基于NFV技術的高負載網絡設計

李淑玲 張新姿

摘要：在當今時代，網絡對于人們來說是不可缺少的，如：微信支付，電子競技，網絡電視，智能家居等，網絡已經廣泛的應在人們的日常生活中了。由于核心層數據流量過大，導致核心層負載過高，傳統的技術已經難以支撐現有的網絡業務，當前的網絡架構已經開始被運營商逐漸淘汰，NFV技術的出現解決了網絡核心層負載過高的問題。文章通過對NFV可靠性和可用性的分析，提出NFV架構下的檢測機制和流程，同時給出快速故障恢復方案和容災部署方案，為NFV場景下網絡可靠性設計提供參考。

關鍵字：網絡功能虛擬化;負載分擔;企業網絡設計

中圖分類號：TQ437文獻標識碼：A 文章編號：1001-5922（2019）06-0180-06

1 NFV發展的背景

隨著網絡的快速發展，云計算技術和虛擬化技術也隨之逐漸成熟起來，網絡業務已經開始逐漸向云數據中心遷移，硬件式儲存已經逐漸向軟件式儲存發展，所以網絡的流量也是爆發式的增長。NFV（Network Function Virtualization）技術是虛擬網絡的關鍵技術，網絡虛擬化的應用增強了網絡自動化功能，從而有效降低了傳統網絡的運維壓力。隨著網絡虛擬化技術的廣泛應用，運營商可以根據用戶的需求隨時部署和調整網絡架構，不再僅僅是使用傳統網絡硬件設備去部署網絡架構，網絡虛擬化技術能夠快速的響應用戶的需求，根據用戶的需求快速的進行網絡部署，業務更新速度快速增長，網絡調度也更加的靈活。移動運營商更專注于軟件開發，硬件要求不高。因此，當為用戶服務時，軟件的靈活性使服務性能提高，并且硬件通用性降低了成本。隨著移動運營商的成功經驗，電信運營商逐漸開始轉型并開始塑造以軟件為中心的商業模式。NFV網絡功能虛擬化技術的出現為電信運營商提供了一個新的轉變，使他們能夠發展。降低成本將增加靈活性，并且不會與硬件設備相關聯。產能擴張將更加靈活。在未來的網絡中，NFV關鍵技術將成為主要運營商不可或缺的一部分。

未來的世界將會是數字化、智能化、一體化的。云計算技術、存儲技術、大數據分析、物聯網技術、移動物聯網、工業物聯網以及高清視頻、虛擬現實等將成為未來的熱點業務，數據流量或者連接數的快速增加、用戶體驗的要求升高和新業務越來越多的需求將是運營商面臨的主要問題。在數據流量的方面，運營商網絡的數據流量將會爆炸。就連接數量而言，預計到2020年，全球將有2000億個物聯網終端連接到互聯網。在用戶體驗方面，用戶的需求將反映在實時，定制，自助服務和社交分享中。

NFV將會帶來的影響如下：

第一，網絡運營商的網絡建設，運營維護，業務創新和管理模式將通過網絡功能虛擬化技術進行改變。

第二，網絡功能虛擬化技術在近幾年來的發展可能會導致通信設備制造業的重心調整。

2NFV技術研究現狀

NFV技術從開始研究到現在經歷了很長的歷程，直到2014年12月的時候才結束了第一個階段的工作，從2015年才準備進入第二個階段，現如今，國際標準組織將NFV技術主要劃分成以下工作組：

①技術委員會組：負責NFV-ISG的全部工作;②虛擬化基礎設施的體系結構組：負責虛擬化基礎設施架構;③管理和編制組：負責管理和編排功能;④軟件體系結構組：負責軟件架構;⑤可靠可用性（R&A）組：負責完成可靠性和可用性;⑥性能和便攜性組：負責性能和可攜帶性;⑦安全組：負責NFV技術安全;

