网络功能虚拟化技术的发展现状与面临的挑战

2018-07-12龚峰程闻博

新型工业化 2018年6期

龚峰，程闻博

（1.中国电信上海号百信息服务分公司技术支撑中心，上海 200050；2. 北京邮电大学网络技术研究院，北京 100876）

0　引言

为了使通信设备拥有更高的性能和更好的可靠性，通信行业通常会将软硬件结合，并且采用专用设备来构建网络。这些专用通信设备虽然有着诸多优点，但是同时也面临着扩展性受限、技术创新难度大、业务开发周期长、管理复杂度高等一系列问题。伴随着用户对移动通信需求的不断增加，这些问题日益严重。它们不仅影响了运营商的经济利益，同时也极大地限制了下一代通信网络的创新与发展[1]。为此，迫切需要引入新的技术和架构来为通信网络技术持续发展注入新的动力。于是，NFV（network functions virtualization，网络功能虚拟化）技术应运而生。

NFV指的是利用虚拟化技术，使用现有的通用服务器、交换机或存储器等硬件设备，来为运营商构建网络。它将对通信网带来许多好处，主要包括以下几点：① NFV技术使用具有智能资源预测和自动资源编排等智能数据分析的网络功能虚拟化技术，并且允许使用现有商用服务器等硬件组网，有助于减少运营商网络的资本性支出和运营成本，同时提高运营效率；② NFV技术结合SDN技术，将电信网络转化为面向服务的网络，使基于应用层需求的动态、灵活和自动的网络和服务链配置成为可能；③ NFV技术可以更好地利用当前较为成熟的云计算技术，为运营商带来了更多的灵活性，使运营商可以进一步向用户以开放更多的网络功能和服务。

简而言之，NFV技术将会帮助网络运营商更快捷，更廉价地部署或升级网络服务[2]。NFV技术在通信行业内已受到了广泛的重视。传统设备厂商开始逐渐意识到专用设备的优势逐步丧失，正加快向网络软件厂商、网络解决方案提供商转型。这些厂商希望基于既有的优势地位，根据技术发展趋势，以一些特定场景（如云数据中心网络）作为突破口，继续提供相应的系统和方案。许多电信运营商也将NFV作为未来的发展重点，并积极投身其中。比如AT&T公司在2013年9月就提出了“Domain Program 2.0”计划，明确指出使用虚拟化技术组成新的网络来替代现有传统设备网络。

1　NFV的发展现状

2012年以来，NFV技术发展迅速，以ETSI为代表的许多标准开发组织、行业联盟都参与了NFV的相关标准的制定。各个组织发挥其长处，并有所侧重，发布了一系列与NFV相关的标准和规范。

1.1　ETSI

在NFV领域，ETSI（European Telecommunications Standards Institute，欧洲电信标准协会）是最早开始制定NFV相关技术标准框架的组织之一。2012年ETSI发布了第一版NFV白皮书，旨在鼓励开展国际合作，加速解决方案的开发。其网络功能虚拟化工作组(NFV ISG)于2013年发布了首批5个网络功能虚拟化（NFV）规范，其中包括NFV使用案例、要求、架构框架以及术语等[3-4]。2014年，ETSI的NFV工作组又完成并发布了4个文稿，主要对NFV架构、用例、虚拟化要求和相关的名词用语进行了定义。之后，ETSI又更新发布了两个版本的白皮书。

1.2　IETF

IETF（Internet Engineering Task Force，互联网工程任务小组）中有专门的NFV相关标准组，它与ETSI形成互补，主要对基于NFV的服务功能链和虚拟网元的相关技术展开研究。其中，IETF的SFC WG（Service Function Chain Working Group，服务功能链路工作组）重点关注如何借助NFV技术实现服务功能链；NFVRG（Network Function Virtualization Research Group，网络虚拟化研究组）主要研究资源管理策略、业务编排以及可视化、虚拟网络功能的性能的建模、安全性和弹性服务的验证等[5-7]。2015年4月， IETF发布了业务链白皮书“Problem Statement for Service Function Chaining”，描述了在网络功能虚拟化的趋势下，当前网络的业务部署模型面临的多种问题，包括拓扑相关性,配置复杂性，业务归类，业务链封装等[8]。

