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跨越“OpenStack企业落地最后一公里”

以社区和商业实践为源头,提炼适用于企业级客户的最佳实践

 

【电信行业】基于开源社区项目Open-O 和Tacker 实现中国移动C-R

背景摘要

2017 年9 月5 日,中国移动《5G C-RAN 无线云网络技术报告》(V1.0)正式发布。中国移动在2009年第一次提出C-RAN 的概念,已经有8 年。无线云网络C-RAN 作为5G 接入网的关键架构,通过在虚拟化、集中化、可编排等方面的突破性创新,可以更好的支持多样的5G 业务需求、部署组网需求,以及灵活、自动化的运维管理需求。这份技术报告从应用场景、无线接入网的NF 切分原则、底层平台、编排管理分四个大部分进行了梳理。其中第四部分是无线网引入RAN-NFVI 基础设施平台后,对编排和管理(MANO)的需求及对应方案。
九州云99Cloud 根据中国移动研究院提出的方案,以开源社区项目OpenO,Tacker 为基础,实现基于RAN 侧业务Use Case 的NFV-O 的模板定义,网络关系定义及RAN 业务服务链的定义。最终通过 MANO 管理软件可以实现由管理软件自上而下的部署、配置、监控C-RAN 原型系统的运行。在2017 西班牙世界通讯大会~巴塞罗那通讯展2017MWC 上,中国移动将在现场向与会嘉宾介绍和演示本方案。

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C-RAN 技术简介

从3G 开始,移动互联网迅速发展,用户对数据业务的需求随之增长。用户追求覆盖更好、速度更快、时延更小的移动通信服务。为了满足用户的需求,运营商网络建设的投资越来越高。移动运营商竞争激烈,盈利能力降低;网络建设、运营和升级无线接入网的支出增加。基站数量巨大意味着高额的建设投资、站址配套、站址租赁以及维护费用。基站实际利用率低,网络平均负载一般大大低于忙时负载,不同基站之间不能共享处理能力。专用平台意味着需要维护不兼容的平台,扩容和升级成本较高。无线接入网面临的挑战:
- 大量基站导致高额能耗
- 网络的CAPEX/OPEX 逐年增高
- 低成本高容量的无线接入网需求
- 潮汐效应导致基站利用率低下
- 不断增长的互联网业务对核心网压力巨大
在这样的大背景下,中国移动提出了C-RAN 架构,旨在降低网络部署和维护成本,提升盈利能力;同时,降低通信系统能耗,提高网络资源利用率,提高网络灵活性等。C-RAN 的C 有四层含义:Clean、Centralized、Cooperative 和Cloud。C-RAN 通过分离射频拉远单元(RemoteRadio Unit,RRU)和基带处理单元(Building Baseband Unit,BBU),并对BBU 进行集中化和云化。也就是说C-RAN 网络包含三部分:
- 由远端无线射频单元和天线组成的分布式无线网络
- 由高带宽低时延的光纤或光传输网连接远端无线射频单元
- 由高性能通用处理器和实时虚拟技术组成的集中式基带处理池
与传统的分布式基站不同,C-RAN 打破了远端无线射频单元和基带处理单元之间的固定连接关系。每个远端无线射频单元不属于任何一个基带处理单元实体。每个远端射频单元上发送和接收信号的处理都是在一个虚拟的基带基站完成的,而这个虚拟基站的处理能力是由实时虚拟技术分配基带池中的部分处理器构成的。C-RAN 架构的优势
- 降低能耗
- 节约CAPEX 和OPEX
- 提供网络容量
- 基于负载的自适应资源分配
- 互联网业务的智能减负

C-RAN 的编排和管理需求

编排和管理旨在不需要施工建设和软硬件开发的情况下可完成网络功能的动态调整,以及配合策略提供运营商特色的差异化服务,可大幅降低无线网配置管理复杂度。基于无线接入网络管理和编排需求,结合3GPP 网管、ETSI MANO 和SDN 标准提出整体框架建议系统以运营商面向业务的编排为起点,各模块可基于大数据搜集及分析由预定义策略自动化驱动,进一步向下可分解为NFV、3GPP 和SDN 三个领域内容。
因RAN 侧高实时性、功耗性价比需求等,NFVI 需拓展加速器、平台感知(Enhanced Platfor Awareness,下简称EPA)等。面向NFVI 扩展特性,MANO 需相应地拓展编排管理功能:
 
