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网络功能虚拟化技术研究

范文

崔文博++侯大海

[摘要]SDN/NFV技术可让网络实现“资源可全局调度、能力可全面开放、容量可弹性伸缩、架构可灵活调整”，能够有效降低CAPEX/OPEX，并更好地满足客户需求，本文主要介绍了NFV的架构和NFV层次。

[关键词]NFV；虚拟化；SDN

doi：10.3969/j.issn.1673 - 0194.2017.16.090

[中图分类号]TP393.01 [文献标识码]A [文章编号]1673-0194（2017）16-0-02

1 传统网络问题

目前，运营商的网络建设及业务正面临着越来越多的挑战，既要面对OTT竞争，又要承受降低投资成本（CAPEX）以及运营成本（OPEX）的压力，同时还要满足消费者体验需求的互联网化，为不同用户提供差异化服务。运营商正面临流量成本与收入的剪刀差持续扩大、增量不增收的窘境，转型已刻不容缓。网络架构重构已成为网络可持续发展的必然要求。

2 NFV架构

2012年11月，13个运营商在ETSI组织下成立了一个组织NFV-ISG，致力于推动“网络功能虚拟化”，发布了NFV白皮书，提出了NFV的目标和行动计划。

NFV（Network Function Virtualization），指的是网络功能虚拟化技术，即用软件来安装、控制、操作那些运行在通用硬件上的网络功能，融合了云和虚拟化技术，使新一代网络业务拥有更好的伸缩性和自动化能力。ETSI NFV标准架构如图1所示。

NFV主要包括三部分架构：NFVI、VNF、MANO。

第一部分，NFVI（NFV Infrastructure）包含物理硬件和虚拟硬件以及虚拟化层（hypervisor，如vSwitch、KVM、XEN等）。物理设备主要包括COTS（commercial-off-the-shelf）服务器、交换机、存储设备等。COTS服务器主要指标准的X86服务器；交换机主要为了实现服务器之间以及服务器与外网的互联；存储设备主要满足网络数据存储需求。由于目前SDN不够成熟，不能满足NFV的需求，因此用户需要通过交换机来实现设备互联需求。随着SDN的发展，SDN融入NFV网络，替换现有交换机将是必然趋势。NFVI可以跨越若干个物理位置进行部署，此时，为这些物理站点提供数据连接的网络也称为NFVI的一部分。目前，一部分IT公司可以提供NFV所需物理服务器，包括华为的E9000、F8000，HP的H7000，IBM的标准服务器，浪潮的标准服务器等，而虚拟化层软件可以选择的也较多。

第二部分，VNF指的是具体的虚拟网络功能，可以提供的网络服务是软件，可以理解为手机的APP。目前，VNF的功能仍主要由CT公司提供。华为、中兴、爱立信、诺西等均可以提供VNF软件。目前，VNF软件主要是实现核心网包括EPC和IMS的虚拟化，并利用云化系统将NFVI提供的虚拟化资源整合为虚拟设备，然后在虚拟设备的上安装Guset OS以及相应的功能软件。对应VNF，传统的基于硬件的网元可称为PNF，VNF和PNF可以单独组网或混合组网，提供特定场景下所需的E2E网络服务。NFV、VNF看似相似实则含义截然不同。NFV是一种虚拟化的网络架构，解决了将网络功能垂直部署在通用服务器上的问题；而VNF则是一种网络服务。

第三部分，MANO（Management and Orchestration），指的是NFV的管理和编排，由NFVO（NFV Orchestrator）、VNFM（VNF Manager）以及VIM（Virtualised infrastructure manager）三部分共同组成。其向上接入OSS/BSS，向下可以连接管理物理设备，中间还可以管理虚拟化设备。Orchestration的本意是管弦乐团，在NFV架构中，NFVO更像是乐队指挥，控制着整个乐团的各个乐器的组成以及配合。各个VNF、PNF就是乐团中的某种乐器，只能根据乐队的指挥命令完成自己的职责，也只有在指挥的控制下，整个乐团才能够在正确的时间做正确的事情，才能发挥应有作用。

3 NFV层次

NFV被分為了NFVI层和VNF层，因此每层需要不同的管理组件。

VIM用于管理NFVI层，包括管理物理硬件以及虚拟硬件。VIM可以获得硬件的维护信息，同时VIM还负责VNF的虚拟资源分配，包括虚拟计算资源、虚拟存储资源以及虚拟网络资源。开源的Openstack及非开源的VMWare均具备VIM功能，部分厂家根据自己的理解增强了VIM功能。

VNFM用于管理VNF层，主要是VNF的生命周期管理，如包括VNF的创建及删除、Scale in/out、监控VNF的状态、image onboard、系统安装、软件部署等。在创建VNF前，VNFM会读取VNFD（VNF描述文件），根据VNFD文件中的资源说明创建VNF，创建后则根据VNFD文件中的策略来管理VNF。

NFVO用于管理整个网络业务的生命周期，包括管理NS的生命周期，通过与VNFM的协作可以协调VNF生命周期的管理，通过与VIM的协作可以协调NFVI各类资源的管理。NFVO不仅管理了整个网络资源，还负责管理各类资源之间的连接，通过统一管理确保各类资源分配以及连接最优化。NFVO主要基于NSD（网络服务描述）实现，NSD中包含Service chain、NFV以及性能目标等信息。

4 SDN和NFV的区别

4.1 SDN与NFV的关键点

SDN与NFV的核心及关键点如表1所示。

4.2 SDN与NFV关注的层次不同

SDN与NFV关注的OSI层次模型如图2所示。对比OSI模型，SDN主要是处理OSI模型中的2～3层，而NFV则主要处理OSI的4～7层。

SDN改变的是网络的基础设施架构，包括以太网交换机、路由器等数据路由设备。NFV改变的是业务网络架构，比如负载均衡、防火墙、网络优化控制器等。

5 结语

NFV不但可以在Capex/Opex上帮助运营商减少消耗，同时也是5G时代网络组成的重要技术。5G时代不仅仅是人与人的互联，还是人与物的互联、物与物的互联。5G网络的需求多样，并且应用场景非常广泛，不能像原来那样基于软硬件高度耦合的方式来解决问题。未来的5G网络是面向全连接的网络，必然需要网络支持切片，满足多样化需求，而要实现这一点，运营商就必须引入NFV技术，采用通用处理器构建资源池的方式实现软硬件的解耦合。

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