網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

◆李蘭蘭

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 江蘇 211156）

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)的發(fā)展與挑戰(zhàn)

◆李蘭蘭

（南京航空航天大學(xué)金城學(xué)院 江蘇 211156）

本文首先引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)的產(chǎn)生背景及其概念內(nèi)涵，接著介紹了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)具有的幾大優(yōu)勢(shì)，最后著重探討了網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)面臨的一些挑戰(zhàn)，包含網(wǎng)絡(luò)性能、虛擬機(jī)的分配和遷移，虛擬功能網(wǎng)元外包等問(wèn)題，以及這些問(wèn)題目前的研究進(jìn)展。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化；網(wǎng)絡(luò)性能；虛擬機(jī)分配

0 引言

隨著互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備種類(lèi)和功能越來(lái)越豐富。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是軟硬件一體化的，意味著當(dāng)引入一種新的網(wǎng)絡(luò)功能時(shí)，需完整地重新開(kāi)發(fā)新的專(zhuān)用硬件設(shè)備。硬件設(shè)備的技術(shù)開(kāi)發(fā)難度、空間放置、能耗、管理復(fù)雜度等使得網(wǎng)絡(luò)開(kāi)發(fā)、運(yùn)維成本急劇增加，新業(yè)務(wù)帶來(lái)的利潤(rùn)增長(zhǎng)和不斷攀升的投入成本相比越來(lái)越微弱。在這個(gè)背景下，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）概念誕生了。

2012年10月，十幾家全球頂級(jí)運(yùn)營(yíng)商在德國(guó)召開(kāi)的SDN&OpenFlow世界大會(huì)上首次發(fā)布NFV白皮書(shū)[1]。2012年11月，世界幾大知名運(yùn)營(yíng)商在歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì)（ETSI）發(fā)起成立了一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化標(biāo)準(zhǔn)工作組NFV ISG（Industry Specification Group），該組織致力于促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)的快速發(fā)展，陸續(xù)發(fā)布包括用例、需求、架構(gòu)、術(shù)語(yǔ)、POC、白皮書(shū)等一系列公開(kāi)文檔。

全球知名電信運(yùn)營(yíng)商是NFV技術(shù)誕生的主要推手，NFV在電信行業(yè)具有廣泛的發(fā)展空間，但這不表示電信運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)是NFV唯一的用武之地，除了電信運(yùn)營(yíng)商基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)，NFV也可應(yīng)用于enterprise network或公共云中，如對(duì)防火墻、IDS、代理等中間盒虛擬化。

1 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的概念

NFV工作組的研究目標(biāo)是希望通過(guò)采用標(biāo)準(zhǔn)化的IT虛擬化技術(shù)，把多種網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)業(yè)設(shè)備統(tǒng)一到業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)的大容量的服務(wù)器、交換機(jī)和存儲(chǔ)平臺(tái)上，在這些業(yè)界標(biāo)準(zhǔn)平臺(tái)上承載各種各樣的網(wǎng)絡(luò)軟件功能，實(shí)現(xiàn)軟件的靈活加載，實(shí)現(xiàn)在數(shù)據(jù)中心、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和用戶(hù)端等各個(gè)位置靈活的部署配置[1]。

NFV技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)的專(zhuān)用設(shè)備進(jìn)行軟硬件解耦，把網(wǎng)元功能從網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)用硬件中分離出來(lái)。NFV網(wǎng)絡(luò)分為網(wǎng)絡(luò)功能層、虛擬資源層和硬件資源層三層，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件的軟硬件緊耦合特征會(huì)造成硬件資源的大量浪費(fèi)、新業(yè)務(wù)部署成本高昂、運(yùn)營(yíng)管理成本居高不下。NFV通過(guò)虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)功能從傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)硬件中解耦出來(lái)，引入虛擬資源層，把功能網(wǎng)元彈性部署在虛擬機(jī)上，而下層硬件資源對(duì)于上層的功能網(wǎng)元來(lái)說(shuō)是不可見(jiàn)的，運(yùn)營(yíng)商則對(duì)下層硬件資源進(jìn)行統(tǒng)一管理和調(diào)度。硬件資源的統(tǒng)一管理、資源池化，功能網(wǎng)元部署的靈活性和動(dòng)態(tài)性使得新業(yè)務(wù)的開(kāi)發(fā)不再依賴(lài)特定硬件平臺(tái)，降低了新業(yè)務(wù)開(kāi)發(fā)的成本和難度、縮短了新業(yè)務(wù)的推出時(shí)間，大大節(jié)省了電信行業(yè)運(yùn)維管理成本。

相比于傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，NFV將帶來(lái)以下三個(gè)不同：

（1）軟硬件解耦：軟件和硬件的分離使得軟件和硬件各自獨(dú)立發(fā)展。

（2）網(wǎng)絡(luò)功能的彈性部署：NFV將實(shí)現(xiàn)在硬件資源池上自動(dòng)部署網(wǎng)絡(luò)功能，這些網(wǎng)絡(luò)功能可由不同的數(shù)據(jù)中心來(lái)承載。

