隨着5G和物聯網等領域的快速發展，移動數據業務飛速增長，而傳統電信網絡基於專用硬件的架構和封閉式的網元，已經成為運營商拓展新業務的嚴重障礙。NFV能夠根據用戶和業務需求靈活動態地進行網絡資源配置，實現網絡資源的高效利用，有效降低CAPEX和OPEX成本。伴隨VoLTE的大規模商用部署以及為了應對物聯網未來的大量業務需求，NFV和vIMS無疑是電信運營商的最佳選擇。
一. 為什么要引入NFV
隨着5G和物聯網等領域的快速發展，移動數據業務飛速增長，而傳統電信網絡基於專用硬件的架構和封閉式的網元，已經成為運營商拓展新業務的嚴重障礙。電信運營商的網絡及業務平台通常采用大量的專用硬件設備，例如：核心網的信令控制設備（MME、CSCF等）、運營支撐系統（如網管、計費、業務開通等系統）業務處理機的小型機等。這些專用硬件設備業務之間公用性差，存在着大量的性能浪費，造成電信運營商設備建設投入高，增加了CAPEX成本；同時由於不同業務的專用硬件不通用，造成新業務開發周期長，后期運維成本增加，設備空間及能源存在很大的浪費，無法降低網絡的OPEX成本。因此，運營商迫切需要對網絡進行變革，通過引入NFV（Network Functions Virtualization），將網絡進行軟硬件解耦，實現網絡虛擬化，從而將基於硬件的網絡向靈活的軟件控制網絡轉變。NFV能夠根據用戶和業務需求靈活動態地進行網絡資源配置，實現網絡資源的高效利用。
根據相關的調查分析，電信運營商希望通過部署NFV來實現：
· 靈活性 – 通過軟件控制網絡資源，快速推出新的服務，以推動運營商收入的增長；
· 高效性 – 提升運營效率，降低成本；
· 高速性 – 根據業務需求，能夠進行快速增容和減容。
圖一. 電信運營商對NFV的期望
所以，運營商對NFV的期望為電信設備廠商指明了市場的發展方向和趨勢，愛立信預測到2020年NFV將全面改變電信運營商構建和管理網絡的方式。
二. 基於NFV的5G網絡架構
2012年10月，AT&T、英國電信、德國電信、Orange等運營商在歐洲電信標准協會（ETSI）發起成立了一個新的網絡功能虛擬化標准工作組NFV ISG（Industry Specification Group）。NFV工作組的研究目標主要是希望通過廣泛采用標准化的IT虛擬化技術，采用業界標准的大容量服務器、存儲和交換機承載各種各樣的網絡軟件功能，實現軟件的靈活加載，實現在數據中心、網絡節點和用戶端等各個位置靈活的部署配置，從而加快網絡部署和調整的速度，降低業務部署的復雜度，提高網絡設備的統一化、通用化、適配性等，最終降低網絡的CAPEX和OPEX。
根據工作組的以上目標，我們不難得出以下結論：在將網絡功能虛擬化時，通過引入雲平台，使用標准IT通用硬件以及虛擬化技術，來承載電信網絡的各種應用。虛擬化的網絡功能（VNF）將像虛擬機一樣運行在COTS平台上，並且通過編排工具來管理要執行或創建的服務。NFV使電信網絡及業務平台的功能不再依賴於專用硬件，網絡資源可以充分靈活共享，這就有效降低了網絡的CAPEX成本；同時，VNFs由雲平台進行管理，具有根據實際業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等優點，能夠實現新業務的快速開發和部署，這就有效降低了網絡的OPEX成本。
NFV徹底顛覆了傳統電信網絡的架構，引入靈活的彈性資源管理機制。ETSI 提出的NFV架構如圖二所示。
圖二. ETSI NFV架構
我們可以把NFV的架構按照橫向和縱向進行解析。
橫向分為三層：
1. 基礎設施層：即NFVI（Network Functions Virtualization Infrastructure，網絡功能虛擬化基礎設施）。從雲計算的角度看，NFVI就是一個資源池。NFVI需要將物理的計算、存儲、網絡資源通過虛擬化轉換為虛擬的計算、存儲、網絡資源。
