NFV彈性技術

劉露，郭志斌

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100032）

NFV彈性技術

劉露，郭志斌

（中國聯合網絡通信有限公司研究院，北京 100032）

NFV （network function virtualization，網絡功能虛擬化）系統(tǒng)主要包括NFVI、VNF和MANO三大功能模塊以及子功能模塊，相對傳統(tǒng)網絡架構，網絡功能虛擬化解耦了傳統(tǒng)專用設備的軟硬件，引入了虛擬化技術來池化物理資源，對網絡架構的改動很大。對NFV彈性技術進行了分析，強調了網絡虛擬化的彈性目標主要是確保業(yè)務的連續(xù)性，應用設計本身和虛擬化設施均受此目標影響。歸納了彈性結構設計原則，給出彈性用例并進行總結。

NFV；虛擬化；VNF

1 引言

NFV的本質是網絡設備的虛擬化和云化，以虛擬化實現軟硬件解耦，以云化實現硬件資源的共享和系統(tǒng)隨業(yè)務大小的自動伸縮，從而支撐業(yè)務的快速創(chuàng)新和快速上線。NFV的目標是通過基于行業(yè)標準的x86服務器、存儲和交換設備，取代通信網絡中那些私有專用的網元設備。為了實現這一愿景，學術界和產業(yè)界進行了不懈創(chuàng)新，擬基于通用標準的服務器、存儲和網絡設備并利用 IT虛擬化技術以軟件的方式實現現有多種電信設備的功能，推進電信網絡虛擬化架構及關鍵技術的研發(fā)工作。

2 NFV彈性技術

在IT領域和電信領域對于業(yè)務連續(xù)性的要求級別不同：在IT領域，中斷時長可以持續(xù)幾秒，依靠用戶重新發(fā)起請求進行業(yè)務恢復；但是在電信領域，中斷時長應當低于可辨別的水平，業(yè)務的恢復依靠系統(tǒng)自動執(zhí)行。因此在電信領域，服務中斷所影響的用戶數應當被限制在一定范圍內，不能造成大規(guī)模網絡中斷。

電信網絡是國家關鍵基礎設施的一部分，其業(yè)務的連續(xù)性不僅僅是用戶的期望，也是監(jiān)管的需求。但不是所有的網絡功能（network function，NF）都有同樣的彈性需求。比如，電話通常對可用性要求很高，而其他服務（如短信服務）對可用性的要求相對較低。因此，網絡功能虛擬化架構需要支持識別多個可用性類別。

網絡虛擬化的彈性目標主要是確保業(yè)務的連續(xù)性，應用設計本身和虛擬化設施均受此目標影響：VNF需要確保端到端服務部分的可用性；VNF的設計需要能夠識別NFVI（network function vitualization infrastructure），比 如 在網絡業(yè)務描述符（network service descriptor，NSD）和虛擬網絡功能模塊描述符 （VNF descriptor，VNFD）中交給NFV-MANO的彈性需求等；NSD和VNFD需要提供識別彈性需求的能力；NFV-MANO需要在發(fā)生故障后，提供有效的機制來自動重建VNF；NFV-MANO在運行時，應當支持故障通知機制，允許VNF選擇性地請求特定類型的故障通知；在NFVI或者NFV-MANO中，NFVI中的故障需要被處理；NFVI提供必要的功能實體來支持VNF層面的高可用性，比如故障通知和修復。

3 基于NFV的彈性原則

在NFV系統(tǒng)中，系統(tǒng)框架發(fā)生了根本性變化，許多彈性原則也跟著變化。NFV-MANO需要高可靠性來支持自動化的NFV運行，比如快速服務創(chuàng)建、動態(tài)負載適應或過載預防。NFV-MANO是構建高可用性的虛擬VNF的先決條件，對于業(yè)務可用性的主要作用是將基礎設施故障對于端到端業(yè)務可用性的影響降到最低。

任何NFV-MANO組件的故障都將在此組件內，不會影響任何正在運行的VNF。NFV-MANO組件對任何VNF的生命周期管理都是必不可少的。這些組件中的任意一個產生故障都不會對VNF的業(yè)務傳輸產生負面影響。不僅通過對這些組件使用高可用性機制會降低故障的可能性，而且NFV-MANO組件應當支持將組件恢復到故障發(fā)生前的狀態(tài)。

業(yè)務彈性取決于NFVI的可靠性以及VNF內部的彈性。這些指標由VNF基礎設施提供的彈性和內置在構成網絡業(yè)務的VNF的彈性機制構成。

為了完全實現虛擬化所承諾的彈性增益和OPEX／CAPEX節(jié)約，需要完全利用NFV的能力。VIM不能對VNF的內部相關的彈性機制有認知，可以基于VNFM／NFVO的請求，提供虛擬資源到VNFC來管理VNF。

4 彈性用例

彈性用例包括業(yè)務連續(xù)性、網絡拓撲透明性、回歸和預占、空間分布以及業(yè)務鏈。

4.1 業(yè)務連續(xù)性

VNF運行時在不同類型的硬件以及虛擬機之間具有可移植性。當VNF由于異常事件，如CPU過載、硬件故障或安全威脅，需要將提供的服務遷移到另一個物理節(jié)點，NFV系統(tǒng)能夠保存VNF的配置信息，因此在理想情況下不會對物理節(jié)點產生影響。業(yè)務連續(xù)性有如下兩個典型場景。

·無狀態(tài)業(yè)務連續(xù)性：該場景適用于事務業(yè)務，比如DNS。每個事務相互獨立，在服務器宕機不能提供服務的情況下，它只能夠將VNF提供的業(yè)務遷移到新的虛擬機和／或硬件實體。

