基于NFV架构的5G核心网

2020-11-20 来源:华信咨询设计研究院 吴成林

1. NFV典型网络架构

NFV概念最早由ETSI 组织于201210月提出,是指通过IT虚拟化技术,利用标准化的通用IT设备来实现各种网络设备功能。其本质是实现硬件资源与软件功能的解耦,目标是通过标准的x86服务器、存储和交换设备来取代通信网络中私有的、专用的网元设备,在为运营商节省投资的同时实现新业务的快速开发和部署,并基于实际业务需求实现自动部署、容量的弹性伸缩、故障隔离和自愈等功能。NFV典型架构示意如图1所示。

1 NFV典型架构示意

整个NFV架构可分为3个主要部分。

1NFV基础设施(NFV InfrastructureNFVI)。NFV基础设施包括物理资源、虚拟化层及其上的虚拟资源,其中物理资源包含计算、存储、网络3个部分的硬件资源,相应的虚拟资源也对应计算、存储和网络3个部分。

2)虚拟网元与网管。虚拟网元与网管包括虚拟化网络功能(Virtualize Network FunctionVNF)与网元管理系统(Element Management SystemEMS)。VNF:虚拟化后的业务网元部署在虚拟机上,其功能与接口和非虚拟化时保持一致,只是实现方式不同。EMS:完成传统的网元管理功能。

3NFV的管理和编排(NFV Management and OrchestrationMANO)。MANO包括NFV OrchestratorVNFM VIM,负责虚拟业务网络的部署、调度、运维和管理,构建可管、可控、可运营的业务支撑能力。

此外,MANO还有OSS/业务支撑系统(Business Support SystemBSS)网元。该网元除支持传统网络管理功能外,还支持在虚拟化环境下与Orchestrator交互,完成维护与管理。

2. 基于NFV5GC 网络架构

具体到5GC5G核心网),基于NFV5GC网络组织如图2所示。

2 基于NFV5GC网络组织

在基于NFV的网络中,传统专用硬件架构的网元被拆分成NFVI VNFNFVI为云资源池内的计算、存储及网络资源,VNF为网元的功能。NFV架构只是改变了网元功能的实现方式,不改变网元之间的逻辑关系。

1 NFVI

NFV基础设施包括硬件资源、虚拟化层及其上的虚拟资源,具体描述如下。

计算资源为上层应用提供计算处理能力,其设备形态主要包括机架式服务器、刀片式服务器、整机柜服务器等通用x86服务器,x86 服务器内组件主要包括 CPU、内存、网卡、硬盘等。

存储资源为上层应用提供存储能力,主要包括各类集中式存储和分布式存储设备,例如,集中式磁盘阵列、通用服务器构成的分布式存储设备等。对于分布式存储,其设备形态与计算资源设备形态一致,均为通用x86服务器。

网络资源为NFV基础设施环境提供物理网络互联互通能力,主要包括交换机、路由器、防火墙、负载均衡等网络设备。

具体的5GCNFV 基础设施可以根据需要对x86服务器的具体配置进行定制,例如,对计算资源的x86服务器可以加强CPU的配置,对于分布式存储服务器可以加强存储的定制,以提高硬件基础设施的使用效率。

虚拟化层是通过虚拟化软件(例如,Hypervisor)为虚拟机提供运行环境。它允许多个客户操作系统(GuestOS)同时运行在一个物理主操作系统(HostOS)上,GuestOS共享主机的硬件,使每个操作系统都有自己虚拟的处理器、内存和其他硬件资源。虚拟化层可以实现以下功能。

支持虚拟机的创建、删除、上电、下电、查询等基本操作。

支持虚拟机间的资源隔离。

支持虚拟机热迁移。

支持分布式虚拟交换机。

支持虚拟机运行状态的监控及向VIM上报,包括运行、停止、故障及其他状态信息,也包括虚拟机的vCPU占用率、虚拟内存使用率、虚拟磁盘占用率、虚拟网卡的吞吐占用率等。

