网络功能虚拟化(NFV)及其标准化

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文：薛海强 张昊(中国移动研究院)

摘要：基于欧洲电信标准组织（ETSI）网络功能虚拟化（NFV）架构、功能，从运营商的视角分析了运营商引入NFV的切入点以及多种虚拟化技术路线，并给出了技术路线选择和演进方向建议。NFV在引入了灵活性的同时也带来了管理、运维方面的问题和挑战，通过抛砖引玉的方式对NFV面临的问题和挑战进行了分析，期望推进相关问题的解决，加速NFV的商用部署。

电信网络依赖的技术与互联网基本一致，所提供业务也有一定相似性。近年互联网快速发展，能够提供传统电信网所提供的业务，对电信网带来前所未有的挑战。技术方面，互联网的技术对电信行业也有较强的借鉴意义，云计算能够在IT业取得巨大成功，可以应用到电信领域中，优化电信网络的业务提供方式和网络运维模式。2012年10月，中国移动、AT&T、英国电信、NTT等13家运营商联合发布了网络功能虚拟化（NFV）白皮书，提出了电信网络与云计算技术结合的构想和要求。

1 NFV介绍
2013年1月，欧洲电信标准组织（ETSI）正式成立NFV ISG工作组，下设基础设施、软件架构、管理和维护、可靠性、性能、安全6个 工 作 子 组。
2013年10月发布了第一个版本，2014年底发布第二个版本。

1.1 NFV是虚拟化技术与电信网络的结合
NFV ISG认为电信网络设备，包括软交换、服务通用分组无线业务支持节点（SGSN）、网关通用分组无线业务支持节点（GGSN）、呼叫会话控制功能（CSCF）、归属用户服务器（HSS）、接入设备、防火墙、深度分组识别（DPI）、宽带远程接入服务（BRAS）、PE路由器、内容分发网络（CDN）设备等，可以演进为虚拟功能网元（VNF），部署在通用硬件设备上。整个网络可以分为硬件层、虚拟资源层、网络功能层3层，硬件可以部署在传统电信机房，也可以部署在数据中心，如图1所示。

网络功能虚拟化并非简单的在设备中增加虚拟机，其中重要特征在于引入虚拟化层之后，虚拟功能网元（VNF）与硬件完全解耦，改变了电信领域软件、硬件紧绑定的设备提供模式。虚拟机对上层应用屏蔽硬件的差异，虚拟功能网元可以部署在虚拟机上，进而允许运营商对电信系统的硬件资源实行统一管理和调度，能够大幅提升电信网络的灵活性、缩短业务的部署和推出时间、提升资源的使用效率。同时，网络功能虚拟化之后，电信设备演进为虚拟功能网元，这些网元的开发和实现将不再依赖于特定的硬件平台，可以降低电信设备（虚拟功能网元）的开发门槛，促进电信设备制造产业链的开放，加速新业务的推出。
1.2 网络功能虚拟化架构介绍
众所周知，电信网络对设备的可靠性、性能有严格的要求，对设备的可维护性要求也比较高。网络功能虚拟化之后，对于硬件资源、虚拟资源、虚拟功能网元如何进行有效管理，是电信网络重点关注的内容。
ETSI NFV ISG定义了端到端的架构，描述了网络功能虚拟化的架构，如图2所示。

