實現VNF業務連續的VNF虛擬機更新方法研究*

李中科，趙慧娟，蘇曉萍

（南京工業職業技術學院 計算機與軟件學院，江蘇 南京 210046）

實現VNF業務連續的VNF虛擬機更新方法研究*

李中科，趙慧娟，蘇曉萍

（南京工業職業技術學院 計算機與軟件學院，江蘇 南京 210046）

針對當前ETSI NFV框架下VNF更新操作時會引起業務中斷的問題，給出了比VNF粒度更小的VM更新策略。借助VNF內部組件的冗余機制等，提出了增強NFVO、VNFM和VNF之間交互的流程和方法，由VNFM單獨確定、VNF單獨確定或由VNFM和VNF協商確定VNF VM變更策略，通過分批次、按順序實現VNF內部組件相關VM的變更，使得NFV框架能夠在VNF不中斷業務的前提下平滑完成VNF的如擴容、升級等涉及VM變更的操作，從而提升了通信網元功能在虛擬化后的系統可用性。

網絡功能虛擬化；虛擬網絡功能管理；系統可用性；業務連續性

1　問題的引入

在ETSI定義的VNF生命周期管理中，ETSI給出了縱向擴容（Scale Up）、縱向縮容（Scale Down）和升級等VNF變更流程［3］。特別是在VNF的縱向擴容、縮容變更操作中，必然要觸發VNF相關虛擬機（VM）的重新啟動。而ETSI認為，對具體某個VNF相關的所有虛擬機的變更操作是一次完成的。因此，在VNF擴容、縮容的流程中，定義了由VNFM向NFVO發起一次VM資源變更申請，由NFVO請求VIM完成所涉及VM資源的變更并向VNFM返回響應（參照文獻［3］中附錄B的B.4.3流程）。而這一次VM資源變更處理會引起相關虛擬機全部重啟，使得該VNF的所有業務單元無法工作，引起業務中斷。為減少業務中斷時間，可以采用文獻［3］中針對網絡業務變更給出的C.5優化流程，即先根據擴容要求額外創建一個新的VNF實例，并將業務切換到新的VNF實例上，最后將待擴容的老VNF實例終止，以達到擴容的目的。這個流程雖可部分解決業務中斷時長的問題，但該流程需要對端網元感知，即對端網元需要配合該網元的擴、縮容/升級操作。目前，ETSI提供的NFV框架并沒有考慮到比VNF更低級別部件的擴、縮容和升級選項。

而實際部署中，特別是對系統可用性和數據可靠性要求很高的網元如HSS，必然在部署中采用一定的冗余機制。無論從業務層面還是從數據存儲層面，一般都會采用負荷分擔機制或主備用機制［4-5］。而該類網元在擴、縮容等更新操作時，可以借助這些網元內部的部件冗余作有針對性的更新操作設計，通過分批次地更新所有組件，達到業務不中斷且對端無感知的效果。比如，網元內部部件采用主備用冗余時，就可以先將備用部分的組件離線、更新、再上線，繼而再對主用部分組件離線、更新、再上線的操作，從而使業務自動切換回網元的主用部分組件。

對該類網元在虛擬化后，有必要借鑒非虛擬化部署時的更新策略，通過增強NFV框架下的更新流程，實現VNF內部組件粒度層次的更新，來達到VNF更新過程業務不中斷、系統持續可用的效果。本文正是基于此類VNF部署時的冗余場景，如VNF內部組件的主備用機制、負荷分擔機制等，提出增強NFVO、VNFM和VNF之間交互的NFV流程和方法，由VNFM、VNF確定或由VNFM和VNF協商確定VNF VM變更策略，分批次、順序實現相關VM的變更，使得NFV框架能夠在VNF不中斷業務的前提下，平滑完成VNF的擴容、縮容、升級等涉及VM變更的操作。

2　增強的NFV變更流程

考慮到VM變更策略可以由VNFM確定、由VNFM和VNF協商確定或由VNF確定，在不同的應用場景下，本節給出NFVO、VNFM、VIM和VNF實現VNF虛擬機變更的交互方法。

