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  • 2021-03-03 16:20:51

    如何理解异构网络

    网络可以分为异构网络和同构网络,如果一个网络中包含不同的操作系统或者不同的网络架构,那么称这个网络是异构网络,举个例子:

    对于一台机房,一些设备是Linux系统,一些设备是Windows系统,还有一些Unix系统的其他设备,如果把这些设备互联起来组成一个网络,那么就属于是异构网络。

    在日常生活中,连接多个电脑通常会用到路由器或者交换机,他们两个之间有区别,比如交换机只能连接电脑,但是路由器可以连接电脑,也可以提供wifi给手机连接。那么由交换机组成的网络就属于同构网络,由路由器组成的网络就属于异构网络。

    区分异构网络和同构网络的本质,是看是否兼容不同的协议,上述手机和电脑之间的功能相似,但是他们分别使用不同的协议,因此属于是异构网络,Linux和Windows同理。

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  • 计算机网络的认识和了解

    千次阅读 2021-07-09 05:41:50
    1、计算机网络的认识和了解计算机网络是一群地理位置分散的具有自主功能的计算机,通过通信设备及传输媒体连接起来,在通信网络的支持下,实现计算机的资源共享,信息交换,协同工作的系统。“自主”指这些计算机...

    《对计算机网络的认识和了解》由会员分享,可在线阅读,更多相关《对计算机网络的认识和了解(2页珍藏版)》请在人人文库网上搜索。

    1、对计算机网络的认识和了解计算机网络是一群地理位置分散的具有自主功能的计算机,通过通信设备及传输媒体连接起来,在通信网络的支持下,实现计算机的资源共享,信息交换,协同工作的系统。“自主”指这些计算机离开计算机网络后,也能独立地运行和工作,网络中的共享资源,即软件资源,硬件资源和数据资源,灰分步在这些计算机中。构成网络的计算机往往分散在不同的地理位置,通过通信设备和线路连接起来,并且在功能完善的网络操作系统和通信协议管理下,将各节点有机连接起来。网络的基本特征为数据交换和通信,资源共享,计算机之间或计算机用户之间的协同工作。计算机网络的产生和发展:第一代是以数据通信为主的计算机网络。第二代是以资源。

    2、共享的为主的初级计算机网络。第三代是开放式的标准化计算机网络。计算机网络分为局域网(LAN),城域网(MAN),广域网(WAN).局域网分步在房间,建筑物,校园等范围较小的地方。覆盖面积一般在几千米以内,分布距离短,数据传输速度快。城域网通常由多个局域网互联而成,并为一个成市的多家单位拥有。计算机广域网一般指分布在不同国家,地域,甚至全球范围的内的各种局域网,计算机,终端等互联而成大型计算机通信网络。往往以连接不同地域的大型主机系统或局域网为目的。计算机网主要完成数据处理和数据通信,计算机网络对应的基本结构也可以分为相应的连个部分:资源子网和通信子网。网络拓扑结构一般指计算机通信子网的拓扑结构是网络中各节点通过线路连接后,排列形成的几何关系。拓扑结构是影响网络性能的主要因素之一,也是实现各种协议的基础。通常网络拓扑结构的设计是网络设计的第一步,将直接关系到网络的性能,系统可靠性,通信和投资费用等因素。而基本拓扑类型有总线型,星型,环形,树形,网状等。数据通讯技术是构成现代计算机网络的重要基石之一,传输方式有并行传输,单行传输。而单行传输又分为单工通信,半双工通信和全双工通信。广域网中数据交换方式亦线路交换,储存转发。而储存转发中又有报文交换和分组交换。现今主要以ICP/IP为主要的协议。

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  • 三层网络结构理解

    万次阅读 2020-10-20 10:48:21
    1. 只有交换机的简单网络 这个就是最简单的网络了,仅仅只有交换机,所有电脑都被交换机连起来就组成了一个小型的局域网,到这里还没有用到IP地址,因为IP是在第三层(网络层)的,而交换机是在第二层的(数据链路...

    1. 三层网络结构(核心层 汇聚层 接入层)

    三层网络结构是采用层次化架构的三层网络。三层网络架构采用层次化模型设计,即将复杂的网络设计分成几个层次,每个层次着重于某些特定的功能,这样就能够使一个复杂的大问题变成许多简单的小问题。三层网络架构设计的网络有三个层次:核心层(网络的高速交换主干)、汇聚层(提供基于策略的连接)、接入层 (将工作站接入网络)。

    1.核心层

    核心层是网络的高速交换主干,对整个网络的连通起到至关重要的作用。核心层应该具有如下几个特性:可靠性、高效性、冗余性、容错性、可管理性、适应性、低延时性等。在核心层中,应该采用高带宽的千兆以上交换机。因为核心层是网络的枢纽中心,重要性突出。核心层设备采用双机冗余热备份是非常必要的,也可以使用负载均衡功能,来改善网络性能。网络的控制功能最好尽量少在骨干层上实施。核心层一直被认为是所有流量的最终承受者和汇聚者,所以对核心层的设计以及网络设备的要求十分严格。核心层设备将占投资的主要部分。

