网络功能虚拟化：基于虚拟化的中间件盒子

2014-12-13房爱军汪军

中兴通讯技术 2014年6期

房爱军+汪军

中图分类号：TN929.1 文献标志码：A 文章编号：1009-6868 （2014） 06-0052-05

摘要：基于虚拟化的中间件盒子的模型，采用x86架构的电脑硬件设备，依托虚拟化平台构建了一种集成了路由器、语音服务器、虚拟桌面等服务的虚拟中间件盒子。该虚拟中间件盒子采用了中间件盒子的概念，即在标准的服务器上运行开源的虚拟化平台，如XEN、KVM等，并运用网络功能虚拟化（NFV）的理念和软件定义网络（SDN）的理念进行控制管理，最终实现为每个组织、企业、个人提供虚拟通信网络服务（网络功能虚拟化）和虚拟运营服务。

关键词：虚拟化;网络虚拟化;软件定义网络;网络功能虚拟化;中间件盒子

Abstract： In this paper， we describe a virtualization-Middlebox-based model that has x86-architecture hardware based on platform virtualization to build Virtual Middlebox of integrated routers， voice server， virtual desktop service and other services. Virtual Middlebox incorporates the concept of Middlebox， which runs the open-source Platform Virtualization such as XEN and KVM. It manages using Network Function Virtualization （NFV） and software-defined networking （SDN）. Finally it provides communications service of virtualization networks （NFV） and operational services for each organizations， enterprises and individuals.

Key words： virtualization; network virtualization; software-defined network; network functions virtualisation; middlebox

未来的通信网络是开放、共存和融合的，它的硬件基础架构是通用、标准和开放的，管理平台是融合、共存和开放的[1]。传统通信网络的应用程序和通信协议用固定的配置绑定在网络硬件上，由于缺乏基础硬件架构的开放性和业务应用运营的灵活性，新的通信网络架构需要“推倒从来”地进行设计和规划。由于运营商网络通常是由数千类的通信设备组成，“推倒从来”无论是设备投资（CAPEX），还是运营成本（OPEX）都非常高[1-4]。

本文构想了一种称为虚拟中间件盒子（Virtual Middlebox）的通信网络的通用设备[3-6]。它采用了中间件盒子的概念，即在标准的服务器上运行开源的虚拟化平台，如XEN、KVM[5]等，并运用网络功能虚拟化（NFV）的理念和软件定义网络（SDN）的理念进行控制管理，最终实现为每个组织、企业、个人提供虚拟通信网络服务（网络功能虚拟化）和虚拟运营服务。希望为未来通信网络设计和架构提供一些思路和想法[6]。

网络功能虚拟化（NFV）的目标是通过改变传统的运营商网络架构，利用通用标准的IT服务器、存储，基于虚拟化的技术实现传统网络设备的功能，如路由器、交换机、基站控制器、多业务接入服务器等。网络节点由软件进行控制和管理，统一调度和使用标准的网络硬件资源。标准的IT通用硬件资源可以随时根据用户需求进行调配和优化，用软件的管理平台实现按需分配的云化网络[4]。欧洲电信标准协会（ETSI）定义了可以用虚拟化技术实现的设备网元。传统网络设备过渡到网络功能虚拟化的方案如图1所示。

1 虚拟化技术

1.1 虚拟化

虚拟化是对IT硬件资源和基础网络资源的抽象和共享使用。这种共享概念是在1960年由IBM最早提出（IBM M44/44X系统）[8-9]。对虚拟机的架设和管理被称为平台虚拟化，现在也被称为服务器虚拟化[9]。

虚拟化概念是新的计算机领域的应用理念，它把IT硬件资源抽象为相互隔离的逻辑部分，每个逻辑部分创造了一套独立的IT系统环境，其中包括虚拟内存、虚拟硬盘、虚拟网卡和虚拟处理器等[5]。这个逻辑的IT系统环境被称为虚拟机，整个系统常常称为虚拟化服务器或虚拟化主机。随着IT技术的发展，虚拟化已经是通信网络的重要组成部分，例如虚拟化技术在云计算中的应用、虚拟化服务器在网络中的部署和网络设备的虚拟局域网。与此同时，虚拟化技术在有线网络和无线网中得到了很好的发展，出现了网络虚拟化、无线虚拟化[1]。

