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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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  • 网络功能虚拟化(NFV)技术研究进展

    千次阅读 2019-04-29 17:10:00
    网络功能虚拟化技术研究进展[J]. 计算机学报, 2019(2). 1 引言 欧洲电信标准协会(European Telecom Standards Institute, ETSI)提出了网络功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV),旨在用软件实现...

    文献:

    王进文, 张晓丽, 李琦, et al. 网络功能虚拟化技术研究进展[J]. 计算机学报, 2019(2).


    1 引言

    欧洲电信标准协会(European Telecom Standards Institute, ETSI)提出了网络功能虚拟化(Network Function Virtualization, NFV),旨在用软件实现可在行业标准服务器上运行的网络功能,并可根据需求动态部署在网络中不同的位置而无需重新安装新的专用硬件设备。在这里插入图片描述

    2 NFV标准结构介绍

    NFV的标准结构如下:
    在这里插入图片描述
    由图可见,NFV的标准结构主要分为以下三个部分:

    1. 虚拟化网络功能
    2. 网络功能虚拟化设施
    3. 网络功能虚拟化管理和编排器。

    2.1 虚拟化网络功能

    网络功能(Network Function,NF)是传统网络基础设施中的功能模块,具有固定的内部功能以及良好定义的外部接口。
    而虚拟化网络功能(VNF)则是能部署在虚拟资源上的各类软件NF。

    2.2 网络功能虚拟化设施

    网络功能虚拟化设施(Network Functions Virtualization Infrastructure, NFVI)是提供NFV部署、管理和运行所需环境的软硬件结构总称,主要包括:

    1. 硬件资源
    2. 虚拟化层
    3. 虚拟化资源

    硬件资源主要包括由计算机硬件设备组成的计算资源、存储设备构成的存储资源以及由节点和连接链路组成的网络资源。
    虚拟化层则主要负责抽象硬件资源,并将VNF和底层硬件资源解耦。
    虚拟化资源则是对计算资源、网络资源和存储资源的抽象,与硬件资源相对应。

    2.3 网络功能虚拟化管理和编排

    网络功能虚拟化管理和编排(Management And Network Orchestration, MANO)部分主要向NFV平台提供协调控制所有VNF所需要的功能和操作。
    MANO主要包含以下三个部分:

    1. 虚拟化设施管理器
    2. 虚拟化网络功能管理器(VNF管理器)
    3. 虚拟化网络功能调度器(VNF调度器)

    虚拟化设施管理器主要负责监控NFVI中的资源使用情况,并对NFVI中软/硬件资源进行生命周期管理和分配调度。
    VNF管理器主要负责VNF生命周期的管理
    VNF调度器主要负责协调VNF管理器和虚拟化设施管理器来实现网络功能服务链在虚拟化设施上的部署实施。

    此外,MANO还设置有数据库,并提供了一系列标准接口。

    2.4 NFV与SDN

    软件定义网络(Software Defined Network, SDN)是一种新型的网络架构,其通过解耦网络设备的控制平面和数据平面,旨在实现灵活、智能的网络流量控制。
    SDN结合MANO可以高效地控制网络转发,向NFV平台提供VNF之间的可编程流量转发,以此来实现高效灵活的流量调度。
    故当结合SDN后,NFV网络系统架构如图所示:
    在这里插入图片描述
    其中图左上方的转发设备主要负责数据包的转发,其中转发规则由SDN控制器决定,并以流表项的形式下发到交换机。

    3 NFV技术研究概况

    对NFV的研究可以分为以下6个领域:

    1. VNF构建及运行环境优化
    2. NFV管理系统设计及优化
    3. 策略实施与验证
    4. 资源分配及迁移策略
    5. NFV负载均衡和状态管理技术
    6. NFV架构的安全问题
      在这里插入图片描述

