VNF生命周期管理系统设计与实现

郝慧杰，肖 建，张 粮，洪 聪

(南京邮电大学，江苏 南京 210023)

0 引 言

网络功能虚拟化(network function virtualization，NFV)是一种实现软硬件解耦的新技术。NFV技术[1-3]一直以来都受到业界的广泛关注，其核心是通过特定的虚拟化技术，将通信网元功能分层解耦，实现网络自动化从而提升网络效益。虚拟网络功能(VNF)是虚拟机中封装的网络功能设备的软件实现，位于商用硬件NFV基础设施之上。VNF是NFV的核心部分，众所周知NFV的基础是虚拟网络功能和软件，能够降低成本并获得对网络运营的全面控制，同时具备灵活性和敏捷性的优势。NFV的大部分运营都集中在VNF如何在NFV基础设施中服务，未来，NFV中的重大进展将仅与VNF有关。虚拟网络功能作为NFV虚拟网络层的关键部分，实现对虚拟网络功能生命周期的管理，对NFV技术发展来说具有重大意义[4]。

目前在国内，研究VNF生命周期管理的公司也有许多(包括AT&T，思科，戴尔，微软，甲骨文，Verizon，Juniper等)，但是大多数用于管理VNF生命周期实例化、监测、修复、缩放、更新和备份的方法成本高昂、繁琐和耗时。所以，目前VNF生命周期管理系统的研究在很多方面还不够完善和灵活。

基于以上问题，本系统在保证各个功能单位模块化的前提下，以标准的Linux的环境、接口、工具为基础，依托容器环境，通过VNF架构分析和软件模块化设计，实现了对Docker的状态的管理监控，包括安装、启动、停止、卸载、资源分配和释放等生命周期管理行为。

1 系统总体方案

该生命周期管理系统的功能需求如图1所示，软件部分包括用户交互层(命令行客户端)、业务控制层(生命周期管理核心算法)、数据支撑层(开源Redis数据库)。用户交互层用来下发用户指令，并及时响应用户请求，完成用户操作；业务控制层主要是实现虚拟网络生命周期管理状态监控和行为功能；数据支撑层实现整个系统的数据持久化，主要负责各模块进行相关数据的存储和查询。

图1 平台框架

本项目以标准的Linux的环境、接口、工具为基础，基于容器环境完成vnfc(虚拟化的网络功能模块组件)的开发，采用开源的高性能key-value数据库Redis来实现数据的存储和调度，使用Thrift软件框架，用来进行可扩展跨语言的服务开发实现RPC客户端和服务器通信。

2 软件部分关键技术

2.1 Thrift通信简述

Thrift是一个可伸缩的，并且跨语言的服务性的开发部署框架。Thrift通过一个中间语言IDL(interface definition language，接口定义语言)来定义RPC的数据类型和接口，然后通过特殊的编译器生成不同语言的代码，生成的代码中不但包含目标语言的接口定义、方法、数据类型，还包含有RPC协议层和传输层的实现代码。Thrift的架构如图2所示，Thrift实际上是一种C/S模式，通过多语言生成工具将Thrift文件转换成特定语言的接口文件，包括客户端部分和服务器部分，从而实现服务端和客户端跨语言的支持。用户根据实际需求，编写客户端或服务端代码[5]。用户定义好Thrift的IDL文件后，使用Thrift的编译器来生成相应语言的代码文件，之后服务器端提供服务，客户端调用服务。

图2 Thrift架构

选用Thrift通信机制的优势包括：支持非常多的语言绑定；Thrift文件生成目标代码，简单易用；消息定义文件支持注释；数据结构与传输表现的分离，支持多种消息格式；包含完整的客户端/服务端堆栈，可快速实现RPC；支持同步和异步通信。

Thrift可以说它是现在最优秀的分布式通信机制，实现了在大型分布式集群中各独立模块之间的高效协同。该框架具有可扩展性，能够支持跨编程语言的服务开发[6]，能够高效创建服务接口，因此符合本系统高并发、大数据量的要求。