SDN是管理员，控制和管理整个网络。NFV是基于虚拟化的网络设备，提供灵活的组网和弹性的网络部署[7]。

1.2 网络虚拟化

网络虚拟化，即通过虚拟技术共享网络硬件资源，为用户提供个性定制化的网络通信服务，其中包括无线、有线服务[2]。当前基于传统运营硬件资源构建的虚拟运营商服务，是通过把现有的硬件网络资源运用云计算的虚拟化技术共享给多个运营商使用。其中的硬件资源通过软件控制、隔离，根据适时用户量情况进行分配和收费。充分发挥硬件网络资源，减少重复网络基础建设和硬件投资（CAPEX），降低运营成本（OPEX）提高运营商利润[4-7]。

1.3 软件定义网络

SDN的理念主要是希望采用软件来控制网络，使得网络能力能够开放，让基于网络的创新能够更方便、更快捷。

通过控制平面与数据平面的分离，SDN架构将网络底层网络设施与网络应用抽象分离开来，从而实现构建可管理、可编程的、可动态改变的网络[7]。本文认为未来网络将越来越依赖于软件，SDN这种新颖的、动态的网络架构将提高网络的延展性、灵活性和可管理性，从而实现网络变革并带来新一波的技术创新。

1.4 网络功能虚拟化

NFV提供了一种新的方式来设计，部署和管理网络服务。NFV从专有的硬件设备解耦网络功能，如网络地址转换（NAT）、防火墙、入侵检测、域名服务（DNS）、缓存等，这样专有的硬件设备就可以在软件上运行。

NFV的主要设计思路是硬件平台采用通用服务器，服务器之上运行虚拟化软件并生成虚拟机，各种网元以软件的形式运行在虚拟机当中[4]。

1.5 中间件盒子

中间件盒子是一种提供多种应用服务的网络设备[10]，其中包括防火墙、路由、负载均衡和缓存功能等。现在，越来越多的中间件盒子利用软件平台开发，提供各种网络服务，并可以部署在网络的任意位置。例如，在标准的PC机或服务器上安装Linux或Unix类操作系统，并根据用户需求部署火墙、路由、负载均衡和缓存功能的应用包。简单配置之后，这就是一台可以提供多种服务功能的中间件盒子。

当虚拟化技术被广泛的应用的同时，中间件盒子的应用服务同样可以基于虚拟化。软件定义网络提供动态的网络管理和安全的隔离控制，网络功能虚拟化提供全新的网络功能和多样的应用场景。无限的功能扩展和丰富的部署场景，使得基于虚拟中间件盒子拥非常有广阔的应用空间[6]。

2 构想架构的虚拟化网络

虚拟化技术在逐渐地融合着传统通信网络，不同的业务模式会有相对应的虚拟化技术应用场景，为用户提供全新的服务体验和经济收益。应用场景的差异，也产生了不同的虚拟化技术，如基于数据流的虚拟化、基于协议的虚拟化、基于光通信的虚拟化等[1]。所有的虚拟化技术都是为了构建一个开放、共存和融合的通信网络，并取得了丰硕的成果，如虚拟化网络的软件定义网络、网络功能虚拟化等。

本文构想架构的虚拟化通信网络采用了SDN和NFV的理念，其核心理念是软件化通信网络，提高网络的创新、开放、便捷、灵活和标准化。

在这里的基于虚拟化的通信网络的系统架构，描述了虚拟化的通信网络基本组成和要素，其中主要有3个层面两大接口，包括逻辑上的应用层面的应用控制器、控制层的集中控制器和最底层的基础设施层（网络物理硬件资源层），以及北向接口和南向接口[7]。一种构想架构的虚拟化通信网络如图2所示。该系统架构的特点有：

（1）控制和转发的分离

通信网络设备通常有控制平面（信令）与转发平面（数据），在对这两个平面抽象化和逻辑化之后，分离成相对独立的两个部分。转发平面部分只负责业务数据的转发，控制平台只负责接收来自应用控制层的指令并传递给数据转发平面。

（2）开放接口

未来通信网络最主要的特点是开放，只有提供了开放的接口，才有会更多的厂商和组织参与进来开发更好的系统应用。使用SDN的概念，提供与控制应用层对接的北向接口和与数据转发层对接的南向接口。这些接口是开放的可编程接口，如OpenFlow、OpenStack、Open Daylight[7]。各平面之间相对独立，只需要关注自身的逻辑，而不需要关注底层平面业务实现细节，并通过开放的接口传递信息。

