IMS网络虚拟化部署分析

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1   引言
　　传统电信设备价格昂贵，其应急需求及故障恢复与倒换还额外需要容灾设备的配置和软件逻辑的支持。激烈的竞争要求运营商不断减少运营成本，价格昂贵的电信设备已然成为核心网发展的瓶颈。与此同时，在移动互联网时代，虚拟化、云计算的IT技术正在改变传统电信网络。2012年10月，中国移动等全球13家运营商提出了NFV的概念，即网络功能虚拟化，旨在改变现有电信设备的形态及实现方式，拟基于通用标准的服务器、存储及网络设备并利用IT虚拟化技术以软件的方式实现现有多种电信设备的功能，推进电信网络虚拟化架构及关键技术的研发工作。基于虚拟化技术的云平台具有更好的可扩展性和计算能力，也是下一代网络的发展方向。移动网络和固定网络中的控制网元和数据转发网元是NFV的重要应用场景。
　　业界普遍认为在已经部署且稳定经营的现有网络上直接替换并进行虚拟化改造的收益不大，因此承载VoLTE的IMS网络成为核心网虚拟化的触发点，同时需要建立虚拟化的核心网来更好地支撑VoLTE。
　　2   IMS网络虚拟化可行性分析
　　2.1  云架构对核心网设备要求
　　核心网设备的云化适用性主要有4个方面：
　　（1）IP化架构
　　设备接口IP化，才能保证设备可以异地存放和布局，不会占用过多的传输资源，是实现云架构的基础条件。由于核心网设备需要与其他非IP化设备互联，可采用链路直达云端或者进行IP接口改造。
　　（2）即时通信的数据类型
　　语音通信部分中，话路建立后，大量的即时语音数据需要及时传输并且不需要保留，这种情况不适合云计算，可直接通过本地设备转接。云计算更适合计算类型的服务或者数据需要存储查询类型的服务。
　　（3）实现服务交互及频繁计算
　　云计算以其特有的体系架构，非常适合复杂计算，通过IP网络实现数据交互。
　　（4）大量数据存储、操作和维护
　　云计算适合于整合多个小的存储体系，减少了数据单元互通，可保证全网数据准确一致及时更新。
　　由于网络架构的改变必将引入新的投资，是否有必要投资也是必须要考虑的重要问题。IMS域是未来通信网络架构，是一个提供会话类业务的平台，是运营商后续部署VoLTE、RCS、融合/高清会议等业务必不可少的技术。同时，IMS是基于IP的技术，可接入手机、平板电脑、PC等多种终端，不受物理位置限制，且网元逻辑功能独立，多以信令处理为主，IMS的这些特性适合在云上运行。
　　2.2  IMS网络虚拟化带来的利益
　　云计算应用在IMS，可为运营商带来利益。
　　（1）降低CAPEX和OPEX
　　在云上部署IMS的一个重要优势是节省CAPEX和OPEX，用户亦可享受更优惠的语音/视频等业务。另外运营商维护传统网元硬件成本非常高。虚拟化技术解除了应用和硬件的绑定关系，运营商可以利用标准的ATCA、通用服务器，并可以在服务器之间进行灵活的资源调度，提升资源利用率。采用虚拟机之后，不同的业务可以进行迁移，而不取决于是何种操作系统。另外，云的伸缩性为新网元部署以及网元扩容都带来了更大的灵活性。
　　（2）灵活的应用场景
　　采用云计算虚拟化技术，一些原来花费很高或者很难实现的场景，比如IMS Hosting、IMS in a box等小型化方案都可以轻松地利用虚拟机实现。不同的虚拟机可由不同的主体（分支运营商、分销商等）管理，为运营商创立了新的商业模式，不仅可以对终端用户收费，也可以对其他运营主体收费。虚拟化技术尤其适用于话务分布不均的跨国运营商，比如一些分支很小、一些较大，可以在大的分支上建一套IMS设备，通过虚拟化技术为不同的分支服务，节省设备成本。