2. 虛擬網絡層：虛擬網絡層對應的就是各個傳統電信業務網絡，每個物理網元映射為一個虛擬網元VNF（Virtualized Network Function），如EPC網絡的MME映射成vMME，IMS網絡的CSCF映射成vCSCF等。VNF所需資源需要分解為虛擬的計算、存儲、網絡資源，由NFVI來承載。VNF之間的接口依然采用傳統網絡定義的信令接口。EMS負責VNF的FCAPS網管功能，即告警、配置、計費、性能和安全管理。
3. 運營支撐層：運營支撐層，相當於傳統電信網絡的OSS/BSS系統。
從縱向看，NFV分為兩個域：
1. 業務網絡域：指目前的各電信業務網絡，如EPC、IMS網絡。
2. 管理編排域：即MANO（Management and Orchestration，管理和編排），MANO負責對整個NFVI資源的管理和編排，負責業務網絡和NFVI資源的映射和關聯，負責OSS業務資源流程的實施等，MANO內部包括VIM，VNFM和Orchestrator三個實體，分別完成對NFVI，VNF和NS（Network Service，網絡業務）三個層次的管理：
· VIM（Virtualized Infrastructure Manager - 虛擬化基礎設施管理器），負責對網絡功能虛擬化基礎設施（NFVI）的計算資源、存儲資源以及網絡資源進行控制與管理，如對硬件和虛機的啟停、初始化、升級等等。
· VNFM（Virtualized Network Function Manager - 虛擬化網絡功能管理器），用於對虛擬化網絡功能（VNF）的生命周期和容量進行管理，比如vCSCF的負荷高了，VNFM可以對vCSCF的虛機進行擴容，即增加vCSCF的虛機個數。
· NFVO （NFV Orchestrator - NFV編排器），負責對整個NFV網絡的資源進行統一的調配和編排。
隨着5G和物聯網等領域的快速發展，運營商需要更高效、更靈活、具有業務創新能力的網絡。由於NFV的引入，運營商將基於硬件的網絡演進為靈活的、高效的、軟件自動控制的網絡，不僅實現了網絡資源的高效利用，同時也為業務創新提供了巨大的便利性。愛立信的基於NFV的5G網絡具有以下5大特點：網絡切片化、分布式的雲平台、虛擬化、軟件定義網絡、自動控制與編排調度。
圖三. 基於NFV的5G網絡架構
· 網絡切片化 – 由於面向物聯網的各種行業應用以及承載巨大的設備連接個數，網絡切片化是重要核心，即將網絡切分為一片一片的虛擬資源片，將每個虛擬資源片分配給特定行業或商業應用。這樣不僅可以方便地引入各種新的業務，滿足運營商對業務創新的需求；同時也可以實現不同行業應用之間的業務隔離，因為每種應用運行在特定的虛擬資源片上，便於業務的管理與協調。
· 分布式的雲平台 – 分布式的雲平台（數據中心）提供網絡功能虛擬化的基礎設施，即虛擬的計算、存儲、網絡資源，對於網絡內部傳送的大量數據進行高效管理。
· 虛擬化 – NFV可以實現基於標准COTS硬件的VNF，完成VNF的自動實例話，這是實現網絡切片化的關鍵。
· 軟件定義網絡 – SDN能夠實現網絡的自動配置，在不影響網絡質量的前提下能夠將VNF實例進行有效的分配。
· 自動控制與編排調度 – 將整個網絡的資源進行統一的調配和編排管理，保證運營商能夠高效地運營網絡。
網絡切片化是5G網絡的核心特征，特別是支持物聯網的應用。在實現網絡切片化時，需要考慮時延、移動性、高可用性等方面的問題，而且必須保證虛擬資源切片之間是隔離的。一個公共的虛擬IMS網絡為所有EPC網絡切片和所有IMS終端提供服務，某個特定的IMS應用實例可以被某些用戶或終端設備所獨享，通過現有的IMS業務觸發機制來實現，如iFC過濾、P-CSCF發現、基於業務能力的S-CSCF選擇等。如圖四所示。