    2.汇聚层

    汇聚层是网络接入层和核心层的“中介”,就是在工作站接入核心层前先做汇聚,以减轻核心层设备的负荷。汇聚层必须能够处理来自接入层设备的所有通信量,并提供到核心层的上行链路,因此汇聚层交换机与接入层交换机比较,需要更高的性能,更少的接口和更高的交换速率。汇聚层具有实施策略、安全、工作组接入、虚拟局域网(VLAN)之间的路由、源地址或目的地址过滤等多种功能。在汇聚层中,应该采用支持三层交换技术和VLAN的交换机,以达到网络隔离和分段的目的。

    3.接入层

    通常将网络中直接面向用户连接或访问网络的部分称为接入层,接入层目的是允许终端用户连接到网络,因此接入层交换机具有低成本和高端口密度特性。我们在接入层设计上主张使用性能价格比高的设备。接入层是最终用户(教师、学生) 与网络的接口,它应该提供即插即用的特性,同时应该非常易于使用和维护,同时要考虑端口密度的问题。

    接入层为用户提供了在本地网段访问应用系统的能力,主要解决相邻用户之间的互访需求,并且为这些访问提供足够的带宽,接入层还应当适当负责一些用户管理功能(如地址认证、用户认证、计费管理等),以及用户信息收集工作(如用户的IP地址、MAC地址、访问日志等)。

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    为了方便管理、提高网络性能,大中型网络应按照标准的三层结构设计。但是,对于网络规模小,联网距离较短的环境,可以采用“收缩核心”设计。忽略汇聚层,核心层设备可以直接连接接入层,这样一定程度上可以省去部分汇聚层费用,还可以减轻维护负担,更容易监控网络状况。我们单位多年来,一直采用“收缩核心”网络架构,运行良好。

    4.接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机的区别

    首先需要明确:接入层交换机、汇聚层交换机、核心层交换机并非是交换机的分类和属性,只是由其所执行的任务来划分的。它们没有固定要求,主要看网络环境的大小、设备的转发能力以及在网络结构中所处位置。例如,同一个二层交换机在不同的网络结构中,可能用在接入层,也可能用在汇聚层。当用在接入层时,该交换机被称为接入层交换机,同理,用在汇聚层时,该交换机被称为汇聚层交换机。

    接入层、汇聚层和核心层的特点和区别

    核心层可以提供最优的区间传输, 汇聚层可以提供基于策略的连接 ,而接入层可以为多业务应用和其他的网络应用提供用户到网络的接入。
    在这里插入图片描述

    5.接入层交换机、汇聚层交换机和核心层交换机的区别

    5.1.功能区别

    核心层交换机的主要功能是用于路由选择及高速转发的,提供优化、可靠的骨干传输结构,因此核心层交换机应用有更高的可靠性和吞吐量。汇聚层交换机是多台接入层交换机的汇聚点,作用是将接入节点统一出口,同样也做转发及选路。它必须能够处理来自接入层设备的所有通信量,并提供到核心层的上行链路。接入层交换机的功能是将终端用户连接到网络,因此接入层交换机具有低成本和高端口密度特性。
    在这里插入图片描述

    5.2.性能区别

    核心层交换机是三层交换机,高速转发,有大容量接口带宽(比如万兆接口),较大的背板处理能力,因此它的性能以汇聚层交换机和接入层交换机都要高。汇聚层交换机也具备部分路由功能,可以是二层/三层交换机,而接入层交换机属于二层交换机,因此汇聚层交换机与接入层交换机比较,性能更高,端口更少和速率更高。总之,这三种交换机的性能对比结果是:核心层交换机>汇聚层交换机>接入层交换机。

    5.3.使用场景区别

    对于核心层交换机、汇聚层交换机以及接入层交换机并没有固定要求,它们处于哪一层主要取决于网络环境的大小及设备的转发能力,也不是每个网络都必须有这三个结构,有些企业只有接入层交换机和核心层交换机,这种做法的其中一个目的就是可以节约成本。