（3）服務(wù)提供的動(dòng)態(tài)性：根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀況，實(shí)現(xiàn)對(duì)NFV性能的動(dòng)態(tài)的可控的擴(kuò)展。

2 網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的挑戰(zhàn)與發(fā)展前景

NFV作為網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域里的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，將會(huì)大大改變電信行業(yè)的前景。NFV會(huì)降低資本投入和能耗，縮短新業(yè)務(wù)推入市場(chǎng)的時(shí)間，并可根據(jù)客戶(hù)需求快速提供定制化的服務(wù)。機(jī)遇總是與挑戰(zhàn)并存，NFV也不例外。在部署虛擬應(yīng)用過(guò)程中，NFV也將面臨一些技術(shù)挑戰(zhàn)。

2.1 網(wǎng)絡(luò)性能

軟件虛擬化框架（如管理編排）已成為電信行業(yè)關(guān)注熱點(diǎn)，而虛擬應(yīng)用環(huán)境中的網(wǎng)絡(luò)性能卻面臨著挑戰(zhàn)。Wang和Ng對(duì)亞馬遜EC2云服務(wù)的端到端的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行了評(píng)測(cè)[2]。觀測(cè)結(jié)果表明TCP/UDP吞吐率非常不穩(wěn)定，在幾十毫秒的時(shí)間間隔內(nèi)吞吐率竟在0到1Gb/s之間浮動(dòng)，亞馬遜EC2實(shí)例間的延遲方差也是大多傳播時(shí)延（＜0.2ms）的一百倍，而這些甚至發(fā)生在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載并不重的情形下。很明顯，虛擬化導(dǎo)致的不穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)特性將會(huì)大大影響虛擬應(yīng)用程序的性能和部署。

提升VNF的網(wǎng)絡(luò)性能可采用的方式有：Linux的新應(yīng)用編程接口（New API，NAPI[3]）和Intel的數(shù)據(jù)面開(kāi)發(fā)工具集（Data Plane Development Kit，DPDK[4]）。NAPI是對(duì)已有的Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)中數(shù)據(jù)包處理框架進(jìn)行修改，為了提升高速網(wǎng)絡(luò)的性能。在網(wǎng)絡(luò)負(fù)載較重的情形下，NAPI通過(guò)禁用部分中斷，轉(zhuǎn)而采用輪詢(xún)?cè)O(shè)備的方式，以避免頻繁中斷產(chǎn)生的重復(fù)消息處理。輪詢(xún)方式的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是當(dāng)內(nèi)核負(fù)擔(dān)過(guò)重時(shí)，對(duì)設(shè)備隊(duì)列中不能及時(shí)處理的數(shù)據(jù)包可采用簡(jiǎn)單丟棄的處理方式。Intel’s DPDK是另一種提升高速網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用程序處理效率的方式，采用的也是用輪詢(xún)方式來(lái)替代中斷，以避免相應(yīng)的中斷處理開(kāi)銷(xiāo)。Hwang等近年來(lái)擴(kuò)展了DPDK庫(kù)以獲取虛擬環(huán)境下更低的延遲和更高的網(wǎng)絡(luò)吞吐率[5]。

2.2 虛擬機(jī)分配

理想狀況下，網(wǎng)絡(luò)操縱者應(yīng)該給VNF分配合適的虛擬機(jī)，使得VNF的效率最高、成本最低。NFV對(duì)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行虛擬化，但其中有些網(wǎng)絡(luò)功能對(duì)時(shí)延有著嚴(yán)格的要求。以往中間件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能通常依賴(lài)于網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌@些中間件也一般放置在直通路徑上。當(dāng)對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行虛擬化后，即在數(shù)據(jù)中心中以軟件方式實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能，數(shù)據(jù)流經(jīng)過(guò)的很可能是間接路徑，這將會(huì)帶來(lái)數(shù)據(jù)包的延遲。這種狀況下，為VNF分配合適的虛擬機(jī)對(duì)于業(yè)務(wù)性能來(lái)說(shuō)就非常關(guān)鍵了[6]。

2.3 VNF實(shí)例化和遷移

在部署VNF時(shí)，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施比以往更具彈性和靈活性。網(wǎng)絡(luò)操縱者將會(huì)根據(jù)實(shí)際需求和網(wǎng)絡(luò)狀況為VNF分配合適的虛擬機(jī)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)有效地對(duì)虛擬應(yīng)用進(jìn)行實(shí)例化和遷移。在Linux或其他商用操作系統(tǒng)的傳統(tǒng)解決方案中，虛擬機(jī)將花費(fèi)一個(gè)比較長(zhǎng)的的實(shí)例化時(shí)間（幾秒）和需要一個(gè)較大的內(nèi)存空間。為了解決這個(gè)問(wèn)題，Martins等提出ClickOS[7]，一個(gè)微小的基于Xen的虛擬機(jī)，以實(shí)現(xiàn)NFV。ClickOS實(shí)例化需要的時(shí)間大概是30ms，運(yùn)行時(shí)需要的內(nèi)存空間大約5MB。然而，對(duì)這種輕量級(jí)簡(jiǎn)化的虛擬機(jī)進(jìn)行性能優(yōu)化，尤其在大區(qū)域范圍內(nèi)的遷移情形下，這依然是個(gè)難題。