网络功能虚拟化（NFV）架构中包括硬件资源、虚拟资资源、虚拟功能网元、运营支持系统/商业支持系统（OSS/BSS）、虚拟化基础设施管理器（VIM）、VNF管理器（VNFM）、NFV调度器（NFVO）。
硬件资源：分为计算资源，存储资源和网络资源3部分，计算资源是指本地通用物理服务器，通用物理服务器包含CPU、内存、本地磁盘和网卡等，也可以包含加速的硬件（如硬件加解密、包交换、包转发加速）。存储资源是指外接用于存储的磁盘阵列、或者分布式存储。网络资源通常是指交换机和路由器等网络通信连接设备。
虚拟资源：虚拟资源主要体现形式为虚拟机。虚拟机包含虚拟计算资源，如虚拟CPU（vCPU），虚拟存储资源如虚拟内存，虚拟磁盘，以及虚拟网络资源，如虚拟网卡等。虚拟机可以有不同规格，虚拟机规格由资源模板描述，虚拟机规格可配置、可管理。虚拟机由虚拟机管理器（Hypervisor）在硬件资源中的通用物理服务器上提供，Hypervisor将通用物理服务器与上层软件应用分开，多个虚拟机可以在同一个物理服务器上运行，最大化的利用硬件资源，即一个物理服务器的硬件资源可以被多个虚拟机共享。Hypervisor可以与云管理系统交互实现对虚拟机的创建，删除等操作以及故障管理，性能管理等功能。
虚拟网元功能：虚拟网元功能是传统电信设备在网络功能虚拟系统中的展现形式，VNF可部署在一个或多个虚拟机（VM）上，提供电信系统所需要的功能要求，VNF所提供的网元功能与非虚拟化时的网元功能应保持一致，与其他网元实体的接口与非虚拟化时的接口应保持一致。
EMS：EMS通过北向接口与网管系统相连，提供配置管理，告警管理和性能管理等功能。
VIM：负责虚拟化基础设施管理，主要功能是实现对整个基础设施层资源的管理和监控。包括硬件资源的管理和虚拟资源的管理两大类。
硬件资源的管理：配置并管理机框等设备，监控机框电源、风扇等关键部件状态；配置并管理路由器，交换机，防火墙和负载均衡器等设备，包括添加，删除，更改和查询路由器，交换机，防火墙和负载均衡器等设备信息；监控路由器、交换机，防火墙和负载均衡器的运行状态及使用情况；自动或手动识别、配置并管理物理服务器，包括添加，删除，更改和查询物理服务器等设备信息；监控物理服务器CPU，内存，磁盘以及网卡等关键部件的状态及CPU利用率、内存利用率、网络入口带宽、网络出口带宽、磁盘读取速率、磁盘写入速率、CPU温度等信息；接入并管理外接磁盘阵列（包括IP-SAN等），包括增加，删除，更改和查询外接磁盘阵列等设备信息；监控磁盘的状态及容量使用情况；采集硬件资源的告警信息，并能够上报到NFVO。
虚拟资源的管理：配置并管理虚拟机，包括虚拟机的创建，删除和查询等；虚拟机镜像文件的管理，包括添加，修改，删除和查询等；监控虚拟机的运行状态，以及虚拟机的vCPU占用率，虚拟内存使用率，虚拟磁盘占用率，虚拟网卡的吞吐率等；VIM可选支持虚拟机迁移；支持采集虚拟资源告警信息后能够上报到NFVO。
VNFM：负责VNF实例的管理；VNFM包括以下功能：
VNF实例的生命周期管理，包括实例化、删除、查询、扩容/缩容、终结等，VNFM应提供基于业务容量模型的VNF自动部署和手动部署能力，能够自动或手动完成VNF的实例化。VNFM支持VNF软件包管理，VNF软件包包括VNFD，GUEST OS镜像文件以及VNF软件镜像文件。VNF包管理包括VNF包的上载，更新和删除。
VNFM应根据VNF的资源利用情况，发起扩容/缩容等操作；VNF所用虚拟资源，以及虚拟资源的性能数据/事件的采集；VNF业务所使用虚拟机故障信息的采集。
NFVO：网元功能虚拟化协调，负责提供硬件资源和虚拟资源的视图，硬件资源和虚拟资源的监控，性能统计和故障管理，并控制VNFM实现VNF软件包的管理，以及VNF实例的创建，更新，终止和弹性伸缩。提供管理接口供操作员进行云管理系统的本地维护。支持网络服务的加载、部署，并可与OSS协同，完成对网络服务的管理。
1.3 网络功能虚拟化的应用领域
ETSI NFV ISG在定义网络功能虚拟化的同时，也梳理了网络功能虚拟化应用9个重点应用场景。
•场景1：NFV基础设施即服务（NFVIaaS），允许服务提供商在提供给终端用户的独立管理的NFV基础设施（NFVI）上进行服务的提供保证及收费。
•场景2：VNF软件即服务（VNFaaS），VNF通常被认为在网络运营商的私有云模型上执行，VNFaaS能够提供远程网络功能。
•场景3：虚拟网络平台即服务（VNPaaS），VNPaaS模型提供给用户更宽泛的控制，用户能够进行多个VNF实例的配置。

•场景4：VNF转发图（VNFFG），VNFFG在VNF之间提供了逻辑连接，可定义数据包的传输路径。
•场景5：移动核心网的虚拟化，能够降低网络复杂性，减少费用，并提供更高的网络使用率及服务质量，主要虚拟化目标是EPC网络功能和IMS网络功能的虚拟化。
•场景6：移动通信基站的虚拟化，将部分的无线接入网（RAN）节点虚拟化，采用标准IT硬件设备，主要虚拟化目标是传统RAN节点，能够获得更（低的能源消耗，更便捷的管理操作，更快的投入市场。
•场景7：家庭环境的虚拟化，会大量减少现今家庭服务中的后端系统设备，只需要简单的物理连接，带来更低的设备成本，主要虚拟化目标是家庭网关（RGW）和机顶盒（STB）。
•场景8：CDN的虚拟化（vCDN），现今的CDN缓存节点通常是专用物理设备，这会带来很多弊端，虚拟化的目标是CDN的所有组件，但会优先考虑CDN缓存节点。
•场景9：固定接入网络功能的虚拟化，会首先应用到光纤到交换箱（FTTcab）、光纤到分配点（FTTdp）这类混合DSL节点，最终会形成一个单独的平台，来服务不同的应用，用户和租户。
以上9个方面应用中，前3个是分别映射到云计算领域的基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）、软件即服务（SaaS），后续的几个应用场景分别对应着电信网络的IMS核心网、分组域核心网、流量处理、接入网领域，目前IMS核心网、分组域核心网是业界虚拟化研究的重点。下面将介绍网络功能虚拟化在移动核心网中的应用。

