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網(wǎng)絡功能虛擬化及其應用場景分析
虛擬機指通過軟件模擬的具有完整硬件系統(tǒng)功能的、運行在一個完全隔離環(huán)境中的完整計算機系統(tǒng)，以下是一篇關于網(wǎng)絡功能虛擬化研究的論文范文，供大家閱讀借鑒。
1、虛擬機技術(shù)
要討論網(wǎng)絡功能虛擬化(Network Function Virtualization,NFV)，首先要討論虛擬機(Virtual Machine,VM)技術(shù)，因為虛擬機技術(shù)是“網(wǎng)絡功能虛擬化”的物質(zhì)基礎，沒有虛擬機技術(shù)的成熟，網(wǎng)絡功能虛擬化無從談起。
虛擬系統(tǒng)通過生成現(xiàn)有操作系統(tǒng)的全新虛擬鏡像，具有與真實Windows系統(tǒng)完全一樣的功能。進入虛擬系統(tǒng)后，所有操作都是在這個全新的、獨立的虛擬系統(tǒng)中進行，可以獨立安裝運行軟件、保存數(shù)據(jù)、擁有自己的獨立桌面，不會對真正的系統(tǒng)產(chǎn)生任何影響 ,而且具有能夠在現(xiàn)有系統(tǒng)與虛擬鏡像之間靈活切換的一類操作系統(tǒng)。虛擬系統(tǒng)和傳統(tǒng)的虛擬機(Parallels Desktop、VMware、VirtualBox、Virtual PC)的不同在于：虛擬系統(tǒng)不會降低電腦的性能，啟動虛擬系統(tǒng)不需要像啟動Windows系統(tǒng)那樣耗費時間，運行程序更加方便快捷;虛擬系統(tǒng)只能模擬和現(xiàn)有操作系統(tǒng)相同的環(huán)境，而虛擬機則可以模擬出其他種類的操作系統(tǒng)，而且虛擬機需要模擬底層的硬件指令，所以在應用程序運行速度上比虛擬系統(tǒng)慢得多。流行的虛擬機軟件有VMware(VMware ACE)、VirtualBox和Virtual PC,它們都能在Windows系統(tǒng)上虛擬出多個計算機系統(tǒng)。
虛擬機技術(shù)只是網(wǎng)絡功能虛擬化的基礎，僅有虛擬機技術(shù)不足以用于網(wǎng)絡功能虛擬化的場景，主要原因是單一服務器提供的虛擬機技術(shù)所能提供的IT資源(計算資源、存儲資源和I/O資源)，不能滿足網(wǎng)絡功能虛擬化中網(wǎng)元對IT資源的要求。能滿足網(wǎng)絡功能虛擬化中網(wǎng)元對IT資源要求的，只能是“云”化的數(shù)據(jù)中心。所謂“云化”的數(shù)據(jù)中心，指的是將數(shù)據(jù)中心中服務器的IT資源“池”化，“池”化后的數(shù)據(jù)中心中IT資源成為一個IT資源的整體，它可以動態(tài)、按需根據(jù)網(wǎng)絡功能虛擬化中網(wǎng)元對IT資源的要求進行該網(wǎng)元功能的虛擬機資源的配置。這時虛擬機可能在一個服務器內(nèi)，也可能由多個服務器組成。
2、網(wǎng)絡功能虛擬化
網(wǎng)絡功能虛擬化(NFV)通過軟硬件解耦及功能抽象，使網(wǎng)絡設備功能不再依賴于專用硬件，硬件資源可以充分靈活共享，實現(xiàn)新業(yè)務的快速開發(fā)和部署，并基于實際業(yè)務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。網(wǎng)絡功能虛擬化后，可以采用標準的x86服務器、存儲和交換設備，取代通信網(wǎng)私有專用的網(wǎng)元設備。其好處是硬件為基于x86標準的IT設備，更加規(guī)范化和標準化;開放的API,幫助運營商獲得更多、更靈活的網(wǎng)絡能力。NFV的部署將使運營商組網(wǎng)靈活和簡單，硬件設備統(tǒng)一和高效。網(wǎng)絡功能虛擬化的圖形化說明如圖1所示。
