NFV行動網路論文

才智咖 人氣:1.09W

1移動業務對網路能力的挑戰

NFV行動網路論文

移動網際網路和物聯網是未來行動通訊發展的兩大主要驅動力,刻畫出欣欣向榮的行動通訊產業生態圖景。移動網際網路已經顛覆了傳統行動通訊業務模式和使用者使用體驗方式,並將深刻地影響著人們工作生活的方方面面。面向2020年及未來,移動網際網路資訊服務互動方式進一步升級,為使用者提供增強現實、虛擬現實、超高清(3D)視訊等更加身臨其境的極致業務體驗。物聯網擴充套件了行動通訊的服務範圍,從人與人通訊延伸到物與物、人與物的互聯,使行動通訊技術滲透至更加廣闊的行業和領域。面向2020年及未來,移動醫療、車聯網、智慧家居、工業控制、環境監測等將會推動物聯網應用爆發式增長,數以千億的裝置將接入網路,實現真正的“萬物互聯”,為行動通訊帶來無限生機。在現有基於專用硬體的網路系統架構和組網模式下,網路體系架構僵硬、功能平面劃分不合理、網路升級維護複雜,基於這一體系繼續演進來應對未來業務需求挑戰是非常困難的。隨著IT界網路虛擬化技術思想的逐漸發展與成熟,電信網路也在嘗試引入這兩種技術,醞釀對網元形態、組網方式和網路架構的全面變革。而網路功能虛擬化(NFV)則是電信網引入虛擬化技術的整體方案。

2網路功能虛擬化(NFV)技術簡介

2.1NFV基本概念

軟體功能虛擬化(NFV)改變網元功能形態,將原本封閉裝置中的網路功能釋放出來,統一承載在虛擬化平臺之上,意在打破電信裝置“黑盒子”模式。行動網路的任何一個位置都按需部署(解除安裝)虛擬化的網路資源,即插即用,提高網路靈活度和可擴充套件性,符合行動網路不同區域、不同時間、不同場景差異性需求。另一方面,採用工業標準化的伺服器、儲存和交換裝置替代專用硬體裝置,大大降低了組網運維成本。因此,低成本和靈活性是NFV的兩大核心優勢。

2.2NFV標準化進展情況

2012年10月,由AT&T、德國電信、英國電信、中國移動等13個國際主流運營商牽頭,聯合多家網路運營商、電信裝置供應商和IT裝置供應商共同推動在ETSI成立網路功能虛擬化工作組(ISG),旨在推動NFV技術框架研究和產業化發展。NFV工作組在2013年聚焦於Highlevel文件的設計,已釋出第一批規範,包括NFVUseCases、Require-ments、ArchitecturalFramework和Terminology的V1版本,以及PoCCal(lProofofConcept)。NFV於2014年上半年釋出了第二個版本的白皮書,主要總結NFVISG一年來各個工作組的進展、對場景、需求、架構等內容進行了更新,明確提出NFVISG對於標準化和開源社群的態度。2014年下半年將釋出UseCases、Requirements、ArchitecturalFramework和Terminology的V2版本,以及標準化Gap分析等新版標準文件。概念驗證(POC)是NFV在2014年的另一項重點工作,通過CallforProposal和Evaluation等幾個環節向產業界徵集NFV產品原型和驗證試驗延時,以推動NFV產業發展。

2.3與網路虛擬化相關技術的關係

(1)NFV與網路虛擬化的關係

網路虛擬化(NV)的概念很早就已經出現。目前,通常認為網路虛擬化是對物理網路及其元件(如交換機、埠以及路由器)進行抽象,並從中分離網路業務流量的一種方式。採用網路虛擬化可以將多個物理網路抽象為一個虛擬網路,或者將一個物理網路分割為多個邏輯網路。網路虛擬化打破了網路物理裝置層和邏輯業務層之間的繫結關係,每個物理裝置被虛擬化的網元所取代,管理員能夠對虛擬網元進行配置以滿足其獨特的需求。由定義可見,網路虛擬化主要是針對層二和層三的交換機、埠以及路由器等網路元件。網路功能虛擬化則是從電信網業務功能形態的角度,將原本網元裝置中的一體化功能分解成多個邏輯功能元件,實現在通用硬體平臺上網元功能的重構、部署和遷移。可以認為網路虛擬化技術的概念更加巨集觀和基礎,網路功能虛擬化則面向電信網網元功能具體的需求。

(2)NFV與SDN的關係

從廣義上理解,軟體定義的網路(SDN)是一種全新的組網設計思想,通過網路控制與轉發分離的思想,構建開放可程式的網路體系結構。SDN與NFV共同被認為是未來網路創新的重要推動力量。根據NFV白皮書的解釋,NFV與SDN間的關係可以概括為高度互補,彼此獨立。NFV的實現不必依賴於SDN技術。但是兩種技術方案的結合可以獲得潛在的更大增益。例如,SDN所提出的控制與承載分離的理念有助於增強NFV系統性能,簡化設計方案,提升與現有部署方案的相容性和提高運維和網管效率等。同時,NFV與SDN技術在充分利用標準化硬體裝置方面存在高度的一致。

3基於NFV的行動網路新型體系架構設計

3.1EPC現網架構特徵與不足

支援LTE接入的EPC部分實現了信令面與使用者面的分離,信令面網元包括MME、PCRF、HSS等,實現終端裝置的鑑權授權、移動性管理、位置更新、簽約管理、策略控制和閘道器選擇等功能;使用者面網元主要包括S-GW和P-GW,實現使用者會話建立、承載管理、IP地址分配等功能。EPC核心網以P-GW為統一的使用者面錨點,支援多接入系統,提供統一的移動性管理。WCDMA/GPRS接入、CDMA接入和WLAN接入一側不同的本地服務閘道器(SGSN、HSGW等)與P-GW建立會話,由P-GW分配唯一IP地址實現業務資料流的連續性。EPC核心網具備控制與承載分離,多接入系統統一管理、統一業務資料流錨點等功能特性,是未來移動核心網系統演進的基礎。隨著行動網路業務的日新月異,當前的EPC架構逐漸不能滿足業務和運營需求,並存在以下幾方面的不足:

