【摘要】 文章针对当前移动核心网面临的问题，探讨了三种关键技术：SDN架构，网络功能虚拟化（NFV）和云管理，并将三种技术应用于移动核心网，提出了未来移动核心网架构。为运营商解决大数据、大流量给网络带来的问题提供参考。
【关键词】 虚拟化 网络功能虚拟化 软件定义网络 云管理
The Application of Virtualization on The Mobile Core Network
Based on Could Management
LI Feng-Feng
（Hebei Communication Design &Consultation Co.，LTD， The second Integrated Communication Design Institute，Shijiazhuang，050021，China）
Abstract： Based on the current problems of mobile core network， this paper discusses three kinds of key technology： the software defined network （SDN）， network function virtualization （NFV） and could management architecture. We apply the three techniques to the mobile core network； propose a future architecture of the mobile core network； provide reference to solve the problem on a large amount of data and flow.
Keyword： virtualization； network function virtualization； software-defined networks； could management
一、移动核心网的发展现状
移动核心网主要负责系统内部信息的交换、安全管理以及与其它通信系统进行信息交流，从而完成整个通信系统的传递工作。对于整个网络的顺畅运行具有重要作用。
随着通信技术变革，移动核心网也在不断演进：最初的以TDM交换为主进行基本的语音通信；到分组域的引入来满足数据业务的需求；再到软交换技术的实现，将控制和承载完全分离，通过服务器上的软件实现呼叫控制功能，系统不需要单独铺设网络，采用网络共享实现统一管理与维护，极大的降低成本；最后到现在的IMS网络，支持多元化的接入、支持无缝移动性和业务连续性，以及近期已逐步建设完成并商用的EPC架构网络，实现全IP承载，简化网络协议，提供高效的信号指令控制与实现流程，降低业务连接时延。总体来说，移动核心网是向多元化发展，利用宽带及互联网技术，不断加速通信事业发展和融合，从而为用户提供更多简单、便捷、多样化业务。
二、移动核心网目前面临的问题
随着智能终端普及和移动互联网业务的井喷式发展，网络中的流量和信令处于爆炸性增长，这对网络容量和性能本身提出了更高的要求。然而，运营商的收入和利润却并不随网络流量大幅增长。其主要原因是运营业务已从语音短信向高速数据迁移，从而给网络造成了巨大负荷压力。为了应对日益增长的数据流量，运营商不得不加大投资力度，缩短投资建设周期，对移动网络进行新建、升级或改造，造成巨额资本支出（CAPEX）和运营成本（OPEX）。
另外，不同的无线技术造成多种制式网络并存，各制式网络纵向分布、相互封闭。同一用户可能同时是其他网络用户，但申请业务、感知度无法统一。而在现有网络架构下，很难统筹部署网络感知能力，无法感知网络情况、用户分布情况，也无法提升网络智能进行自适应调整和策略部署。
总之，移动互联网时代，运营商迫切需要降低CAPEX和OPEX，提升网络开放性和业务效率；迫切需要提升网络智能化、加强网络控制能力；迫切需要提升负载分担、容量统筹调度及网络的可扩展性。而有效解决这些问题，实现网络管理灵活性，设备高利用率，降低运维成本，是各大运营商必须真正思考的问题。
目前，传统以硬件为主导的设备产品网络架构已难以适应未来高速数据业务发展需求。因此需要颠覆传统电信设备认识理念，利用新技术来支撑新业务模式，对网络资源有定制化的诉求，包括设备形态、配置管理、扩容升级等方面。在移动互联网领域，SDN技术中引入网络功能虚拟化（NFV），并基于NFV实现核心网云管理成为解决设备通用化、业务快速上线和资源灵活管理与共享，网络建设和维护成本可控，实现利润可持续增长的新契机。
三、热点技术分析
3.1 SDN架构介绍
图1 SDN架构图