    2. 简单网络举例

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    这个就是最简单的网络了,仅仅只有交换机,所有电脑都被交换机连起来就组成了一个小型的局域网,到这里还没有用到IP地址,因为IP是在第三层(网络层)的,而交换机是在第二层的(数据链路层),计算机发出的数据包中最外层是目的MAC地址和源MAC地址,往里面一层是目的IP和源IP,因为交换机是工作在二层的,所以只能看到MAC地址这一层数据,交换机是不管里面写的是什么IP地址的,只根据MAC地址进行转发。交换机收到数据包进行转发的方式是查看目的MAC地址,根据MAC地址表(ARP表)来进行查表转发,找到这个目的MAC地址在表上对应的接口,就从那个接口转发出去。如果表上没有那个MAC地址,就把这个数据包从除了这个数据包进来的那个接口以外的其他接口发出去。
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    MAC地址表类似于上图,这个方便理解,这个MAC地址表默认是自动学习生成的,交换机刚开机的时候这个MAC地址表其实是空的,因为它不知道哪些设备会和自己连接,交换机从一个接口收到数据包时,会查看这个数据包的源MAC地址和目的MAC地址,目的MAC用于转发,上面讲过了,源MAC地址就是交换机先看看自己的MAC地址表上面有没有这个MAC地址,如果有就看这个MAC地址对应的接口是不是现在这个数据包进来的那个接口,如果是就不管,不是的话就更新一下,如果MAC地址表上面没有这个MAC地址,就把这个MAC地址和接口添加到表中,以后有目的地址是这个MAC的数据包就可以查表然后就知道要从这个接口发出去了。
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    交换机如果像上面一样连成了一个环的话在原来是很可怕的,因为这会让数据包一直在里面循环转圈,如果是广播的话因为每个交换机都会把广播从自己的所有接口发出去,另一个交换机收到这个广播报文以后也同样会从自己所有接口发出去,然后第一个交换机和第三个交换机是连起来的,所以也会收到这个广播报文,然后又从自己所有接口发出去,就这样这一个同样的广播报文会被复制的越来越多而且一直循环直到设备死机。现在的交换机都有一个叫STP(生成树)的协议,默认是开启的,这个协议就是用来防止环路的,其实交换机和路由器上面运行协议就相当于电脑上面运行软件是类似的,这个协议通过在逻辑上堵塞环路上其中一个接口来打破这个环,让所有的交换机连接方式变成跟树枝一样,不会有环存在,这样就可以避免环路。
    在这里插入图片描述
    但是现实的网络不可能这么简单,上面这个图就是一个最简单的网络了,一般小区或者学校因为人很多,需要很多端口,所以需要很多交换机,然后这些交换机又连接到一个交换机上,这个交换机交汇聚交换机,如果像学校这种用户很多的网络可能有多个汇聚交换机,然后所有汇聚交换机再往上连接到核心交换机上,就是这样一层一层的,有的很大的网络就是这样一层一层向上汇聚。然后最上面的交换机连到路由器,路由器再连接到Internet互联网,这样才能上网。再说说路由器的功能,路由器是在IP层面转发数据包的,是第三层的(网络层),路由器是用来连接不同的局域网的,比如有两个不同网段的用户之间需要互相访问的话就需要通过路由器在IP层面通过查看IP地址来转发,同一个局域网内部之间相互访问其实是不需要经过路由器的,由交换机来完成就行了。路由器上面有个路由表,记录了每个网段的数据包要从哪个接口出去,路由表上面每一条路由都记录有目标网段,距离,以及接口,路由表收到一个数据包的时候就查看这个数据包的IP地址,因为路由器工作在第三层,更高级,所以可以看到数据包中第三层的信息,也就是目的IP 和源IP,看到目的IP以后就查找路由表,选择对应的接口发出去。
    路由表可以手动配置,也可以使用动态路由协议自动生成并维护,手动配置的就叫静态路由,配置以后是不会变的,动态路由会由路由协议来维护,会根据拓扑的变化(比如本来是这个接口连接到一个网段,后来线路变化以后从另一个接口到这个网段会更近一些),路由协议就能根据这些变化自动调整路由表。路由协议就好像语言一样,所有路由器都运行这种协议的话,互相之间就能听懂对方在说什么,大家就可以一起商量数据包到底从哪条路走比较快,通过不断交流来调整路由表。
    常见的路由协议有:RIP(最简单但也是最老的,不太好用,基本不用了,仅仅偶尔有很小的网络才会用),OSPF(用得最多的,比较好,开源的),EIGRP(可以说是最好最快的,但是是思科专有的,别的路由器不能用,最近几年才开源,所有厂商都可以用了,但是OSPF在这之前已经占据大半的江山了,所以EIGRP就没那么普遍),BGP,ISIS。BGP和ISIS主要用于大型网络,比如中国的网络和美国的网络之间连接起来这种。因为互联网上有很多很多的局域网,所以也会有很多的路由器互相连接,比如学校的路由器连到福州市的路由器,然后福建所有市的路由器再连起来就这样组成一张很复杂的网络,这张网络上面的路由表就由运维人员手动维护或者运行路由协议来维护,通常是静态和动态的路由都有。还有一个默认路由的概念,默认路由就是路由表上没有到这个网络的路由的话就全都用默认路由来走,一般会把默认路由设置为外网出口,就是我的路由表上没有去这个网络的路的话就全都走这个默认路由,因为互联网上网段太多了,你的路由器根本装不下那么多具体的条目,所以就直接从外网接口丢出去,让运营商的路由器帮你转发到你要去的网络,这就是上网的过程。
    另外,路由器通常在局域网里面担任网关的角色,网关从概念上来讲就是连接不同局域网的设备,局域网内的电脑把路由器设置为网关(这个我们给电脑配置IP地址那里就有配置网关),想要和其他网络通信就要先把数据包发给路由器,路由器根据路由表转发到其他网络。一般汇聚层和核心层的交换机是三层交换机(具有网络层功能的交换机,相当于交换机和路由器的结合体),所以很多网络也会把网关设置在三层交换机上。有的网络可能要连到多个运营商,所以出口的地方可能有多个路由器,分别连到不同的运营商。
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    校园或者小区网络或者公司网络就类似于上面这种,接入层交换机连到汇聚层交换机,汇聚层交换机连到核心层交换机,然后再连到路由器再出去。有没有注意到上面每个接入层交换机会同时连到两个汇聚层交换机,这个是为了冗余,比如左边的线坏了我还可以从右边的线走,这样就提高网络的可靠性。网关也是可以冗余的,比如上图核心层的两个交换机就可以同时当网关,这两台三层交换机运行网关冗余协议,正常运转的时候只有一台作为网关来工作,当这台网关挂了的时候另一台马上就充当起网关的角色,让网络能够继续运转。
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    上面这个图就是一个经典的很简单的小型网络
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    稍微大点就是上面这样
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    上面这是很简单的校园网拓扑
    常见的校园网络就是下面这些,可以看出来都是这种,接入层——汇聚层——核心层——出口,这种基本架构是不会变的
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    链接:https://www.jianshu.com/p/66b64d69bfad
    https://blog.csdn.net/kingmax54212008/article/details/46136199