(1)架構層面劃分不夠合理

網路架構使用者面和信令面分離的好處在於可以分別按照網路功能特性,實現核心網系統信令面集中部署,使用者面邊緣分佈的優化,提升網路效能。但目前的層面劃分中,閘道器節點仍承擔了複雜的控制功能,與MME等信令面節點互動頻繁。另外,UTRAN/GERAN、CDMA和WLAN系統接入EPC時,其信令面和使用者面是合一的,增加了與E-utran協同組網的難度。

(2)多接入系統間協同能力較弱

EPC架構中實現了多接入系統基於層三IP地址的統一管理和流移動性。體現接入特性的二層則是相互獨立的。運營商實際建網和運維中,每一種接入系統都是獨立組網,異構系統間的資源無法共享,增加了網路OPEX和CAPEX。從使用者角度看,業務資料流只能在接入系統間切換,無法實現多接入針對不同業務流要求的`協同服務,再加之異構接入系統協議存在差異,資訊互動,切換流程複雜,不利於提升使用者體驗。

(3)網路能力的可擴充套件性較差

現有EPC網路由基於專用硬體的網元裝置組成,硬體限定了網元功能的部署位置和效能指標。MME和P-GW裝置部署在運營商核心域,匯聚層次較高,不利於降低業務時延,容易導致信令處理和流量瓶頸;行動網路業務量隨時間變化特徵明顯,但網路規劃時必須按最高業務預測設定節點能力,造成了閒時資源的極大浪費,固化的硬體節點無法隨業務量變化靈活擴容和縮減,基於硬體裝置和物理連線的擴容方法又導致機房組織和拓撲復雜等一系列新的問題。

3.2基於NFV的新型行動網路架構設想

NFV的核心思想是網元功能的軟體化,理論上任何一種網路架構都可以引入NFV技術實現網元功能的軟硬體分離。具體到行動網路網元功能虛擬化,除了NFV本身所具備的優點特性外,網元功能軟體化和重構給行動網路架構演進提供了廣闊的創新空間。(1)形成基於虛擬化平臺的通用轉發面如圖3所示,EPC架構中的P-GW網元除了業務資料流轉發功能外,還具有IP會話和承載控制功能。網路功能虛擬化實現後,P-GW形成獨立的轉發功能元件和IP會話和承載控制功能元件。IP會話和承載控制功能可抽取出來,與其他控制功能元件互動實現對使用者會話和承載的統一控制。僅保留轉發功能的P-GW不再是流量的匯聚點,而是普通轉發節點,實現接入、匯聚和核心域全域性扁平化網路。(2)遮蔽底層協議棧差異的統一控制面不同接入系統的業務流程(鑑權/授權、業務接入請求、切換等)和信元型別(使用者標識、位置資訊、無線和連線資訊、QoS等)大體相近,下層協議棧的協議各自不同(GTP、PMIP等)。硬體網元功能與協議棧的繫結造成異構系統間資訊互動複雜,協同工作困難。網路功能虛擬化實現後,底層協議棧的差別可由虛擬化平臺統一處理,網元功能元件之間採用統一的訊息格式和資料結構傳遞資訊,完成業務流程。這樣既可以消除控制節點間協議適配造成的額外開銷,也可以實現異構接入系統間全域性資源共享和協同控制功能。全面提升控制面處理能力。基於上述設計思路,基於NFV的新型移動架構層面更加清晰,轉發面更加扁平,可更好地適應未來行動網路業務需求。和承載控制功能,形成全網集中的控制平面。基於虛擬化平臺,軟體形態的功能元件可以部署到網路的任意位置,通過標準化的訊息介面和資料格式交換資訊,完成業務流程。實現全網資訊同步、接入協同和資源排程。全網架構採用雲平臺實現。可快速實現網路控制功能重構,轉發面行為定義,未來運營商也可以按需組合,靈活編排,有利於新業務的快速開發和部署。雲管理平臺用於分配儲存、計算及網路等資源,全域性監控資源利用情況,根據所需動態地分配網路資源,提升網路建設和運營效率。

3.3基於NFV新型架構的關鍵技術

基於上述的新型網路架構,可以引入多樣化的網路關鍵技術。(1)網元功能重構核心網閘道器功能可以分解為會話管理、地址分配、資源管理等控制面功能,這部分網元功能從閘道器裝置中抽取出來,與移動性管理、PCC等構成全域性控制面。控制器通過控制功能的編排形成到業務邏輯,統一控制轉發面裝置的行為。整個系統都可以部署在資料中心伺服器,不必依賴龐雜的專用硬體和物理連線。(2)異構接入系統協同移動CDN業務對優化全網流量負載,優化業務時延有極高的價值,但如何實現內容的高效分發、使用者移動性以及與不同終端能力適配是需要解決的關鍵問題。

4結束語

NFV相關研究目前處於架構和技術方案設計、初步概念驗證階段,要實際應用到現網,還有基礎設施平臺選擇、核心網雲管理架構設計和轉發面效能加速等關鍵問題需要解決。但NFV技術本身的價值以及對網路體系架構的創新推動作用,正在被越來越多的研究組織、運營商和裝置製造商所認可。NFV將成為未來行動網路架構演進的必由之路。

TAGS:NFV 論文