2.1 由VNFM實現VNF自定義VM變更策略

由VNFM決策VM變更策略，通過VNFM多次請求NFVO進行VM變更的交互方法，包括NFVO請求VNFM進行VNF的VM變更的場景以及VNFM主動發起的VM變更場景，VNFM確定VM的變更策略，如根據VNF內部組件之間的主備用機制、負荷分擔機制等確定VM變更的批次、順序，然后多次向NFVO發起VM變更請求，直到所有VM變更完畢。

圖1給出了通過增強NFVO、VNFM和VIM之間交互，由VNFM實現自定義VNF VM變更策略的方法。

當用戶通過NFVO執行VNF VM變更時（如擴容、縮容、升級等），采用步驟1.A框內的流程。

步驟1.A.1：用戶向NFVO發送VNF VM變更請求。

步驟1.A.2：NFVO收到用戶的VNF變更請求后，需要進行如下的預處理：①檢驗請求；②查詢VNFM是否存在，如果不存在，則部署；③請求VNFM檢查VNF變更的可行性；④請求VIM進行資源檢驗和預留。

步驟1.A.3：NFVO向VNFM發起VNF變更請求，請求中攜帶了變更參數，如變更的虛擬網元、操作類型以及操作相關的其他參數等。

步驟1.A.4：VNFM進行必要的準備工作，如校驗請求中的虛擬網元是否合法等。

當是VNFM主動發起VNF VM變更時（如擴容、縮容、升級等），則采用步驟1.B框內的流程。

步驟1.B.1：VNFM發起VNF VM變更前，需要進行一些預處理，如向VIM進行資源申請和預留。

執行1.A框或者1.B框內的流程后，執行步驟2。

步驟2：VNFM根據預先配置的規則或者本地記錄的VNF虛擬機的屬性，如VNF內部組件的主備機制、負荷分擔機制等，確定VNF VM變更的批次、順序，以便后續分批處理。然后，請求NFVO進行第一批次VM的變更。

步驟3：NFVO向VIM請求變更，請求攜帶變更的VM信息，如具體的VM列表、VM資源變更定義列表等。

步驟4：VIM進行相關VM的資源變更處理，包括修改內部連接網絡、創建VM并將新VM實例連接到網絡；變更處理完畢后，向NFVO返回響應。

步驟5：NFVO向VNFM返回變更響應，響應中攜帶變更結果，如變更的VM列表和結果等。

VNFM判斷仍然有VM需要變更，重復執行步驟2～5進行后續批次VM的變更，直到所有批次的VM變更完畢。

若是用戶通過NFVO執行VNF變更時，執行步驟6.A和步驟7.A。

步驟6.A：VNFM向NFVO返回操作響應。

步驟7.A：NFVO向用戶返回操作響應。

圖1　由VNFM決策實現VM變更策略流程

2.2 VNFM/VNF協商決策VM變更策略

由VNFM與VNF協商決策VM變更策略，通過VNFM多次請求NFVO進行VM變更的交互方法，包括：①用戶通過NFVO請求VNFM進行VNF的VM變更時，由VNFM和VNF協商確定VM的變更策略；②VNFM主動發起VM變更時，由VNFM和VNF協商確定VM的變更策略。VNFM和VNF根據VNF VM之間的主備機制、負荷分擔機制等，協商確定VM變更批次、順序，然后多次向VNFM發起VM變更請求，直到所有VM變更完畢。

圖2給出了通過增強NFVO、VNFM、VNF和VIM之間交互，實現用戶通過NFVO請求VNFM進行VNF VM變更時、VNFM主動請求VNF VM變更時，通過VNFM與VNF協商決策VM變更策略的方法。

圖2　由VNFM和VNF協商實現VM變更策略流程

用戶在通過NFVO執行VNF VM變更過程時（如擴容、縮容、升級等），執行步驟1.A；如果是VNFM發起VNF變更時，執行1.B（1.A和1.B兩個過程是二選一的關系）。

（1）當用戶在通過NFVO執行VNF VM變更時，采用步驟1.A框內的流程。

步驟1.A.1：用戶向NFVO發送VNF VIM變更請求。

步驟1.A.2：NFVO收到用戶的VNF變更請求后，需進行如下的預處理：①檢驗請求；②查詢VNFM是否存在，如果不存在，則部署；③請求VNFM檢查VNF變更的可行性；④請求VIM進行資源檢驗和預留。

