NFV在未来核心网中的应用,该文是关于未来方面毕业论文题目范文与核心网和应用有关自考毕业论文范文.
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引言
2009 年12 月,芬兰电信巨头TeliaSonera 在挪威的奥斯陆和瑞典的斯德哥尔摩同时部署了全球第一个LTE 商用网络,开启了4G 时代.根据全球移动设备供应商协会（Globalmobile Suppliers Association,GSA）的统计,截止到2017 年9 月,LTE 用户已占全球所有移动用户的32.4%.Ovum 向GSA 提供的最新信息显示,截至2017 年9 月的12 个月里,全球新增了近8.38 亿LTE 用户,而上年同期时的数字为7.76 亿,这相当于12 个月期间上涨了49.2%.
随着移动互联网的发展,对整个网络的要求变得越来越高,根据欧盟研究分析：
? 移动数据流量将继续大幅度增加,预计到2020 年,流量将是目前的1000 倍；
? 连接的设备将大幅度增加,物联网和其他新型创新应用的出现将催生数百亿个互联设备出现,预计到2020 年,将有500 亿的设备连接,连接设备是目前的100 倍；
? 新的设备类型（例如,探测器,传感器,仪表,机械设备等）将产生前所未有的多样性要求以及与无线连接性相关的应用场景.
? 新的应用场景需要更有效、舒适和安全地接入和共享信
为了满足上述快速增长的业务需求,5G 网络应运而生.而传统的核心网网络存在如下问题：
? 业务部署周期长
传统核心网由于软硬件耦合度很高,一个网元一般由一个设备商提供,新业务功能的开发也依赖于对应的设备商,往往开发耗时较长,代价大,且功能的化也很繁琐,造成运营商新业务部署困难.
? 高CAPEX
传统核心网包含CS、PS、IMS、HLR/HSS 等数十种网元,网元种类繁多,硬件资源难共享,都需要单独投资,并且单系统性能受限于硬件的处理能力,存在系统瓶颈,性能提升过于依赖硬件的升级,老设备的更新各项成本非常高,使得运营商网络建设升级的总体成本比较高.
? 高OPEX
传统核心网网络复杂,网元间接口多且不够开放,系统参数设置繁多,同时,系统容量的规划和升级扩容也很复杂,这给运营商带来的很高的运维成本.
从上述问题中,不难看出传统的核心网已经逐渐不能适应4G 和5G 网络的发展需求,急需要在未来核心网使用新的技术,本文通过对NFV 在5G 网络下的应用分析,明确NFV 是未来核心网的发展方向.
一、NFV 概述
NFV（Network Function Virtulization）即网络功能虚拟化,目的是通过虚拟化技术,使用标准的IT 设备（服务器、交换机、存储设备等）来替代专用的网络设备,从而降低部署、管理和维护网络的成本,同时提供更好的弹性和敏捷性,以适应业务需求变化的要求,支持功能变化和扩展,加快业务推出的速度.
简而言之,NFV 就是网络功能的软硬件解耦及网络设备IT 化.
NFVI：NFVI 是NFV Infrastructure 的简称,从云计算的角度看,就是一个资源池；NFVI 映射到物理基础设施就是一到多个数据中心；NFVI 需要将物理计算/ 存储/ 交换资源通过虚拟化成虚拟的计算/ 存储/ 交换资源池；对于NFVI,NFV 并没有定义特殊需求,主要利用IT 领域当前技术.
VNF：VNF 表示“虚拟化的网络功能”,实现的是传统各电信网元的功能；VNF 所需资源需要分解为虚拟的计算/存储/ 交换资源,由NFVI 来承载；
MANO：MANO 是“管理和编排”功能的简称；MANO负责对NFVI 和VNF 的管理和编排；MANO 内部包括VIM,VNFM 和Orchestrator 三个实体, 分别完成对NFVI,VNF和NS 三个层次的管理；同其他云计算组织相比,MANO 是NFV-ISG 提出的创新架构,是实现电信级虚拟化的技术手段.
? Orchestrator：编排器是整个MANO 域的控制中心,负责对NFV- 基础设施资源和软件资源的统一管理和编排；负责实现网络业务（分解到多个网元的组合）到NFVI 的部署；通常整个网络部署1 套编排器,可以采用分布式,集群方式部署来提升处理能力和可靠性；
? VNFM：VNFM 负责对VNF 的生命周期进行管理,包括实例化/ 升级/ 扩容/ 缩容/ 终止等；VNFM – VNF 间关系可以是1：1,也可以是1：N；VNFM 可以管理同类VNF,也可以管理不同类VNF；
? VIM：资产管理功能 – 物理资产（服务器/ 交换机/存储）和软件资产（Hypervisor,BIOS 等) 管理 ；资源池化功能：将硬件资源虚拟化,组成计算/ 网络/ 存储资源池；资源管理和分配：分配VM,调整VM,对VM 进行生命周期管理；
运维功能：对NFVI 的管理和可视；从NFVI 层面对性能和故障进行根因分析；故障信息的收集和上报,隔离；容量规划,监视,优化,性能统计等.
