通过虚拟化技术，可以在物理网络基础设施上创建多个逻辑网络，每个逻辑网络可以独立配置、管理和优化，以满足不同业务需求。网络虚拟化技术可以提高网络资源的利用率，降低部署和维护成本，同时简化网络管理和扩展。

2  虚拟化技术概述

核心网虚拟化技术[1]是网络虚拟化技术的一种，它将物理网络设备和资源抽象成虚拟的资源，以便在多个虚拟机之间进行分配和共享。核心网虚拟化技术主要是基于软件定义网络( SDN)和网络功能虚拟化(NFV)的理念，将原本需要专门物理设备来完成的网络功能转移到了通用服务器上，并能够按需安装、升级、调整网络功能，从而有效地提升了网络运营的灵活性、效率和资源利用率。

虚拟化技术将物理资源抽象成逻辑资源，将物理硬件与操作系统、应用程序等逻辑资源分离，从而实现资源的灵活配置和共享。虚拟化技术包括服务器虚拟化、存储虚拟化、网络虚拟化等。

3  核心网中的虚拟化技术

3.1  NFV技术

NFV（网络功能虚拟化）技术是一种网络架构改革技术，其主要目标是将网络设备的硬件和软件功能分离，以便在虚拟化基础设施上运行各种网络服务和功能。通过这种方式，网络运营商可以在不更改物理硬件的情况下，灵活地添加、修改和删除网络功能，从而提高网络的灵活性、可编程性和可扩展性。

在 NFV 方面，可以通过对网络应用进行虚拟化，将它们运行在通用服务器上，从而将不同的网络应用（如路由器、防火墙、负载均衡等）隔离在不同的虚拟化环境中，实现网络功能的快速部署、快速配置和快速调整。同时，由于这些网络应用运行在基于通用服务器的虚拟化环境中，可以轻松地满足网络服务按需分配和弹性扩展的需求。

3.2  SDN技术

SDN是一种网络设计方案，将网络基础设施层与控制层分离。SDN通过开放的控制平面和集中的控制点来实现网络的灵活控制和动态调度，从而实现网络的自动化管理和优化。SDN可以应用于核心网的关键组件，包括控制器、交换机、路由器等。

在 SDN 方面，可以通过将控制平面和数据平面分离，将网络控制逻辑集中在控制器中，实现对网络设备的集中控制和管理，同时支持按需定制和灵活配置网络功能。这样一来，网络功能可以不再依赖于特定的硬件设备，而是通过软件实现，从而提升了网络的可扩展性和可管理性。

3.3  网络切片技术

网络切片技术是一种将物理网络切分为多个独立、虚拟的切片，每个切片都有自己的网络功能和资源，以支持不同的服务和应用场景。每个切片可以针对不同的服务质量（QoS）要求、业务类型或行业用户需求进行优化。网络切片可以灵活定义自己的逻辑拓扑、服务级别协议（SLA）需求、可靠性和安全等级，以满足不同业务、行业或用户的差异化需求。通过切片技术，运营商可以在同一个 5G 网络中为智能交通、无人机、智慧医疗、智能家居以及工业控制等多个领域提供定制化的网络服务。

4  虚拟化技术在核心网中的应用场景

核心网虚拟化技术在实践中已经逐渐应用于网络领域，具有广泛的应用场景，如下：

4.1  云化核心网

云化核心网是指将传统的核心网设备和业务迁移到云平台上，通过云计算技术实现核心网的部署、管理和运维。云化核心网是 5G 网络发展的重要趋势之一，可以帮助运营商实现网络的快速部署、灵活扩展和低成本维护。采用核心网虚拟化技术可以将业务托管在云端，实现多网集中管理、共享调度、动态资源调度、自动弹性扩容等特性，提高了网络部署的灵活性和管理效率。

云化核心网是电信运营商实现面向未来网络转型变革的关键部分，它采用云化架构，将传统的核心网功能虚拟化，以提供更高效、更灵活的网络服务。云化核心网解决方案包括电路交换与IP多媒体子系统（IMS）解决方案、统一通信（UC）和通信服务（CaaS）解决方案等。基于云化架构的统一通信和通信服务解决方案能够实现通信开放能力，满足电信业务长尾化的趋势，帮助运营商提供更灵活的业务开发方式。

4.2  边缘核心网

边缘核心网是指在传统核心网中引入边缘计算的概念，将部分计算和存储任务迁移到网络边缘，从而降低数据传输延迟和带宽消耗。边缘核心网由多个分布式节点组成，这些节点可以是各种类型的网络设备，如服务器、路由器、交换机等。节点之间通过高速网络连接，形成一个分布式计算和存储网络。

在边缘计算场景中，主要需要部署具备一些特定的网络功能，如路由器、安全网关等，这些应用可以通过核心网虚拟化技术进行虚拟化实现，帮助企业实现资源隔离、灵活配置，提高了网络安全和网络效率。边缘核心网是边缘计算技术与传统核心网技术的结合，旨在实现更快速、更高效的数据传输和处理。

5  虚拟化技术在核心网的优势

（1）提高网络资源利用率：通过虚拟化技术，可以将物理网络设备划分为多个虚拟网络设备，从而提高网络设备的资源利用率。例如，在一台物理服务器上运行多个虚拟机，每个虚拟机都可以独立运行一个网络功能，如路由、交换等。这样可以有效地提高服务器资源的利用率，降低运营成本。

（2）提高网络灵活性和可扩展性：虚拟化技术使得网络设备可以快速地进行部署、调整和迁移。当网络需求发生变化时，可以通过虚拟化技术快速地调整网络拓扑结构，满足新的业务需求。此外，通过虚拟化技术可以实现网络功能的动态扩展，当业务量增长时，可以快速地添加新的虚拟机来满足需求。

（3）降低网络维护成本：虚拟化技术可以简化网络设备的管理和维护。通过统一的管理界面，可以实现对所有虚拟机的监控、配置和管理，大大降低了网络运维的复杂度。同时，虚拟化技术还可以实现网络设备的自动化部署和升级，进一步降低维护成本。

（4）增强网络安全性：通过虚拟化技术，可以将网络功能和业务进行隔离，从而提高网络的安全性。例如，在一台服务器上运行的多个虚拟机之间，可以设置不同的安全策略，防止虚拟机之间的相互干扰和攻击。此外，虚拟化技术还可以实现网络设备的快速备份和恢复，提高了网络的可靠性和容错性。

6  结论

虚拟化技术有助于推动核心网的标准化和开放化，使得核心网功能可以运行在各种通用服务器上，也有利于推动网络设备的标准化和互操作性。同时，虚拟化技术还可以吸引更多的厂商参与核心网设备的研发和生产，促进产业链的繁荣和发展。因此虚拟化技术在核心网的应用研究具有重要的理论意义和实践价值。通过深入研究虚拟化技术在核心网中的应用，可以为我国移动通信网络的发展提供有力支持，推动我国在全球通信技术领域的竞争力和影响力。

参考文献：

[1]陈金权.网络功能虚拟化技术及其在5G网络中的应用分析[J].电信快报.2020(11).