SDN的概念为网络创新带来了新的机会，最初起源于斯坦福大学提出的OpenFlow协议，应用于校园网络，解决网络创新和封闭设备体系之间的矛盾。后来逐步推广，至今已成为网络领域研究的热点。它是一种新型的网络构架，精髓理念有两点：一是将网络的控制平面及数据转发平面进行分离；二是网络集中控制，并具备可编程能力。SDN构架如图1：
在SDN构架中，网络被划分为3个层面，分别是应用层、控制层和基础设施层。其中应用层包括各种业务和应用；控制层主要负责处理数据平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等；基础设施层负责基于流的数据处理、转发和状态收集。
基础设施层为转发层，是一个无智能的快速转发设备；网络所有智能设备集中在网络控制层，由控制器对转发面进行转发策略的调度和管理，支持运行在网络控制器之上的不同业务。 SDN带来了IP领域一轮新的变革，为核心网虚拟化提供动态灵活的传输构架，以满足其分布式的对虚拟机、工作负载等高度协调和控制的要求。它能对电信网络的所有领域添加控制，并将云控制和网络控制连接起来，且集成了网络控制和系统构架、云管理等服务。
3.2网络虚拟化及网络功能虚拟化
网络虚拟化（NV）通常认为是对物理网络及其组件（如交换机、端口及路由器）进行抽象，并从中分离网络业务流量的一种方式。采用网络虚拟化可以将多个物理网络抽象为一个虚拟网络，或者将一个物理网络分割为多个逻辑网络。它打破了网络物理设备层和逻辑业务层之间的绑定关系，每个物理设备被虚拟化的网元所取代，管理员能够对虚拟网元进行配置以满足其独特的需求。
网络功能虚拟化（NFV）最早是由欧洲电信标准组织（ETSI）从网络运营商的角度出发提出的一种软件和硬件分离的架构，主要是希望通过标准化的IT虚拟化技术，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能，实现软件的灵活加载，从而可以在数据中心、网络节点和用户端等不同位置灵活部署。
随着软件虚拟化、软件定义网络（SDN）等技术的发展，利用分布式软件技术实现网络功能集合理抽象、分割以及灵活调度，已经逐步成为网络功能虚拟化的主流实现模式。
3.3 核心网云管理
核心网虚拟化后，将打破现有以网元为中心的软硬件紧耦合的管理模式，转向以资源为中心软硬件松耦合的管理模式，从而实现跨域、跨地区、跨平台集中管理，实现资源智能调度，这就是基于NFV的核心网云管理。
与传统电信核心网管理相比，核心网云管理增加了对硬件资源、虚拟资源层、虚拟化网元以及完整网络功能管理和调度。实现核心网云管理的网元功能包括虚拟设施管理，虚拟网元管理和虚拟业务编排。核心网云系统架构如图2所示：
1）虚拟设施管理主要负责采集硬件资源和虚拟资源的状态信息并上报给虚拟网元管理，实现资源监测、故障监测和上报；接收来自上层的应用请求并进行认证，通过控制虚拟机管理器来执行上层应用请求，实现资源的迁移和弹性伸缩。
2）虚拟网元管理负责虚拟网络功能的生命周期管理及资源使用情况的监控，包括VNF的添加、删除、更改、查询和容量伸缩等。
3）业务编排负责基础设施和VNF的管理和编排，进而实现完整的网络服务。以LTE为例，业务编排可以通过对MME、HSS、S/P-GW的功能进行虚拟网络功能的编排，进而提供一个完整的LTE网络服务。它可以通过标准接口提供跨数据中心和跨厂家的协同管理。
四、采用网络云管理的基于SDN的NFV移动核心网架构
当前通信运营商需要面对互联网和应用服务商的激烈竞争，不断提供各种增值服务、差异化服务来满足用户需求。而传统网络资源配置复杂，效率低，投资成本及设备能耗高，因此采用新的技术架构是运营商急需考虑的问题。
因此，将云的管理方式、软件定义和网络功能虚拟化的技术进行融合，构建移动核心网架构，可以实现业务灵活扩展、灵活配置，有助于运营商提升配置和维护效率，缩短新业务部署时间，降低开展新业务风险，快速提供各种差异化服务。而且通过网络功能虚拟化运营商可以很容易在网络设备基础上构建多种虚拟网络环境，为不同用户提供服务，最大程度的提高网络资源利用率。从而对网络设备实现通用化和统一化，减少网络设备的投资维护成本和设备能耗。基于SDN的虚拟化移动核心网架构如图3所示：
架构分为4层，分别为接入层、转发层、控制层和业务层。接入层为目前的2G网、3G网、Wi-Fi网、LTE网等其他无线接入网。在接入层和转发层之间部署虚拟化的接入适配网元。接入适配网元北向与转发层接口，采用标准接口；南向与无线接入网络接口，适配各接入制式。
由于现网移动软交换和LTE网络已经实现了控制面与媒体转发面的分离，因此转发层在控制层的调度下只负责转发流量包。实现网络中MGW/GGSN/PDSN/SGW/PGW的媒体转发功能。媒体转发功能由SDN的网络转发设备来承担，由SDN控制器实现对转发面设备的管理和策略的下发，转发面设备可以基于通用硬件平台来实现，提高转发能力。
