技术 | Cloud Native，下一代虚拟化核心网应用系统架构

Posted 2021-04-24 ZTe刊

核心网应用的系统架构演进

当前运营商核心网络中，大量部署专有硬件和封闭软件为用户提供语音、短信和数据等业务。传统核心网在硬件资源上无法共享导致部署不够灵活，软件架构上封闭设计造成功能可扩展性差，多个业务烟囱独立部署使得运营维护复杂。

物联网等新业务的火热开展和5G的商用步伐加快，对核心网提出了海量连接提供、灵活部署形式和场景适应能力、创新型的业务能力等新要求，SDN和NFV在业界被认为是未来核心网的关键技术。

在核心网自身架构设计上，基于网元灵活部署、业务能力开放和5G网络切片等要求，采用微服务和DevOps等IT思想设计的Cloud Native被认为是设计开发未来核心网应用的主要系统架构。

Cloud Native关键技术

核心网应用在设计系统架构时既要考虑电信应用特有的稳定性需求，也要引入在IT领域大量应用的理念实现自身的优化改造。中兴通讯认为基于Cloud Native的核心网应用具备四个特征：微服务架构和共享数据层、自动化、轻量级虚拟化和DevOps。

 

微服务架构和共享数据层

采用无状态的微服务作为基本粒度来构建整个应用。微服务采用“高内聚，低耦合”的思路进行设计，各个微服务之间通过API或统一的消息总线进行通信。

用户的接入和会话信息统一存放在数据共享层，分别在不同位置的各个微服务实例可以通过该数据共享层获取用户的最新状态。

通过以上设计理念，可以实现各个微服务实例的独立运行和弹缩、升级，分布式的微服务实例部署方式也有助于提升应用的高可靠性。

自动化

围绕Cloud Native应用，从蓝图设计、资源调度编排和lifecycle管理、应用状态监控、控制策略更新等多个环节都应该实现高度自动化，各个环节之间有效衔接实现闭环反馈机制，可以实现业务的的一键部署安装、全面自治和高效管理。

通过高效自动化平台，用户可实现特色业务网元和业务网络的敏捷设计和快速高效部署。

轻量级虚拟化

相对传统虚机，容器技术具备快速弹缩、部署高密度、性能强等优势，在IT界发展迅速和广泛应用。在Cloud Native应用的系统架构设计中，应用组件要能够基于容器虚拟化技术进行部署，实现资源利用率的提升和业务的快速交付、敏捷维护。

在实际部署时，Cloud Native应用和底层虚拟化技术实现解耦，可以部署在容器和虚机的混合环境中。

DevOps

基于电信网络能力的可编程性是业务创新和丰富生态圈的基础。

电信核心网的应用能力可以通过微服务的API/SDK开放给第三方，使其能够进行二次开发并实现业务创新。虚拟化运营平台也要能够提供友好的持续开发和持续交付环境和工具，以协助开发者基于DevOps模式进行业务开发和发布、升级。

Cloud Native应用

助力运营商网络功能转型

●    快速交付，缩短TTM

传统模式下，瀑布式研发模型需要经过完整的需求确认、编码、单元测试、集成测试、功能发布等多个环节，各个模块在测试顺序串联进行，各个模块间存在长时间等待，研发效率低。敏捷开发针对开发进行优化，并未考虑运维环节。

在微服务模式下，业务功能的修改或增加可以以微服务为粒度进行，减少版本变更范围，同时部分微服务实现共享，被不同应用进行调用，减少了不同网元间的重复开发。

DevOps思维借助流水线工具实现大规模并行持续开发，减少等待时间，当需求调整时可以实现快速修改，实现持续交付。

Cloud Native应用可以把之前以月为单位的版本发布周期缩短为周和天，以迭代方式快速实现运营商提出的需求。

●    能力开放，促进业务创新

传统核心网网元依据3GPP等标准组织定义的方式实现，业务种类受限，管道优势无法充分发挥。

第三方开发人员在编程时，可以通过API/SDK来调用Cloud Native应用的微服务，将其业务实现和运营商网络能力深度绑定；同时运营商的能力开放作为众创平台，可以吸引更多的第三方参与电信业务创新，丰富生态圈和增加新的电信业务种类。

●    无状态设计，增强应用可靠性

在COTS硬件上如何实现5个9的电信级可靠性，一直是NFV的讨论热点，中兴通讯核心网APP的设计，5个9的保障不依赖于NFVI层的可靠性，通过APP无状态、分布式N+M冗余，达到电信级高可靠的保障（见图1）。

一个Cloud Native的多个微服务实例可以根据业务需要分布在不同的DC，实现地理级容灾，进一步加强应用健壮性。

●    简化运维，提供运营效率

传统核心网运维以网元为单位进行升级操作，为了防止升级操作失败，需要进行复杂的业务迁移和回退操作。

Cloud Native应用可以针对更细粒度的微服务进行升级，利用微服务的“高内聚松耦合”特性减少对其他微服务的影响和冲击；当存在多个微服务实例时，为了验证新版本的有效性，可以针对其中的部分微服务实例进行灰度升级操作，发现问题时可以快速回退，控制影响范围。

满足5G网络的业务需求

●    部署更加灵活

5G的核心网网元部署方式非常灵活，同一个网元的不同部分可以根据业务需要灵活分布在核心DC、边缘DC或者access DC等不同位置。

例如在uRLLC场景中，可以把负责报文转发的多个微服务实例部署在靠近业务网络和基站的位置，以满足苛刻的时延要求；在物联网的海量连接场景中，可根据流量小的业务特征，把控制面和报文转发微服务实例都部署在核心DC。

●    满足多种场景的业务需求

网络切片作为5G核心网的必要特性，可以满足不同的网络场景要求。

运营商在网络切片顶层设计时，可以把不同的微服务类型/组件库根据实际的业务需求进行灵活组装，设计出个性化的网络切片，不同网络切片间实现逻辑隔离，互不影响；不同网络切片可以采用不同的SLA，不同的SLA采用了不同的资源分配算法和冗余度，使基础设施资源利用达到最佳性价比。

相对传统网络架构，Cloud Native具备高效、灵活和开放等先进特性，符合5G软件架构要求，是运营商新增及替换核心网设备的最佳选择。