目前由負責整體NFV-ISG工作的組制定的四個總體標準已經完成，其他各工作組定義的文稿也基本穩定。

3 NFV關鍵技術的具體架構

NFV（Network Function Virtualization）也被稱之為網絡功能虛擬化。它是采用了虛擬化技術和一些具有多功能性的網絡硬件設備，去配合一些具有很多功能的軟件設備去解決網絡運行時存在的一些潛在問題，以此來降低高昂的網絡硬件設備的成本。為了降低網絡設備的高成本，它可以通過軟件和硬件以及功能抽象來解耦，因此網絡設備的功能不再依賴于單個單元硬件。可以使資源得到更充分、更全面的運用。NFV作為一種創新性的網絡架構，它集中反映了各大運營商對于降低網絡成本、提升業務創新速度的需求。各大運營商可以根據各自的實時需求利用網絡進行資源的自動部署、彈性膨脹，故障隔離和自我修復，這將會從側面促進新產品的研發和上市速度，率先擁有此技術的將會走在行業的前列為自身創造不菲的價值。

網絡功能虛擬化技術架構作為創新型架構之一，為了實現設置統一的網絡硬件設備資源池再加上業務軟件的架構去代替了傳統網絡的那些封閉性的硬件設備，它能夠反映出運營商對于降低網絡成本、提升業務創新速度的訴求。網絡功能虛擬化技術與SDN結合使用將對未來通信網絡的發展帶來重大的影響，同時也會帶來新的問題和挑戰。

SDN+NFV技術的應用越來越廣泛，在現在這樣一個行業發展趨勢下，運營商網絡將面臨使其能夠與當前網絡有效集成的問題，這就要求傳統網絡要深入的發生改革發生變化，現在，對網絡服務類型，流量和服務質量有了新的要求。因此，在SDN+NFV環境中促進對運營商網絡變化和業務改革的探索尤為重要。

NFV主要框架：最底層是網絡功能虛擬化基礎設施層，再上一層是管理和編排層面，再接下來是虛擬網絡函數層，而最上層則是操作支持系統和業務支持系統層面，也就是所謂的OSS/BSS層。

一般來說，NFV框架分為三個部分：NFVI（Network Function Virtualization Instruction）——網絡功能虛擬化基礎設施層;VNF Layer（Virtualiza-tion Network Function）——虛擬網絡功能層;MANO（ManaRcmcnt And Orchestration）——管理和業務編排層。NFV的具體架構如圖1所示。

（1）NFVI（網絡功能虛擬化基礎設施）對應成功能平面則是數據平面，數據平面它一般是用于轉發數據并且提供網絡資源用于運行網絡服務。NFVI它包括物理基礎設施、虛擬化層和虛擬化基礎設施三個層次。網絡功能虛擬化技術所建立的統一資源共享的資源池就在NFVI這一層面。

（2）VNF（虛擬網絡函數）對應于應用平面，VNF這部分主要承受的是可以被看作成應用的VNF。虛擬網絡函數是一種在網絡功能虛擬基礎設施上工作的網絡函數，對其他的網絡功能、虛擬化網絡功能管理和網絡功能虛擬化基礎設施提供接口。

（3）MANO（管理和編排）對應的是控制平面，控制平面主要負責構建各種VNF（虛擬網絡函數）之間的連接和編排NFVI（網絡功能虛擬化基礎設施）中的資源。NFV的整體管理和編排很明顯一般都是由MANO（管理和編排）提供的，OSS/BSS向下接人的是MANO。

在MANO管理和編排這個層面中每個部分的功能如下：

VIM，主要管理著的資源分配情況，以及負責管理下層也就是網絡功能虛擬化基礎設施層的網絡資源，云計算資源以及存儲資源等。

VNFM，虛擬化網絡功能管理器的主要功能是對虛擬化網絡函數進行管理，以及對VNF層面的各個實例進行更新，搜索以及實例的擴展和終止動作等。

NFVO，它主要負責管理和編排其他兩個部分的資源和軟硬件或資源的生命周期等。

4NFV技術應用

NFV技術主要是應用于大型企業網絡架構，可以降低大型企業在購買不同廠家的大規模硬件設備時的成本，可以避免大型企業需要新增硬件網絡設備時需要進行不同廠家之間需要進行設備融合的問題，以下是針對某煤礦企業高負載網絡的設計方案，運用NFV技術解決網絡負載過大、設備軟硬件一體化以及成本過高等相關問題。

