網絡功能虛擬化：基于虛擬化的中間件盒子

2014-12-13 01:13:25房愛軍汪軍

中興通訊技術 2014年6期

房愛軍+汪軍

中圖分類號：TN929.1 ? ?文獻標志碼：A ? 文章編號：1009-6868 （2014） 06-0052-05

摘要：基于虛擬化的中間件盒子的模型，采用x86架構的電腦硬件設備，依托虛擬化平臺構建了一種集成了路由器、語音服務器、虛擬桌面等服務的虛擬中間件盒子。該虛擬中間件盒子采用了中間件盒子的概念，即在標準的服務器上運行開源的虛擬化平臺，如XEN、KVM等，并運用網絡功能虛擬化（NFV）的理念和軟件定義網絡（SDN）的理念進行控制管理，最終實現為每個組織、企業、個人提供虛擬通信網絡服務（網絡功能虛擬化）和虛擬運營服務。

關鍵詞：虛擬化;網絡虛擬化;軟件定義網絡;網絡功能虛擬化;中間件盒子

Abstract： In this paper， we describe a virtualization-Middlebox-based model that has x86-architecture hardware based on platform virtualization to build Virtual Middlebox of integrated routers， voice server， virtual desktop service and other services. Virtual Middlebox incorporates the concept of Middlebox， which runs the open-source Platform Virtualization such as XEN and KVM. It manages using Network Function Virtualization （NFV） and software-defined networking （SDN）. Finally it provides communications service of virtualization networks （NFV） and operational services for each organizations， enterprises and individuals.

Key words： virtualization; network virtualization; software-defined network; network functions virtualisation; middlebox

未來的通信網絡是開放、共存和融合的，它的硬件基礎架構是通用、標準和開放的，管理平臺是融合、共存和開放的[1]。傳統通信網絡的應用程序和通信協議用固定的配置綁定在網絡硬件上，由于缺乏基礎硬件架構的開放性和業務應用運營的靈活性，新的通信網絡架構需要“推倒從來”地進行設計和規劃。由于運營商網絡通常是由數千類的通信設備組成，“推倒從來”無論是設備投資（CAPEX），還是運營成本（OPEX）都非常高[1-4]。

本文構想了一種稱為虛擬中間件盒子（Virtual Middlebox）的通信網絡的通用設備[3-6]。它采用了中間件盒子的概念，即在標準的服務器上運行開源的虛擬化平臺，如XEN、KVM[5]等，并運用網絡功能虛擬化（NFV）的理念和軟件定義網絡（SDN）的理念進行控制管理，最終實現為每個組織、企業、個人提供虛擬通信網絡服務（網絡功能虛擬化）和虛擬運營服務。希望為未來通信網絡設計和架構提供一些思路和想法[6]。

網絡功能虛擬化（NFV）的目標是通過改變傳統的運營商網絡架構，利用通用標準的IT服務器、存儲，基于虛擬化的技術實現傳統網絡設備的功能，如路由器、交換機、基站控制器、多業務接入服務器等。網絡節點由軟件進行控制和管理，統一調度和使用標準的網絡硬件資源。標準的IT通用硬件資源可以隨時根據用戶需求進行調配和優化，用軟件的管理平臺實現按需分配的云化網絡[4]。歐洲電信標準協會（ETSI）定義了可以用虛擬化技術實現的設備網元。傳統網絡設備過渡到網絡功能虛擬化的方案如圖1所示。

1 虛擬化技術

1.1 虛擬化

虛擬化是對IT硬件資源和基礎網絡資源的抽象和共享使用。這種共享概念是在1960年由IBM最早提出（IBM M44/44X系統）[8-9]。對虛擬機的架設和管理被稱為平臺虛擬化，現在也被稱為服務器虛擬化[9]。

虛擬化概念是新的計算機領域的應用理念，它把IT硬件資源抽象為相互隔離的邏輯部分，每個邏輯部分創造了一套獨立的IT系統環境，其中包括虛擬內存、虛擬硬盤、虛擬網卡和虛擬處理器等[5]。這個邏輯的IT系統環境被稱為虛擬機，整個系統常常稱為虛擬化服務器或虛擬化主機。隨著IT技術的發展，虛擬化已經是通信網絡的重要組成部分，例如虛擬化技術在云計算中的應用、虛擬化服務器在網絡中的部署和網絡設備的虛擬局域網。與此同時，虛擬化技術在有線網絡和無線網中得到了很好的發展，出現了網絡虛擬化、無線虛擬化[1]。