二、NFV 在5G 核心网网络中的应用
5G 网络主要有三大技术场景：
? 增强的移动宽带业务enhanced mobile broadband(eMBB)
? 海量机器通信Massive Machine TypeCommunication(mMTC)
? 高可靠低时延Ultra Reliable Low LatencyCommunications(URLLC).
每种技术场景都提炼于各行各业对未来通信的需求.三大场景中mMTC 和URLLC 都是主要针对垂直行业的业务需求,可见5G 对垂直行业的重视程度.
随着芯片技术的快速发展和大规模应用,各种新型业务场景不断涌现,例如,车联网、大规模物联网、工业自动化、远程医疗、VR/AR 等,这些应用对于核心网的要求不同.例如,工业自动化要求低时延、高可靠但对数据速率要求不高；高清视频无需超低时延但要求超高速率；一些大规模物联网不需要切换,部分移动性管理对之而言是信令浪费等等,这就要求5G 的核心网能满足多功能、差异化的网络服务.
NFV 的特点正好可以适应这样的要求：
? 利用NFV 的虚拟化和软件化技术,网元功能可以解耦成一个个独立的服务,再将网络功能进一步细粒度模块化,为灵活组装提供基础.
? 利用NFV 的编排功能,通过积木搭配的组合方式,实现灵活组装不同的核心网.
? 利用NFV 的弹性伸缩功能,可以根据不同应用的业务发展情况,自动对核心网切片中的特定服务进行扩展,从而满足特定应用的要求.例如,在远程医疗中,当病人数量增多,对视频的需求量加大,可以通过弹性扩大用户面服务,提升吞吐量,从而满足应用的要求.对于快速实现
? 利于不同应用的核心网之间隔离性,能为企业用户提供更加安全、可靠的服务.
下图展示了3GPP 定义的基于NFV 架构的5G 核心网.
基于NFV 技术实现网络切片
NFV 技术使网络控制功能软件化,网络架构设计可以聚焦功能组合,而不再是多个基于标准协议的专业网元.
在NFV 的基础上,5G 核心网通过对控制功能重构,重新定义虚拟化网络控制功能边界,并将每个大的功能分解成多个小的功能组件实现,并能够按需编排组件,快速满足化需求.
下图展示了5G 核心网中对使用NFV 技术实现对功能的组件化重构.
基于NFV 技术实现网络功能服务管理自动化
网络功能被拆分成多个网络功能服务后,运维人员会从面对几个网元改变为面对几十个网络功能服务,如果仍然依靠传统核心网的手工维护方式,那对维护工程师而言无异于一场灾难.因此,5G 核心网的网络功能服务需要能够做到自动化管理,通过NFV 技术增加NRF 功能实现业务功能的自动发布,具体功能包括：
1) 网络功能服务的自动注册,更新或去注册; 每个网络功能服务在上电时会自动向NRF 注册本服务的IP 地址,域名,支持的能力等相关信息,在信息变更后自动同步到NRF,在下电时向NRF 进行去注册.NRF 需要维护整个网络内所有网络功能服务的实时信息,类似一个网络功能服务实时仓库.
2) 网络功能服务的自动发现和选择.在5G 核心网中,每个网络功能服务都会通过NRF 来寻找合适的对端服务,而不是依赖于本地配置方式固化通讯对端.NRF 会根据当前信息向请求者返回对应的响应者网络功能服务列表,供请求者进行选择.这种方式一定程度上类似于DNS 机制,从而实现网络功能服务的自动发现和选择.
3) 网络功能服务的状态检测.NRF 可以与各网络功能服务之间进行双向定期状态检测,当某个网络功能服务异常,NRF 将异常状态通知到与其相关的网络功能服务.
4) 网络功能服务的认证授权.防止被非法网络功能服务劫持业务.
基于NFV 技术实现网络通信路径优化
传统核心网的网元之间有着固定的通讯链路和通讯路径.例如在4G 网络中,用户的位置信息必须从无线基站上报给MME,然后由MME 通过S-GW 传递给P-GW,最终传递给PCRF 进行策略的更新.而在5G 核心网NFV 服务化架构下,各网络功能服务之间可以根据需求任意通讯,极大地优化了通讯路径.同样的以用户位置信息策略为例,PCF 可以提前订阅用户位置信息变更事件,当AMF 中的网络服务功能检测到用户发生位置变更时,发布用户位置信息变更事件,PCF 可直接实时接收到该事件,无需其他网络功能服务进行中转.
基于NFV 技术实现网络功能服务间的交互解耦
传统核心网网元之间的通讯遵循请求者和响应者的点对点模式,这是一种相互耦合的传统模式.5G 核心网架构下的网络功能服务间通讯机制进一步解耦为生产者和消费者模式,生产者发布相关能力,并不关注消费者是谁,在什么地方.消费者订阅相关能力,并不关注生产者是谁,在什么地方.
三、结束语
NFV 技术具有灵活编排、功能解耦、服务开放等传统核心网架构无法比拟的优点,而基于NFV 技术以及服务化架构是未来核心网的重要特征,是5G 时代在网络架构方面的一个重大变革,这种新型的核心网架构能迅速满足垂直行业的多样需求,相信在未来的万物互联之路上一定会展现出巨大的能量.
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