NFV弹性技术

 刘露，郭志斌

（中国联合网络通信有限公司研究院，北京100032）

摘  要：NFV (network function virtualization，网络功能虚拟化)系统主要包括NFVI、VNF和MANO 三大功能模块以及子功能模块，相对传统网络架构，网络功能虚拟化解耦了传统专用设备的软硬件，引入了虚拟化技术来池化物理资源，对网络架构的改动很大。对NFV弹性技术进行了分析，强调了网络虚拟化的弹性目标主要是确保业务的连续性，应用设计本身和虚拟化设施均受此目标影响。归纳了弹性结构设计原则，给出弹性用例并进行总结。

关键词：NFV；虚拟化；VNF 中图分类号：TN918.91 

doi: 10.11959/j.issn.1000-0801.2016105

1  引言

 NFV的本质是网络设备的虚拟化和云化，以虚拟化实现软硬件解耦，以云化实现硬件资源的共享和系统随业务大小的自动伸缩，从而支撑业务的快速创新和快速上线。NFV的目标是通过基于行业标准的x86服务器、存储和交换设备，取代通信网络中那些私有专用的网元设备。为了实现这一愿景，学术界和产业界进行了不懈创新，拟基于通用标准的服务器、存储和网络设备并利用IT虚拟化技术以软件的方式实现现有多种电信设备的功能，推进电信网络虚拟化架构及关键技术的研发工作。

2  NFV弹性技术

 在IT领域和电信领域对于业务连续性的要求级别不同：在IT领域，中断时长可以持续几秒，依靠用户重新发起请求进行业务恢复；但是在电信领域，中断时长应当低于可辨别的水平，业务的恢复依靠系统自动执行。因此在电信领域，服务中断所影响的用户数应当被限制在一定范围内，不能造成大规模网络中断。

 电信网络是国家关键基础设施的一部分，其业务的连续性不仅仅是用户的期望，也是监管的需求。但不是所有的网络功能(network function，NF)都有同样的弹性需求。比如，电话通常对可用性要求很高，而其他服务（如短信服务）对可用性的要求相对较低。因此，网络功能虚拟化架构需要支持识别多个可用性类别。

 网络虚拟化的弹性目标主要是确保业务的连续性，应用设计本身和虚拟化设施均受此目标影响：VNF需要确保端到端服务部分的可用性：VNF的设计需要能够识别NFVl(network funCtion vitualization infrastructure)，比女口在网络业务描述符(network service descriptor，NSD)和虚拟网络功能模块描述符(VNF descriptor，VNFD)中交给NFV-MANO的弹性需求等：NSD和VNFD需要提供识别弹性需求的能力；NFV-MANO需要在发生故障后，提供有效的机制来自动重建VNF; NFV-MANO在运行时，应当支持故障通知机制，允许VNF选择性地请求特定类型的故障通知：在NFVI或者NFV-MANO中，NFVI中的故障需要被处理：NFVI提供必要的功能实体来支持VNF层面的高可用性，比如故障通知和修复。

3  基于NFV的弹性原则

 在NFV系统中，系统框架发生了根本性变化，许多弹性原则也跟着变化。NFV-MANO需要高可靠性来支持自动化的NFV运行，比如快速服务创建、动态负载适应或过载预防。NFV-MANO是构建高可用性的虚拟VNF的先决条件，对于业务可用性的主要作用是将基础设施故障对于端到端业务可用性的影响降到最低。

 任何NFV-MANO组件的故障都将在此组件内，不会影响任何正在运行的VNF。NFV-MANO组件对任何VNF的生命周期管理都是必不可少的。这些组件中的任意一个产生故障都不会对VNF的业务传输产生负面影响。不仅通过对这些组件使用高可用性机制会降低故障的可能性，而且NFV-MANO组件应当支持将组件恢复到故障发生前的状态。

 业务弹性取决于NFVI的可靠性以及VNF内部的弹性。这些指标由VNF基础设施提供的弹性和内置在构成网络业务的VNF的弹性机制构成。

 为了完全实现虚拟化所承诺的弹性增益和OPEX/CAPEX节约，需要完全利用NFV的能力。VIM不能对VNF的内部相关的弹性机制有认知，可以基于VNFM/NFVO的请求，提供虚拟资源到VNFC来管理VNF。