SDN是管理員，控制和管理整個網絡。NFV是基于虛擬化的網絡設備，提供靈活的組網和彈性的網絡部署[7]。

1.2 網絡虛擬化

網絡虛擬化，即通過虛擬技術共享網絡硬件資源，為用戶提供個性定制化的網絡通信服務，其中包括無線、有線服務[2]。當前基于傳統運營硬件資源構建的虛擬運營商服務，是通過把現有的硬件網絡資源運用云計算的虛擬化技術共享給多個運營商使用。其中的硬件資源通過軟件控制、隔離，根據適時用戶量情況進行分配和收費。充分發揮硬件網絡資源，減少重復網絡基礎建設和硬件投資（CAPEX），降低運營成本（OPEX）提高運營商利潤[4-7]。

1.3 軟件定義網絡

SDN的理念主要是希望采用軟件來控制網絡，使得網絡能力能夠開放，讓基于網絡的創新能夠更方便、更快捷。

通過控制平面與數據平面的分離，SDN架構將網絡底層網絡設施與網絡應用抽象分離開來，從而實現構建可管理、可編程的、可動態改變的網絡[7]。本文認為未來網絡將越來越依賴于軟件，SDN這種新穎的、動態的網絡架構將提高網絡的延展性、靈活性和可管理性，從而實現網絡變革并帶來新一波的技術創新。

1.4 網絡功能虛擬化

NFV提供了一種新的方式來設計，部署和管理網絡服務。NFV從專有的硬件設備解耦網絡功能，如網絡地址轉換（NAT）、防火墻、入侵檢測、域名服務（DNS）、緩存等，這樣專有的硬件設備就可以在軟件上運行。

NFV的主要設計思路是硬件平臺采用通用服務器，服務器之上運行虛擬化軟件并生成虛擬機，各種網元以軟件的形式運行在虛擬機當中[4]。

1.5 中間件盒子

中間件盒子是一種提供多種應用服務的網絡設備[10]，其中包括防火墻、路由、負載均衡和緩存功能等。現在，越來越多的中間件盒子利用軟件平臺開發，提供各種網絡服務，并可以部署在網絡的任意位置。例如，在標準的PC機或服務器上安裝Linux或Unix類操作系統，并根據用戶需求部署火墻、路由、負載均衡和緩存功能的應用包。簡單配置之后，這就是一臺可以提供多種服務功能的中間件盒子。

當虛擬化技術被廣泛的應用的同時，中間件盒子的應用服務同樣可以基于虛擬化。軟件定義網絡提供動態的網絡管理和安全的隔離控制，網絡功能虛擬化提供全新的網絡功能和多樣的應用場景。無限的功能擴展和豐富的部署場景，使得基于虛擬中間件盒子擁非常有廣闊的應用空間[6]。

2 構想架構的虛擬化網絡

虛擬化技術在逐漸地融合著傳統通信網絡，不同的業務模式會有相對應的虛擬化技術應用場景，為用戶提供全新的服務體驗和經濟收益。應用場景的差異，也產生了不同的虛擬化技術，如基于數據流的虛擬化、基于協議的虛擬化、基于光通信的虛擬化等[1]。所有的虛擬化技術都是為了構建一個開放、共存和融合的通信網絡，并取得了豐碩的成果，如虛擬化網絡的軟件定義網絡、網絡功能虛擬化等。

本文構想架構的虛擬化通信網絡采用了SDN和NFV的理念，其核心理念是軟件化通信網絡，提高網絡的創新、開放、便捷、靈活和標準化。

在這里的基于虛擬化的通信網絡的系統架構，描述了虛擬化的通信網絡基本組成和要素，其中主要有3個層面兩大接口，包括邏輯上的應用層面的應用控制器、控制層的集中控制器和最底層的基礎設施層（網絡物理硬件資源層），以及北向接口和南向接口[7]。一種構想架構的虛擬化通信網絡如圖2所示。該系統架構的特點有：

（1）控制和轉發的分離

通信網絡設備通常有控制平面（信令）與轉發平面（數據），在對這兩個平面抽象化和邏輯化之后，分離成相對獨立的兩個部分。轉發平面部分只負責業務數據的轉發，控制平臺只負責接收來自應用控制層的指令并傳遞給數據轉發平面。