1.3　3GPP

3GPP标准化组织内部由SA WG5（Service and System Aspects Working Group 5，电信网管系统研究工作组5）负责关注ETSI NFV的进展情况，主要研究在核心网的网络功能虚拟化的情况下，如何增强和扩展3GPP现有网络管理标准。同时3GPP也对混合核心网（同时包含了虚拟化核心网和非虚拟化核心网）的管理展开了研究，分析了3GPP现有管理架构在面对网络虚拟化时可能面临的影响，并针对潜在问题提出新的解决方案。在3GPP SA第69次全会上，3GPP发布了SA5技术报告(TR)32.842，重点关注了在ETSI NFV架构下，网络虚拟化管理与编排的相关问题。此外，3GPP SA1／SA2／SFV还计划研究NFV对移动通信网络的整体影响，后续将提供总体指南，并根据对各个工作组的影响情况，分别推进相关的标准化工作。

1.4　ITU-T

ITU-T SG13（包括云计算、移动和下一代网络的未来网络研究组）于2012年发布了两份建议书，Y.3011和Y.3012，其中Y.3011阐述了网络功能虚拟化的相关定义，提出了其产生的原因，并且对网络虚拟化过程中的设计目标和适用性等进行了描述；Y.3012则阐述了未来网络对虚拟化的需求。除此之外，ITU-T还针对网络功能虚拟化的需求、功能架构、资源控制管理等问题开展了多项研究，包括“NGN演进中的控制网络实体的虚拟化需求”，“NGN 演进中的控制网络实体的功能构架”，“云服务虚拟网络的资源控制与管理”和“未来网络的功能体第结构的网络虚拟化”等。

1.5　OPNFV

OPNFV是一个聚焦于发展NFV的开放平台项目，在2014年成立，聚集了一批世界知名的服务提供商和IT厂商。该项目旨在搭建一个运营商级的综合开源平台，以加速新产品和服务的引入，并建立NFV生态链，构建标准，促进多厂商的协同工作和NFV部署。目前，OPNFV开展了4 类项目[9]：①主要收集和记录OPNFV相关需求的需求项目；② 提供相关辅助工具，并注重持续集成和测试的集成测试类项目；③ 由开源开发项目、行业项目和标准开发组织组成的合作开发类项目；④ 重点关注相关文档生成的文档类项目。

2　NFV体系架构概述

2.1　NFV体系架构

ETSI所提出的NFV框架已经基本稳定，也受到了较为广泛的认可，其基本构成如图1所示[4]。

图1　ETSI NFV架构Fig.1 ETSI NFV architecture

（1）网络功能虚拟化基础设施（NFVI）

NFVI是构成VNF部署环境的硬件和软件资源的组合，负责将虚拟资源与底层物理资源分离，从而实现抽象。其中，物理资源包括当前已有的商用计算硬件、存储资源和网络，为VNF提供具体的处理、存储和连接，而虚拟资源则是一个计算、存储和网络资源的抽象。

（2）虚拟网络功能和服务（VNF）

VNF是运营商网络的关键组成部分，是在虚拟资源上实现的NF（Network Function，网络功能），而NF是网络基础设施中的一个功能模块，具有定义良好的外部接口和定义明确的功能行为。VNF借由NFVI提供的计算，存储等资源，实现传统电信网元的功能。考虑到灵活性，一个VNF应当可以被部署在不同的VM（virtual machine，虚拟机）上。对VNF的管理由EM（element management，网元管理）实现。EM提供配置、性能分析、告警等与传统网元管理相似的功能。

（3）NFV管理和编排（NFV MANO）

NFV MANO负责NFV框架中所需的所有虚拟化特定管理任务，提供了用于配置VNF功能的相关操作。它是衔接NFVI和虚拟网络功能的核心环节。它主要由NFV编排器（NFV orchestrator,NFVO）、VNF管理器（VNF manager, VNFM）和虚拟设施管理器（virtualised infrastructure manager，VIM）3部分组成[10]。其中，NFVO：管理网络功能服务的生命周期，和VNFM配合，管理VNF的生命周期以及配置全局资源。VNFM：VNF管理器用于管理虚拟化网元的生命周期，支持弹性收缩策略，实现VNF的灵活性。VIM：用于将硬件设施转化为虚拟化资源，并对其进行管理和监控。向上层提供虚拟化后的资源池。

除此之外，NFV MANO还需要连接 OSS/BSS（operations support systemsand /business support system），它是传统网络的管理/业务支撑系统，支持包括营业、计费、结算、客服、账务等功能在内的运营能力。

2.2　NFV接口要求

ETSI在NFV架构的基础上，还对NFV管理和编排的架构提供了更详细的接口要求，如图2所示。

图 2 NFV MANO 结构Fig.2 NFV MANO framework

根据ETSI相关标准中定义，主要接口及其功能见表1。

表1　NFV 架构各个接口主要功能要求Table 1 NFV architecture for the main functional requirements of each interface