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  • 网络功能虚拟化NFV

    万次阅读 多人点赞 2019-05-07 21:21:07
    网络功能虚拟化(NFV)技术是为了解决现有专用通信设备的不足而产生的。通信行业为了追求设备的高可靠性、高性能,往往采用软件和硬件结合的专用设备来构建网络。比如专用的路由器、CDN、DPI、防火墙等设备,均为...

    1 NFV简介

    1.1 NFV的产生背景

    网络功能虚拟化(NFV)技术是为了解决现有专用通信设备的不足而产生的。通信行业为了追求设备的高可靠性、高性能,往往采用软件和硬件结合的专用设备来构建网络。比如专用的路由器、CDN、DPI、防火墙等设备,均为专用硬件加专用软件的架构。这些专用通信设备带来高可靠性和高性能的同时,也带来一些问题。网元是软硬件垂直一体化的封闭架构,业务开发周期长、技术创新难、扩展性受限、管理复杂。一旦部署,后续升级改造就受制于设备制造商。网络是复杂而刚性的,由大量单一功能的、专用网络节点和碎片化、昂贵、专用的硬件设备构成。资源不能共享,业务难融合。CAPEX和OPEX居高不下。需要面对大量不同厂家、不同年代、不同设备的采购、设计、集成、IOT、部署、维护运行、升级改造问题。这其中最重要的一点是网络设备投资居高不下,而与此同时运营商网络流量不断增长,收入增长却不明显,形成增量不增收的现象。如果能够打开软硬件垂直一体化的封闭架构,用通用工业化标准的硬件和专用软件来重构网络设备,可以极大地减少 CAPEX,缓解增量不增收的现象。为此,NFV技术应运而生。

    1.2 NFV的定义

    NFV希望通过标准的IT虚拟化技术,把网络设备统一到工业化标准的高性能、大容量的服务器,交换机和存储平台上。该平台可以位于数据中心、网络节点及用户驻地网等。NFV将网络功能软件化,使其能够运行在标准服务器虚拟化软件上,以便能根据需要安装/移动到网络中的任意位置而不需要部署新的硬件设备。NFV不仅适用于控制面功能,同样也适用于数据面包处理,适用于有线和无线网络。NFV 在这里借鉴了IT设备的设计理念。以常用的X86架构的PC为例,其硬件由统一到工业化标准的CPU、内存、主板、硬盘等组成,统一到工业化标准意味着PC在保证质量的前提下硬件成本可以降到最低。PC的软件和硬件是解耦和的,PC运行不同的软件,即可以拥有不同的功能,处理不同的任务。同理,运营商认为通信设备的硬件,可以由统一到工业化标准的服务器、交换机和存储平台3种设备组成。由于统一到工业化标准,意味着通信设备在保证质量的前提下硬件成本可以降到最低,同时通用硬件保证软件可以在统一的平台开发,软件和硬件实现解耦和。

    NFV将网络功能软件化,使其能够运行在标准服务器虚拟化软件上,通用的硬件灌注何种软件,则设备就具有何种功能。

    NFV技术理念如图1所示,

    在这里插入图片描述

    图1 NFV技术理念示意图

    1.3 NFV和SDN的关系

    软件定义网络(SDN)是一种新型的网络架构,它的设计理念是将网络的控制平面与数据转发平面进行分离,并实现可编程化控制。 SDN由应用层、控制层和基础设施层组成,其三大特征是控制转发分离、控制层进行逻辑集中控制、控制层向应用层开放API。符合这3个特征的SDN架构可能影响和改变运营商网络的方方面面,是目前通信产业非常关注的技术。NFV和SDN的关系,可以由图2概括。

    在这里插入图片描述

    图2 NFV技术的进展和应用场景

    NFV与SDN来源于相同的技术基础。NFV与SDN的技术基础都是基于通用服务器、云计算以及虚拟化技术。同时NFV与SDN又是互补关系,二者相互独立,没有依赖关系,SDN不是NFV的前提。SDN的目的是生成网络的抽象,从而快速进行网络创新,重点在集中控制、开放、协同、网络可编程。NFV是运营商为了减少CA⁃PEX、OPEX、场地占用、电力消耗而建立的快速创新和开放的系统,重在高性能转发硬件+虚拟化网络功能软件。表1示出的是NFV和SDN的一些对比。