    3.1 VNF构建及运行环境优化

    模块化开发VNF:通过组合不同现成的VNF功能模块,生成定制化的VNF。
    目前对NVF运行环境的优化以及VNF隔离机制的优化,相关工作主要有ClickOS和NetBricks。
    Martins等人通过结合基于Xen的操作系统MiniOS和模块化路由器Click,实现了高性能的模块化VNF构建和运行平台ClickOS。
    但ClickOS无法解决VNF开发过程中需要修改VNF功能模块来实现性能优化的问题,此外VNF运行环境使用VM进行内存隔离的方式,由于VNF频繁穿越内存隔离边界,上下文切换产生的开销使NFV平台处理性能大幅下降。针对以上问题,Panda等人提出了高性能VNF的构建框架NetBricks。
    NetBricks首先通过向开发者提供VNF模块的构建框架,使VNF开发者通过组合必要的VNF模块组件,实现高效的VNF功能模块,避免了开发者对现成VNF模块的重复修改。NetBricks还通过安全语言(Rust)和LLVM来实现软件内存隔离,并利用独特类型方法,在编译阶段通过类型检查实现了数据包的隔离(数据包不能被其他不相关VNF处理)。

    3.2 NFV管理系统设计及优化

    对于不同的VNF通常需要定制化实现其管理功能,其中包括VNF的部署、网络流量过载检测、负载均衡机制、容错恢复机制。而对不同的VNF重复实现管理功能延长了开发周期,阻碍了软件的创新。故集成VNF管理功能的NFV框架成为网络管理员和VNF软件提供商的迫切需求。
    最具代表性的工作:E2,其系统架构如图所示:
    在这里插入图片描述
    其中E2D是对SoftNIC的拓展,而SoftNIC是一种可编程的高效软件交换机,通过对SoftNIC的拓展,可以实现流量监控、负载均衡、流量追踪、数据包分类以及不同VNF之间通信的隧道。
    E2管理器负责根据网络状况和用户配置生成VNF管理决策。E2服务器代理主要负责执行E2管理器的决策并将服务器上VNF的相关信息向E2管理器上报。

    之后的工作则关注于NFV平台的性能优化,目前主要有最小化资源部署量、共用不同VNF之间相同的数据包处理模块以及VNF并行处理数据包三种方式,主要工作包括CoMB、OpenBox和NFP。

    CoMB,首先通过NFV平台中拥有网络和资源信息的控制器,将全部流量根据处理路径进行分类,并生成对应网络功能链(由指定次序的VNF依次连接而成),称为超级应用。然后控制器根据VNF平台中不同服务器的物理资源状况、不同超级应用对资源的使用情况以及每类流量的大小情况,生成流量到不同节点的分配策略。
    CoMB通过最小化NFV平台内节点流量的峰值,减少了每个节点的最大资源部署数量,此外通过分析不同VNF中存在26%~88%的可复用网络功能模块,通过共用这些可复用网络功能模块可用来缩短数据包经过NFV平台的处理延迟。
    但CoMB只分析了在会话重建和协议分析方面的复用潜力,而忽略了更细粒度的核心VNF处理模块的复用优化空间。而OpenBox则通过将NF的控制层与数据层分离,利用逻辑中心化控制器来实现NFV平台的部署管理和优化。
    OpenBox通过将不同VNF重复的网络功能处理模块合并,实现不同VNF之间的相同网络功能处理模块复用。如下图将Firewall和IPS包处理流程合并:
    在这里插入图片描述
    而NFP框架则是考虑不同网络功能之间的可并行性,通过自动化并行不冲突的VNF的NFV来减少处理延迟。例如下图Firewall和IDS都不会对经过的数据包进行修改,故可以并行部署。
    在这里插入图片描述
    最后对NFV管理系统设计及优化的相关工作总结如下:
    在这里插入图片描述

