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专题 - 5G专刊——邮电设计技术&C114 - 2018年第11期 - 正文

5G商用将推动NFV进入新阶段

http://www.c114.com.cn ( 2018/12/13 17:27 )

王卫斌(中兴通讯股份有限公司,江苏 南京 210012)

本文版权为《邮电设计技术》所有,如需转载请联系《邮电设计技术》编辑部 

摘要:近年来,NFV技术取得了长足的发展,但是在微服务、云原生、智能化编排和管理方面还存在诸多急需解决的问题。3GPP发布了Release15的5G网络规范,将NFV作为5G网络的基础技术,同时,还进一步定义了基于服务化架构的5G核心网以及基于网络切片的端到端网络业务编排与管理,同时也把低时延分布式的边缘应用作为5G网络的重要应用场景和基本架构需求。随着5G网络的商用,NFV面临的一些问题将得到有效解决,NFV的发展将进入新的阶段。

关键词: 网络功能虚拟化; 5G;服务化架构;云原生;网络切片;边缘计算

doi:10.12045/j.issn.1007-3043.2018.11.007

前言

多年来,电信运营商饱受复杂专用硬件网络设备的困扰。随着IT虚拟化以及云计算技术向CT领域的渗透,网络功能虚拟化(NFV)被提出。NFV通过网络功能软件化,实现在工业标准、池化部署的通用服务器交换机和存储设备上部署不同类型网络设备,并根据需要在多种网络位置按需运行。虽然NFV已经成为运营商网络演进的基础,但是网络演进过程中NFV也面临一些无法回避的问题。如今,5G时代即将来临,如何推动NFV快速成熟,关系到5G网络能否顺利商用。

1、NFV进展和问题

1.1 NFV的进展

2012 年 10 月,AT&T 为首的 13 家运营商在德国 SDN 大会上首次提出 NFV 概念与构想。NFV 产业蓬勃发展,逐渐成为全球运营商电信网络演进与变革的首选考虑。5年多的时间,无论在标准化、产品解决方案还是实际商用部署方面 NFV 都取得了令人瞩目的成就。如图 1 所示,ETSI ISG NFV 最新发布的第 3 版 NFV 技术规范,涵盖了需求与可行性、框架与互操作以及大规模商用部署3个方面的技术标准。

同时,业界主流厂家NFV解决方案也跨越了虚拟化、云化以及云原生 3个阶段。虚拟化阶段从专属封闭走向开放,实现软硬件解耦,将网络功能软件与底层硬件的分离。云化阶段引入云计算的集约化供给和自动化生产特征,实现了硬件资源池化、网络功能和资源的统一管理、自动编排、自动部署和弹性伸缩;云原生阶段从软件编程上重构了网络功能,以更科学、更灵活的组件和服务化的在线共享方式快速动态地拼接出新业务。

市场研究表明,2013—2018年全球NFV市场年均复合增长率为 51.57%,到 2020 年将达到 450 亿美元。截至 2017年底,NFV 在全球已实现规模商用,主要商用部署集中在核心网(包括vEPC、vIMS、vPCRF等)、边缘及汇聚网络设备(包括 vBNG/vBRAS、vSBC、vCDN 等)以及创新业务(包括vCPE、SD-WAN、Live-TV等)3个领域。根据咨询机构 Global Data 信息,至 2017年 12 月仅虚拟化 EPC 商用合同或部署案例已超过 230 个。

1.2 NFV面临的问题

尽管NFV技术和解决方案发展非常迅速,多数运营商也希望尽快演进到NFV网络,但是越来越多的电信运营商发现,NFV 的实施过程比最初想象的困难。一方面,NFV 本身有一些问题需要完善,另一方面电信网络自身的发展也不断对 NFV 提出新的需求。当前,NFV面临的主要问题包括:

a)云原生以及服务化架构的统一管理及互操作。云原生 NFV 提出的微服务架构不仅让运营商摆脱专用硬件,还能动态扩展网络功能,提高业务部署的灵活性和效率。但目前大部分 VNF 只是从旧的平台移植到虚拟机中运行,各厂家的微服务重构都是基于自己的私有实现,并不能彼此开放、融合和互操作,实现统一管理,电信网络的云原生面临传统网络时代的 "七国八制"混乱局面,只不过从硬件形态转移到软件层面。

b)NFV 运维和运营模式有效对接垂直行业。统一的 MANO 如今仅仅提供了 NFV 网络服务的部署和编排能力,无法与 BOSS 系统有效协同以实现包括异厂家和不同网络域端到端的网络服务,满足各种垂直行业客户的差异化服务的定制需求。更进一步,垂直行业客户对运营商提供的网络服务有监控、优化甚至 DevOps等自管理需求,这就需要封装多厂家组件分层解耦部署的复杂性,提供应用层面的 API,实现从规划、设计、测试到部署、开通、优化等全流程的自动化管理能力平台,以方便垂直行业合作伙伴利用网络服务开展自己的业务。

c)基础设施能力演进。NFV 构建在通用硬件及虚拟化资源管理系统组成的基础设施上。随着电信网络的不断发展,脱胎于IT领域的基础设施相关技术还需要在高可靠、高性能、实时性、可维护性、安全性、轻量化等方面不断优化,以满足CT网络的应用需求。

d)开放性和集成工作的平衡问题。多厂商组件化环境使得运营商的网络服务自身集成难度加大,多层解耦架构的互操作性比预期面临着更大的挑战,现有的规范不足以实现多厂商之间无二义性的对接,测试也由于各运营商的需求不一致以及缺乏细致的规范而面临困难,依然需要在各种开源框架、ETSI 规范的基础上对NFV进行实操层面的技术规范细化。