網(wǎng)絡虛擬化一般含有以下三個層面的內(nèi)容
網(wǎng)元虛擬化。網(wǎng)元通常是指網(wǎng)絡中的設備，例如數(shù)據(jù)網(wǎng)中的路由器、交換機就是數(shù)據(jù)網(wǎng)中的網(wǎng)元，移動網(wǎng)、光通信網(wǎng)、接入網(wǎng)等都有網(wǎng)元。到目前為止，網(wǎng)元都是以實體形態(tài)存在的，如數(shù)據(jù)網(wǎng)中的路由器是實體網(wǎng)元，數(shù)據(jù)網(wǎng)中的交換機也是實體網(wǎng)元。所謂實體網(wǎng)元是實際存在的網(wǎng)絡設備。
在網(wǎng)管上看到一個網(wǎng)元，實際就有一個網(wǎng)絡設備，即網(wǎng)元實體化。其優(yōu)點是以實體的形式存在，缺點是不通用、種類繁雜。網(wǎng)元虛擬化就是要將實體的網(wǎng)元轉(zhuǎn)變?yōu)樘摂M的網(wǎng)元，也就是說，網(wǎng)元的能力完整保留，但承載網(wǎng)元軟件的載體由實體，變成由具有相同能力IT資源(計算資源、存儲資源和I/O資源)的虛擬機來承載。網(wǎng)元虛擬化的結(jié)果是網(wǎng)元的能力完全保留，實體不見了。
網(wǎng)元間的連接虛擬化。目前網(wǎng)元之間的連接是由各類專線實現(xiàn)，同樣是實體形式的。也就是說，目前網(wǎng)元間的連接是實體化的。采用了NFV以后，網(wǎng)元間的實體連接不存在了，可以由NFV中的編排器(Orchestrator)掌控的存在于NFVI(NFV Infrastructure,NFV的基礎設施)中的通信資源調(diào)配和編排得到。這時網(wǎng)元間的連接也被虛擬了。網(wǎng)元虛擬化和網(wǎng)絡間連接虛擬化合起來構(gòu)成局部網(wǎng)絡的虛擬化。這里之所以要加局部兩個字，是因為只有在局部可以實現(xiàn)網(wǎng)絡虛擬化，在全局是做不到的。
網(wǎng)絡功能虛擬化是一種組網(wǎng)技術(shù)，通過NFV的組網(wǎng)，網(wǎng)絡由實體走向虛擬。采用NFV可以實現(xiàn)網(wǎng)元虛擬化和網(wǎng)元間連接虛擬化。
虛擬網(wǎng)。虛擬網(wǎng)是網(wǎng)絡內(nèi)生的虛擬化能力，它將一個物理網(wǎng)虛擬成為幾個、幾十個乃至幾萬個網(wǎng)絡拓撲，是物理網(wǎng)的子集或全集，虛擬網(wǎng)與虛擬網(wǎng)之間信息隔離，資源獨立，擁有實體網(wǎng)的全部能力。虛擬網(wǎng)能力是網(wǎng)絡技術(shù)中最大的難點，但它又是承載多業(yè)務的必備條件，因為承載多業(yè)務要求有服務質(zhì)量的保證和較高的網(wǎng)絡使用效率，因此必須使用虛擬網(wǎng)。虛擬網(wǎng)有兩種形態(tài)：線狀虛擬網(wǎng)，即虛擬網(wǎng)是由端到端的線(虛電路)組成，N個用戶的虛擬網(wǎng)需要N×(N-1)/2個虛電路組成;網(wǎng)狀虛擬網(wǎng)，即虛擬網(wǎng)由網(wǎng)組成，N個用戶的虛擬網(wǎng)需要N-1條連接線。當N較大時，這兩種虛擬網(wǎng)的管理復雜度就不在一個量級上。