（3）多元化的采购选择
　　IMS部署在云上带来了网元在水平方向的功能分割，在理想的状态下，软件和硬件可以完全来自不同的厂商，比如硬件采用A、虚拟机来自B、上层IMS应用来自C，这样减少了运营商对设备商的依赖。
　　（4）多种运营模式
　　IMS云的层面：IaaS，基础设施即服务，如大型企业可以运行自己的云或IMS;还有一种是SaaS，软件即服务，即IMS为不同的角色服务，如个人用户、分销商等，这些业务主要是语音、高清视频等业务。另外还有CaaS、DaaS、PaaS等服务模式。
　　3   IMS网络云架构及云部署策略
　　3.1  IMS网络架构
　　IMS系统基于IP承载，以SIP协议作为基本控制协议。CM-IMS——全业务运营，不仅满足固定用户需求，VoLTE商用网络更能够支持高清的语音及视频业务。与接入无关的IMS总体网络架构：包括核心控制层、业务层、接入层、承载层。IMS网络架构图如图1所示。
　　3.2  IMS虚拟化云架构
　　虚拟化的技术是云计算的重要基础，其虚拟的逻辑结构以及高度集成的物理设备对于IDC数据中心有重大意义，更是大数据时代云化发展的必经之路。
　　基于IMS架构，IMS的虚拟化云可大致分为3个方面，即IMS控制云、媒体资源云和应用云。
　　（1）媒体资源云化
　　IMS系统的媒体资源部分为媒体资源管理器，它包括MRFC（Multimedia Resource Function Controller，多媒体资源控制器）和MRFP（Multimedia Resource Function Processor，多媒体资源处理器）2个功能实体，可与AS合设或单独设置。媒体资源管理器需要为应用层的不同应用提供多媒体处理业务。
　　IMS媒体资源云实现场景：媒体资源管理服务器可虚拟化取决于它采用通用硬件的服务器架构，再通过云主机部署虚拟化软件。媒体资源云通过云媒体处理单元按需进行动态分配、负载均衡，以处理业务平台发起的各种媒体资源处理请求。
　　媒体资源云管理平台或资源池可采用集中建设的方式，可作为基础能力对外提供整体的行业解决方案，也可以作为开放式平台，为OTT或所有网络用户提供丰富的传真、收号、视频会议以及话音等媒体类业务。
　　（2）核心控制层云化
　　IMS核心控制网元具有密集处理、大容量的特征，这一特性符合虚拟化部署的特点。核心控制层包含P-CSCF、I/S/E-CSCF/BGCF，用户数据库HSS/SLF，互通类网元MGCF、IM-MGW等会话控制类功能实体。
　　IMS控制层云具备开放应用调测和应用开发的环境，具备对第三方提供运营支撑的能力。开发商即可以快速部署并按需获取所需要的网络通信资源，并且不需要大量的前期投入就可以使用相应的网络通信服务。
　　IMS控制云实现场景：可通过采用虚拟化技术，一块ATCA单板或一台商用服务器，实现多个不同的IMS网元（包括完整的控制网元、HSS等功能），极大地提高IMS集成度。原本需要多个机框实现的功能，通过虚拟技术可借助单框或单个服务器实现。
　　（3）应用层云化
　　应用层是运行在云平台层上的应用的集合，每个应用都对应一个业务需求，实现一组特定的业务逻辑。应用层云化可以很好的支撑新业务的创新和试点以及应用的快速部署。把各种应用部署引入云和虚拟化技术，可给核心网的技术带来最大的灵活性。