（3）集中控制

传统的通信网络很难有一个整体的网络状态视图，特别是上千节点的大型网络。逻辑上的集中控制平面可以控制多个转发平面（基础设施），或多个控制平面分布部署。整个物理网络的业务数据转发和控制都会被集中成全局数据，各网元的状态也很容易地呈现出来，不会出现各自为政的情况。

3 虚拟中间件盒子

当前，中间件盒子已经是由软件化平台构成，在应用了NFV和SDN技术，可以部署于网络的任何位置[6]，在网络中充当路由器、交换机和防火墙。NFV技术可以提供更为丰富的网络设备的功能，SDN技术可以满足更为灵活的配置和服务带宽的调配，x86服务器的硬件架构的标准化和硬件成本的廉价，是支撑传统通信网络向未来智能的通信网络发展的重要因素[6]。

实例展示了一个新的构架的中间件盒子，可以称之为虚拟中间件盒子，可以部署于x86架构的通用IT服务器或电脑中[3]。虚拟中间件盒子的构思可以为传统的电脑生产商和服务器生产商提供新的市场机遇的思路，扩大了服务器和电脑在IT领域中的应用场景，不再只是应用于IT行业，还可以应用于通信行业。特别是在PC电脑市场需求不断减少的现在，通过部署虚拟化的软件平台，不改变硬件架构、增加额外设计成本，就可以构建功能强大的网络设备。

3.1 虚拟中间件盒子的架构

本实例是用虚拟化技术构建一台x86服务器的中间件盒子[3]，提供基本的语音服务和路由功能，实现基于虚拟化的通信网络初步模型。

整体的思路是在一台x86服务器或电脑上部署虚拟化平台XEN[5]，平台虚拟出4个虚拟机域（Domain）。根据每个虚拟机的功能和服务，分为Domain0、Domain1、Domain2、Domain3。Domain0是基础虚拟机，提供整个虚拟平台的控制管理和系统调度。Domain1、Domain2、Domain3分别提供语音服务（VoIP）、虚拟桌面和路由器（防火墙）功能的用户虚拟机域。

物理硬件的架构是分为两个部分，x86硬件部分和网络接口卡部分。x86硬件部分是通用IT服务器或电脑，本实例是用的是PC电脑[5]。网络接口卡部分可以理解为服务器的扩展槽位，用于物理网络功能的扩展，如与传统网络对接的以太网接口，提供无线接入服务的天线接口等，本实例中间件盒子天线是一个无线接入点（AP）。

虚拟中间件盒子系统的架构基于虚拟化技术，采用SDN[7]的基本概念，分为3个平面：应用、控制和网络硬件资源。虚拟中间件盒子采用软件实现网络的功能，共享本地或网络的硬件资源，并通过集中的控制管理和系统调度，按需求提供网络资源;采用硬件资源平面与控制平面相分离的SDN理念，用控制平台来管理应用系统控制，为用户提供灵活的、通用的、开放的服务。虚拟中间件盒子的系统架构如图3所示。

3.2 虚拟中间件盒子的组成

虚拟中间件盒子是采用开源的XEN的虚拟化平台，构建虚拟的网络设备环境。虚拟环境[11]称为虚拟机。虽然整个硬件平台是x86架构，但虚拟化平台创建的虚拟机环境可以根据网络设备需求而配置，当前可以支持的处理器有Intel、PowerPC、ARM、MIPS等[12]。

3.3 实例的硬件设备和软件列表

搭建虚拟中间件盒子需要x86硬件平台、操作系统、虚拟化服务平台、应用软件和网络环境。详细的硬件设备和软件如表1所示。

搭建虚拟中间件盒子首先是硬件设备的基础系统的安装，使用CentOS操作系统的U盘或CD引导PC机，然后选择安装操作系统。根据安装提示信息创建用户名和密码，并安装操作系统，直到提示安装成功。随后，登录到CentOS，并安装虚拟化服务平台XEN，直到提示安装成功。其次是创建虚拟机，根据实例规划的系统架构创建3个虚拟机，每个虚拟化的硬件配置分别是单核处理器、内存、硬盘和网卡。网卡的IP地址是静态，并参考图4的地址信息进行配置。最后一步是安装3个虚拟机的服务和应用，每个虚拟机域单独把对应用的系统平台配置成系统引导，并按照提示信息进行安装，直到提示安装成功。

