网络功能虚拟化的关键技术精选文档.docx

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网络功能虚拟化的关键技术精选文档

网络功能虚拟化的关键技术

　　1NFV架构和应用场景

　　1.1NFV架构

　　网络功能虚拟化（NFV）的基础架构由欧洲电信标准化协会（ETSI）NFV行业规范组织（ISG）设计完成，NFV逻辑架构如图1所示。

　　NFV逻辑架构主要分为4个部分：

NFV的管理和编排（MANO）系统用于整体编排和控制管理；NFV基础设施（NFVI）提供网元部署所依赖的基础设施环境；虚拟网络功能（VNF）这一层包括虚拟网元自身以及负责管理VNF的网元管理系统（EMS）；运营支持系统/业务支持系统（OSS/BSS）是运营支撑系统。

　　1.2NFV应用场景

　　NFV的应用范围非常广泛，从网络边缘到网络核心，从固定网络到移动网络，所有网络功能的实现都有可能重新设计或改造。

以下介绍几种NFV应用的典型场景[1]。

（1）固定接入网。

　　虚拟客户终端设备（vCPE）和虚拟宽带远程接入服务器（vBRAS）是NFV部署的典型案例之一。

vCPE将复杂的网络功能及新增业务以虚拟化方式部署在网络侧而非用户侧，同时为运营商未来新增业务乃至第三方业务提供开放平台。

vCPE的部署使得传统固定接入网络变得更加灵活，用户可以根据需求定制自己的网络。

从目前的产业发展现状来看，固定接入网络的NFV化已经成为业界的共识，但目前技术方案尚未完全成熟，各类VNF的功能仍有待完善。

（2）移动核心网。

　　核心网虚拟化一直是NFV应用的重点领域。

目前，全球运营商在该领域概念验证（POC）、试点乃至部署案例众多，比如：

日本DoCoMo公司尝试自主集成构建物联网解决访问虚拟演进的数据核心网（vEPC）。

同时，中国移动也以虚拟IP多媒体子系统（vIMS）和基于IMS的语音业务（VoLTE）为切入点，进行了深入的NFV试点。

　　（3）移动接入网。

　　移动接入网的分布式特征所带来的高成本、高管理复杂度的挑战使得NFV成为其未来发展的重要解决方案。

新一代基站布建架构――云化无线接入网（C-RAN）就是一种典型应用场景。

C-RAN通过将基带处理器从站点移开，并置于核心更深处，可有效降低设备成本，改善协作，增加网络容量。

同时，在无线接入网络方面，基于虚拟技术的无线控制器（AC）虚拟化和池化技术也逐渐引起广泛关注。

AC虚拟池的实现可以有效降低AC设备成本，增强设备的可靠性，提高AC设备利用率，简化运营商运维管理AC设备的复杂度。

　　（4）数据中心应用。

　　虚拟防火墙（vFW）、虚拟负载均衡器（vLB）和虚拟安全套接层（vSSL）/Internet协议安全性（IPSEC）网关（GW）当前在数据中心也得到了大量应用。

得益于NFV带来的灵活性特点，上述虚拟化网元可以灵活扩容和缩容。

其次，基于SDN的业务链功能，能够实现非常灵活的增值业务编排，真正实现用户按需定制。

　　2NFV关键技术及其解决方案

　　2.1硬件及硬件管理技术

　　2.1.1硬件概述

　　硬件作为NFV最底层的基础设施，涉及的硬件包括3类：

计算类、存储类和网络类。

（1）计算。

　　计算类硬件采用商用通用服务器（COTS），目前业界主流的指令集为X86，服务器为双中央处理器（CPU）的2路服务器。

主流服务器形态包括5种：

刀片式、机架式、多节点（也称为高密度服务器）、整机柜、机柜级架构（RSA）。

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刀片式服务器是一种刀框集成多个卡式服务器单元（形态像刀片）的服务器，刀框内同时集成背板、交换背板、管理单板、电源和风扇等部件。

其集成度较高，可以节省大量机柜空间。

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机架式服务器是一种集成CPU、内存、主板、网卡、硬盘、电源和风扇的服务器。

一个机架式服务器为一个计算单元。

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多节点服务器是一种在特定空间的框内，集成电源、风扇和多个服务器单元的服务器，多个服务器单元共享电源和风扇。

　　?