    SDNNFV
    承载和控制分离强调软件和硬件分离
    强调网络多个设备的集中控制关注单个设备
    强调南向接口和北向接口的规范强调通用工业标准化的硬件
    控制平面控制软件控制
    输出为各种架构、标准、规范输出为运营商需求白皮书

    表1 NFV和SDN的对比

    1.4 NFV白皮书介绍

    1.4.1 NFV白皮书1.0

    1.0引入了NFV的发生环境、意思以及与SDN的相关性。说明了NFV的发生环境以及范例,介绍了NFV的有益之处以及对电信产业前景的改变。阐述了云计算和工业化标准的高容量服务器技术的成熟是 NFV发展的推动力,然而目前NFV仍面临许多挑战,包括可移植性、互操作性、性能的权衡、与现有平台的共存和迁移、管理和业务流程自动化、安全和韧性、网络的稳定性、简化现有的操作、软硬件的集成等诸多问题。

    为实现快速进度,在网络运营商的领导下建立的ISG与一些开明的社员通过ETSI的帮助,学习一般在网络中应用的虚拟化技术来胜任一些工作。虽然这个组织自己不会作为一个标准组织,但是它可以参考之前的标准从而确定自己的相关组织工作。

    1.4.2 NFV白皮书2.0

    2.0简述ETS1里NFV组织的拓展壮大,囊括NFVISG的构成与发展,NFVISG的成长汇报,包含组织规模、重要成果以及到2014年6 月的进程时间线。着重讲解了NFV已经发布了5个文件,阐述了开源、标准化和NFV这三种因素对运营的影响,现在公布了以下5个文件。

    (1)网络功能虚拟化在像表格阐明了网络功能虚拟化现将处理能力危机的领域,大量例子不被包含在指定的管理系统,案例的人员也绝对不是完美没漏洞,所有管理团队对网络功能虚拟化的选取有本身的聚焦点与规划。

    (2)NFV需求文档描述了NFV框架下服务模式的技术要求和业务需求。

    (3)NFV体系架构文件刻画了NFV的功效架构和设计思想,为虚构化的网络性能和底层虚拟化根底架构。经过区分不一样的地方,并且总结它们之中的按照比对的地方,它为了好多NFV完成计划解决了困难。NFVISG赞扬别的单位来使用这个计划,以确立哪些地方和按照比对的东西落到别的地方。

    (4)NFV术语文件作为NFVISG文档中一个术语的公共储存空间,力求调整整个行业的NFV术语。它旨在消除软件和网络产业之间的语言障碍。

    (5)NFV ISGProof of Concept Frame 文件描述了行业参与者参与 NFVISG工作的方法,并通过概念验证的方式实现 NFV 生态系统成长的过程。要落实很多文件中达成的共同认识其实就是朝着NFV所要求的目标又往前前行了很大一段路程。其实他们也就是 NFVISG 这个组织在最开始的时候所发行有关联的输出相关文件。

    2 NFV关键技术

    NFV新型网络采用两横三纵的体系架构,如图3所示,

    在这里插入图片描述

    图3 NFV的体系结构

    横向包括业务网络(network service,NS)域和管理编排(management and orchestration,MAN0)域。NS域纵向由NFV基础化设施(NFV infrastructure,NFVI)层、虚拟化网络功能(virtual network function,VNF)层和运营支撑层组成。其中,NFvI类似于一个用于托管和连接虚拟功能的云数据中心,负责底层物理资源的虚拟化;VNF在NlWI基础上进一步将物理网元映射为虚拟网元,实现业务网络的虚拟化;运营支撑层主要是在目前OSS/BSS基础上进行虚拟化调整。MANO作为NFV相较于传统网络的新增功能,负责对整个网络服务过程进行管理和编排,将网络服务从业务层到资源层自上而下分解。MANO包括虚拟基础设施管理(virtual infrastructure management,VIM )、虚拟化网络功能管理(VNF managem ent,VNFM )和NFV编排器(NFV orchestrator,NFVO )3个实体,共同完成对NFVI、VNF及整个网络服务的生命周期和调度策略的管理。接下来本文结合 NFV服务质量、业务可用性、故障管理等需求,分别针对NFVI、VNF、MANO涉及的关键技术进行详细剖析。