按照应用服务的操作手册进行简单的配置之后，虚拟中间件盒子就可以提供服务了。虚拟中间件盒子的组成如图4所示。虚拟中间件盒子提供的服务主要有：

（1）路由器和防火墙服务

PfSense系统提供Web界面的管理和配置，输入服务器的IP地址登录之后，就可以根据提示信息进行路由、防火墙的配置。如DHCP服务配置、DNS服务配置、虚拟专用网（VPN）配置、NAT配置等。

（2）虚拟桌面服务

虚拟桌面服务（VD）可以提供智能终端和PC，并随时随地的登录到服务器自由使用虚拟化资源。真实物理PC一样的使用感受，享受自带设备（BYOD）的体验[13]。快速、安全且经济实惠的扩展方式，可以满足不断变化的需求，可以更高效率地工作，简化传统PC机安全、应用程序更新和补丁程序更新以及灾难和恢复的管理。

（3）语音服务

在智能终端和PC机上安装客户端软件，并通过内部的无线网络注册到用户虚拟机域Domain1的IP语音交换机（IP PBX）服务中。IP语音交换机的解决方案可以提供企业和部门的内部语音通信和视频通信服务，并通过中继网关设备与传统的公共交换电话网（PSTN）通信，用会话发起协议（SIP）与运营商网络核心网的软交换互通业务。客户端有硬件IP电话和客户端软件。

4 结束语

虚拟化技术和相关概念已经成功地应用在通信网络中，本文通过虚拟化的中间件盒子的实例化，提出了更为多样化的网络功能虚拟化网络设备的想法，为企业和个人提供更为丰富的应用场景。如中小企业中的语音、网站服务等，家庭中的虚拟桌面和物联网控制中心等。

NV、NFV和SDN技术已经被越来越越多的ICT厂商和运营商接受，虚拟化将是未来通信网络发展的重要趋势之一[7]。利用x86服务器或PC机创建虚拟中间件盒子，用于构建虚拟化的通信网络，为传统服务器和PC机厂商提供了新的市场机会，但在短期内通信网络还是无法完全脱离传统网络设备的支撑，如光传输设备、无线基站设备等。未来还有很长的路要走，有很多的问题需要研究和解决，并不是简单的安装一套虚拟化软件就可以完成的。

参考文献

[1] WEN H. Wireless Virtualization [M]. Springer Briefs in Computer Science， 2013. doi： 10.1007/978-3-319-01291-9_1，2013.

[2] WEN H， TIWARY P K. Tho Le-Ngoc： Current Trends and Perspectives in Wireless Virtualization [J]. Communications Magazine， IEEE， 2013， 49（9）： 56-62.

[3] ANTONIO M. it：Future Edge ICT Networks [J]. IEEE Comsoc Mmtc E-Letter， 2012，7（7）：5402-5409.

[4] Network Functions Virtualisation （NFV）. Network Operator Perspectives on Industry Progress， ETSI [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//portal.etsi.org/NFV/NFV_White_Paper2.pdf.

[5] CHARLES G. A performance analysis of Xen and KVM hypervisors for hosting the Xen Worlds Project [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//lib.dr.iastate.edu/cgi/viewcontent.cgi？article=3243&context=etd.

[6] AARON G， ROBERT G， JUNAID K. Design and Implementation of a Framework for Software-Defined Middlebox Networking [R]. SIGCOMM， Hong Kong， 2013.

[7] Open Networking Foundation： Open Flow-enabled SDN and Network Functions Virtualization， ONF Solution Brief [EB/OL]. （2014-04-01）. https：//www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/solution-briefs/sb-sdn-nvf-solution.pdf.

[8] IBM M44/44X， Simulated multiple 7044 virtual machines [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/IBM_M44/44X.

[9] Virtualization， Hardware virtualization [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/Virtualization.

[10] Types of middleboxes.Available [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/Middlebox.

[11] XenServer Features [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//www.xenserver.org/overview-xenserver-open-source-virtualization/open-source-virtualization-features.html.

[12] x86 series，Available [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/X86.

[13] Bring your own device （BYOD） [EB/OL]. （2014-04-01）. http：//en.wikipedia.org/wiki/Bring_your_own_device.