控制层包括控制网元及数据库网元。控制网元实现移动网络所有的控制功能，如呼叫控制、路由选择、网络感知、策略部署等功能，将涵盖MSC Server/SGSN/PDSN/SGW/PGW/MME等网元的控制功能，数据库网元实现业务数据存储、用户数据存储、用户的认证、鉴权等功能。例如HSS/HLR/AAA等功能。控制网元和数据库网元运营商可以采用云的管理模式利用软件方式对各个虚拟网元进行管理，对支撑系统进行业务编排，从而在全网范围调度资源，提升控制层网元可扩展性，实现资源统筹调度。
业务层通过与控制层协同实现业务逻辑，通过控制层定义的开发API调用网络业务。
采用云管理的移动核心网SDN的NFV构架可以满足大数据处理的需求，很好的实现全网资源的虚拟化，达到调度全网资源，解决流量高峰冲击的问题；还能避免重复建设，避免多制式的无线网建多个核心网，有利的降低了运营商的CAPEX及OPEX；通过采用SDN架构将增加网络感知能力及策略控制能力，提升网络智能，增强网络控制、业务快速部署的能力。
五、结束语
本文从移动核心的发展趋势入手，深入分析了移动宽带、互联网对传统电信业的冲击，使得电信运营商必须采取措施应对即将到来的问题。运用软件定义网络并实现网元的虚拟化、采用云技术对网络进行管理，这些技术已经逐步进入运营商的视野，由于这些技术的特点和所具体的优势，将正在成为电信业未来的发展趋势，但相关的技术实现还需要进一步研究。
参 考 文 献
[1] Network Function Virtualization[R]. Introductory White Paper. SDN and OpenFlow World congress. October 22-24， 2012.
[2] 罗萱，黄保青，韦建文.面向数据中心的软件定义网络（2014-02-20 ）.
[3] 王茜，赵慧玲，解云鹏.SDN标准化和应用场景探讨[J].中兴通讯技术，2013.19（05）：06-09.
[4] 王茜， 解云鹏，陈运清.未来数据网络（FDN）的应用场景和需求[S].CCSA，2013.
[5] 林利，石文昌.构建云计算平台开源软件综述[J].计算机科学，2012，39（11）：7-13.
[6] Network Functions virtualization （NFV）； Architectural Framework[EB/OL].（2014-03-20）.
【摘要】 文章针对当前移动核心网面临的问题，探讨了三种关键技术：SDN架构，网络功能虚拟化（NFV）和云管理，并将三种技术应用于移动核心网，提出了未来移动核心网架构。为运营商解决大数据、大流量给网络带来的问题提供参考。
【关键词】 虚拟化 网络功能虚拟化 软件定义网络 云管理
The Application of Virtualization on The Mobile Core Network
Based on Could Management
LI Feng-Feng
（Hebei Communication Design &Consultation Co.，LTD， The second Integrated Communication Design Institute，Shijiazhuang，050021，China）
Abstract： Based on the current problems of mobile core network， this paper discusses three kinds of key technology： the software defined network （SDN）， network function virtualization （NFV） and could management architecture. We apply the three techniques to the mobile core network； propose a future architecture of the mobile core network； provide reference to solve the problem on a large amount of data and flow.
Keyword： virtualization； network function virtualization； software-defined networks； could management
一、移动核心网的发展现状
移动核心网主要负责系统内部信息的交换、安全管理以及与其它通信系统进行信息交流，从而完成整个通信系统的传递工作。对于整个网络的顺畅运行具有重要作用。