- VIM 层需要通过资源管理模块支持动态收集NFVI 通用服务器硬中的平台资源的属性(如EPA、加速器)。并由VIM 中的调度器(Scheduler)需根据VNFD 中VNF 对于平台特性的要求,在所管理域内挑选能够提供所需资源的通用服务器并部署VNF。
- VNFM 需提供增强的资源特性解析管理功能。VNFM 在VNF 生命周期管理过程中,能够与NFVO和VIM 配合完成EPA 特性、加速器的资源分配和部署。
- NFVO 需支持信息模型的拓展。当前的信息模型目前主要有OASIS 的TOSCA NFVProfile 和ETSI IFA 标准,都对EPA 有部分的支持。但是标准组织的定义和实现都有一定的滞后效应,同时无线RAN 侧对于平台能力的描述有其特殊性,也就要求NFVO 能够支持定义可扩展的信息模型以向后兼容未来的EPA 需求。
另外,不同于传统的数据中心,RAN NFVI 的地理分布式特性十分显著。这对NFVO、VNFM 和VIM 的交互和管理构成了挑战。

TACKER 项目介绍

Tacker 是基于NFV 标准组织ESTI 的MANO 架构来实现通用的(generic) NFV 编排和VNF 管理需求的一个OpenStack 服务,ESTI MANO 中的缩写MANO 是指NFV 的MANagement and Orchestration ,Tacker作为OpenStack 社区的唯一一个NFV MANO 项目,随着NFV 和SDN 越来越受到业界的关注,也受到了社区的关注和重视。OpenStack 的IaaS 功能部分已经在很多方案中作为了NFVI 的事实标准,Tacker 是能和OpenStack 紧密集成的,充分利用OpenStack 组件形成的系统,比起其他外面的MANO 系统有比较好的优势。

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Tacker 核心模块:VNFM 和NFVO。VNFM 的核心功能包括:
- VNF 创建和终结(调用VNFD 目录)
- VNF 设置(即placement,调用Heat)
- VNF 配置(用EMS)
- VNF 监控(健康,性能等)
- VNF 自动治愈回复和扩展伸缩
- 支持各类简单的和复杂的VNF
NFVO 的核心功能包括:
- 网络服务(Network Service)的编排
- 调用VNFM 来做跨多个VIM 的VNF 安置(placement)
- 资源检查和分配
- 可以跨虚拟的(VNF)和物理的NFs
- 用SDN controller 或SFC API 来实现 VNF Forwarding Graph

方案实现

本次C-RAN 开源管理软件系统开发旨在以开源社区项目Tacker 为基础,参考ETSI NFV 中MANO 相关规范, 实现基于RAN 侧业务Use Case 的NFV-O 的模板定义,接口定义,网络关系定义及RAN 业务服务链的定义;并且需要添加针对RAN 业务的网元管理单元的功能实现;在NFV-O 及VIM 层中增加C-RAN 虚拟化平台实时性相关的技术扩展描述; 最终通过RAN-MANO 管理软件可以实现由管理软件自上而下的部署、配置。

