电信行业云原生白皮书

随着云原生理念的推广与技术的不断丰富,云原生已经进入成熟阶段。当前云原生引领数字化转型升级已成为趋势,在人工智能、大数据、边缘计算、金融等领域崭露头角。云原生技术（例如:容器、微服务、DevOps等）提供的极致弹性能力和故障自愈能力已成为应用开发的最佳技术手段。

去年底，三大运营商联合编写了《电信行业云原生白皮书》，白皮书以电信行业为视角,梳理电信行业云原生理念、现状与需求,提出演进的参考目标与路线,对未来发展趋势做了进ー步展望,并呼吁运营商、设备商和IT厂商共同探讨云原生演进方向。我们整理了一下，供大家学习！

以下为白皮书正文：

01 电信行业云原生理念与现状

1.1 电信行业云原生理念

云原生（Cloud Native）是指应用在架构设计之初便以部署在云上为目标, 充分考虑云的原生特性进行开发及后续运维，并非将传统应用简单迁移上云。云原生是一系列思想的集合，包括微服务、持续交付、自动化运维、容器、康威定律等,并不是指具体的某ー项技术。

CNCF（Cloud Native Computing Foundation, 云原生计算基金会）将云原生定义为ー系列技术的集合,包括容器、微服务、服务网格、不可变基础设施与声明式API。

电信行业云原生旨在将云原生理念与技术体系应用于通信网络中,其应用包括网络功能（如5G、4G、IMS网络等）,也包括运营运维支撑系统。电信行业云原生要求应用及系统设计开发初期就需要采用云的思维、云的架构、云的技术,将云的弹性伸缩、快速迭代、敏捷运维的原生特性带入到网络中，增加网络云化的灵活性和适应性，提高资源利用率，缩短部署周期，提升迭代开发效率。

电信行业云原生可以基于微服务架构进行应用设计与开发，使用容器进行应用承载与编排，采用DevOps打造开发运维一体化管理体系。

1.2 电信行业云原生现状

国内三大电信运营商目前均开展云原生相关技术研究与实验。

中国移动已完成制定容器层技术规范并在CDN边缘云试点中进行验证，IT云已完成自研云原生PaaS平台并承载OSS/BSS应用系统；中国移动于2020年5月在Linux基金会牵头成立开源项目XGVela，联合产业界及开源社区力量，共同探索并构建电信网络云原生PaaS平台开源参考实现，当前项目正在梳理平台架构、文档及种子代码。
中国电信于2019年完成支持承载电信网元PCRF（Policy Control and Charging Rules Functions,网络策略控制系统）的云原生平台的研发，并在物联网进行试点落地；2020年，在天翼云上部署了基于云原生的轻量级5GC，可向垂直行业提供“5G网络即插即用”的专网级网络服务能力。
中国联通已完成包含容器的虚拟化层技术规范制定并在省份实验网中进行验证，积极推进电信网络资源管理能力建设；同时,在2020年开展轻量化5G核心网方案的研究和技术规范制定，并在多个垂直行业试点落地部署。
主流电信设备商主动推进网元容器化实现，提升研发效率、降低研发成本。
华为将云原生理念引入CT领域，针对5G VNF （Virtual Network Function,虚拟网络功能）进行全云化重构，提供所有核心网网络功能全云化能力，实现三层架构、无状态设计，同时引入服务化架构、微服务和容器等先进技术，实现弹性、健壮、敏捷、安全的全云化核心网。
中兴通讯云原生产品包括虚机CaaS（Container as a Service，容器即服务）和裸机CaaS，虚机CaaS在VNF或 VNFM （Virtual Network Function Manager，虚拟网络功能管理）引入 CaaS层，部署云原生的5GC控制面和转发面网元，裸机CaaS在ETSI（European Telecommunication Standards Institute，欧洲电信标准化组织）容器编排标准确定可快速部署5GC CNF （Cloud-native Network Function，云原生网络功能）。
爱立信主流核心网元已支持云原生架构，爱立信的CaaS平台也已通过CNCF 认证，既支持基于虚机部署，也支持基于裸机部署，并成功在全球多个电信运营商进行了云原生网元的商用或预商用部署。
诺基亚5GC控制面网元和IMS网元均支持云原生架构,支持虚机容器部署方式与裸机容器部署方式，并从2019年起在全球范围内多个电信运营商进行了云原生网元部署方式的试点。