整机柜服务器是一种标准化的服务器，整机柜内集成电源模块、风扇模块、交换模块、管理模块、服务器模块。

　　?

RSA是Intel提出的一种未来服务器形态，是芯片资源池化，通过资源池虚拟出需要的服务器的技术。

（2）存储。

　　当前NFV业界主流存储技术采用IP存储区域网络（IP-SAN）和分布式存储，相应的存储介质为磁阵和存储型服务器。

　　磁阵是一种可靠性达5个9、性能高的成熟存储硬件。

存储型服务器是一种配置硬盘多，满足大容量存储需求的服务器。

不同存储介质需要结合相应的存储技术，以发挥最大的技术优势。

　　（3）网络。

　　网络类硬件主要采用交换机。

为满足站点组网的要求，实现设备间互通，采用接入交换机和核心交换机实现站点组网。

接入交换机一般采用1U的盒式交换机，主要实现二层互通，核心交换机采用模块交换机，主要实现三层互通。

　　2.1.2硬件资源池共享

　　NFV业务种类繁多，主要集中在无线接入、固网接入、核心网和部分业务平台等。

硬件资源池的共享是实现资源共享的第一步，网元部署地理位置和业务特性，决定了硬件资源有无共享的必要，硬件配置则决定硬件资源池有无共享的可行性。

因此，在相同地理位置，网元业务特性相同的网元，应保证其硬件配置的一致，同一个硬件资源池中应尽量减少硬件配置的种类。

　　2.1.3硬件管理

　　硬件管理是NFV网络部署、运营、保证业务质量必不可少的部分。

然而当前硬件管理?

范方面并不是十分标准。

　　服务器一般采用简单网络管理协议（SNMP）和智能平台管理接口（IPMI）实现管理，不同厂商SNMP和IPMI存在差异。

磁阵一般采用SNMP和存储管理接口标准（SMI-S）实现管理，SNMP方面不同厂商存在较大差异，SMI-S为全球存储网络工业协会（SINA）组织主导的国际标准，是统一的标准；然而SMI-S，在故障告警方面没有涉及。

交换机可采用SNMP实现管理，不同厂商在实现方面存在较大差异。

　　目前台式系统管理任务组（DMTF）正在制订服务器、磁阵和交换机的相关技术标准，即Redfish和Swordfish。

主流服务器、磁阵厂商均在推动该标准的成熟。

Redfish和Swordfish均基于Restful应用程序编程接口（API）实现，接口符合未来发展的趋势。

Redfish和Swordfish在故障管理方面暂未成熟，DMTF正在大力推动其完善

　　2.2虚拟层技术

　　虚拟层是基础架构层NFVI的重要组成部分，包含Hypervisor和虚拟化基础设置管理（VIM）。

虚拟层将物理计算、存储、网络资源通过虚拟化技术转换为虚拟的计算、存储、网络资源池，提供给虚拟机使用，同时，提供虚拟资源的管理和运维[2]。

　　2.2.1VIM

　　虚拟化基础设施管理平台，负责对虚拟化资源进行统一的管理、监测控制、优化，对虚拟机进行生命周期管理等。

　　目前，主流VIM平台基于OpenStack社区进行开发，包括身份认证及授权、虚拟机镜像管理、计算资源管理、存储资源管理、网络资源管理、虚拟机生命周期管理等能力。

同时，VIM平台整合了NFVI的运维和管理能力，包括虚拟化层的关键绩效指标（KPI）监测控制，故障告警收集及上报等。

　　2.2.2虚拟化软件Hypervisor

　　Hypervisor将通用物理服务器与上层软件应用分开，使得具有不同操作系统的多个虚拟机可以在同一个物理服务器上运行，最大化地利用硬件资源，即一个物理服务器的硬件资源可以被多个虚拟机共享。

Hypervisor把硬件相关的CPU、内存、硬盘、网络资源全面虚拟化，并提供给上层VNF使用，具备计算虚拟化、存储虚拟化和网络虚拟化能力。

Hypervisor可以与VIM系统交互实现对虚拟机的创建、删除等操作以及故障管理、性能管理等功能。

（1）计算虚拟化。

　　实现对服务器物理资源的抽象，将CPU、内存、输入/输出（I/O）等服务器物理资源转化为一组可统一管理、调度和分配的逻辑资源，并基于这些逻辑资源在单个物理服务器上构建多个同时运行、相互隔离的虚拟机执行环境，实现更高的资源利用率，同时满足应用更加灵活的资源动态分配需求。