2.2 Redis数据库

Redis(remote dictionary server)[7]是一个开源的、支持网络、基于内存、支持Key-Value等多种数据结构、可持久化的高性能存储系统。它提供字符串，哈希，列表，队列，集合结构直接存取，支持原子性的操作，所以通常被称为数据结构服务器。可用于会话缓存，事件发布或订阅，数据库和消息中间件等场景。

Redis的持久化机制十分完备，所有数据都是保存在内存中，然后通过异步方式不定期地保存到磁盘上，也可以把每一次数据变化都写入到一个append only file里面。Redis支持master-slave模式的数据备份，可以通过复制功能自动实现同步的过程。当从数据库崩溃重启后，主数据库会自动同步数据，保证数据不丢失。而当主数据库崩溃时，将从数据库提升成主数据库继续提供服务，并在原来的主数据库启动后将其设置成新的主数据库的从数据库，将数据同步回来。数据同步提高了读取操作的可扩展性。Redis能读的速度是110 000次/s,写的速度是81 000次/s，所以性能非常高。

在实际应用中，当用户请求到达Redis服务器时，只是对业务数据进行读写，而没有对数据库进行任何的操作，这样就能大大提高读写的速度，从而达到高速响应的需求。这些缓存的数据仍然需要持久化，也就是存入数据库之中，所以在一个请求操作完Redis的读/写之后，会去判断该高速读/写的业务是否结束，如果不成立，则不会操作数据库；如果成立，则触发事件将Redis的缓存的数据以批量的形式一次性写入数据库，从而完成持久化的工作。Redis数据请求操作如图3所示。

图3 Redis数据请求操作

2.3 Go语言的优势

Go语言作为编译型语言，在数据类型上也支持得非常全面，除了传统的整型、浮点型、字符型、数组、结构等类型外，从实用性上考虑，也对字符串类型、切片类型、字典类型、复数类型、错误类型、管道类型、甚至任意类型进行了原生支持，并且用起来非常方便。比如字符串、切片类型，操作简便性几乎和python类似。与其他传统语言相比，Go语言通过丰富的内置类库实现了大量的接口函数，极大程度地简化了开发工作，开发者们只需调用相应的类库即可实现相关的功能[8-9]。

在异步的并发编程过程中，只能方便、快速地启动协程还不够。协程之间的消息通信，也是非常重要的，否则，各个协程不能协作无法控制。Go自诞生之日起就表明自己是为了简化多并发编程，Go既支持共享内存也支持消息传递的通信方式[10]。在Go语言中，使用基于消息传递的通信方式进行协程间通信，并且将消息管道(channel)作为基本的数据类型，使用类型关键字(chan)进行定义，并发操作时线程安全。

真正的高效率开发，是配置化的，并不需要写太多的代码，甚至根本就不需要写代码，即可完成逻辑实现，而这种方式对于后期的维护成本也是最优的，因为做到了高度的统一。Go的语言描述效率毋庸置疑(见图4)，对上述所有公共组件的实现，均未超过1 000行代码，十分少的工作量就解决了通信上的问题。

图4 Go语言开发效率

本项目用Go语言编写一个客户端通过与服务端通信快速实现对容器的数据查询，数据存储，并可以进行资源调度和状态监控，大大提升了业务开发效率，节省了开发成本。

3 系统设计

3.1 容器的使用

由于虚拟机是一种十分笨重的虚拟化技术[11],在有限的物理资源条件下无法实现大规模节点伸缩,因而极大地降低了在大规模部署场景下的应用能力。而Docker容器技术具有轻量、隔离和快速部署的特点。容器相互之间不会有任何接口，完全使用沙箱机制。容器拥有独立的文件系统，安全且相互隔离的运行环境[12]。容器里的进程，使用到的资源都是虚拟的，这样与底层系统是完全隔离的。

Docker让用户可以轻松打包应用程序的代码、配置和依赖关系，然后移植到其他机器上，也实现虚拟化。容器可以帮助保证应用程序快速、可靠、一致地部署，其间不受部署环境的影响。容器可以方便地进行版本管理、随时修改、快速分享。