·有狀態(tài)業(yè)務連續(xù)性：該場景適用于基于會話的業(yè)務，比如會話發(fā)起協(xié)議 （session initiation protocol，SIP）。當VNF在故障緩解、維護或者工作負載整合時，仍然可以保持所提供的業(yè)務性能，對于使用業(yè)務的實體來說，可以視為“業(yè)務連續(xù)”。為了能夠確保狀態(tài)的完整性和可用性，當VNF被遷移時，狀態(tài)信息可以存儲在同一個虛擬機中。

4.2 網絡拓撲透明性

傳統(tǒng)冗余系統(tǒng)通常將活動和備用節(jié)點放置在同一個局域網段（包括VLAN）中。兩節(jié)點中的任意一個處于運行狀態(tài)下，一般會給這兩個節(jié)點分配同樣的IP地址（有時是相同的MAC地址）。這兩個節(jié)點盡量保持相同的信息。當活動系統(tǒng)發(fā)生故障時，備用系統(tǒng)會無中斷地接管業(yè)務。

從彈性的角度（考慮到災難恢復和資源利用的靈活性）來說，希望能夠將備用節(jié)點放在不同拓撲的地方以維持連接有效性。需要指出的是，在物理網絡中IP數據分組應當被路由到新的位置，VNF的移動對其他VNF、在虛擬化環(huán)境中的非虛擬實體以及介于虛擬和物理環(huán)境的客戶端應用、用戶終端來說最好是透明的，如圖1所示。其中“透明”是指在虛擬或者物理環(huán)境中，任何實體都不需要因為此次的移動采取任何特殊措施。

為了防止在VNF處理過程中的時間限制，從傳播時延或者監(jiān)管問題的角度，VNF所移至的位置需要認真選擇。任何部署條件或者約束應當用諸如VNFD的機制來描述。

圖1 拓撲的透明性

4.3 回歸和預占

當系統(tǒng)發(fā)生硬件故障時，運行在其上的VNF需要遷移到其他地方，最理想的情況是能夠把所有的VNF都遷移出來，以維持所提供的業(yè)務的功能和性能。但是，在實際應用中，很有可能在故障時刻沒有足夠的可用資源，無法將所有的VNF都遷移出來。這時候就需要基于服務等級協(xié)議（SLA）盡可能將部分VNF遷移到新地方。圖2展現了這種情形的兩個策略：一是根據可用資源將盡可能多的VNF遷移到新的地方，該策略稱為“回歸”；另一個是將新地方的一個或多個正在運行的VNF暫停并把所有發(fā)生故障的硬件上的VNF遷移到此處，該策略稱為“預占”。如果硬件故障只是引起性能下降，而不是造成活動完全停止，那么減少VNF的數量可能會使系統(tǒng)繼續(xù)運行。VNF的留下或遷移由SLA和VNFD決定，部署配置和時間／空間約束也由它們來描述。回歸或預占由VIM來決定。VIM能夠管理和最優(yōu)化所有NFVI使用的資源。

圖2 可用資源受限時的彈性策略

4.4 空間分布

當一個物理節(jié)點負載過高時，其上運行的VNF就需要遷移到另一個具有相同性能的物理節(jié)點上，但是也許VNF遷移以后，該節(jié)點的負載情況也不會得到改善。這時候就需要采取另一種更有效的方法，那就是復制VNF并將新實例分發(fā)到多個物理節(jié)點，同時將新到來的請求分發(fā)到這些節(jié)點。最好能夠最優(yōu)化VNF正在運行的每個節(jié)點所處理的負載而無需干擾相關的實體。應當讓VIM來最優(yōu)化負載分布管理NFVI整體性能。在遷移時刻，業(yè)務成本可能會制約分發(fā)VNF，如圖3所示。

圖3 分發(fā)的彈性

4.5 業(yè)務鏈

業(yè)務鏈定義了端到端業(yè)務中的任何組件。一旦其中一個或多個組件出現問題，就有可能需要重新調整業(yè)務鏈。從彈性的角度來說，如果受損的VNF是業(yè)務鏈中的一個節(jié)點，遷移該功能至另一個資源集，就要以透明的方式確保對于其他組件有類似的連接性。遷移后VNF應當能夠達到與周邊VNF建立關系所需要的性能標準。

5 結束語

作為新的網絡架構技術，NFV一經提出就受到業(yè)界廣泛關注，逐漸成為一項推動5G及未來網絡發(fā)展的關鍵技術。網絡功能虛擬化通過使用通用性硬件以及虛擬化技術，來承載眾多的網元軟件。相對傳統(tǒng)網絡架構，網絡功能虛擬化解耦了傳統(tǒng)專用設備的軟硬件，引入了虛擬化技術來池化物理資源，對網絡架構的改動很大。ETSI牽頭的NFV架構標準化正在不斷演進，越來越多的組網細節(jié)將要被包括其中，大規(guī)模的應用指日可待。

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Network function virtualization elastic technology

LIU Lu，GUO Zhibin
Research Institute，China United Network Communications Group Co.，Ltd.，Beijing 100032，China

According to NFV ETSI standard architecture，NFV system mainly includes NFVI，VNF and MANO three function modules and sub function modules.NFV elastic technology was analyzed，and it was emphasized that the flexible goal of network virtualization was mainly to ensure the continuity of the business，application design and virtualization facilities were also affected by this goal.And the principle of elastic structure design was summarized.

NFV，virtualization，VNF

TN918.91

A

10.11959／j.issn.1000-0801.2016105

2016-02-11；

2016-03-11

劉露（1984-），女，中國聯合網絡通信有限公司研究院工程師，主要研究方向為云計算服務質量管理及標準化等。

郭志斌（1981-），男，中國聯合網絡通信有限公司研究院云計算實驗室標準組組長、工程師，主要研究方向為云計算管理、云服務市場規(guī)劃、云計算標準化等。