    2.1 NFVI

    NFVI是用来部署和执行VNF的一组资源,通过对底层计算、存储、网络等物理资源的虚拟化。实现对VNF所需各元素的物理承载。在NFV网络中。多个虚拟化网络功能实体以虚拟机(VM)的形式共享物理硬件,使得原有大部分物理组件均被虚拟机替代,因此虚拟机服务质量的好坏直接决定了NFV网络的总体性能。NFVI的核心是虚拟化,与传统的云计算虚拟化技术相比,NFVI面临的是更为复杂的拓扑组网需求。尤其是大型数据中心的网络架构。另一方面,NFVI不仅要求具备同时为一个或多个VNF实例提供基础设施资源的能力,还需要实现不同VNF资源的动态配置。因此,NFVI层性能的关键在于虚拟资源是否可以全面且灵活地支撑上层模块的灵活调用。目前常用的 NFVI虚拟化技术包括KVM、XEN、Hyper-V、VMwam EXSi等,其中,以基于内核的虚拟化( kerne1.based vir tua l machine,KVM )技术为代表。KVM是一个集成到Linux内核环境下的开源虚拟化模块,属于硬件支持下的一款全虚拟化解决方案。在虚拟环境下,Linux内核集成管理程序将其作为一个可加载的模块,完成CPU调度、内存管理以及与硬件设备交互等虚拟化功能。 由于完全基于Linux 内核以及硬件虚拟化的技术主流,使得KVM受到越来越多开源组织的欢迎。 在 NFV基础设施建设中。基于KVM的OpenStack架构已逐渐成为电信运营商NFV业务部署的首选方案。

    2.2 VNF

    ​ VNF作为NFV架构中的虚拟网络功能单元。可以理解为对电信业务网络中现有物理网元进行功能虚拟化的过程,将以软件模块形式部署在NFVI提供的虚拟资源上,从而实现网络功能的虚拟化。VNF产业链的参与者涉及制造商、运营商和服务提供商等。VNF制造商负责研发相应的虚拟功能单元,重点关注软件研发;网络运营商则会关注部署和在其网络功能虚拟化设施上运营虚拟 网络功能的效率;服务提供商关注的是基于虚拟网络功能提供给终端用户业务的实施性、可靠性以及相关计费方面的问题。值得注意的是,由于不同的VNF单元可以来自不同制造商的设备,即使VNF层虚拟网元间的交互遵循的是相同的协议和接口标准.但是受NFVI层标准化程度的影响。不同虚拟网元对NFVI层物理网元的映射方法也往往存在一定差异。要确保NFV发挥其最大效能,网络自身需要VNF具备动态和可编程能力。软件定义网络(SDN)因其可编程和自动配置的能力,完美契合了快速变化的NFV应用对网络的需求。因而在NFV实际部署中,通常将SDN控制器运行于NFVI的虚拟机(群)上担任VNF的角色。一方面,通过对NFvI层虚拟资源的网络虚拟化以处理NS域的网络业务,并可以依据需求动态调整资源配置,例如:根据业务需要增加新的VNF单元;另一方面,负责调度参与该网络业务的其他VNF单元的运行和管理,从而对流经VNF的流量进行按需处理。包括流量分类、过滤、转发以及限流等。

    2.3 MANO

    基于NFV的业务需要面向用户编排和管理不同类型的虚拟资源。编排器服务质量主要涉及对虚拟机和虚拟网络的编排。在NFV架构中,NFV MANO负责编排网络服务过程.将网络服务从业务层到资源层自上而下分解。制定合理的NFv编排机制可以提高网络侧业务流程的连贯性,加快业务响应速度,从而优化NFV网络的服务效率。在标准NFV架构中。MANO通过VIM、VNFM、NFVO这3个实体的交互。共同完成对NFVI、VNF和NS的编排和管理流程。针对NFVl层,通过NFVO和VIM交互实现对底层NFVI资源的调度。当创建NFV服务时,NFVO会调用一系列VIM。相反也会从底层基础设施中调用必要的资源。针对VNF层,每个VNF网元由MANO中对应的VNFM负责其生命周期管理。VNFM不仅可以控制VNF实例的创建和释放,通过VIM收集资源状态信息,还能够对VNF实例的资源使用情况进行监控和故障预警等。针对NS域的网络服务。由NFVO对参与服务的VNF实体的网络服务编排以及相关联的NFVI基础设施的资源编排共同实现。前者通过网络服务的生命周期管理实对服务流程的控制。后者通过对VIM之间的任务编排实现对底层资源的调用。近年来,日趋成熟的OpenStack开源虚拟化工具得到越来越多的应用,以实现对NFVl资源的控制与管理。OpenStack是一个实施相对简单、标准相对统一并且可以用于大规模扩展的开源云资源管理平台。用来统一管理多个虚拟化集群。几乎支持所有的虚拟化管理程序。不仅可以实现虚拟资源的转化以及虚拟机和虚拟网络的创建。打造底层虚拟资源池,并且灵活支撑了MANO层对基础设施的管理和编排功能。

    3 NFV应用场景

    物联网、大数据、云计算等业务的持续热潮带来数据流量的迅猛增长.这不仅给运营商网络带来了扩容和运维压力,更促使运营商加强流量经营,提升数据流量净收入。NFV使用通用的硬件平台代替传统的专用硬件平台,通过对软硬件平台的解耦,一方面实现了资源的弹性伸缩,提高资源利用率;另一方面便于系统升级维护,节省成本,加快业务部署上线速度。这些特性使其在一些对网络吞吐能力要求较高的场所发挥优势。结合运营商的业务特性和实际网络情况,本文主要介绍以下几类典型NFV应用场景。