2 移动核心网虚拟化
移动核心网通常包括电路域（CS）、分组域（PS）、IMS域3类。电路域主要承载传统的语音业务，是2G、3G网络时代的主要业务支撑实体，但是随着4G业务的发展，传统的语音业务将逐步萎缩或者最终退出服务。移动网络的分组网在2G，3G时代由于无线接入能力有限；在4G时代，由于无线接入能力大幅提升，将面临着新的发展机遇。IMS业务是传统语音业务的升级，融合通信可以大幅提升传统电信业务的用户体验，IMS域同样面临着发展机遇。
2.1 移动核心网虚拟化分析
根据设备的功能特征，核心网设备可以分为控制面设备、用户数据设备、媒体转发面设备。控制面设备包含CSCF、电 话 应 用 服 务 器（TAS）、MME、SCP、MSC等，主要处理信令消息、控制呼叫和业务过程；用户数据面设备主要包含HSS、PCRF，主要存储用户的业务数据、签约数据、认证和鉴权数据，对于数据的可靠性、读写速度要求较高；媒体转发面设备主要包括会话边界控制器（SBC）、P/SGW、MGW等，主要处理数据包的转发、编解码转换、数据流的加密等，对数据包的转发性能要求较高。
网络功能虚拟化是指在传统的电信设备中，引入了虚拟机，实现电信应用与硬件的解耦，由于引入虚拟机，不可避免的带来了一定的性能损失。由于电信网络对性能、可靠性的要求较高，这对虚拟网元的性能实现带来了较大的挑战。虚拟化之后，如果不加优化，虚拟机的I/O处理能力下降比较严重，难以满足媒体转发面大量包处理的要求。针对这种情况Intel等厂商提出了单根IO虚拟化技术（SRIOV）、数据平台开发套件（DPDK）技术优化虚拟机的I/O处理性能，取得了显著的成果，但主流厂商的商用产品尚未成熟，同时对于数据流的加解密处理，相比传统的实现方式，仍需提升价比。用户数据面设备有较多数据读写操作，通常这部分功能依赖于少数厂商提供的高性能数据库和磁盘阵列，这些年厂商在去IOE方面做了许多工作；在HSS中，大多数厂商已经能够做到不依赖于专用数据库，但数据库虚拟化之后的性能、稳定性、可靠性仍有待验证。相对而言，控制面设备主要是控制用户业务的状态机，业界现有的虚拟化技术经过优化之后基本能够满足要求，厂商的产品成熟度也比较高。综合上述分析，移动网络的网络功能虚拟化可以优先从IMS控制面开始，逐步扩展到用户数据面和分组域。
2.2 移动核心网虚拟化的技术路线分析
网络功能虚拟化使得电信设备的网络功能软件和硬件解耦，运营商第一次可以实现硬件资源和网元功能的分开采购，对硬件资源、虚拟资源可以统一管理和调度，赋予运营商前所未有的灵活性。但是，我们也应该看到，传统电信设备的高可靠性、高性能是由电信厂商保证的。网络功能虚拟化之后，谁来保证电信设备的高可靠性、高性能，系统故障之后，如何做故障定位，将是运营商面临的重大挑战。
对于电信运营商来说，虽然从技术上来说，硬件层、虚拟资源层、虚拟功能网元层可以解耦，但从网络实施的角度来看，是否要实现三层的完全解耦需根据实际情况分析。从实现的层面看，存在4种实现方案。
第一种方案，硬件、虚拟软件、虚拟功能网元由同一厂家提供，其特点在于软件、硬件均由同一厂商提供，与传统电信设备的提供形式相同，由厂商负责系统的可靠性和性能，最大程度上降低了运营商的风险和实施单独；仅在单厂商系统内部引入了虚拟化资源层，可以实现单厂商内部的资源共享和协同调度；但这种方案本质上仍然是封闭的系统，不利于形成开放的产业链，也不利于充分发挥虚拟化的优势。第二种方案，将硬件和虚拟资源软件由一个厂家提供，虚拟网元功能软件由另外一个厂家提供；此方案能够实现虚拟资源的共享，系统调度灵活，能够发挥虚拟化的优势，形成开放的产业链；但这种方案将虚拟功能网元和虚拟资源解耦，势必会来带来虚拟功能网元的故障定位和性能优化问题，由于虚拟功能网元和虚拟资源层分别由不同的厂商提供，如果系统出现故障，如何协调两个厂商，快速定位并解决问题，将是运营商面临的巨大挑战。第三种方案是将虚拟资源层和虚拟功能网元层打包在一起，由同一厂商提供，硬件由运营商选择其他厂商提供；由于对硬件的故障定位相对于虚拟机要简单，此方案的故障定位和性能优化问题将大幅简化，对运营商的技术要求相对低一些，在现阶段可行性更高。第四种方案是将硬件、虚拟资源层、虚拟功能网元完全解耦，可以看作是第二种和第三种方案的叠加；此方案可以获得最大限度的灵活性，可以对硬件资源、虚拟资源实现快速的调度和灵活管理，同时也带来最复杂的故障定位和性能优化问题，此方面业界有一些运营商在尝试和探索，但距离商用尚有距离。
综合来看，网络功能虚拟化的技术方案各有优缺点，不同的运营商根据自身情况可能会有不同的选择。
从作者的观点来看，现阶段第三方案有比较高的可行性，同时，选择第三种方案之后，如果业界虚拟化技术进一步成熟，故障定位和性能优化问题完善之后，也容易向三层完全解耦的方式演进。
2.3 网络功能虚拟化的管理和维护问题
网络功能虚拟化改变了传统电信设备的设备形态，实现了硬件和软件的完全解耦；同时，这也对运营商的运维和管理体系带来了新的挑战。下面将从故障定位、网管和资管系统、采购和建设模式方面说明。
传统电信设备的故障定位在单台设备范围内进行，厂商为设备的性能、可靠性、业务指标负责，故障定位简单。虚拟化之后，故障定位将涉及到虚拟功能网元、虚拟层、硬件层，尽管针对不同的技术路线，会有所区别，但故障定位都不在局限于一台物理设备范围之内，对运维人员的技术能力提出了更高的要求。
传统的设备的网管系统和资管系统通常合并在一起，由OSS统一管理。虚拟化之后，设备将运行在虚拟机之上，网管系统将不能直接看到硬件设备的信息，网管系统是否要需要修改？该如何修改？硬件与虚拟网元功能解耦之后，硬件可以统一管理，但如何统一管理？归属传统网管系统？还是和数据中心的基础设施统一管理？这都是有待结合运营商的具体网络情况详细分析，制订相关策略。
在网络规划和建设方面，运营商通常根据网络的业务的发展情况，采购对应的网络设备提供业务；虚拟化之后，硬件资源、虚拟资源和虚拟功能网元解耦，硬件资源、虚拟资源可以预先统一采购和建设，业务需要时候，直接从现有资源中调配相应资源供虚拟功能网元使用，便于业务的快速部署和建设，但这将对运营商的现有采购流程和采购模式产生影响，运营商需探索新的建设和采购模式。