1.3 电信行业云原生开源及标准化现状

在电信行业云原生开源领域，CNCF作为推动云原生技术的主要开源组织，成立了电信用户组（Telecom User Group,简称TUG）来收集电信行业需求，以引导上游开源项目（如Kubernetes）的设计。
当前,TUG已经完成"Cloud Native Thinking for Telecommunications"白皮书，阐述了云原生概念、云原生网络功能定义、以及云原生可能带来的影响（如微服务化、命名空间管理等）[1]。另外,TUG正在建设CNF测试床,旨在提供ー套开源测试工具，用于在将来开展CNF 认证，验证网元实现是否满足云原生准则。
除CNCF TUG外，电信运营商在Linux 基金会下成立的CNTT工作组也在探索云原生/容器技术在电信行业的应用方案，主要基于开源Kubernetes定义云原生网络的基础设施架构，分析和电信业务需求的差距以及提供相应基础设施的参考实现和测试验证框架。目前，CNTT的Kubernetes参考架构文档已经在Kubernetes及相关组件的需求、安全设计、差距分析等方面提供了输入。
在标准化领域，ETSI NFV ISG 029于2019年10月底发布了面向云原生容器和PaaS的增强NFV架构研究报告（IFA029）,包括NFV架构演进策略以及NFV MANO参考架构中引入容器管理编排的研究，为标准化框架选型提供参考依据[2]。
自2019年9月开始，ETSI开展了容器层北向接口及MANO管理容器的系列技术规范的制定，首个技术规范IFA040计划于2020年10月完成报批，该规范实现了CISM（Container Infrastructure Service Management，容器基础设施服务管理）北向服务化接口功能需求的标准落地。
ETSI计划后续开展容器集群管理技术规范（IFA036）、容器网络研究报告（IFA038）和容器安全规范（SEC023）等标准研究或制定工作，并进ー步扩展现有的NFV MANO接口功能（例如:IFA007/ IFA013）支持容器化VNF的生命周期管理和编排。

02 电信行业云原生需求分析与应用场景

2.1 需求分析

面对多样性、差异化、不断增长的网络需求，电信运营商展现了对高效、可扩展网络管理解决方案的强烈需求。特别是随着5G的成熟落地，2B行业应用、切片、边缘计算等对业务灵活性、平台高效性和运营敏捷性提出了更高要求。

（一）业务灵活性需求

电信运营商传统业务领域收入增长乏力，需寻求创新领域新突破，灵活性和快速上线新服务将是实现新收入流的关键。传统的2G/3G/4G网络主要服务个人用户，网络设计的差异化较小、统一性较高,其业务体验保障往往靠网络尽力而为。

在5G及未来网络时代,2B行业用户需要的是差异化、定制化的服务,加速进行的行业数字化转型对网络灵活性提出了更高的要求，远程抄表需要的网络联接很多，对带宽和时延并不敏感，而远程医疗、自动驾驶等业务对网络的低时延、安全可靠提出更高的要求。不同行业应用的需求千差万别，单体网络功能无法满足行业网络定制化需求和低成本需求。因此,需要细化设计粒度、引入高度灵活的部署和应用技术（如微服务）以满足业务灵活性、定制化和快速上线需求。

（二）平台架构需求

在平台基础设施方面，传统的虚拟机适于面向底层硬件的生产环境，可用性高、管理性好、技术成熟，但架构复杂、性能较差、资源利用率较低。未来通信网络容量将逐步增长，尤其是边缘计算场景对资源利用率及性能的要求日益增高, 需要使用更轻量化的虚拟化技术（如容器）构建架构简单、部署灵活的网络平台。