    3.1 用户终端设备虚拟化

    用户终端设备(customer premise equipment,CPE)指放置于用户侧、为用户提供宽带接人服务的终端设备,包括用于提供Intemet接人和VoIP等服务的RGW(residentialgateway,驻地网关)设备以及提供多媒体服务的STB(settop box,机顶盒)设备。随着用户接入服务的丰富和接入带宽的增长。CPE设备的发展趋势主要有两种模式:智能化和虚拟化。NFV技术的出现使得虚拟化CPE模式变为可能.之前的RGW和STB设备功能被转移到网络侧的NFv云中。合并为vCPE设备。vCPE为固网宽带用户提供动态提速、智能家居、家庭互联网业务、企业分支VPN组网等多种增值业务.满足用户多种需求。vCPE基本业务应用场景如图4所示,

    在这里插入图片描述

    图4端设备虚拟化应用场景

    vCPE为固网宽带用户提供宽带上网、多设备组网等基本应用,同时满足PPPoE拨号认证流程.对运维系统、计费系统和用户体验没有任何影响。在vCPE的研发工作中,利用SDN/NFV技术。尽可能将网关的功能上移到网络侧,降低实体网关的复杂度和成本嗍;新业务在网络侧部署,有利于开发、运维和灵活部署;同时,用户侧设备在网络上只有简单的二层交换功能.设备的简化保证了低成本和维护的简化,也降低了用户使用的复杂性。

    3.2 接入设备虚拟化

    对于运营商来说,接入网系统包括移网接入、固网接人、无线接入、宽带接人等类型,是网络侧面向用户的最前端.往往也是网络中最复杂的一部分,因而很可能会成为网络瓶颈。传统的接入网系统中使用了大量的专用硬件产品,各网元互联的接口多、协议流程复杂、兼容性差,直接拉高了运营商基础网络的建设成本。特别是目前接入网技术需要在远端街道或者大楼处安装有源网络设备.这些网络设备的功耗又必须控制在一定范围内,以节省电能。采用NFV技术可以使用标准rI-设备来代替专用硬件,从而将网元功能从底层的硬件中剥离出来,将复杂的处理功能放置于头端系统,实现按需弹性扩展和自动化部署。当前的接入网络设备往往由一个统一的机构来运营,NFV的虚拟化可以实现多租户的优势.即多个机构可以共用一套接人设备。每个机构使用分配给自己的虚拟网络设备,不会跟其他机构冲突圆。多个不同场景下的功能和控制平面虚拟化如图5所示,

    在这里插入图片描述

    图5 接入设备虚拟化应用场景

    其中深色的终端设备功能和控制平面可以分离出来。并放置于具备NFV功能的中心节点处。进一步,采用NFV的虚拟化接入网络节点可以和传统的物理接入网节点共存于网络中,并共用底层的光纤传输资源。

    3.3 物理网络虚拟化

    ​ 物联网、大数据、云计算等业务的持续热潮带来数据流量的迅猛增长,这不仅给运营商网络带来了扩容和运维压力,更促使运营商加强流量经营、提升数据流量净收入。电信运营商的网络环境中,移动业务、固网业务、宽带业务甚至面向不同用户群体的专线业务、集客业务等多种业务形式并存。在实际运营中难免会存在业务的相互干扰和资源的冲突等不和谐现象,特别是随着业务流量的增加,问题随之加剧。基于SDN/NFV技术,从逻辑上构造多个资源和功能虚拟化的虚拟网络。运营商可以根据自身业务需求为不同的租户和业务构建不同的虚拟网络。简化网络部署,降低运维成本。同时运营商可以保障不同虚拟网络之间资源的相互隔离。在提升用户感知的同时保障不同业务间的安全运营。当前国内外多数互联网公司以及大型运营商都在积极探索基于SDN/NFV的物理网络虚拟化技术.提出了大量数据中心组网方案并进行了技术验证。主要包括跨机房东西互通场景、同机房和跨机房南北互通场景以及虚拟机跨机房在线迁移等功能场景。虽然各家部署方案有所差异,但从实际结果来看,均能达到预期,SDN/NFV技术在物理网络虚拟化场景中的应用价值得到业界同行的普遍认可m。物理网络虚拟化下的应用场景如图6所示,

    在这里插入图片描述

    图6 理网络虚拟化应用场景

    底层利用NFv虚拟化技术将单一的物理设备按逻辑划分为多个承载不同业务的虚拟设备,在此基础上结合SDN集中控制技术完成数据中心间的组网。顶层利用电信运营商提供的开放API。不同租户可以按需配置资源。自主部署创新业务.不同业务通过不同的虚拟接入网按需调用底层虚拟资源,从而实现多业务场景下的应用隔离。