（2）開放接口

未來通信網絡最主要的特點是開放，只有提供了開放的接口，才有會更多的廠商和組織參與進來開發更好的系統應用。使用SDN的概念，提供與控制應用層對接的北向接口和與數據轉發層對接的南向接口。這些接口是開放的可編程接口，如OpenFlow、OpenStack、Open Daylight[7]。各平面之間相對獨立，只需要關注自身的邏輯，而不需要關注底層平面業務實現細節，并通過開放的接口傳遞信息。

（3）集中控制

傳統的通信網絡很難有一個整體的網絡狀態視圖，特別是上千節點的大型網絡。邏輯上的集中控制平面可以控制多個轉發平面（基礎設施），或多個控制平面分布部署。整個物理網絡的業務數據轉發和控制都會被集中成全局數據，各網元的狀態也很容易地呈現出來，不會出現各自為政的情況。

3 虛擬中間件盒子

當前，中間件盒子已經是由軟件化平臺構成，在應用了NFV和SDN技術，可以部署于網絡的任何位置[6]，在網絡中充當路由器、交換機和防火墻。NFV技術可以提供更為豐富的網絡設備的功能，SDN技術可以滿足更為靈活的配置和服務帶寬的調配，x86服務器的硬件架構的標準化和硬件成本的廉價，是支撐傳統通信網絡向未來智能的通信網絡發展的重要因素[6]。

實例展示了一個新的構架的中間件盒子，可以稱之為虛擬中間件盒子，可以部署于x86架構的通用IT服務器或電腦中[3]。虛擬中間件盒子的構思可以為傳統的電腦生產商和服務器生產商提供新的市場機遇的思路，擴大了服務器和電腦在IT領域中的應用場景，不再只是應用于IT行業，還可以應用于通信行業。特別是在PC電腦市場需求不斷減少的現在，通過部署虛擬化的軟件平臺，不改變硬件架構、增加額外設計成本，就可以構建功能強大的網絡設備。

3.1 虛擬中間件盒子的架構

本實例是用虛擬化技術構建一臺x86服務器的中間件盒子[3]，提供基本的語音服務和路由功能，實現基于虛擬化的通信網絡初步模型。

整體的思路是在一臺x86服務器或電腦上部署虛擬化平臺XEN[5]，平臺虛擬出4個虛擬機域（Domain）。根據每個虛擬機的功能和服務，分為Domain0、Domain1、Domain2、Domain3。Domain0是基礎虛擬機，提供整個虛擬平臺的控制管理和系統調度。Domain1、Domain2、Domain3分別提供語音服務（VoIP）、虛擬桌面和路由器（防火墻）功能的用戶虛擬機域。

物理硬件的架構是分為兩個部分，x86硬件部分和網絡接口卡部分。x86硬件部分是通用IT服務器或電腦，本實例是用的是PC電腦[5]。網絡接口卡部分可以理解為服務器的擴展槽位，用于物理網絡功能的擴展，如與傳統網絡對接的以太網接口，提供無線接入服務的天線接口等，本實例中間件盒子天線是一個無線接入點（AP）。

虛擬中間件盒子系統的架構基于虛擬化技術，采用SDN[7]的基本概念，分為3個平面：應用、控制和網絡硬件資源。虛擬中間件盒子采用軟件實現網絡的功能，共享本地或網絡的硬件資源，并通過集中的控制管理和系統調度，按需求提供網絡資源;采用硬件資源平面與控制平面相分離的SDN理念，用控制平臺來管理應用系統控制，為用戶提供靈活的、通用的、開放的服務。虛擬中間件盒子的系統架構如圖3所示。

3.2 虛擬中間件盒子的組成

虛擬中間件盒子是采用開源的XEN的虛擬化平臺，構建虛擬的網絡設備環境。虛擬環境[11]稱為虛擬機。雖然整個硬件平臺是x86架構，但虛擬化平臺創建的虛擬機環境可以根據網絡設備需求而配置，當前可以支持的處理器有Intel、PowerPC、ARM、MIPS等[12]。

3.3 實例的硬件設備和軟件列表

搭建虛擬中間件盒子需要x86硬件平臺、操作系統、虛擬化服務平臺、應用軟件和網絡環境。詳細的硬件設備和軟件如表1所示。

搭建虛擬中間件盒子首先是硬件設備的基礎系統的安裝，使用CentOS操作系統的U盤或CD引導PC機，然后選擇安裝操作系統。根據安裝提示信息創建用戶名和密碼，并安裝操作系統，直到提示安裝成功。隨后，登錄到CentOS，并安裝虛擬化服務平臺XEN，直到提示安裝成功。其次是創建虛擬機，根據實例規劃的系統架構創建3個虛擬機，每個虛擬化的硬件配置分別是單核處理器、內存、硬盤和網卡。網卡的IP地址是靜態，并參考圖4的地址信息進行配置。最后一步是安裝3個虛擬機的服務和應用，每個虛擬機域單獨把對應用的系統平臺配置成系統引導，并按照提示信息進行安裝，直到提示安裝成功。