　　为实现5个9的高可用性，NFV对计算虚拟化提出了新的技术要求，包括CPU核绑定、大页内存、非均匀存储器存取（NUMA）、亲和性/反亲和性部署等能力，同时需禁止CPU、内存的超分配。

（2）存储虚拟化。

　　将存储设备进行抽象，以逻辑资源的方式呈现，统一提供全面的存储服务。

可以在不同的存储形态，设备类型之间提供统一的功能。

　　（3）网络虚拟化。

　　在服务器的CPU中实现完整的虚拟交换的功能，虚拟机的虚拟网卡对应虚拟交换的一个虚拟端口，服务器的物理网卡作为虚拟交换的上行端口。

　　目前，业界主流的网络虚拟化技术包括虚拟交换机及单根I/O设备虚拟化技术（SR-IOV）。

虚拟交换机（OVS）是在开源的Apache2.0许可下的产品级质量的虚拟交换标准，通过虚拟化软件提供的部署在主机上的虚拟交换功能，主机节点的物理接口及虚拟机的虚拟网卡（vNIC）分别与虚拟交换机连接，通过虚拟交换机实现与外部网络的数据传输。

SR-IOV基于虚拟功能的虚拟机直通，虚拟机直接使用物理网卡资源进行网络通信，减少传统的虚拟交换带来的CPU消耗，提升性能，减少时延。

　　2.3管理编排技术

　　2.3.1管理编排

　　NFVMANO的架构由NFV编排器（NFVO）、VNF管理器（VNFM）、VIM组成，完成对于NFV系统内虚拟资源、虚拟网元和网络服务的管理。

MANO系统架构图2所示。

　　NFVO实现网络服务和网元管理及处理，提供网络服务生命周期的管理。

VNFM实现虚拟化网元VNF的生命周期管理，包括VNF实例的初始化、VNF的扩容/缩容、VNF实例的终止。

VIM是虚拟化基础设施管理系统，主要负责虚拟基础设施的管理，监测控制和故障上报，面向上层VNFM和NFVO提供虚拟化资源池。

VIM提供虚拟机镜像管理功能。

　　2.3.2管理编排产业发展

　　MANO由ETSINFVISG首先提出，并于2014年底发布MANO阶段1规范，明确了MANO系统架构、功能实体、接口和参考流程，为业界NFV管理系统的设计提供了参考。

　　目前NFVMANO相关标准化工作尚未完成接口和模版的数据模型定义，尚无法指导各厂家设备基于统一格式开发并实现互通；与此同时，很多开源社区提供了开源版本的MANO或MANO部分组件，形成了对标准的重要补充。

　　在NFVO层面，目前最重要的开源组织是刚刚宣布成立的开放网络自动化平台（ONAP）组织，ONAP由中国移动主导的OPEN-O和AT&T主导的ECOMP合并成立。

在VIM层面，OpenStack已经成为VIM的事实标准，多数厂家VIM基于OpenStack实现，并支持OpenStackAPI，供VNFM和NFVO调用。

　　2.3.3NFV后的网络管理

　　MANO的引入，实现了网络的灵活管理和动态调整，同时也为运营商运维带来了全新的挑战。

　　首先，MANO引入了NFVO、VNFM、VIM等一系列新的管理实体，将原有烟囱式的一体化运维分拆成了资源和应用两个层面，对现有OSS网管管理架构和流程均造成较大影响，需着重考虑MANO与OSS的协作关系。

　　其次，NFV引入了NFVI、VNF、网络服务（NS）等一系列新的管理对象，对现有OSS管理的资源管理模型、配置模型、性能模型、故障模型和多层故障关联等均造成较大改变。

　　再次，NFVMANO向运营商提供了更为智能化的网络管理手段，有望使网络运维由传统的故障驱动型运维转向依靠预定义的策略和模版，依靠大数据和机器学习，实现网络的自动调整和治愈。

这对未来网管及网络运维人员的技能均提出了极大的挑战。

　　基于以上挑战，未来网管的一种形态将发生大的变化，在管