图1 ETSIISGNFV标准进展

2、5G商用将推动NFV进入新阶段

2018年 6月 13日,3GPP全会(TSG#80)批准了 5G 独立组网(SA)功能冻结,标志着真正完整意义的国际 5G标准正式出炉。5G SA网络基于SDN/NFV,某种意义上,是SDN/NFV催生了新的5G核心网架构,赋能垂直行业的智慧化发展,为运营商和产业合作伙伴带来新的商业模式,使得4G网络改变生活方式,5G网络改变生产方式得以成为现实。5G SA网络采用了不同于 4G的全新网络,提出了标准化的 SBA架构,基于切片的运维管理以及隐含的基础设施演进要求,使得NFV 相关问题的解决有了新的推动力。

2.1 标准化的SBA架构

基于服务的软件架构(Service Based Architecture)是NFV在云原生阶段的核心特点,旨在实现软件功能的敏捷扩展和开放性。然而,长期以来,由于基础粘合框架与 API接口各不相同,不同厂家的云原生网络功能并不能实现服务级别的相互调用,因此,在多厂家的电信网络运行环境中就形成了孤立的多个软件自治系统,无法实现异厂家的统一编排与管理。

3GPP SBA 的重要意义在于对电信网络中的网络功能进行了服务化的标准化。该架构有三大特征:一是服务化组件,二是标准化的电信服务API,三是服务框架。具体而言,SBA将现在的网元按照功能的维度进行解耦,形成相互独立、模块化的功能,然后再通过服务化的方式,在统一的架构里按内聚的服务组织起来,采用标准API对外提供服务,每个服务组件都可以独立迭代更新,以快速支持新的业务需求。

基于SBA的5G网络因此具备更多优势:一是敏捷性,即5G网络服务可以快速、便利部署升级;其次是易拓展性,不需要引入新的接口设计就可以向网络里增加新的网元及服务,服务间能够做到即插即用,自动注册和发现;三是灵活性,可以实现网络功能的组合,满足网络切片的灵活性;最后是开放性,网络功能便于创建新的第三方业务调用。

图2 是 NGMN 联盟建议的基于 NFV 的 5G 网络服务化目标架构,整个架构包括管理及编排(MANO)、基础设施(NFVI)、网络运营和运维(OSS/BSS)以及网络功能部分。网络功能部分的主体是 3GPP R15定义的基于服务化架构的5G Core Network,包括控制面(Control Plane)、用户面(User Plane)。控制面和用户面由各种服务构成,每个服务都提供特定的功能,并向服务使用者(其他服务)提供标准的服务接口,服务之间的所有交互都通过API调用来实现。

图2 5G网络的服务化目标架构

2.1.1 控制面(Control Plane)

控制面包括各种控制面服务(CPS)以及公用服务框架(Service Framework)和统一数据服务(Data Service)。

各种控制面服务(CPS)协同起来提供面向终端用户的网络控制服务,例如接入、移动性、策略、能力开放和计费控制等。CPS之间的通信采用基于服务的接口(SBI)。每个 CPS启动时向网络通告自己能够提供服务,这样其他已经在线的 CPS服务就可以调用它提供的服务。例如,处理用户接入的 CPS可以调用由另一个 CPS提供的"授权服务",该 CPS能够验证用户并接受或拒绝用户附加到网络的授权。其中,提供服务的 CPS称为服务生产者,而调用服务的 CPS称为服务使用者。

原则上,CPS的设置或划分应做到相互解耦,确保各自提供的服务是独立的,即服务应是"原子的"(独立于其他 CPS 的服务),以最大限度地消除 CPS 间通信,提升网络性能和灵活性。CPS自身应尽可能实现无状态,因此需要将用户状态数据从业务处理逻辑分离出去独立存储,存储用户状态或者其他数据的实体就是数据服务。数据服务提供统一的用户数据访问服务,为需要查询或存储数据的任何授权消费者服务公开服务接口,允许消费者创建、读取、更新、删除他们自己的数据,并在数据改变时订阅通知。在运营商网络中存在多种类型的用户数据,诸如用户订阅、策略、移动性管理、会话管理上下文相关信息等。数据服务可以使用具有分布式存储方式的统一访问框架,以便数据可以靠近访问它们的服务。

服务框架(Service Framework)提供服务的发现、注册、授权功能,用于网络中的所有 CP 服务和 UP 服务。服务注册表是服务框架的关键部分,它是一个维护NF实例及其支持服务信息的数据库。服务应在启动时向服务框架注册,服务消费者通过查询服务注册表以发现特定服务。服务框架本身也是一种服务,它是这种服务相互协作的基础服务。