網(wǎng)絡功能虛擬化是外部的組網(wǎng)技術(shù)，可以用于實現(xiàn)網(wǎng)元功能的虛擬化，也可以用于實現(xiàn)網(wǎng)元間連接的虛擬化，但不能用于實現(xiàn)網(wǎng)絡中的虛擬網(wǎng)，網(wǎng)絡中的虛擬網(wǎng)需要內(nèi)生技術(shù)來實現(xiàn)。
按照NFV網(wǎng)絡功能虛擬化設計，縱向分為三層，如圖2所示。
●基礎設施層。NFVI是一個資源池，包括IT資源和CT資源(通信網(wǎng)的傳輸資源和交換路由資源等)。 NFVI是虛擬化的計算、存儲、I/O資源池和用于NFV的通信網(wǎng)的傳輸資源和交換路由資源等。
●虛擬網(wǎng)絡層。虛擬網(wǎng)絡層對應目前各個電信業(yè)務網(wǎng)絡，每個物理網(wǎng)元映射為一個虛擬網(wǎng)元，虛擬網(wǎng)元所需資源需要分解為虛擬的計算、存儲、交換資源，由NFVI承載。
虛擬網(wǎng)元之間的接口依然采用傳統(tǒng)網(wǎng)絡定義的信令接口，業(yè)務網(wǎng)管也依舊。NFV是新的組網(wǎng)技術(shù)，不改變原網(wǎng)絡特征。
●運營支撐層。運營支撐層就是目前的OSS/BSS,僅需作適應虛擬化的修改和調(diào)整。
橫向分為兩個域。
●業(yè)務網(wǎng)絡域。就是目前的各電信業(yè)務網(wǎng)絡。
●管理編排域。NFV同傳統(tǒng)網(wǎng)絡最大區(qū)別就是增加了一個管理編排域(MANO)，MANO負責整個NFVI資源的管理和編排，負責業(yè)務網(wǎng)絡和NFVI資源的映射和關聯(lián)，負責OSS業(yè)務資源流程的實施等。MANO內(nèi)部包括VIM、VNFM和Orchestrator三個實體，分別完成對NFVI、VNF和NS(Network Service,業(yè)務網(wǎng)絡提供的網(wǎng)絡服務)三個層次的管理。
按照NFV的技術(shù)原理，一個業(yè)務網(wǎng)絡可以分解為一組VNF和VNFL(VNF Link)，表示為VNF-FG(VNFForwarding Graph)。然后每個VNF可以分解為一組VNFC(VNF Component)和內(nèi)部連接圖，每個VNFC映射為一個VM;每個VNFL對應一個IP連接，需要分配一定的鏈路資源(流量、QoS、路由等參數(shù));通過這樣的編排流程，一個業(yè)務網(wǎng)絡可以通過MANO來自頂向下分解，直到可分配到資源，然后對應VM等資源由NFVI分配，對應VNFL資源需要同承載網(wǎng)網(wǎng)管系統(tǒng)交互，由承載網(wǎng)分配。
3、應用場景和適應面
下一代網(wǎng)絡是一個兩層架構(gòu)的體系，由業(yè)務層(ServiceStratum)和傳送層(Transport Stratum)組成。目前的互聯(lián)網(wǎng)也是符合這個體系架構(gòu)的。差別是，互聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)中不具有NACF和RACF.這個網(wǎng)絡的體系架構(gòu)對過去、現(xiàn)在和可見的將來都是有效的和合理的。當然這個架構(gòu)也有缺陷，其沒有考慮內(nèi)容分發(fā)網(wǎng)絡(CDN)，這個架構(gòu)中也沒有CDN的合理位置。
從應用場景的角度來說，NFV最適用于構(gòu)建(電信)業(yè)務網(wǎng)，但它也可以用于構(gòu)建承載網(wǎng)(分組數(shù)據(jù)網(wǎng)和分組傳送網(wǎng))。由于業(yè)務數(shù)據(jù)流流經(jīng)的不同，在使用NFV時，兩者是不一樣的。