4弹性用例

 弹性用例包括业务连续性、网络拓扑透明性、回归和预占、空间分布以及业务链。

4.1  业务连续性

 VNF运行时在不同类型的硬件以及虚拟机之间具有可移植性。当VNF由于异常事件，如CPU过载、硬件故障或安全威胁，需要将提供的服务迁移到另一个物理节点，NFV系统能够保存VNF的配置信息，因此在理想情况下不会对物理节点产生影响。业务连续性有如下两个典型场景。

 ·无状态业务连续性：该场景适用于事务业务，比如 DNS。每个事务相互独立，在服务器宕机不能提供服务的情况下，它只能够将VNF提供的业务迁移到新的虚拟机和／或硬件实体。

 ·有状态业务连续性：该场景适用于基于会话的业务，比如会话发起协议( session  initiation protocol，SIP)。当VNF在故障缓解、维护或者工作负载整合时，仍然可以保持所提供的业务性能，对于使用业务的实体来说，可以视为“业务连续”。为了能够确保状态的完整性和可用性，当VNF被迁移时，状态信息可以存储在同一个虚拟机中。

4.2  网络拓扑透明性

 传统冗余系统通常将活动和备用节点放置在同一个局域网段（包括VLAN）中。两节点中的任意一个处于运行状态下，一般会给这两个节点分配同样的IP地址（有时是相同的MAC地址）。这两个节点尽量保持相同的信息。当活动系统发生故障时，备用系统会无中断地接管业务。

 从弹性的角度（考虑到灾难恢复和资源利用的灵活性）来说，希望能够将备用节点放在不同拓扑的地方以维持连接有效性。需要指出的是，在物理网络中IP数据分组应当被路由到新的位置，VNF的移动对其他VNF、在虚拟化环境中的非虚拟实体以及介于虚拟和物理环境的客户端应用、用户终端来说最好是透明的，如图1所示。其中“透明”是指在虚拟或者物理环境中，任何实体都不需要因为此次的移动采取任何特殊措施。

 为了防止在VNF处理过程中的时间限制，从传播时延或者监管问题的角度，VNF所移至的位置需要认真选择。任何部署条件或者约束应当用诸如VNFD的机制来描述。

4.3回归和预占

 当系统发生硬件故障时，运行在其上的VNF需要迁移到其他地方，最理想的情况是能够把所有的VNF都迁移出来，以维持所提供的业务的功能和性能。但是，在实际应用中，很有可能在故障时刻没有足够的可用资源，无法将所有的VNF都迁移出来。这时候就需要基于服务等级协议(SLA)尽可能将部分VNF迁移到新地方。图2展现了这种情形的两个策略：一是根据可用资源将尽可能多的VNF迁移到新的地方，该策略称为“回归”；另一个是将新地方的一个或多个正在运行的VNF暂停并把所有发生故障的硬件上的VNF迁移到此处，该策略称为“预占”。如果硬件故障只是引起性能下降，而不是造成活动完全停止，那么减少VNF的数量可能会使系统继续运行。VNF的留下或迁移由SLA和VNFD决定，部署配置和时间／空间约束也由它们来描述。回归或预占由VIM来决定。VIM能够管理和最优化所有NFVI使用的资源。

4.4空间分布

 当一个物理节点负载过高时，其上运行的VNF就需要迁移到另一个具有相同性能的物理节点上，但是也许VNF迁移以后，该节点的负载情况也不会得到改善。这时候就需要采取另一种更有效的方法，那就是复制VNF并将新实例分发到多个物理节点，同时将新到来的请求分发到这些节点。最好能够最优化VNF正在运行的每个节点所处理的负载而无需干扰相关的实体。应当让VIM来最优化负载分布管理NFVI整体性能。在迁移时刻，业务成本可能会制约分发VNF，如图3所示。

4.5业务链

 业务链定义了端到端业务中的任何组件。一旦其中一个或多个组件出现问题，就有可能需要重新调整业务链。从弹性的角度来说，如果受损的VNF是业务链中的一个节点，迁移该功能至另一个资源集，就要以透明的方式确保对于其他组件有类似的连接性。迁移后VNF应当能够达到与周边VNF建立关系所需要的性能标准。

5结束语

 作为新的网络架构技术．NFV -经提出就受到业界广泛关注，逐渐成为一项推动SG及未来网络发展的关键技术。网络功能虚拟化通过使用通用性硬件以及虚拟化技术，来承载众多的网元软件。相对传统网络架构，网络功能虚拟化解耦了传统专用设备的软硬件，引入了虚拟化技术来池化物理资源，对网络架构的改动很大。ETSI牵头的NFV架构标准化正在不断演进，越来越多的组网细节将要被包括其中，大规模的应用指日可待。