支持物理服务器运行状态的监控及向VIM的上报,包括运行、停止、故障及其他状态信息,也包括物理服务器CPU、内存、磁盘、网卡等关键部件的状态及CPU 利用率、内存利用率、网络吞吐率、磁盘读取速率、磁盘写入速率、CPU温度等信息。

虚拟资源层是NFV基础设施通过虚拟化软件处理后输出的逻辑资源。虚拟资源包括虚拟计算资源、虚拟存储资源和虚拟网络资源,为NFV提供所需的运行环境。

2 VNF

VNF是基于NFVI虚拟资源部署的业务网元,对应到初期部署的5GC,主要业务网元包括AMFSMFUPFUDMPCFNSSFNRFBSF 等。

3 EMS

EMSVNF业务网络管理系统,提供网元管理功能。EMSVNF一般由同一厂商提供。

4 VNFM

VNFMVNF管理系统,负责VNF生命周期管理,运营商的维护人员通过VNFM可以对VNF进行透明运维管理。

5 VIM

VIM能够实现对计算、存储、网络资源的管理、调度与编排,具备资源监控告警等功能,并配合NFVOVNFM实现上层业务和NFVI资源间的映射和关联,以及 OSS/BSS业务资源流程的实施等。

6 NFVO

NFVO负责NFVI资源编排及NFV生命周期的管理和编排,并负责网络服务模板(Network Service DescriptorNSD)的生成与解析。

3. 基于NFV5GC的集成方式

基于NFV方式的网络部署,不可避免地会遇到集成问题,而集成又涉及设备的软硬件解耦或三层解耦。

软硬件解耦指的是硬件资源与部署在硬件资源上的软件是不相关的、透明的,即软件部署与硬件的类型、型号无关,软件可以部署在A厂商提供的硬件设备上,也可以部署在B厂商提供的设备上,对应到计算资源,可以理解为软件部署在x86服务器上,与哪个设备厂商是什么型号的服务器无关。在软硬件解耦中虚拟化层将具体的物理计算资源、存储资源、网络资源抽象为虚拟资源,实现上层应用软件与底层硬件的透明化。在软硬件解耦架构下,硬件基础设施可以由运营商单独部署,虚拟化层以及应用软件由厂商统一集成,当然在软硬件解耦架构下也可以把全部软硬件都交付给一个厂商集成。

三层解耦是在软硬件解耦的基础上再进一步解耦,从下到上形成通用硬件+ 虚拟化(虚拟化层和虚拟资源)+ 应用软件(NFV)三层的相互独立,这三层间相互透明。通用硬件、虚拟化、应用软件可以分别由不同的厂商或服务商提供。在三层解耦架构下,系统集成可以根据解耦开放程度的不同分为单厂商模式、共享虚拟资源模式、软硬件独立模式和全解耦模式。基于NFV5GC集成方式如图3所示。

3 基于NFV5GC集成方式

上述不同模式的集成难度各不相同,单厂商模式层间开放性不够,但因为都是厂商内部设备的互通,层与层间的兼容适配等问题解决起来相对更快,理论上完成整体集成工作所需的时间最短。全解耦模式下运营商的选择性最大,集成相应的也是最复杂的,涉及不同层间的兼容性适配,即层间互通难度较大。当采用三层全解耦模式时,为保证NFV架构的网络能按照预期设定的目标运行,运营商会在网络正式部署前开展相关解耦测试等准备工作,以统一各参与方对跨层互通的一致性,屏蔽提供方的个性化方案,为正式部署扫清障碍。

具体集成模式的选择需要考虑多种因素,例如,时间因素、集成的成熟度、测试情况、供货情况、投资成本等,运营商需要根据自己的情况选择最合适的集成模式。

这里以软硬件解耦方式为主来阐述5GC的云资源池方案。