NFV彈性技術(shù)
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劉露，郭志斌
（中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院，北京100032）
摘 要：NFV (network function virtualization，網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化解耦了傳統(tǒng)專用設(shè)備的軟硬件，引入了虛擬化技術(shù)來池化物理資源，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改動很大。對NFV彈性技術(shù)進行了分析，強調(diào)了網(wǎng)絡(luò)虛擬化的彈性目標(biāo)主要是確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性，應(yīng)用設(shè)計本身和虛擬化設(shè)施均受此目標(biāo)影響。歸納了彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計原則，給出彈性用例并進行總結(jié)。
關(guān)鍵詞：NFV；虛擬化；VNF 中圖分類號：TN918.91
doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016105
1 引言
NFV的本質(zhì)是網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的虛擬化和云化，以虛擬化實現(xiàn)軟硬件解耦，以云化實現(xiàn)硬件資源的共享和系統(tǒng)隨業(yè)務(wù)大小的自動伸縮，從而支撐業(yè)務(wù)的快速創(chuàng)新和快速上線。NFV的目標(biāo)是通過基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的x86服務(wù)器、存儲和交換設(shè)備，取代通信網(wǎng)絡(luò)中那些私有專用的網(wǎng)元設(shè)備。為了實現(xiàn)這一愿景，學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界進行了不懈創(chuàng)新，擬基于通用標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、存儲和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備并利用IT虛擬化技術(shù)以軟件的方式實現(xiàn)現(xiàn)有多種電信設(shè)備的功能，推進電信網(wǎng)絡(luò)虛擬化架構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)的研發(fā)工作。
2 NFV彈性技術(shù)
在IT領(lǐng)域和電信領(lǐng)域?qū)τ跇I(yè)務(wù)連續(xù)性的要求級別不同：在IT領(lǐng)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(wù)恢復(fù)；但是在電信領(lǐng)域，中斷時長應(yīng)當(dāng)?shù)陀诳杀鎰e的水平，業(yè)務(wù)的恢復(fù)依靠系統(tǒng)自動執(zhí)行。因此在電信領(lǐng)域，服務(wù)中斷所影響的用戶數(shù)應(yīng)當(dāng)被限制在一定范圍內(nèi)，不能造成大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)中斷。
電信網(wǎng)絡(luò)是國家關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的一部分，其業(yè)務(wù)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(wǎng)絡(luò)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(wù)（如短信服務(wù)）對可用性的要求相對較低。因此，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化架構(gòu)需要支持識別多個可用性類別。
網(wǎng)絡(luò)虛擬化的彈性目標(biāo)主要是確保業(yè)務(wù)的連續(xù)性，應(yīng)用設(shè)計本身和虛擬化設(shè)施均受此目標(biāo)影響：VNF需要確保端到端服務(wù)部分的可用性：VNF的設(shè)計需要能夠識別NFVl(network funCtion vitualization infrastructure)，比女口在網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)描述符(network service descriptor，NSD)和虛擬網(wǎng)絡(luò)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(yīng)當(dāng)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(fù)。
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(wù)創(chuàng)建、動態(tài)負載適應(yīng)或過載預(yù)防。NFV-MANO是構(gòu)建高可用性的虛擬VNF的先決條件，對于業(yè)務(wù)可用性的主要作用是將基礎(chǔ)設(shè)施故障對于端到端業(yè)務(wù)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(nèi)，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(chǎn)生故障都不會對VNF的業(yè)務(wù)傳輸產(chǎn)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(yīng)當(dāng)支持將組件恢復(fù)到故障發(fā)生前的狀態(tài)。
業(yè)務(wù)彈性取決于NFVI的可靠性以及VNF內(nèi)部的彈性。這些指標(biāo)由VNF基礎(chǔ)設(shè)施提供的彈性和內(nèi)置在構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的VNF的彈性機制構(gòu)成。
為了完全實現(xiàn)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(nèi)部相關(guān)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(wù)連續(xù)性、網(wǎng)絡(luò)拓撲透明性、回歸和預(yù)占、空間分布以及業(yè)務(wù)鏈。
4.1 業(yè)務(wù)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(dāng)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(wù)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(chǎn)生影響。業(yè)務(wù)連續(xù)性有如下兩個典型場景。
·無狀態(tài)業(yè)務(wù)連續(xù)性：該場景適用于事務(wù)業(yè)務(wù)，比如 DNS。每個事務(wù)相互獨立，在服務(wù)器宕機不能提供服務(wù)的情況下，它只能夠?qū)NF提供的業(yè)務(wù)遷移到新的虛擬機和／或硬件實體。
·有狀態(tài)業(yè)務(wù)連續(xù)性：該場景適用于基于會話的業(yè)務(wù)，比如會話發(fā)起協(xié)議( session initiation protocol，SIP)。當(dāng)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(wù)性能，對于使用業(yè)務(wù)的實體來說，可以視為“業(yè)務(wù)連續(xù)”。為了能夠確保狀態(tài)的完整性和可用性，當(dāng)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)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(dāng)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(wù)。
從彈性的角度（考慮到災(zāi)難恢復(fù)和資源利用的靈活性）來說，希望能夠?qū)溆霉?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(wǎng)絡(luò)中IP數(shù)據(jù)分組應(yīng)當(dāng)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(yīng)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(yīng)當(dāng)用諸如VNFD的機制來描述。
4.3回歸和預(yù)占
當(dāng)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(wù)的功能和性能。但是，在實際應(yīng)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(wù)等級協(xié)議(SLA)盡可能將部分VNF遷移到新地方。圖2展現(xiàn)了這種情形的兩個策略：一是根據(jù)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(yù)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(shù)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�；貧w或預(yù)占由VIM來決定。VIM能夠管理和最優(yōu)化所有NFVI使用的資源。
4.4空間分布
當(dāng)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(fù)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(guān)的實體。應(yīng)當(dāng)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(wù)成本可能會制約分發(fā)VNF，如圖3所示。
4.5業(yè)務(wù)鏈
業(yè)務(wù)鏈定義了端到端業(yè)務(wù)中的任何組件。一旦其中一個或多個組件出現(xiàn)問題，就有可能需要重新調(diào)整業(yè)務(wù)鏈。從彈性的角度來說，如果受損的VNF是業(yè)務(wù)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(yīng)當(dāng)能夠達到與周邊VNF建立關(guān)系所需要的性能標(biāo)準(zhǔn)。
5結(jié)束語
作為新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)．NFV -經(jīng)提出就受到業(yè)界廣泛關(guān)注，逐漸成為一項推動SG及未來網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化通過使用通用性硬件以及虛擬化技術(shù)，來承載眾多的網(wǎng)元軟件。相對傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化解耦了傳統(tǒng)專用設(shè)備的軟硬件，引入了虛擬化技術(shù)來池化物理資源，對網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的改動很大。ETSI牽頭的NFV架構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化正在不斷演進，越來越多的組網(wǎng)細節(jié)將要被包括其中，大規(guī)模的應(yīng)用指日可待。
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