另一方面，网络功能、业务应用等存在通用功能模块，以网元/应用为单位大颗粒整包交付将导致通用功能模块冗余，造成一定资源浪费。随着网络应用场景和数量增多，可将通用功能模块提炼为公共/共享模块，抽象并沉淀至平台侧，构筑平台向上的服务能力，以提升资源利用率，满足未来网络高效性需求。

（三）敏捷开发与运营运维需求

目前,电信业务开发主要采用瀑布型开发模式，整体流程严格遵循需求分析、设计、编码、集成、测试、交付的顺序进行，导致流程自由度降低，产品交付周期常以月为单位计算。对于场景多变、前期需求粒度较粗、后期需求变化升级的 5G垂直行业及边缘计算应用场景，传统瀑布式开发模式难以满足业务需求，需转变为以用户需求为核心的敏捷开发模式，采用快速迭代的方法进行软件开发。

另外，传统运维的主要问题是处理流程复杂，从问题出现到问题解决经过多个组织和部门，耗时长、运维复杂且成本较高，需要构建虚拟运维团队，形成跨组织、跨部门的高联动性运维体系。

2.2 应用场景

电信运营商网络的角度,网络云一般采用分布式分层网络架构，包括核心网, 边缘节点以及相应的运营运维支撑系统，在这三个网络领域都有云原生应用需求。

（一）核心网

借助5G切片技术，核心网可以构建逻辑隔离、功能按需组合、紧贴业务特性的虚拟网络，能够根据第三方需求以更低的成本提供个性化网络服务，有效满足5G新业务的灵活性需要。基于云原生技术推进网络功能原子化重构，增加网络的灵活性，以实现业务快速部署。

（二）边缘计算

边缘节点需要提供ー站式边缘计算服务和敏捷交付能力。边缘云上按需部署各类时延敏感、服务本地用户的应用。应用要求快速迭代，简化运维，实现业务的高效弹性伸缩等特征。同时边缘云需支持开放灵活的网络能力，支持创新生态环境建设。边缘云需要方便与核心网对接,实现中心与边缘网络的高效协同。

（三）运营运维支撑系统

电信运营商运营和运维管理等!T支撑系统也需要适配电信业务的快速发展和迭代需求，除了网络部署、传统的FCAPS能力以外，还需要支持大数据分析、能力开放、切片化网络运维、差异化计费、弹性伸缩、业务敏捷等运营支撑能力。同时在5G 2B网络中用户需求差异大，商务模式和运营策略均不相同。

综上所述,在核心网、边缘计算和运营运维支撑系统中使用云原生的设计理念和工程实践（如微服务、容器、DevOps等核心技术）,以满足灵活多样的业务需求、高效可靠的平台需求、敏捷快速的运营运维需求，从而提升服务质量、降低管理成本、应对多样化挑战。

03 电信行业云原生演进目标与路线

3.1 演进目标

电信行业云原生演进旨在推动业务云原生重构，支撑业务灵活组装，满足行业多样性需求；建设智能化网络云平台，使能电信业务快速创新；构建运营运维开发工具链，提升业务开发、交付、运营运维效率；开放电信行业生态系统，促进网络价值提升。

（一）业务设计组件化，可灵活重组

推进电信业务云原生设计重构，增加业务灵活性。基于云原生微服务架构、无状态设计等新技术的分布式软件系统将为电信行业带来包括高弹性、高可用和高敏捷等价值，以快速响应市场需求。借助云原生微服务技术实现电信业务组件化设计，不同组件间相互连接协作，支持动态创建业务组合，提高业务弹性伸缩能力，满足电信行业多样性需求。

（二）平台通用能力服务化，可标准化调用

构建智能化网络平台，沉淀网络服务能力，使能业务快速创新。借助云原生技术实现电信业务充分解耦，打破“两层解耦”，基于虚机的编排改造为基于容器和组件的编排，实现更优的弹性伸缩、优化资源成本。将技术能力抽象化，构建能力服务平台层，形成代码与组件重用，向业务层开放标准API，建设简洁、开放、敏捷的新一代网络云原生平台，降低网络建设成本。