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项目根据Network service Orchestration 中对Network Services templates 的定义,实现针对RAN 侧特殊需求的资源管理的template 定义(例如Orchestration 中对VNF affinity 的定义)。NFV-O的功能包含了对NFV 平台上各类网元及VNF 功能实体的模板定义,ETSI NFV 的标准定义包含了VNFD 的描述,VLD 的描述,VNF-FGD 的描述和VNF-NSD 的描述,共四大类。RAN 的管理系统就要将这四类模板定义及接口整理清楚,并通过TOSCA 语言进行描述。要求在NFVO 层的数据库内重新创新RAN 业务的VNFD 模板定义,该模板定义需针对RAN 侧业务的需求,对计算资源,网络,网络连接方式,网口类型等做出明确的定义并由TOSCA 语言实现。
1) 实现NFVO 的DB 中添加VNFD 的定义;
2) 实现NFVO 的DB 中添加VLD 的定义;
3) 实现NFVO 的DB 中添加VNF-FGD 的定义;
4) 实现NFVO 的DB 中添加VNF-NSD 的定义。
RAN-NFVI 的扩展主要包括增强的平台感知(Enhanced Platform Awareness,下简称 EPA)、加速器和容器三个方面,加速器资源定位为可以被 NFVI 所识别的资源,暂时包含在EPA 的范畴之内。因此RAN-NFVI 的管理扩展主要面向上述NFVI 的扩展进行探讨。 EPA 并不特指通用服务器上平台的某种或某些功能,而是在NFVI 范畴下对软硬件平台各种能力感知并进行配置的技术的统称。具体包含如下三个方面的内容:
- 平台能力发现,即收集云化的RAN 环境中运行NFVI 的各服务器上的平台能力
- VNF 安置(VNF Placement),即根据RAN 侧VNF 对平台能力的特殊需求选择合适的服务器来承载VNF
- 平台能力配置,即在选择的服务器上分配VNF 所需要的特定资源以满足承载VNF。
EPA 是在云化的NFV 平台上使能NFVI 选择并调度合适的资源给有严格性能和延迟需求的RAN 侧VNF的主要手段。目的是使得VIM 中的调度器能够综合考虑VNFD 中定义的对平台能力配置的要求和从NFVI 中收集的平台能力和资源进行按需调度,保证把VNF 部署到能够提供合适资源的服务器上去。基于目前的RAN 侧网络功能虚拟化对端到端性能和功能需求,下面列出了主要需要使能的EPA 功能:
- 在NFVO 的模板中添加OS 选择的扩展--RT-Linux;
- 在NFVO 的模板中添加对RT-KVM 的支持的扩展;
- 在NFVO 的模板中添加对VCPU->PCPU affinity 的定义扩展;
- 在NFVO 的模板中添加对NUMA 亲和性的扩展定义;
- 在NFVO 的模板中添加对Huge Page 的属性扩展定义;
- 在NFVO 的模板中添加对CAT/CMT 技术属性的扩展定义;
- 在NFVO 的模板中添加对FPGA 加速卡的VNFD 定义。
根据中国移动研究院提出的方案,以开源社区项目OpenO,Tacker 为基础,完成了ONAP(原OpenO),Tacker 和OpenStack 的集成。利用ONAP(原OpenO)的图形化建模工具,形成移动CRAN 的网络服务模型。通过ONAP(原OpenO),的NFVO,连接到Tacker VNFM,调用Tacker 形成网络服务。我们支持了NUMA,DPDK 等技术来支持CRAN 各个网络协议栈VNF。管理员能够根据需求把相应的VNF 部署到相应的NFVI 上,并且使得VNF 之间互相协作和访问。

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方案总结

OpenStack 已经成为世界上NFVI 的事实标准,而采用商用在VNF 也成为当下NFV 建设的趋势。作为整个NFV 的大脑MANO 层,在这一领域如何掌握话语权,从运营商的战略制定上至关重要。MANO 层需要支持三层解耦,即NFVO、VNFM 和VIM 可以分别由不同的厂商提供,并开放相应接口,通过集成组合成为一个整体的MANO 解决方案在优势。而基于开放架构技术,在支持运营商有效支持运营上的解耦策略,一方面通过现有的开放技术,防止设备厂商锁定、实现自主可控,另一方面通过平台在API、接口上的标准,有效地规范了不同通信厂商之间的互操作性的和兼容性,实现编排与具体 VNF 独立无关的 (VNF agnostic)。九州云作为一个“基于开源技术服务、赋能客户变革“的公司,希望通过服务帮助运营商客户,在NFV 领域掌握核心能力。

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