随着通信技术变革，移动核心网也在不断演进：最初的以TDM交换为主进行基本的语音通信；到分组域的引入来满足数据业务的需求；再到软交换技术的实现，将控制和承载完全分离，通过服务器上的软件实现呼叫控制功能，系统不需要单独铺设网络，采用网络共享实现统一管理与维护，极大的降低成本；最后到现在的IMS网络，支持多元化的接入、支持无缝移动性和业务连续性，以及近期已逐步建设完成并商用的EPC架构网络，实现全IP承载，简化网络协议，提供高效的信号指令控制与实现流程，降低业务连接时延。总体来说，移动核心网是向多元化发展，利用宽带及互联网技术，不断加速通信事业发展和融合，从而为用户提供更多简单、便捷、多样化业务。
二、移动核心网目前面临的问题
随着智能终端普及和移动互联网业务的井喷式发展，网络中的流量和信令处于爆炸性增长，这对网络容量和性能本身提出了更高的要求。然而，运营商的收入和利润却并不随网络流量大幅增长。其主要原因是运营业务已从语音短信向高速数据迁移，从而给网络造成了巨大负荷压力。为了应对日益增长的数据流量，运营商不得不加大投资力度，缩短投资建设周期，对移动网络进行新建、升级或改造，造成巨额资本支出（CAPEX）和运营成本（OPEX）。
另外，不同的无线技术造成多种制式网络并存，各制式网络纵向分布、相互封闭。同一用户可能同时是其他网络用户，但申请业务、感知度无法统一。而在现有网络架构下，很难统筹部署网络感知能力，无法感知网络情况、用户分布情况，也无法提升网络智能进行自适应调整和策略部署。
总之，移动互联网时代，运营商迫切需要降低CAPEX和OPEX，提升网络开放性和业务效率；迫切需要提升网络智能化、加强网络控制能力；迫切需要提升负载分担、容量统筹调度及网络的可扩展性。而有效解决这些问题，实现网络管理灵活性，设备高利用率，降低运维成本，是各大运营商必须真正思考的问题。
目前，传统以硬件为主导的设备产品网络架构已难以适应未来高速数据业务发展需求。因此需要颠覆传统电信设备认识理念，利用新技术来支撑新业务模式，对网络资源有定制化的诉求，包括设备形态、配置管理、扩容升级等方面。在移动互联网领域，SDN技术中引入网络功能虚拟化（NFV），并基于NFV实现核心网云管理成为解决设备通用化、业务快速上线和资源灵活管理与共享，网络建设和维护成本可控，实现利润可持续增长的新契机。
三、热点技术分析
3.1 SDN架构介绍
图1 SDN架构图
SDN的概念为网络创新带来了新的机会，最初起源于斯坦福大学提出的OpenFlow协议，应用于校园网络，解决网络创新和封闭设备体系之间的矛盾。后来逐步推广，至今已成为网络领域研究的热点。它是一种新型的网络构架，精髓理念有两点：一是将网络的控制平面及数据转发平面进行分离；二是网络集中控制，并具备可编程能力。SDN构架如图1：
在SDN构架中，网络被划分为3个层面，分别是应用层、控制层和基础设施层。其中应用层包括各种业务和应用；控制层主要负责处理数据平面资源的编排，维护网络拓扑、状态信息等；基础设施层负责基于流的数据处理、转发和状态收集。
基础设施层为转发层，是一个无智能的快速转发设备；网络所有智能设备集中在网络控制层，由控制器对转发面进行转发策略的调度和管理，支持运行在网络控制器之上的不同业务。 SDN带来了IP领域一轮新的变革，为核心网虚拟化提供动态灵活的传输构架，以满足其分布式的对虚拟机、工作负载等高度协调和控制的要求。它能对电信网络的所有领域添加控制，并将云控制和网络控制连接起来，且集成了网络控制和系统构架、云管理等服务。
3.2网络虚拟化及网络功能虚拟化
网络虚拟化（NV）通常认为是对物理网络及其组件（如交换机、端口及路由器）进行抽象，并从中分离网络业务流量的一种方式。采用网络虚拟化可以将多个物理网络抽象为一个虚拟网络，或者将一个物理网络分割为多个逻辑网络。它打破了网络物理设备层和逻辑业务层之间的绑定关系，每个物理设备被虚拟化的网元所取代，管理员能够对虚拟网元进行配置以满足其独特的需求。
网络功能虚拟化（NFV）最早是由欧洲电信标准组织（ETSI）从网络运营商的角度出发提出的一种软件和硬件分离的架构，主要是希望通过标准化的IT虚拟化技术，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能，实现软件的灵活加载，从而可以在数据中心、网络节点和用户端等不同位置灵活部署。
随着软件虚拟化、软件定义网络（SDN）等技术的发展，利用分布式软件技术实现网络功能集合理抽象、分割以及灵活调度，已经逐步成为网络功能虚拟化的主流实现模式。
3.3 核心网云管理
核心网虚拟化后，将打破现有以网元为中心的软硬件紧耦合的管理模式，转向以资源为中心软硬件松耦合的管理模式，从而实现跨域、跨地区、跨平台集中管理，实现资源智能调度，这就是基于NFV的核心网云管理。