步驟1.A.3：NFVO向VNFM發起VNF變更請求，請求中攜帶了變更參數，如變更的虛擬網元、操作類型以及操作相關的其他參數等。

步驟1.A.4：VNFM進行必要的準備工作，如校驗請求中的虛擬網元是否合法等。

（2）當VNFM主動發起VNF VM變更時，采用步驟1.B框內的流程。

步驟1.B.1：VNFM發起VNF VM變更前，需要進行一些預處理，如通過VIM進行資源申請和預留。

執行1.A框或者1.B框內的流程后，執行步驟2。

步驟2：VNFM向VNF發起VM變更請求（如果由VNFM確定變更的虛擬機信息，則在請求中攜帶需要變更的VM信息）。

步驟3：VNF獲取需要變更的虛擬機信息后（可以從VNFM的VM變更請求中獲取，也可以由VNF自身確定），根據VM變更策略，如預先配置的規則或者本地記錄的VNF虛擬機的屬性，按照主備機制、負荷分擔機制等，確定VM變更批次、順序。然后，請求VNFM進行第一批次VM的變更。

步驟4：VNFM請求NFVO進行VM變更，請求中攜帶變更的VM信息，如需要變更的VM列表等。

步驟5：NFVO向VIM請求變更，請求中攜帶變更的VM信息，如具體的VM列表和VM資源變更定義列表等。

步驟6：VIM進行相關VM的資源變更處理，包括修改內部連接網絡、創建VM并將新VM實例連接到網絡；變更處理完畢后，向NFVO返回響應。

步驟7：NFVO向VNFM返回變更響應，響應中攜帶變更結果，如變更的VM列表和結果等；

步驟8：VNFM將已經變更的VM列表返回給VNF。

VNF判斷仍然有VNF VM需要變更，則重復執行步驟3～8，直到所有VM變更完畢。

步驟9：VNF向VNFM返回VM變更結束響應。

若是用戶通過NFVO執行VNF VM變更時，會執行步驟10.A和步驟11.A。

步驟10.A：VNFM向NFVO返回VNF變更響應。

步驟11.A：NFVO向用戶返回VNF變更響應。

2.3 VNF發起并決策VM變更策略

在VNF主動發起VM變更時，可以由VNF單獨決策VM變更策略。VNF根據VNF VM之間的主備機制、負荷分擔機制等確定VM變更批次、順序，然后多次向VNFM發起VM變更請求，直到所有VM變更完畢。圖3給出了通過增強NFVO、VNFM、VNF和VIM之間交互的方法，來實現VNF主動發起的VM變更過程。此時，由VNF決策實現VM變更策略。

圖3　VNF發起并決策實現VM變更策略流程

步驟1：VNF發起VNF VM變更操作前，需要進行一些預處理，如向VIM進行資源申請和預留。

VNF主動發起VM變更，其根據負荷情況，確定需要變更的虛擬機列表，結合VNF的VM變更策略，如預先配置的規則或者本地記錄的VNF虛擬機的屬性，按照主備機制、負荷分擔機制等，確定需要變更的VM批次、順序，并執行步驟2進行第一批次VM的變更。

步驟2：VNF請求VNFM進行VM變更，請求中攜帶變更的VM信息，如需要變更的VM列表。

步驟3：VNFM請求NFVO進行VM變更，請求中攜帶變更的VM信息，如需要變更的VM列表等。

步驟4：NFVO向VIM請求變更，請求中攜帶變更的VM信息，如具體的VM列表、VM資源變更定義列表等。

步驟5：VIM進行相關VM的資源變更處理，包括修改內部連接網絡、創建VM并將新VM實例連接到網絡；變更處理完畢后，向NFVO返回響應。

步驟6：NFVO向VNFM返回變更響應，響應中攜帶變更結果，如變更的VM列表和結果等。

步驟7：VNFM向VNF返回VM變更響應。

VNF判斷仍然有VM需要變更，則重復執行步驟2～7，直到所有VM變更完畢。

3　結 語

本文借助于VNF部署時的冗余設計，如VNF內部組件的主備機制、負荷分擔機制等，增強了VNF VM更新的NFV框架，即改進了NFVO、VNFM、VNF和VIM之間交互的流程，通過分批次實現VNF內部組件的VM變更，使得NFV框架能夠在VNF不中斷業務的情況下，平滑完成VNF的縱向擴容、縮容和升級等涉及VM變更的操作。VNF網元內部組件的分批次VM變更策略，可以由VNFM、VNF單獨確定，也可以由VNFM和VNF協商確定。與現有技術相比，本文增強后的交互方法，使得通信網元在網絡功能虛擬化后，在保證系統可用性不受影響的前提下，實現了VNF更新操作，完全可以做到業務無中斷和對端網元、用戶無感知。

［1］ ETSI NFV Groups.ETSI GS NFV 002，Network Functions Virtualisation（NFV）；Architectural Framework V1.2.1［S］.2014.