場景1:構(gòu)建(電信)業(yè)務網(wǎng)
(電信)業(yè)務網(wǎng)負責業(yè)務體系的組織、管理和業(yè)務數(shù)據(jù)包的形成，業(yè)務數(shù)據(jù)包在業(yè)務網(wǎng)的邊緣設備(有的業(yè)務數(shù)據(jù)包則直接在用戶終端處)形成，業(yè)務網(wǎng)構(gòu)建成的業(yè)務數(shù)據(jù)包是交給分組數(shù)據(jù)網(wǎng)來傳遞的，即業(yè)務網(wǎng)負責業(yè)務數(shù)據(jù)包的形成和業(yè)務數(shù)據(jù)包的發(fā)出，以及業(yè)務數(shù)據(jù)包的收到和收到后的處理，還負責業(yè)務體系的組織和管理。從OSI 7層模式的角度來說，業(yè)務網(wǎng)是4~7層的工作，它沒有業(yè)務數(shù)據(jù)流的直接流經(jīng)。
目前，(電信)業(yè)務網(wǎng)是最有可能采用NFV技術(shù)的，只要將原來(電信)業(yè)務網(wǎng)所有設備進行設備(網(wǎng)元)的虛擬化和網(wǎng)絡連接的虛擬化改編就可以了，即使用與原來(電信)業(yè)務網(wǎng)實體設備中的硬件所需相同IT資源的虛擬機，將完全相同(或略有改動)的軟件加載在該虛擬機上，再配置與實體(電信)業(yè)務網(wǎng)相同連接和相同傳送能力的網(wǎng)絡，(電信)業(yè)務網(wǎng)就完成了NFV技術(shù)的改編。如圖2所示，通過網(wǎng)元編排和管理調(diào)度實體業(yè)務網(wǎng)網(wǎng)絡設備中的虛擬機，同樣通過網(wǎng)元編排和管理調(diào)度實體業(yè)務網(wǎng)網(wǎng)元間的網(wǎng)絡虛擬連接。按照原(電信)業(yè)務網(wǎng)的業(yè)務關系來編排該(電信)業(yè)務網(wǎng)的服務鏈，就可以建成虛擬化的(電信)業(yè)務網(wǎng)。
但實際問題更加復雜。首先(電信)業(yè)務網(wǎng)是一個大網(wǎng)，由分布在全國各地的節(jié)點構(gòu)成，這些節(jié)點主要是形成業(yè)務數(shù)據(jù)包在業(yè)務網(wǎng)的邊緣設備。對(電信)業(yè)務網(wǎng)而言，除了管理節(jié)點和控制節(jié)點可以相對集中外，業(yè)務節(jié)點是不可能集中的。另外從理論上講，每個VNF可以分解為一組VNFC,每個VNFC映射為一個VM,對于每個VNFL,對應著一個數(shù)據(jù)網(wǎng)連接，然后用服務鏈連接起來構(gòu)成虛擬網(wǎng)元，這將會形成原本沒有定義的接口，難度較大，時間周期會很長。因此NFV不可能用來建設一個完整的(電信)業(yè)務網(wǎng)，只可能用在局部。
場景2:構(gòu)建分組數(shù)據(jù)網(wǎng)
分組數(shù)據(jù)網(wǎng)負責業(yè)務數(shù)據(jù)包的端到端傳送，這里的端到端可以是業(yè)務網(wǎng)的邊緣設備到邊緣設備，也可以是形成業(yè)務數(shù)據(jù)包的終端到終端。分組數(shù)據(jù)網(wǎng)負責業(yè)務數(shù)據(jù)包的端到端傳送，是2~3層的工作，業(yè)務數(shù)據(jù)流全部流經(jīng)分組數(shù)據(jù)網(wǎng)。