4.1項目需求

客戶想要降低運營成本，解決不同廠商設備之間的硬件設備需要相互融合的問題，想要操作簡單，整個網絡的部署和運營多多依靠于軟件設備而不是硬件設備，并且可以將硬件資源進行統一管理和配置使運維研發一體化，讓網絡更加靈活一些不再那么的死板，當需要增加新型業務時，可以不需要再去動用人工增加設備重新進行配置，用一個大型共享的虛擬的資源池去存儲資源，當需要的時候直接可以下發配置，使資源可以靈活運用。客戶希望系統層面可以做到轉發與控制分離，資源層面可以節省網絡資源，提高網絡資源調度靈活性和利用率，網元層面由傳統的軟硬件一體化網元可以變成基于統一云平臺的虛擬網絡功能網元。客戶需要滿足它們以后可以融入更多的設備、更多的視頻流量、以及以后將會加入的人員定位系統等應用的需求，不需要再去添加更多的硬件設備，重新配置等問題，當需要進行資源調度時，可以直接進行調度，而不需要去人工操作。

現在煤礦集團網絡拓撲如圖2所示。

4.2方案設計

NFV主要是將軟硬件進行解耦，使軟硬件分離網絡設備不再受制于硬件設備，是進行構建統一的資源共享池，在需要資源進行調度時能滿足靈活運用，當客戶想要進行網絡擴展時，只需要在資源池中調度資源，不會再受制于硬件設備，網絡功能虛擬化技術將網絡設備部署在擁有普遍性的X86服務器上。客戶的需求正是希望自己的網絡設備不僅僅只依靠網絡硬件設備，想要軟件和硬件互相分離并且互相合作，既降低了成本又提升了網絡架構的性能。由于NFV網元是虛擬網元，因此功能靈活，當客戶想要拓展新的業務時，只需要在虛擬化基礎設施層面去創建一個新的虛擬設備，不需要再去改變最底層的X86服務器，因此可以實現網絡和業務的快速布置和快速的上線等。主要設計如圖3所示。

NFV它從功能平面上來分析，可以分為管理平面和數據轉發平面。NFV的管理平面主要是用于業務的管理和分析等，NFV的數據轉發平面適用于轉發數據和業務等。其結構如圖4所示。

NFV場景下的寬帶業務網關，從一定程度來說可以看作是一臺路由器，系統的軟件體系架構主要可以分為控制平面和數據平面兩個部分：控制平面主要負責業務分布管理、監控分析、以及配置管理等控制層往上是管理層，管理的主要作用是為用戶提供圖形化操作管理界面，包括覆蓋網絡和底層網絡的統一拓撲管理，圖形策略配置，設備性能監控，安全事件和策略等;數據平面主要負責數據的傳輸、流量的轉發等，負責轉發，封裝，解封裝，防火墻和負載均衡服務。轉發層的具體設備包括交換路由設備和安全設備。

4.3實驗測試

目前業界內有許多云計算技術，主流的有Open-Stack、CloudStack等。但云計算平臺比較成熟的是OpenStack云計算管理平臺方案。虛擬實驗室云計算平臺基于OpenStack平臺進行實驗，在實驗室的X86服務器上進行功能劃分。它是由兩臺服務器作為Con-troller節點，兩臺服務器作為Network節點，剩余機器作為Compute節點。由Controller提供管理服務、Net-work節點提供網絡服務、Compute節點提供計算服務。在對NFV技術中的網元設備進行測試時會需要以下工具：Tcpdump、Spirent TestCenter等。