圖四. 通過網絡切片化引入新的IMS應用
三. vIMS的部署實施
截止到2015年，全球大約有1億VoLTE用戶，超過50個運營商部署了商用VoLTE網絡。隨着VoLTE商用網絡的逐漸成熟，預計2017年將有80%的VoLTE網絡使用vIMS。目前，愛立信已為NTT DoCoMo、Vodafone、TeliaSonera等四十多個運營商部署了vIMS的商用或試驗網絡。
愛立信的vIMS網絡架構如圖五所示，遵從ETSI NFV標准。
圖五. 愛立信vIMS網絡架構
· 愛立信雲執行環境CEE（Cloud Execution Environment）主要提供NFVI和VIM的功能
· vIMS網絡包括各種虛擬IMS網元功能，如vCSCF、vSBG、vMTAS等網元以及相應的EMS功能
· OSS-RC網管系統實現NFV標准中的OSS/BSS功能
· 愛立信雲管理器ECM（Ericsson Cloud Manager），實現NFV標准中的VNFM和NFVO的功能
· vIMS與傳統IMS網絡集成
下面以vIMS網絡為例介紹vIMS的部署實施。如圖六所示的IMS網絡，我們需要引入NFV，將SBG、CSCF和MTAS等網元進行虛擬化，實現vSBG、vCSCF和vMTAS，同時完成這些VNF與IMS網絡其它傳統節點的集成。
圖六. 基於愛立信雲平台的vIMS網絡
從大的方面講，vIMS網絡的部署實施包括垂直集成和水平集成兩個大的方面。
圖七. 愛立信vIMS的部署實施
對於垂直集成，首先是NFVI和VIM的實現，即雲平台的基礎設施。運營商可以選擇COTS的標准IT硬件設備，也可以選擇愛立信的雲服務器（BSP8000或HDS8000）作為雲平台的底層硬件設備。 在此之上通過第三方的虛擬化管理軟件，如VMWare、開源的OpenStack等實現雲平台的基礎設施。運營商也可以選擇愛立信的CEE（雲執行環境），由愛立信提供雲集成服務，通過CEE實現NFVI和VIM的功能。第二步是在雲平台基礎設施之上實現VNF及其EMS，即實現vSBG、vCSCF和vMTAS以及虛擬網元的管理功能（FCAPS），這也是垂直集成的核心。這一步需要選定VNF都具有哪些功能特性，並基於預測的話務量模型來計算VNF的容量規模，根據容量規模提出對NFVI的需求，如每個VNF需要的虛機個數、存儲和網絡資源等，在此之上形成vSBG、vCSCF和vMTAS的詳細設計文檔。調測工程師根據這個詳細設計文檔進行VNF的安裝和功能調測。
垂直集成完成后，在IMS網絡中就已實現了相應的虛擬IMS網元節點，接下來進行水平集成。
對於水平集成，需要完成VoLTE端到端的網絡集成，包括VNF節點之間以及VNF與傳統IMS物理節點之間的信令連接測試，VoLTE各種業務的功能測試。除此之外，還要完成NFVI和VNF的各種故障及冗余倒換測試等等，以保證vIMS網絡的高可用性和高可靠性。
vIMS網絡還需要集成OSS/BSS，VNFM和NFVO相關的運營支撐功能，愛立信的OSS-RC、BSS以及ECM（愛立信雲管理器）可以提供網管、計費、業務開通、VNF的自動管理和編排調度等功能。
四. 結束語
雖然當前運營商對於引入NFV可能存在一些擔憂，比如虛擬IMS網絡的性能是否能達到傳統專用硬件設備組建的網絡性能以及網絡的安全性等等，但是為了應對未來幾年電信業務的重大變化，特別是5G和物聯網的業務，電信運營商們正在尋找更靈活、更高效、成本更低，並且可以支撐新業務快速上線的解決方案。綜上所述，NFV和vIMS無疑是最佳的選擇！
本文作者史健，於1999年加入愛立信學院，一直從事通信行業技術培訓，是愛立信學院的中青年骨干教師。為愛立信全球認證高級方案架構師，愛立信全球認證高級講師。