与传统电信核心网管理相比，核心网云管理增加了对硬件资源、虚拟资源层、虚拟化网元以及完整网络功能管理和调度。实现核心网云管理的网元功能包括虚拟设施管理，虚拟网元管理和虚拟业务编排。核心网云系统架构如图2所示：
1）虚拟设施管理主要负责采集硬件资源和虚拟资源的状态信息并上报给虚拟网元管理，实现资源监测、故障监测和上报；接收来自上层的应用请求并进行认证，通过控制虚拟机管理器来执行上层应用请求，实现资源的迁移和弹性伸缩。
2）虚拟网元管理负责虚拟网络功能的生命周期管理及资源使用情况的监控，包括VNF的添加、删除、更改、查询和容量伸缩等。
3）业务编排负责基础设施和VNF的管理和编排，进而实现完整的网络服务。以LTE为例，业务编排可以通过对MME、HSS、S/P-GW的功能进行虚拟网络功能的编排，进而提供一个完整的LTE网络服务。它可以通过标准接口提供跨数据中心和跨厂家的协同管理。
四、采用网络云管理的基于SDN的NFV移动核心网架构
当前通信运营商需要面对互联网和应用服务商的激烈竞争，不断提供各种增值服务、差异化服务来满足用户需求。而传统网络资源配置复杂，效率低，投资成本及设备能耗高，因此采用新的技术架构是运营商急需考虑的问题。
因此，将云的管理方式、软件定义和网络功能虚拟化的技术进行融合，构建移动核心网架构，可以实现业务灵活扩展、灵活配置，有助于运营商提升配置和维护效率，缩短新业务部署时间，降低开展新业务风险，快速提供各种差异化服务。而且通过网络功能虚拟化运营商可以很容易在网络设备基础上构建多种虚拟网络环境，为不同用户提供服务，最大程度的提高网络资源利用率。从而对网络设备实现通用化和统一化，减少网络设备的投资维护成本和设备能耗。基于SDN的虚拟化移动核心网架构如图3所示：
架构分为4层，分别为接入层、转发层、控制层和业务层。接入层为目前的2G网、3G网、Wi-Fi网、LTE网等其他无线接入网。在接入层和转发层之间部署虚拟化的接入适配网元。接入适配网元北向与转发层接口，采用标准接口；南向与无线接入网络接口，适配各接入制式。
由于现网移动软交换和LTE网络已经实现了控制面与媒体转发面的分离，因此转发层在控制层的调度下只负责转发流量包。实现网络中MGW/GGSN/PDSN/SGW/PGW的媒体转发功能。媒体转发功能由SDN的网络转发设备来承担，由SDN控制器实现对转发面设备的管理和策略的下发，转发面设备可以基于通用硬件平台来实现，提高转发能力。
控制层包括控制网元及数据库网元。控制网元实现移动网络所有的控制功能，如呼叫控制、路由选择、网络感知、策略部署等功能，将涵盖MSC Server/SGSN/PDSN/SGW/PGW/MME等网元的控制功能，数据库网元实现业务数据存储、用户数据存储、用户的认证、鉴权等功能。例如HSS/HLR/AAA等功能。控制网元和数据库网元运营商可以采用云的管理模式利用软件方式对各个虚拟网元进行管理，对支撑系统进行业务编排，从而在全网范围调度资源，提升控制层网元可扩展性，实现资源统筹调度。
业务层通过与控制层协同实现业务逻辑，通过控制层定义的开发API调用网络业务。
采用云管理的移动核心网SDN的NFV构架可以满足大数据处理的需求，很好的实现全网资源的虚拟化，达到调度全网资源，解决流量高峰冲击的问题；还能避免重复建设，避免多制式的无线网建多个核心网，有利的降低了运营商的CAPEX及OPEX；通过采用SDN架构将增加网络感知能力及策略控制能力，提升网络智能，增强网络控制、业务快速部署的能力。
五、结束语
本文从移动核心的发展趋势入手，深入分析了移动宽带、互联网对传统电信业的冲击，使得电信运营商必须采取措施应对即将到来的问题。运用软件定义网络并实现网元的虚拟化、采用云技术对网络进行管理，这些技术已经逐步进入运营商的视野，由于这些技术的特点和所具体的优势，将正在成为电信业未来的发展趋势，但相关的技术实现还需要进一步研究。
参 考 文 献
[1] Network Function Virtualization[R]. Introductory White Paper. SDN and OpenFlow World congress. October 22-24， 2012.
[2] 罗萱，黄保青，韦建文.面向数据中心的软件定义网络（2014-02-20 ）.
[3] 王茜，赵慧玲，解云鹏.SDN标准化和应用场景探讨[J].中兴通讯技术，2013.19（05）：06-09.
[4] 王茜， 解云鹏，陈运清.未来数据网络（FDN）的应用场景和需求[S].CCSA，2013.
[5] 林利，石文昌.构建云计算平台开源软件综述[J].计算机科学，2012，39（11）：7-13.
[6] Network Functions virtualization （NFV）； Architectural Framework[EB/OL].（2014-03-20）.