4.3.1OpenStack中NFV虛擬網元虛擬化實現

虛擬實驗室OpenStack中使用了Libvirt進行虛擬化的實現。Libvirt的為各種虛擬化工具提供一套方便、可靠的編程接口，管理多種不同的虛擬化方式。NFV虛擬網元在OpenStack平臺上的虛擬化過程如圖5所示。

4.3.2NFV虛擬網元的孵化方式

常見的Instance只是連接OpenStack中的一個子網。通過OpenStack本身的L3-agent的路由器進行對不同子網其他Instance的訪問。而將NFV虛擬網元加人OpenStack中則是需要讓這個Instance連接2個及以上的子網，實現子網之間的流量通過這個NFV虛擬路由器進行轉發。可以將NFV的虛擬網元在OpenStack中當作Instance進行孵化，但是需要將流量通過NFV的虛擬網元，并且能夠使得NFV虛擬網元本身的路由和轉發功能能夠實現。

4.3.3利用Spawn方法為新建立的NFV虛擬網元參數獲取配置數據conf，并把獲取的數據conf轉換為xml格式，得到XML配置文件/var/lib/nova/in-stances/instance id/libvirt.xml。

NFV虛擬網元連接不同網絡之間的路由通信：在Neutron上每創建一個網絡都會新建一個NetworkNameSpace服務，Namespace是網絡隔離的一種表現形式。在Neutron中我們可以使用命令將兩個需要相互連通的網絡加入到Router Network NameSpace中，這時Router Network NameSpace中就會出現兩個網絡接口連接到OVS bridge-int上，并且這兩個網絡接口的IP地址就是兩個網絡的網關。除此以外，我們需要在Router Network NameSpace中設置net.ipv4.iD_for-ward參數為1，這樣就可以在Router NetworkNameSpace內部進行不同網段數據的轉發，至此兩個不同網絡就可以打通了。

在OpenStack中可以使用Tcpdump工具進行流量的監控，通過Namespace進行網絡連通性檢查。

4.3.4測試結論

Openstack內部本身的Router是之間用qr接口直接連接到br-int上的。整個過程可以在上述的Namespace中得到證明，所以兩個連接Router的In-stance能夠進行通信并ping通。因此NFV技術得以應用，客戶的問題也得以解決。如：NFV技術被應用在網絡中解決了運營商網絡復雜且業務密切相關的問題;它通過構建統一的資源池，進行自動下發配置文件解決了網絡和業務彼此分離，缺乏協同的問題;并且通過軟硬件解耦的侍性解決了網絡設備使用軟硬件集于一身的封閉性網絡架構的問題，網絡實現了彈性伸縮，故障隔離;NFV技術應用在企業網絡中使企業不再使用專用的硬件設備降低了運營商的成本，解決了企業網絡中成本過高的問題。

5 總結

NFV技術解決方案解決了用戶的高負載網絡問題、實現了軟硬件耦合、硬件資源實現了統一管理、資源的全局調度與部署、以及降低了客戶的運營成本等問題。該設計主要是對用戶的需求進行采集、分析等操作，以及對用戶的企業網絡部署進行查看，然后將用戶企業網絡現狀的拓撲圖勾勒出來。在拓撲圖上對網絡現存的問題進行標注，然后再根據客戶的需求去規劃整個方案，其中包括拓撲的搭建、原理的分析、NFV技術內部的框架以及部分內部框架的數據傳輸過程等，讓客戶可以更加直觀的看懂NFV技術的一個內部框架結構，以及通過它的技術原理使客戶可以更清晰明了的理解NFV技術的功能以及優勢。

在未來發展中，網絡功能虛擬化技術將會是以一個更加成熟的技術出現在人們面前，它的技術將會更加的成熟、規模部署會不斷壯大、運營變革會步入成功階段，開放式的網絡架構會更加清晰的展現在人們的眼前，平臺也會更加完善，產品和解決方案也日益成熟，共贏的產業形態初步形成。