    3.3 策略实施与验证

    在实现NFV平台策略正确实施方面,主要存在数据包携带VNF处理上下文信息和VNF服务链分解两种方法,相关工作包括FlowTags和Stratos。
    目前VNF策略实施验证的手段主要包括静态验证和动态验证,相关工作包括SLA-V和BUZZ。

    3.4 资源分配和迁移策略

    在NFV平台中,MANO负责资源分配和迁移策略的计算,其根据虚拟化设施管理器以及VNF管理器中虚拟资源和VNF的相关信息,利用优化模型进行问题建模,从VNF服务链的构造、VNF部署以及VNF调度三个角度来计算NFV平台的资源分配及迁移策略。
    VNF服务链构造是指按照网络策略的定义,根据不同VNF之间的依赖,依次连接VNF。
    VNF部署是指将VNF服务链部署在实际的物理资源之上。
    VNF调度是指,在保证VNF服务链策略依赖的前提下,在有限的物理资源上对不同VNF服务链上的VNF进行运行调度,使得不同的VNF服务链在有限的资源上得以有序高效地运行。

    对于不同的NFV部署场景中,资源分配和迁移策略使用的优化模型由不同的优化目标。例如最小化NFVI上的VNF部署数量或最大化NFVI上能够部署的NFV服务链数量。这些目标通常与服务质量、容错、负载均衡、节能、利润收益紧密相关。

    在NFV资源分配和迁移的优化策略方面,由于NFV资源分配和迁移策略问题可以视为**虚拟网络嵌入(Virtual Network Embeding, VNE)**的一般化问题,根据VNE为NP-hard问题可知,大部分NFV资源分配和迁移也是NP-hard问题。
    目前针对该问题的解决策略包括使用最优解算法、启发式算法和元启发式算法。

    最优解算法
    通常使用线性规划算法求解优化问题的最优解,虽然规划问题很多情况下是NPC问题,但通过分支定界、分支定价等算法,可以在合理的时间内,在小型网络中得出最优解。
    启发式算法
    为了在任意规模的网络中最小化资源分配和VNF迁移的决策计算时间,各种基于启发式的算法得以应用。例如在无线局域网NFV场景中,使用递归贪心和最短路径算法,实现了满足约束条件的VNF部署
    元启发式算法
    该问题可以视为在离散搜索空间内寻求最优解的最优化问题,迭代改进问题的解决方案可以接近最优解。例如使用禁忌搜索算法来解决VNF的动态部署和调度问题。

    网络攻击防御:
    Fayaz等人结合SDN技术和NFV技术实现了灵活的、可拓展的DDoS防御系统Bohatei。Bohatei防御系统根据DDoS攻击流量大小和类型来判断防御虚拟机的部署数量和位置,利用NFV技术灵活地在相应位置部署相应数量和类型的防御虚拟机,实现了实时有效地防御DDoS攻击。SDN技术用于在最小化用户可感知延迟和网络阻塞的前提下,将可疑流量调度到部署有防御机制的虚拟机中。

    3.5 NFV负载均衡及状态管理技术

    对NFV负载均衡策略、NFV负载均衡系统实现及VNF状态管理方面进行了大量研究,相关工作包括Stratos、FreeFlow、OpenNF、StateAlyzr以及VFW。此外物理机器故障、电路故障等情况引起的网络功能异常会严重影响NFV平台的稳定性,因此,VNF如何快速、高效地从失效状态恢复也成为NFV技术需要解决的问题之一,相关工作包括FTMB。

    3.6 NFV架构中的安全问题

    NFV技术中的安全问题可以分为传统NFV架构中的安全问题和NFV外包场景下的安全问题。
    NFV架构中的安全问题主要包括NFVI中的安全问题和VNF中的安全问题。