（三）开发交付运维自动化，可敏捷管理

基于云原生技术实现电信业务开发运维一体化,提升业务交付及运维效率。衔接标准的CI/CD （Continuous Integration/Continuous Delivery,持续集成/持续交付）流程、持续交付软件。建立自动化管理的统ー调度和管理中心,从根本上提高系统和资源利用率，提升网络运营效率同时降低运维成本。面向管理/ 开发/运维人员提供敏捷开发、持续集成、持续交付、代码审计、应用配置、自动化测试、服务治理等工具和平台,提供软件资产管理、敏捷开发管理、应用交付和高效运维等能力。

（四）电信行业生态开放化，可提升网络价值

形成开放健康的网络云原生生态系统，降低进入电信行业的门槛，引入健康的竞争，扩展与繁荣生态圈，降低网络建设成本。基于云原生技术实现电信应用平台业务创新，应用开发更聚焦于业务逻辑，满足未来需求多样化的政企、家庭应用场景。电信运营商在自身优势的通信业务上进ー步提升用户体验外，可释放更多的业务重点、资源和成本聚焦到政企客户上，开拓广阔的市场空间,如云网融合、云边协同、行业专网等，来拉动网络的价值提升。

3.2 演进路线

通信网络发展是ー个不断演进的过程，每ー个演进阶段都代表了不同的技术创新，都是向着更快更便捷地交付应用和业务、驱动更多的创新方向发展。综合电信网络的云计算演进路线，一般存在三个阶段：虚拟化阶段、云化阶段和云原生阶段。传统电信运营商一般起步于虚拟化阶段，正在向云化阶段优化，并同步向云原生阶段演进。运营商及厂商也可根据自身管理及业务需求，灵活选择起步阶段。

（一）虚拟化阶段

图1.虚拟化阶段

本阶段的特点是实现网元软件与底层硬件分离，网元功能实体从CT设备商专属、封闭的一体化解决方案中剥离，并以虚拟化软件形式部署在标准化硬件平台上。

虚拟网络功能部署在基于Hypervisor的虚拟化基础设施资源上，有效地提高了基础设施的资源利用率，并通过简单的虚拟化管理能力实现简单的虚机资源管理能力（如扩缩容等）。虚拟化阶段实现了：CT网络设备硬件的标准化和虚拟化,但在软件架构、运营、运维模式上，还是沿袭传统方式。

（二）云化阶段

图2.云化阶段

云化阶段是实现虚拟化后的优化阶段。本阶段的特点是基于统ー的编排器实现全局资源管理能力、自动化部署和网络产品架构重构。基于统ー控制和编排的电信云化环境，构建以数据中心为核心的资源池化管理平台，更好地实现全网络范围内的资源共享、按需部署、弹性伸缩和动态编排，使网络具备云化网络的能力和特征。

通过虚拟网络功能控制与转发分离、程序与数据分离,将业务数据状态存储在分布式数据库中，实现业务无状态化设计,使业务模块可以进行分布式并行处理。云化阶段可以充分利用云化基础设施资源的按需可获得性，实现粗粒度的灵活弹性伸缩能力，降低设备购买和维护成本。

（三）云原生阶段

图3.云原生阶段

云原生阶段实现过程可包含三个子阶段:

• 子阶段①

本阶段重点可以引入云原生的两个关键技术:容器和微服务。一方面在业务侧,通过服务化架构进行业务重构,将复杂的网络功能分解成多个高内聚的微服务基本单元构成,微服务间松耦合且彼此不需要关注对方的具体实现,通过契约化的服务接口进行通信,从而实现多个微服务的快速并行解耦开发、测试和灰度发布。基于容器化部署的网络功能微服务可以减少网络产品的初始部署时长、弹性伸缩时长,从而实现业务的敏捷发布。另ー方面在平台侧,网络云通过引入 CaaS功能,构建一个轻量敏捷的云化基础实施平台,以支持容器化网络应用的敏捷弹性伸缩、敏捷部署以及灰度升级的基础能力。