2.4 VNF外包

最初的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)不會(huì)更改正在傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包，這一端到端的原則對(duì)于當(dāng)今內(nèi)含大量不同中間件的網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)已不再適用。Sherry等人對(duì)57個(gè)大大小小的不同企業(yè)網(wǎng)（擁有的主機(jī)數(shù)從不足千臺(tái)到多于十萬(wàn)臺(tái)規(guī)模不等）進(jìn)行了調(diào)研，發(fā)現(xiàn)典型的企業(yè)網(wǎng)擁有的中間件數(shù)目與主路由器數(shù)目旗鼓相當(dāng)。在過(guò)去五年，大型網(wǎng)絡(luò)在這些中間件設(shè)備的投入上多達(dá)百萬(wàn)美元以上。另外，包含上百中間件的網(wǎng)絡(luò)需要雇傭100到500人手，來(lái)從事配置、升級(jí)、監(jiān)控、診斷、培訓(xùn)和與廠(chǎng)商的交互等工作[8]。

NFV使得網(wǎng)絡(luò)功能不再局限于本地，這也意味著把網(wǎng)絡(luò)中的中間件外包給第三方變得容易，這將使網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商能從繁瑣的操縱和維護(hù)工作中擺脫出來(lái)。有了VNF提供商的支持，終端用戶(hù)或者小型企業(yè)也能夠更多地享有以前因?yàn)閺?fù)雜性和高昂成本無(wú)法部署的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。然而，在真正實(shí)施以前，運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施和外包的VNF間的計(jì)費(fèi)規(guī)則和交互方式還需要好好進(jìn)行研究。與之相關(guān)的另一個(gè)問(wèn)題是如何鑒別哪種類(lèi)型的VNF可以外包給第三方以及如何進(jìn)行會(huì)更有效率。

除了上面提及的方面，NFV還存在其它幾個(gè)值得研究的問(wèn)題。如使用專(zhuān)用硬件應(yīng)用程序進(jìn)行故障診斷，將更易確定故障所在，以便對(duì)相應(yīng)組件進(jìn)行隔離。當(dāng)以軟件方式部署的網(wǎng)絡(luò)功能涉及多個(gè)地點(diǎn)，故障排除和錯(cuò)誤隔離都將變得更難。另外，虛擬機(jī)創(chuàng)建比較簡(jiǎn)便，隨著VNF數(shù)量的遞增，虛擬機(jī)的雜亂無(wú)序?qū)⒂锌赡馨l(fā)生，網(wǎng)絡(luò)中有可能充斥著大量實(shí)際很少使用的龐雜的VNF。這樣，NFV致力于解決的管理的低效將再次出現(xiàn)。對(duì)VNF進(jìn)行有效的管理和編排，尤其在廣域網(wǎng)環(huán)境下，是又一個(gè)有價(jià)值的研究方向。

3 結(jié)束語(yǔ)

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)是當(dāng)今網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，它對(duì)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行軟硬件解耦，以虛擬化的形式實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)功能，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的靈活部署，網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展性也大大加強(qiáng)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化發(fā)展過(guò)程中，依然存在很多難題和挑戰(zhàn)，相信經(jīng)多方的不斷研究探索和實(shí)踐驗(yàn)證，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化技術(shù)將很快步入成熟的發(fā)展階段。

[1]Network Functions Virtualisation – Introductory White Paper.ETSI NFV ISG.2012.

[2]G.Wang and T.S.E.Ng,The Impact of Virtualization on Network Performance of Amazon EC2 Data Center,Proc.INFOCOM ’10,Mar.2010.

[3]A.Gember-Jacobson et al.,OpenNF：Enabling Innovation in Network Function Control,Proc.SIGCOMM 2014,Aug.2014.

[4]A.Greenberg et al.,The Cost of a Cloud：Research Problems in Data Center Networks, ACM SIGCOMM Computer Commun.Review,vol.39,no.1,Jan.2009.

[5]J.Hwang,K.K.Ramakrishnan,and T.Wood,“NetVM：High Performance and Flexible Networking Using Virtualization on Commodity Platforms,Proc. NSDI’14,Apr.2014.

[6]A.Manzalini et al.,Clouds of Virtual Machines in Edge Networks,IEEE Commun.Mag.,vol.51,no.7,July 2013.

[7]J.Martins et al.,ClickOS and the Art of Network Function Virtualization, Proc.NSDI 2014,Apr.2014.

[8]J.Sherry et al.,Making Middleboxes Someone Else’s Problem:Network Processing as a Cloud Service, Proc.SIGCOMM ’12,Aug.2012.