    4 NFV部署场景

    云数据中心网络功能虚拟化、蜂窝基站虚拟化、移动核心网虚拟化、家庭网络虚拟化

    5 NFV技术的优势与不足

    优势

    1. 降低网络功能部署开销
    2. 提供灵活的弹性拓展功能
    3. 简化网络功能更新
    4. 降低网络功能管理复杂度

    不足

    1. 网络功能处理性能下降
    2. 网络流量数据隐私暴露
    3. 软件攻击面扩大

    6 NFV技术未来研究方向展望

    未来研究工作会偏重于以下几个方面:

    1. NFV系统性能优化
      由虚拟化技术引起的不稳定网络特征会影响到虚拟化设施的性能与部署。为了使NFV平台达到实际网络环境的性能需求,NFV性能优化仍然是未来研究的重要方向之一,主要包括VNF运行环境性能优化和VNF处理性能优化两个部分。
    2. VNF负载均衡和状态管理
      高效的VNF负载均衡和容错技术是NFV平台提供稳定网络服务的有效保障。目前VNF负载均衡和容错恢复机制都采用实时监测、及时响应的模式。这种模式无法对网络流量过载和VNF运行时错误做出及时的预测并尽早采取行动。
    3. 资源分配和调度策略
      NFV管理平台需要合理部署、控制和管理VNF来满足不同网络环境中的动态需求。
    4. NFV策略实施和验证
    5. NFV管理系统设计及优化
    6. NFV技术中的安全问题
    7. NFV技术外包模式流量隐私保护
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  • 网络团队经常要处理铺天盖地的配置请求,这些配置请求可能需要数天或数周来处理,所幸的是,现在有几种方法可以帮助企业提高网络灵活性,主要包括网络虚拟化[注](NV)、网络功能虚拟化[注](NFV[注])和软件定义网络[注...

    网络团队经常要处理铺天盖地的配置请求,这些配置请求可能需要数天或数周来处理,所幸的是,现在有几种方法可以帮助企业提高网络灵活性,主要包括网络虚拟化[注](NV)、网络功能虚拟化[注](NFV[注])和软件定义网络[注](SDN[注])。

     

    这三种方法可能听起来有些混淆,但其实每种方法都是在试图解决网络移动性这个宏观问题的不同子集问题。在这篇文章中,我们将探讨NV、NFV和SDN的区别以及每种方法如何帮助我们实现可编程网络。

     

    网络虚拟化

     

    企业网络管理员很难满足不断变化的网络需求。企业需要一种方法来自动化网络,以提高IT对变化的响应率。在这个用例中,我们通常试图解决一个问题:如何跨不同逻辑域移动虚拟机?网络虚拟化其实是通过在流量层面逻辑地划分网络,以在现有网络中创建逻辑网段,这类似于硬盘驱动器的分区

     

    网络虚拟化是一种覆盖;也是一个隧道。NV并不是物理地连接网络中的两个域,NV是通过现有网络创建一个隧道来连接两个域。NV很有价值,因为管理员不再需要物理地连接每个新的域连接,特别是对于创建的虚拟机。这一点很有用,因为管理员不需要改变他们已经实现的工作。他们得到了一种新方式来虚拟化其基础设施,以及对现有基础设施进行更改。

     

    NV在高性能x86平台上运行。这里的目标是让企业能够独立于现有基础设施来移动虚拟机,而不需要重新配置网络。Nicira(现在属于VMware)是销售NV设备的供应商。NV适合于所有使用虚拟机技术的企业。

     

    网络功能虚拟化

     

    NV提供了创建网络隧道的功能,并采用每个流服务的思维,下一个步骤是将服务放在隧道中。NFV主要虚拟化4-7层网络功能,例如防火墙或IDPS,甚至还包括负载均衡(应用交付控制器)

     

    如果管理员可以通过简单的点击来设置虚拟机,为什么他们不能以相同的方式打开防火墙或IDS/IPS呢?这正是NFV可以实现的功能。NFV使用针对不同网络组件的最佳做法作为基础措施和配置。如果你有一个特定的隧道,你可以添加防火墙或IDS/IPS到这个隧道。这方面很受欢迎的是来自PLUMgrid或Embrane等公司的防火墙或IDS/IPS。