按照應用服務的操作手冊進行簡單的配置之后，虛擬中間件盒子就可以提供服務了。虛擬中間件盒子的組成如圖4所示。虛擬中間件盒子提供的服務主要有：

（1）路由器和防火墻服務

PfSense系統提供Web界面的管理和配置，輸入服務器的IP地址登錄之后，就可以根據提示信息進行路由、防火墻的配置。如DHCP服務配置、DNS服務配置、虛擬專用網（VPN）配置、NAT配置等。

（2）虛擬桌面服務

虛擬桌面服務（VD）可以提供智能終端和PC，并隨時隨地的登錄到服務器自由使用虛擬化資源。真實物理PC一樣的使用感受，享受自帶設備（BYOD）的體驗[13]。快速、安全且經濟實惠的擴展方式，可以滿足不斷變化的需求，可以更高效率地工作，簡化傳統PC機安全、應用程序更新和補丁程序更新以及災難和恢復的管理。

（3）語音服務

在智能終端和PC機上安裝客戶端軟件，并通過內部的無線網絡注冊到用戶虛擬機域Domain1的IP語音交換機（IP PBX）服務中。IP語音交換機的解決方案可以提供企業和部門的內部語音通信和視頻通信服務，并通過中繼網關設備與傳統的公共交換電話網（PSTN）通信，用會話發起協議（SIP）與運營商網絡核心網的軟交換互通業務。客戶端有硬件IP電話和客戶端軟件。

4 結束語

虛擬化技術和相關概念已經成功地應用在通信網絡中，本文通過虛擬化的中間件盒子的實例化，提出了更為多樣化的網絡功能虛擬化網絡設備的想法，為企業和個人提供更為豐富的應用場景。如中小企業中的語音、網站服務等，家庭中的虛擬桌面和物聯網控制中心等。

NV、NFV和SDN技術已經被越來越越多的ICT廠商和運營商接受，虛擬化將是未來通信網絡發展的重要趨勢之一[7]。利用x86服務器或PC機創建虛擬中間件盒子，用于構建虛擬化的通信網絡，為傳統服務器和PC機廠商提供了新的市場機會，但在短期內通信網絡還是無法完全脫離傳統網絡設備的支撐，如光傳輸設備、無線基站設備等。未來還有很長的路要走，有很多的問題需要研究和解決，并不是簡單的安裝一套虛擬化軟件就可以完成的。

參考文獻

[1] WEN H. Wireless Virtualization [M]. Springer Briefs in Computer Science， 2013. doi： 10.1007/978-3-319-01291-9_1，2013.

[2] WEN H， TIWARY P K. Tho Le-Ngoc： Current Trends and Perspectives in Wireless Virtualization [J]. Communications Magazine， IEEE， 2013， 49（9）： 56-62.

[3] ANTONIO M. it：Future Edge ICT Networks [J]. IEEE Comsoc Mmtc E-Letter， 2012，7（7）：5402-5409.

[4] Network Functions Virtualisation （NFV）. Network Operator Perspectives on Industry Progress， ETSI [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//portal.etsi.org/NFV/NFV_White_Paper2.pdf.

[5] CHARLES G. A performance analysis of Xen and KVM hypervisors for hosting the Xen Worlds Project [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi？article=3243&context=etd.

[6] AARON G， ROBERT G， JUNAID K. Design and Implementation of a Framework for Software-Defined Middlebox Networking [R]. SIGCOMM， Hong Kong， 2013.

[7] Open Networking Foundation： Open Flow-enabled SDN and Network Functions Virtualization， ONF Solution Brief [EB/OL]. （2014-04-01）. https：//www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/solution-briefs/sb-sdn-nvf-solution.pdf.

[8] IBM M44/44X， Simulated multiple 7044 virtual machines [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/IBM_M44/44X.

[9] Virtualization， Hardware virtualization [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/Virtualization.

[10] Types of middleboxes.Available [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/Middlebox.

[11] XenServer Features [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//www.xenserver.org/overview-xenserver-open-source-virtualization/open-source-virtualization-features.html.

[12] x86 series，Available [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/X86.

[13] Bring your own device （BYOD） [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/Bring_your_own_device.