3 NFV标准化现状
网络功能虚拟化无疑是近期电信领域的热点，除了上文中介绍的ETSI NFV ISG在开展相关的研究和标准化工作之外。在2014年5月的3GPP SA5会 议 上，中国的研究课题，得到27个运营商和厂商积极支持，目前正在引导业界研究虚拟化网络的网管问题，预计2015年6月完成研究工作，后续则会转入标准化工作阶段。
在电信管理论坛（TMF）也成立了ZOO的项目，研究虚拟化网络的网管问题，对于网络服务的组合与调度涉及较多。在国际电信联盟（ITU）也有相关的研究课题研究网络功能虚拟化。
在标准化工作开展的同时，2014年9月30日，中国移动、AT&T等运营商与Linux Foundation合作，联合发起成立了NFV开放平台项目（OPNFV）的开源组织，旨在通过开源组织的力量，开发符合NFV需求的虚拟资源层软 件，预计2016年中期将有第一个版本推出。

4 结束语
网络功能虚拟化能够将云计算技术引入到电信网络中来，能够大幅提升网络的灵活性，有利于新业务的开发和部署，能够提升网络的管理和维护效率。从2012年业界提出开始，就受到了广泛的关注，成为电信领域的研究热点。目前，经过两年的研究，网络功能虚拟化已经成为电信网络的发展方向，业界的主流设备制造商也开发出了相关的设备，主流运营商都已经开展了相关的测试和试点验证工作。尽管目前网络功能虚拟化的标准尚未成熟，还面临着故障定位、管理维护等方面的挑战，随着厂商和运营商的持续投入和推动，预计在近两年之内将有大规模的商用，后续将进入快速发展阶段。

作者简介：

薛海强，中国移动研究院资深研究员、博士；研究领域为网络功能虚拟化、云计算、大数据应用、核心网架构、IMS网络、车联网等。

张昊，中国移动研究院研究员；研究领域为网络功能虚拟化、云计算、大数据应用、核心网架构、IMS网络、车联网等。