［2］ 韓小勇.核心網控制網元虛擬化技術研究［R］.中國通信標準化協會，2014. HAN Xiao-yong.Research on Virtualization Technology of Control-Plane Network Elements［R］.Chinese Communications Standards Association，2014.

［3］ ETSI NFV Groups.ETSI GS NFV-MAN 001 Network Functions Virtualisation（NFV）；Management and Orchestration V1.1.1［S］.2014.

［4］ 4G_Americas.White Paper：NFV and SDN Networks［R］.2015.

［5］ 盧云許.虛擬機資源的變更方法、裝置及虛擬網絡功能設備：中國，CN104980297A［P］.2015-10-14. LU Yun-xu.Methods and Devices for Updating Virtual Machine Resources and Virtualized Network Function：P. R.China，CN104980297A［P］.2015-10-14.

李中科（1976—），博士，工程師，主要研究方向為通信數據融合、網絡功能虛擬化等；

趙慧娟（1981—），碩士，工程師，主要研究方向為軟件驗證、數據挖掘與信息安全等；

蘇曉萍（1971—），碩士，教授，主要研究方向為數據挖掘和機器學習、網絡推薦系統等。

VNF Updating Methods for VNF Service Continuity

LI Zhong-ke， ZHAO Hui-juan， SU Xiao-ping
（School of Computer and Software， Nanjing Institute of Industry Technology， Nanjing Jiangsu 210046， China）

To solve the problem that under the current ETSI NFV VNF frame the VNF update operations would result in service interruption of traffic， the VM updating strategy with lower level of granularity as compared with VNF is proposed. With the help of redundancy mechanism among VNF internal components，an enhanced NFV workflow for interaction in among NFVO， VNFM and VNF is described， which allows VNF VM updating determined by VNFM alone or VNF alone， or through negotiation of VNFM and VNF， thus realizing the VF updating relating to VNF internal components in batches or in sequence， and that the NFV fame could smoothly finish VNF updating operations， such as capacity scaling-up， and upgrading， etc.. And all this could raise the availability and practicability of the virtualized communication network elements.

network function virtualization； virtual network function management； system availability；service continuity

0　引 言

為提高硬件設施利用率，提升業務部署效率、降低運維成本，歐洲電信標準化協會（ETSI）制定了網絡功能虛擬化（NFV）協議標準［1-3］，在端到端參考架構中引入NFVO（網絡功能虛擬化編排器）、VNFM（虛擬網絡功能管理）、VIM（虛擬基礎設施管理）、NFVI（網絡功能虛擬化基礎設施）、VNF（虛擬網絡功能）等功能單元。NFVO主要負責全網的網絡服務、虛擬資源以及物理資源的編排和相關管理功能；VNFM主要負責VNF的生命周期管理和VNF相關的虛擬資源的分配和管理；VIM主要負責虛擬化基礎設施管理，主要功能是實現對整個基礎設施層資源包括計算、存儲、網絡資源的分配和管理；NFVI作為虛擬化資源層，包括虛擬化后新增的虛擬化平臺和原有的硬件資源；VNF指虛擬化后的網元，部署在NFVI上，執行著3GPP定義的網元功能，功能與非虛擬化時保持一致，如HSS、MME等。NFVO和VNFM協同完成VNF的生命周期管理，包括VNF的實例化、擴容、縮容、升級和終止等過程［3］。

NIIT Science Research Foundation （No.YK15-04-01）；NIIT Innovation Team Program （No.TK15-04-01）

TN914

A

1002-0802（2016）-10-1344-05

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.10.015

2016-06-06；

2016-09-17

data：2016-06-06；Revised data：2016-09-17

南工院科研基金資助項目（No.YK15-04-01）；南工院科技創新團隊資助項目（No.TK15-04-01）