    4 NFV面临挑战

    4.1 可靠性问题

    传统的电信网络采用高可靠性的专用设备,可靠性达99.999%, 而采用虚拟化技术的通用服务器设备其可靠性明显低于传统的专用电信设备(一般通用服务器设备可靠性只能达到99.9%)。为了满足电信级设备高可靠性的要求,NFV的组件需在多个方面提供与传统电信设备相当的性能,包括故障率、检测时间、恢复时间以及检测和恢复的成功率。引入NFV后,原有软硬一体化设备分成了三层,同时还引入MANO(NFV Management and Orchestration,NFV管理和编排), 而 MANO也深度介入网元的自动伸缩等流程中,对整个网元的可靠性带来了深刻的影响。为了满足电信级设备99.999%的高可靠性,硬件资源层、虚拟资源层、VNF和 MANO如何协同,VNF与MANO如何配合等都会影响到整个系统的可靠性。这需要建立一套完整的可靠性体系并对三层如何协同提出明确的要求。

    4.2 数据转发性能问题

    设备的性能主要体现在设备的计算能力、 数据转发能力和存储能力等方面。NFV网络的性能瓶颈目前主要集中在I/O接口数据转发能力上。未来可通过底层设备定制、操作系统优化、业务层软件优化等方式逐步提高转发性能。

    4.3 业务部署方式问题

    传统网络的业务部署方式为:根据业务需求测算业务网络的容量→采购软硬件设备→到货调试→上线,而采用NFV网络后,业务部署方式将发生很大变化,将变为:由MANO实现业务编排、虚拟资源需求计算及申请→虚拟化的资源池提供相应资源→上线。业务部署方式的变化将对运营商现行的设备采购模式、运维模式产生较大的冲击, 未来NFV网络如何集成和运维将成为一个巨大的挑战。

    5 NFV发展前景探究

    NFV是运营商从维护自身利益的角度提出的新的设备架构,大部分运营商都愿意支持NFV的方向,这个方向就是通过标准的IT虚拟化技术,把网络设备统一到工业化标准的高性能、大容量的服务器,交换机和存储平台上。NFV作为一种新生的设备架构和产品形态,体现了运营商对通信设备虚拟化的需求,但同时也和SDN等技术相辅相成,共同作用带来通信产业的变革。

    作为ICT融合与网络重构的核心技术,NFV以虚拟化和云化技术为基础,能够实现业务的快速部署与自动化运维,从而成为目前主流运营商推进网络转型的首选。但是,长期以来,由于技术难度复杂等诸多原因,NFV推进速度一直慢于SDN,成为妨碍网络重构实现的最大阻力。

    SDN/NFV产业联盟技术专家委员会主任曹蓟光博士指出,过去一年,SDN/NFV所倡导的网络开放化、虚拟化、智能化、融合化的技术理念得到了越来越广泛的认同,成为全球业界普遍看好的促进现网升级演进、未来网络技术创新的重要技术途径,将加速网络产业生态的深刻调整。NFV推动硬件和软件解耦,以及软件功能的分层解耦,进一步细化和拉长产业链环节,产业重心将由硬向软调整,软件公司特别是第三方系统集成商的产业价值凸显。

    过去一年,中国厂商加快战略布局,NFV产品与解决方案日益成熟,对于NFV技术与产业发展方向的掌控力进一步增强。电信运营商迈入向信息服务转型的关键发展阶段,构建一张“资源可全局调度、能力可全面开放、容量可弹性伸缩、架构可灵活调整”的新一代网络成为运营商网络演进发展的重要方向。

    未来两年,NFV将率先在虚拟化BRAS、虚拟化CPE、虚拟化EPC、虚拟化IMS以及虚拟化路由器等五大应用场景落地,中国NFV商用化发展路径进一步清晰。VNF生命周期管理、性能、可靠性、安全、集成部署、开放互联等是当前NFV技术发展的核心问题,也是未来5年牵引NFV技术产业发展的重要方向。经过过去两年的技术标准竞合,目前各国际标准化组织间的NFV标准化定位更加清晰,ETSI主导NFV基础架构,推动PoC验证;IETF完善IP协议体系,构建网络虚拟化能力;3GPP面向移动核心网演进需求、聚焦网络资源切片;OPNFV立足开源和集成,主导最佳实践。

    未来五年,中国NFV市场呈加速发展态势,SDN/NFV的市场将会覆盖数据中心组网,DCI互联、光网络、接入网、移动核心网、IMS等领域,国内市场规模接近2500亿,产业规模效应初显。5年内,中国NFV产业将处于以技术竞合、试点应用、理念培育为特征的发展初期阶段。发展重点是推动技术架构的统一、接口的标准化,推动符合电信级要求的产品逐步成熟,打造开放系统平台,推进多厂商的集成。未来5~10年,中国NFV产业将进入以技术成熟、规模部署、运营变革为特征的融合应用阶段。届时,开放网络目标架构更加清晰,平台和接口标准化程度更高,产品和解决方案日益成熟,合作共赢的产业生态基本形成。

    NFV的部署将是一个渐进的过程,未来几年,传统网络和NFV将共存发展,NFV将按照的“需求导向,业务驱动,效率优先,从易到难”原则,先在业务(如AS、RCS)层面和控制面网元(如IMS、MME)部署,然后再在转发和媒体层部署。从长远来看,NFV有利于降低网络建设和运营成本,但目前尚处于起步阶段,它的实施将是一个漫长的过程。

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