2.1.2 用户面(User Plane)

用户面由各种用户面服务(UPS)构成,多个 UPS 可以组成服务链,为用户提供分组数据报文的路由和转发以及复杂处理,例如 QoS实施、过滤,提供系统内或系统间移动性的锚点,分组检查和分组复制。包括 AN和UP服务之间的路径建立,UP服务链和计费信息收集等 UP 服务均受控制面服务的统一控制。CPS 和 UPS之间的交互可以直接通过服务调用实现,例如会话管理及控制CPS可以直接通过SBI配置特定UPS的
QoS要求。

2.1.3 管理和编排(MANO)

MANO 是 CPS、UPS、Data Service 和 Service Framework等服务的管理与编排中枢。MANO管理每个服务的生命周期,与 EMS 协同配置每个服务的属性和行为。当MANO启动服务时,服务可以自动注册到服务框架,以便请求者可以发现它。MANO也可以代表服务框架注册服务或取消注册,尤其是当服务处于异常或崩溃时。MANO可以遵循ETSI NFV规范和接口,也可以基于ONAP等开源项目实现。

2.1.4 其他部分

5G 核心网(CN)可以是服务使用者和提供者,而 AN和 AF只能是服务使用者。AN可以通过服务注册发现来找到特定的CN服务。AN也可以通过SBI直接与 CP服务和 UP服务交互,例如调用访问控制服务完成注册或调用用户订阅数据管理服务实现用户授权。 AF 包括可信 AF 和不可信 AF 2 种类型。对于可信任的 AF,SBA 可支持 AF 和 CP 服务之间基于 SBI的直接通信。对于不受信任的AF,必须在AF和其他CP服务之间使用网络能力开放服务来统一受理相关调用,以保证网络安全

3GPP 对 SBA 的标准化工作还在进一步完善中。虽然基于 SBA目标架构的 5G核心网与传统网络在网络功能方面仍保持相似,但是5G核心网的内部实现已经发生了根本的变化。SBA 架构的商用对于 NFV 演进到云原生和微服务阶段,实现微服务化VNF跨厂家统一管理和互操作有着十分重要的意义。

2.2 基于切片运维管理

NFV 在运维管理上创新提出了网络服务编排的概念,并采用MANO实现网络服务以及资源的统一编排。在此基础上,ETSI新成立的 ISG ZSM进一步提出了"Zero Touch"全流程自动化运维理念。然而,由于电信网络的复杂性以及庞大历史积累,不是所有现有网络功能节点都能够按照 ETSI NFV 框架的要求实现基于虚拟化的编排和管理。5G 网络在网络服务的基础上提出了基于切片的运维管理,有效地对接 BOSS 与MANO,实现如图3所示的包括终端、基站、承载、核心网甚至垂直行业业务在内的端到端网络切片服务。

5G 切片可以基于 eMBB、uRLLC 以及 mMTC 等不同类型的业务划分,也可以基于不同的垂直行业用户创建。可以临时动态地创建和删除切片服务以释放网络资源。一个用户可以同时接入到多个切片,一个切片也可以同时服务不同的用户。切片有自己的SLA保证并与其他切片相互隔离。在 NFV 网络服务的基础上拓展的5G网络切片为实现面向业务的管道资源、能力的智能化分配提供了基础,使得运营商可以为不同业务场景提供差异化的服务。

图3 端到端的5G网络切片服务

2.3 从注册送彩金不限id论坛到边缘的分布式云基础设施

传统虚拟化技术 KVM、OpenStack 并不能完全满足 4G 网络的需求,因为电信网络对传输时延要求很高,频繁的抖动将会给客户体验带来致命打击,同时电信网络本质上是一种延伸到用户侧的管道连接,在靠近边缘的地方需要轻量化的灵活性以满足供电、占地和远程管理的需要。在引入uRLLC和MEC的5G网络中这些问题就更加突出。Container技术由于其运行时的轻量化和应用部署的高效性,既可以保障通信的实时性,又可提高电信业务部署的灵活性和业务不中断升级能力。SBA 架构一定程度上已经为 5G网络在 Container上的适配做了准备,虽然这种准备还在持续进行中。随着基于 NFV 的 5G 网络新需求的提出,容器技术也在针对 NFV 进行增强,如网络性能加速, SDN 多网络平面适配等。虽然目前 NFV 还没有基于容器大规模商用,但是5G网络的多业务需求一定会推动如图 4所示的满足从网络注册送彩金不限id论坛到边缘、构建在混合资源池上的分布式电信云基础设施的诞生。

3、结束语

综上,NFV 经过一段时间的发展,已经成为电信网络重构的重要基础技术。5G的发展离不开NFV带来的成本、开放性、灵活性优势。随着5G网络商用进程的推进,也将有助于解决 NFV 当前面临的一些问题,推动NFV的发展进入崭新的阶段。

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作者:王卫斌   来源:《邮电设计技术》

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