3　NFV技术面临的挑战

即使NFV技术有着美好的前景，正在被学术界和工业界快速接受，但是NFV仍然处于早期阶段，各个研究机构和运营商也在摸索之中，仍有重要的方面值得研究，也面临着诸多挑战。这些方向的研究将促进NFV技术的发展与成熟。

3.1　网络管理和编排

NFV的部署将极大地挑战当前的管理系统，并且需要对部署、操作和管理网络的方式进行重大改变。对NFV网络的编排和管理，不仅需要考虑不同网络环境下对各种服务的解决方案，还需要考虑由NFV自身灵活性带来的一系列问题。NFV可能会使得提供给客户的服务分散在不同的服务器等设备中。因此，一个很重要的问题就是，NFV的管理与编排需要在一个可接受复杂程度中，确保在每个服务（或用户）所有所需的功能被一致地，按照其需求地被实例化，与此同时还要保证解决方案仍然是可管理的[11]。

3.2　能耗

由于能耗支出占运营商总支出的10%以上[12]，因此降低能源消耗是NFV的一个主要优点。在NFV可以灵活分配资源的大前提下，随着流量需求的起伏，运营商可以通过减少在一部分时间运行的物理设备的数量，从而降低他们的能耗支出。但是，与此同时也需要考虑到，NFV将有可能使得云计算数据中心成为电信网的一个组成部分。GESI（Global e-Sustainability Initiative，全球电子可持续发展推进协会）的一份分析报告显示，如果将云计算视为是一个国家，其能耗将排名世界第六[13]。到2020年，云计算的能源需求预计仍将将增长63%。因此，需要研究来证明NFV是否会满足其节能预期，或者只是将能源消耗转移到了云计算上。

3.3　安全和隐私

消费者对其在隐私、安全等问题上的担忧可能会限制着运营商使用NFV技术组网。对用户的服务使用虚拟化技术，这意味着需要将一些个人可识别的用户信息传送到云端。用户数据在网络中根据功能进行分发的时候，很难知道数据在何处以及谁有权限访问它。这可能会带来隐私泄露等一系列问题。与此同时，如果将服务部署于第三方的云计算提供商，用户和电信服务提供商都将无法访问数据中心的物理安全系统。即使服务提供商确实指定了他们的隐私和安全要求，但仍然难以确保数据的安全性和私密性。因此在使用第三方云计算平台的问题上，安全隐私问题将是运营商所关注的一个重点。

3.4　性能

NFV的概念是在商用现有服务器上组建通信网，这和传统的专用设备模式不同，VNF提供商需要确保在商用服务器上可以实现通信网中的各种功能。然而这里就出现了一个问题，即在商用的一般服务器上运行的性能是否能够和在专用硬件上运行相媲美，以及这些网络功能是否能在不同的服务器之间是移植。

ETSI也很关注这个问题，并给出了“性能和可移植性最好的实践（Performance & Portability Best Practices）”说明。根据这个说明，在DPI（Deep Packet Inspection，深度报文检测），C-RAN（云无线接入网），BRAS（Broadband Remote Access Server，宽带远程接入服务器）等使用场景中，使用现有的高端服务器，可以在完全虚拟化的环境中实现高性能，且其性能是可预测的[14]。

然而，即使在非虚拟化的环境中，性能也是一个需要研究的问题，因此合适的硬件加速手段对NFV技术也十分重要。已经有研究证明了硬件加速可以提升部分场景中的NFV性能。有研究人员指出，当前，一些高性能的网络功能很难虚拟化而不降低性能，而硬件加速可以改善这些情况[15]，但是这种专业化的硬件违背了NFV的理念，影响了其灵活性。因此可能还需要在性能和灵活性之间进行权衡。

3.5　资源分配

为了实现NFV所期望的经济效益，需要有效地利用物理资源，因此需要有效的算法来确定物理资源（如服务器）和网络功能的关系，并且能够将功能从一个服务器迁移到另一个服务器中，以实现负载均衡、节能、故障恢复等目的。

然而，当进行配制优化时，通信网功能在服务器上放置的位置和组建功能链的方法将成为一个二进制整数规划问题，这是一个NP-hard问题，无法实现全局最优解。一种解决方式是采用启发式算法，有研究人员将布局和链接问题作为二进制整数规划，并提出贪婪启发式算法以提高效率。这个算法首先根据资源需求对VNF进行分类，然后，将资源需求最高的VNF优先放置并加入链接。实验证明，这个算法可以使问题达到近似最优解[16-17]。