因此采用NFV構(gòu)建完整的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)顯然是不現(xiàn)實的，特別是考慮到主干和核心路由器、交換機等因素，原因有兩點：一方面，基于x86的服務器盡管在近年來取得了長足的進步，可以實現(xiàn)10Gbit/s雙向線速，甚至可以實現(xiàn)40Gbit/s雙向線速，但與硬件網(wǎng)絡設備相比至少有一個數(shù)量級的能力差距;另一方面，網(wǎng)絡設備中大量使用與、或、非、異或等邏輯運算，2~3個機器周期就能完成一次運算。
而使用x86服務器則是用復雜的程序運算替代邏輯運算，結(jié)果是效率低、能耗大，是不合算的。因此對于核心網(wǎng)絡的核心設備，在相當長的時間內(nèi)，NFV是難有作為的。而在網(wǎng)絡的邊緣，情況就大不一樣，NFV是可以有作為的。因為10Gbit/s雙向線速，40Gbit/s雙向線速的能力已經(jīng)可以使用，并且網(wǎng)絡是為了策略和管理更集中，網(wǎng)絡變化頻繁，需要大量的程序運算，網(wǎng)絡的邊緣是NFV的用武之地。
同樣從理論上講，網(wǎng)元編排和管理器可以用來調(diào)度實體業(yè)務網(wǎng)網(wǎng)絡設備中與硬件所需的相同IT資源的虛擬機，同樣通過網(wǎng)元編排和管理器來調(diào)度實體業(yè)務網(wǎng)網(wǎng)元間的網(wǎng)絡虛擬連接。它放在那里，它能夠管全網(wǎng)嗎?實際上是做不到的。
因此NFV不可能用來建設一個完整的分組數(shù)據(jù)網(wǎng)，只可能用在局部，特別是網(wǎng)絡的邊緣，另外也可用作網(wǎng)絡輔佐管理設備的虛擬化。
場景3:構(gòu)建電信業(yè)務和網(wǎng)絡端局
以下給云計算指定一個非常窄義的范圍，即云化數(shù)據(jù)中心。云化數(shù)據(jù)中心是將數(shù)據(jù)中心的全部服務器中的IT資源整合成一個資源池，經(jīng)整合后的數(shù)據(jù)中心，對外已經(jīng)不再以分離的服務器存在，而是以單一的資源池形態(tài)存在。當用戶要使用IT資源時，向數(shù)據(jù)中心申請，數(shù)據(jù)中心根據(jù)用戶的申請配置一個IT資源能滿足用戶要求的虛擬機，提供給用戶。對于一個小用戶，所得到的一臺虛擬機很可能是一臺服務器的一部分;對于一個大用戶，所得到的一臺虛擬機很可能是由多臺服務器組成。這里也包含多個云化數(shù)據(jù)中心通過云間連接向外提供服務。
有了云計算(云化的數(shù)據(jù)中心)，就可以討論構(gòu)建電信業(yè)務和網(wǎng)絡端局的問題了。電信業(yè)務和網(wǎng)絡端局是由一堆電信設備組成，這一堆電信設備全部是實體設備，其中的每一個電信設備都是專用的和軟硬件合一的。這些網(wǎng)絡設備根據(jù)各類業(yè)務網(wǎng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)或傳送網(wǎng)的網(wǎng)絡架構(gòu)，由專線連接起來，構(gòu)成電信業(yè)務網(wǎng)或電信網(wǎng)絡的端局系統(tǒng)。由分析可知，端局的每一臺電信設備都由兩部分組成：硬件和軟件。硬件完全是IT資源，盡管外形不一樣。軟件是為了實現(xiàn)每一個特定的功能而設計和編寫的。很顯然，電信設備所需要的硬件，可以向云計算申請配置出一個IT資源能滿足用戶要求虛擬機即可，在這個虛擬機上加載該電信設備原有的軟件，就可以構(gòu)建出一個和原來實體設備能力和性能完全的虛擬設備，從而實現(xiàn)了網(wǎng)絡(業(yè)務)設備功能的虛擬化。對于業(yè)務網(wǎng)或數(shù)據(jù)網(wǎng)的端局網(wǎng)絡，還要考慮網(wǎng)絡的業(yè)務流程(服務鏈)和虛擬機間的虛連接，這個任務網(wǎng)元編排和管理器可以完成的。因此，在已有的網(wǎng)絡體系、網(wǎng)元設備和業(yè)務流程都確定的條件下，實現(xiàn)起來不會困難。但是必須指出，這僅是局端網(wǎng)絡的虛擬化，而不是全局網(wǎng)絡的虛擬化。它是一種組網(wǎng)技術(shù)(實體轉(zhuǎn)虛擬)，不是新的網(wǎng)絡技術(shù)，不能對它有過高的期望。