• 子阶段②

本阶段增加电信DevOps能力,以支撑电信业务DevOps工程技术实践,提升网络业务端到端自动化能力,支撑业务的敏捷上线,并解决工程交付和运维的痛点,进ー步提升用户体验。电信DevOps能力将推动网络功能的“ CI-自动化集成测试ーCDー运营运维”流程打通，其中CI在设备商侧完成,由运营商进行新业务测试规范的制订和自动化测试工具的定制，并通过自动化集成测试环节将 CI/CD打通，后续再通过自动化运维管理工具保证业务上线可靠性。电信DevOps能力将保证网络的稳定与安全，同时充分发挥云原生的敏捷高效的特点。

• 子阶段③

本阶段逐步将基础公共能力下沉，引入包括公共中间件服务、公共数据库服务、统一的服务治理框架等基础能力；通过统ー工具链的引入支持统一的DevOps基础能力，从而实现统一的基础PaaS底座平台，支撑上层CT应用的E2E敏捷开发、流水线测试到自动化上线、灰度发布、自动运维等全流程自动化能力。

除基础PaaS之外,本阶段还将对网络功能进ー步分解重构,使其以更灵活的基本微服务子功能形式存在。运营商可以利用这些基本的微服务子功能快速动态拼接出全新的业务。为提高客户体验,部分子功能组件可以智能化地推送到客户侧或者网络边缘，ー些更为通用的业务子功能组件可以下沉到PaaS，作为公共的基础应用平台能力统ー对外提供。新业务可以采用统ー的DevOps模式开发并以敏捷弹性的方式部署。PaaS阶段网络完全开放可编程,业务功能组件化，统一基于微服务架构，并可让第三方进入组件编排。

电信网络云原生演进将面临多种技术和非技术挑战。例如:如何端到端打通设备商的开发流程与运营商的运维流程；是否以（微）服务形态代替完整网元形态交付和运维；如何运维管理基于（微）服务灵活编排组合后的完整网络服务功能等等。网络云原生演进面临的众多问题和挑战需要在后续的实践中不断探索解决。

04 展望与呼吁

随着云计算进入云原生时代以及ICT融合的逐渐深入，通信行业数字化转型压カ日益剧增，需携手在标准、开源、组织架构和生态等方面推进。

为此我们提出以下四点倡议:

•推进云原生标准化。电信运营商携手合作伙伴共同推进电信行业云原生技术标准化工作，如电信网络云原生架构、容器技术与相关接口等，解决电信行业缺少云原生参考标准现状。
•积极推动开源实现。网络云原生的实现是持续演进和不断丰富的过程，其系统架构需保持开放性、通用性和灵活可扩展性，支持用户以标准化方式按需引入电信业务云原生能力。鼓励使用开源软件，积极参与电信行业云原生开源项目，并协同标准化组织拉通开源实现与标准化要求, 打造开放健康的云原生生态。
•探索组织架构转型。云原生技术中DevOps和持续部署等流程，对电信运营商现有组织架构有较大冲击。电信行业要积极推动组织架构与协作流程变革,保障电信业务的敏捷弹性，获得云原生技术带来的收益。
•凝聚产业力量。呼吁电信运营商在新型业务中优先使用云原生技术,积极与合作伙伴建立新型模式合作关系，打造丰富的通信能力开放生态, 通过自主生态、孵化培育、认证合作等创新形式，实现多样化的产品服务，释放、激活业务创新空间。

参考文献

[1] CNCF TUG:

https://www,cncf,io/telecom-u...

[2] ETSI GR NFV-IFA 029:

https://www.etsi.org/deliver/...\_gr/NFV-

IFA/001\_099/029/03.03.01\_60/gr\_NFV-IFA029v030301p.pdf

牵头编写单位:

中国移动通信有限公司研究院
中国电信股份有限公司研究院
中国联合网络通信有限公司研究院

参与编写单位:
华为技术有限公司
中兴通讯股份有限公司
浪潮软件科技有限公司
新华三技术有限公司
威睿信息技术（中国）有限公司
红帽软件（北京）有限公司
爱立信（中国）通信有限公司
上海诺基亚贝尔股份有限公司

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