     

    NFV在高性能x86平台上运行,它允许用户在网络中选定的隧道上开启功能。这里的目标是,让人们为虚拟机或流量创建服务配置文件,并利用x86来在网络上构建抽象层,然后在这个特定逻辑环境中构建虚拟服务。在部署后,NFV能够在配置和培训方面节省大量数据。

     

    NFV还减少了过度配置的需要:客户不需要购买大型防火墙或IDSIPS产品来处理整个网络,客户可以为有需要的特定隧道购买功能。这样可以减少初始资本支出,但其实运营收益才是真正的优势。NFV可以被看作是相当于Vmware,几台服务器运行很多虚拟服务器,通过点击配置系统

     

    客户了解NV和NFV之间的区别,但他们可能不希望从两家不同的供应商来获得它们。这也是为什么Vmware现在在VmwareNSX提供NV和NFV安全功能的原因。

     

    软件定义网络

     

    SDN利用“罐装”流程来配置网络。例如,当用户想要创建tap时,他们能够对网络进行编程,而不是使用设备来构建网络tap。

     

    SDN通过从数据平面(发送数据包到特定目的地)分离控制平面(告诉网络什么去到哪里)使网络具有可编程性。它依赖于交换机来完成这一工作,该交换机可以利用行业标准控制协议(例如OpenFlow)通过SDN控制器来编程。

     

    NV和NFV添加虚拟通道和功能到物理网络,而SDN则改变物理网络,这确实是配置和管理网络的新的外部驱动手段。SDN的用例可能涉及将大流量从1G端口转移到10G端口,或者聚合大量小流量到一个1G端口。SDN被部署在网络交换机上,而不是x86服务器。BigSwitch和Pica8都有SDN相关的产品。

     

    所有这三种类型的技术都旨在解决移动性和灵活性。我们需要找到一种方式来编程网络,而现在有不同的方法可以实现:NV、NFV和SDN。

     

    NV和NFV可以在现有的网络中运作,因为它们在服务器运行,并与发送到它们的流量进行交互;而SDN则需要一种新的网络架构,从而分离数据平面和控制平面。

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  • 网络功能虚拟化VNF

    万次阅读 2017-04-18 13:52:06
    虚拟化核心项目组的产品是vManager,主要是负责有效协调和监控管理物理层、虚拟化层、网元应用层。...Orchestrator即NFV协调器,网络功能虚拟化协调器, VNFM是VNF Manager,即虚拟网络功能(VNF)管理 当

    虚拟化核心网项目组的产品是vManager,主要是负责有效协调和监控管理物理层、虚拟化层、网元应用层。统一编排资源并快速部署到云平台,并根据业务流量的变化动态调整虚拟资源的占用。 做到易集成,做到自动部署。
    vManager包含NFVO和VNFM,
    NFVO是NFV Orchestrator即NFV协调器,网络功能虚拟化协调器,
    VNFM是VNF Manager,即虚拟网络功能(VNF)管理

    当然vManager也能够管理其他第三方的VNF、VFNM、VIM和硬件,也可以被其他第三方的NFVO进行管理。

    MANO编排包括:NFVO)和VNFM. MANO 的第三块是Virtualized InfrastructureManager (VIM)虚拟基础设施管理。云平台支持OPENSTACK、VMWARE等,也支持其他类型的云平台。网元提供开放能力与VNFM交互,提供可编排的网元服务;VNFM提供开放REST接口,支持与第三方厂家Orchestrator对接。

    OpenStack是一个开源的云计算管理平台项目。
    一旦硬件和网络设置好,下一步就是确定在哪里部署所有的OpenStack组件。标准部署应有一个控制器和一系列计算结点。控制器运行消息服务器,数据库和其他的组件来编排云,同时计算结点运行实例。
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