此外，在NFV使用的場合，要考慮網(wǎng)絡硬件載體資源的合一，以及各種不同的網(wǎng)絡在邏輯上的獨立性。綜上所述，在一個電信的端局內(nèi)，所有的網(wǎng)絡硬件載體資源都在云化的數(shù)據(jù)中心內(nèi)。假如在一個電信端局機房內(nèi)有5套系統(tǒng)(例如，三套業(yè)務系統(tǒng)、一套CDN和一套數(shù)據(jù)網(wǎng))，在電信機房內(nèi)除了擁有網(wǎng)元難以虛擬化的少量高速網(wǎng)絡設備外，就是一個云化的數(shù)據(jù)中心。所有網(wǎng)絡設備硬件所需的IT資源，都由云化的數(shù)據(jù)中心提供的VM支持，這就很難分辨設備的VM資源來自何方，從表面上看網(wǎng)絡似乎合一了，實際上如果做進一步分析，會發(fā)現(xiàn)僅僅是網(wǎng)絡設備硬件所需的IT資源合一，都來自云化的數(shù)據(jù)中心。所有的5套網(wǎng)絡是完全獨立的，互不相干。
4、存在的問題
網(wǎng)絡功能虛擬化無疑是近年來電信界一個十分重要的創(chuàng)新。其優(yōu)點是可以緊密地結(jié)合目前已經(jīng)漸趨成熟的云化數(shù)據(jù)中心技術(shù)，通過網(wǎng)絡設備的硬件和軟件解耦，將網(wǎng)絡設備中硬件設備所需的IT資源，由云化數(shù)據(jù)中心的虛擬機供給，可以極大地提高網(wǎng)絡設備的利用率和通過網(wǎng)絡設備的頑健性(業(yè)務量大時多配置一些設備，閑時少配置一些設備，設備故障可立刻配置相關設備替代)。
網(wǎng)絡功能虛擬化也存在一些問題。首先，網(wǎng)絡功能虛擬化是一種組網(wǎng)技術(shù)，只是將原有網(wǎng)絡的實體設備用虛擬設備來替代，將原來網(wǎng)絡的實體連接用虛擬連接來替代，但網(wǎng)絡的性質(zhì)沒有改變，也沒有能力上的變化。
其次，網(wǎng)絡功能虛擬化后，網(wǎng)絡實體設備將不復存在，網(wǎng)絡的實體間連接也將不復存在，網(wǎng)絡測試將會變得十分困難，除非有內(nèi)生的測試能力，外加的測試設備很難有合適的入口，難以插入進行測試。這有可能造成測試設備的變革，測試設備要適應網(wǎng)絡功能虛擬化的變化，實現(xiàn)功能虛擬化，插入服務鏈中去完成測試。當然，這不是短時間內(nèi)可以完成的。
再次，網(wǎng)絡功能虛擬化目前在資源的編排上還不成熟。
由于服務器I/O的能力遠低于服務器內(nèi)部的總線速率，IT資源的編排是很有難度的，如果考慮不周將會極大地影響虛擬機的性能，尤其是對CT資源(通信資源)的編排。因為目前的通信網(wǎng)，無論是IP網(wǎng)還是以太網(wǎng)都是不好編排的，唯一的辦法是輕載。輕載在局域還可能行得通，在廣域就很難了。
還有，如標準化問題、成熟度問題等。盡管有問題，但是目前已經(jīng)可以使用了，但希望在實際使用前，做深入的研究和分析，這樣可以達到事半功倍的效果。(圖略)
參考文獻
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