利用Docker的自身优势，可以实现环境一致性、运营效率、开发人员生产力和版本控制等目标。Docker相比于传统虚拟化方式具有更多的优势，不仅可以解决硬件管理的问题，也改变了虚拟化的方式。所以本项目选择Docker作为生命周期管理的实体。Docker生命周期如图5所示。

图5 Docker生命周期

3.2 VNF管理

VNF管理[13-15]主要是为了保证虚拟网络服务的正常运行和资源合理分配，从而对VNF进行一系列的相关操作。这些操作实现对网络生命周期管理，包括安装、启动、停止、卸载、资源分配和释放等。

本系统的实现如下：首先用户通过Thrift命令行客户端下发VNF生命周期管理的请求(包括安装、启动、停止、卸载、资源分配和释放)，系统利用RPC通信将消息传递到Thrift的服务端，然后服务端对请求进行一系列的合法性检查，验证失败返回error。如果验证通过，程序会继续进行相应的业务逻辑处理下发，即对Docker镜像文件的安装、Docker的启动和终止等等，同时将当前数据存入Redis数据库中，最后将执行结果返回到客户端进行展示。系统流程如图6所示。

图6 VNF生命周期管理

4 实验检测

4.1 测试环境

通过简单的实验来测试VNF生命周期管理系统的运行,验证Redis数据库存储和Thrift通信接口测试，使用的测试环境如表1所示。

表1 实验环境和工具

4.2 数据库测试

在本项目中，Redis数据库有着不可替代的作用，数据库为系统的管理、运行、查询和实现数据存储等提供空间。数据库最常见的有两种问题，这两种问题导致的错误为数据一致性错误和输出错误。数据一致性错误来源于使用者提交的信息数据格式不正确，另外一种输出错误一般是网络和程序设计过程中的问题等导致，对于以上两种问题，将分别测试。测试项目如表2所示。

表2 数据库测试

4.3 通信接口测试

生命周期管理系统服务端与命令行客户端通过Thrift调用方式进行通信，因此需要对所有接口进行测试调用，以保证程序的正确运行。客户端下发VNF生命周期管理的请求(包括安装、启动、状态查看、停止、卸载、资源分配和释放)都需要进行测试，图7为下发命令进行状态查看。

图7 Docker状态查看测试

通过实验所有支持的命令行都能够通过Thrift通信接口下发成功，并返回预期的结果。

对系统的性能，利用客户端调用做最简单的阻塞式多次调用压力测试。用多个客户端多连接，多个线程，模拟发送请求。总共发送10 000 request 100client并发，执行五次时间如下：681 ms，543 ms，604 ms，542 ms，576 ms；平均时间：589.2 ms，16 972 request/s。

4.4 实验结果

实验得出，Redis数据库可以实现在任务执行过程中高效获取共享数据的分布式缓存，解决共享数据的存储问题。在并发性上，Thrift支持多进程，可以同时启用多个客户端，下发request服务端并发处理请求，耗时少，性能高。通过实验得出该方案在实用性、可扩展性、通用性等方面都有所改进，但是在客户端界面实现等方面还是存在一些问题需要再进行完善。

5 结束语

该系统主要借鉴前人经验，努力克服当前VNF生命周期管理系统中存在的缺点和限制，开发设计一套成本低、耗时少、简单易操作的生命周期管理系统。该系统以标准的Linux的环境、接口、工具为基础，基于容器环境完成vnfc(虚拟化的网络功能模块组件)的开发，采用开源的高性能key-value数据库Redis来实现数据的存储和调度，采用Thrift软件框架，用来进行可扩展跨语言的服务开发实现RPC客户端和服务器通信，实现对Docker的状态进行监控和生命周期管理。容器是操作系统级的一种虚拟化形式，它将应用程序依赖关系、所需的库和配置封装在同一操作系统的其他容器隔离的包中。容器能让应用程序以独立的方式运行，并且可以轻松迁移。随着向云原生的迁移，VNF微服务部署在容器中是发展的趋势。该系统将为Docker平台的普及发展提供助力，提高Docker平台的应用、开发、部署及运维应用的效率。