　　用户可通过SaaS方式获得应用层中的各种服务。现有运营企业也可以通过和第三方开发服务商合作或者以Paas平台为基础，将IMS网络、处理能力与企业自身的互联网应用进行集成化改造，从而提供定制化、多样化、个性化的服务。IMS网络整体云化架构逻辑图如图2所示。
　　3.3  IMS云化建议思路
　　IMS云与其他企业内部云相似，都应逐步完成由私有至公有云服务的提供。
　　（1）IMS私有云
　　IMS私有云是指运营商将IMS内部网络部署到云上，实时云平台是IMS的基础设施，也是虚拟化的关键。这个阶段需要重点解决的问题是虚拟化和云管理，不单单指性能和可靠性方面的目标，还应做到可运营、可管理。
　　IMS私有云的实施是一个循序渐进的过程，现阶段IMS核心网的业务接入模块、标准功能业务平台、扩展功能业务平台的云化成熟度不尽相同，可采用传统ATCA、单厂家云、成熟云化这3种模式建设。最终业务接入模块采用传统ATCA厂家专有硬件建设;标准功能平台采用单厂家云进行部署，部分功能如MRFP、CG、IP-SM-GW信令接口采用专有硬件部署。在初期阶段，可先替换容量小用户少的传统设备，例如固网IMS核心控制层;或可在VoLTE（IMS提供话音等富媒体能力）试验网部署时采用云平台设备作为试点，使IMS传统设备及云平台设备同时在网运行并提供能力。随着测试结果达标及稳定性验证后，再逐步进行传统设备的云化改造，使网络平滑演进，最终完成到私有云平台的迁移。
　　（2）IMS公有云
　　公有云开放在Internet网络，面向所有用户。IMS公有云是指运营商面向所有企业及个人用户共享各种IMS的业务能力通信应用。IMS公有云的控制层云平台及应用云平台提供的多媒体服务一般体现在“平台即服务”和“软件即服务”。
　　从市场角度分析，公有云比私有云前景更广阔，但是进入门槛相应也更高。业界认为私有云更具现实意义。的确，与公有云相比，私有云在安全、网络架构、应用迁移等方面更易实现，业务风险也更小，在公有云尚未完全解决安全问题、公有云服务尚未完善之前，私有云是明智的选择。但是，私有云并不完美。运营商在使用私有云的过程中，一定要保持谨慎、全面考虑。公有云才是最终归宿，IMS公有云是IMS云化的目标。
3.4  云技术在IMS应用上的限制
　　云技术是IT技术发展的产物，和IMS这类从电信网络演化而来的技术相结合，还存在一些限制。
　　（1）性能影响
　　虚拟化是云计算中的关键技术，然而虚拟化应用在实时的计算（比如IMS信令处理）时，测试结果显示云计算会导致IMS设备处理性能下降，系统时延较大。如果采用VT-x的虚拟化技术，从性能和时延上看，要比单纯的虚拟技术有所提升。虽然目前的试验结果显示虚拟化技术对于实时业务的处理并不能达到传统设备的水平，但是业界提出了很多针对虚拟化的优化技术，硬件的处理能力也在逐年提高，相信2～3年内这一情况会有很大的改善。
　　（2）运维方式的变化
　　电信业务原有的网管模式是硬件和软件功能等统一管理，而虚拟化技术的引入，打破了软件和硬件的绑定，软件和硬件可以归属在不同的主体去管理，这区别于传统的软硬件一体的运维模式。
　　云计算平台服务端的复杂性和创新性，对于运维是个全新的挑战，传统运维思路和方式都将发生改变。这种改变不是简单的在传统运维结构上的优化，而是基于云计算特征孕育而生的运维重构，随着云计算平台的发展过程不断演进并积累经验。
　　4   结束语
　　核心网架构如何适应互联网发展的需要？虚拟化是未来网络的重要组成部分，但是核心网网络虚拟化技术在基础设施平台、云管理以及转发性能优化上仍存在很多亟待解决的问题。进一步加速电信网络功能虚拟化（NFV）的进程，以及后续核心网虚拟化技术的研究，都是需要深入继续的课题。