基于開源技術(shù)的WoMANO技術(shù)架構(gòu)研究

中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司研究院 北京 100032

引言

NFV即網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化[1]，是通過(guò)使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術(shù)來(lái)承載很多的網(wǎng)絡(luò)功能化軟件，從而降低網(wǎng)絡(luò)昂貴的設(shè)備成本。NFV技術(shù)可以通過(guò)軟硬件解耦及功能抽象，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能不再依賴于專用硬件，使資源可以充分靈活共享，實(shí)現(xiàn)新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署，并基于實(shí)際業(yè)務(wù)需求進(jìn)行自動(dòng)部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

虛擬化消除了網(wǎng)絡(luò)功能(Network Function, NF)和硬件之間的依賴關(guān)系，為虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能(Virtualized Network Function, VNF)創(chuàng)建了標(biāo)準(zhǔn)化的執(zhí)行環(huán)境和管理接口?？墒苟鄠€(gè)VNFs以虛擬機(jī)(VM)的形式共享物理服務(wù)器，物理服務(wù)器進(jìn)一步匯集成為一個(gè)集中而靈活的共享NFV基礎(chǔ)設(shè)施(NFVI)資源池，這和云計(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施很像，而業(yè)界主流的NFVI實(shí)現(xiàn)也是在云計(jì)算IaaS基礎(chǔ)之上，進(jìn)行了性能、穩(wěn)定性的優(yōu)化。NFV的分層架構(gòu)，使得NFV各模塊解耦，運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商各司其職，既緊密合作，又無(wú)強(qiáng)綁定。

NFV增加了通信網(wǎng)絡(luò)的靈活性，也同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理和編排提出新的功能需求。在傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)功能固化于專用硬件中，而NFV引入了一個(gè)新的虛擬化層，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)管理和編排，實(shí)現(xiàn)VNFs和NS(Network Service，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù))的生命周期管理。VNFs能夠和其他的VNFs或者物理網(wǎng)絡(luò)功能關(guān)聯(lián)來(lái)實(shí)現(xiàn)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。在NFV中，NS可以包括物理網(wǎng)絡(luò)功能、虛擬網(wǎng)絡(luò)功能、相關(guān)虛擬鏈路以及網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施。它們的協(xié)作處理需要一組新的管理和業(yè)務(wù)流程功能。網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化管理和編排[2](Network Functions Virtualization Management and Orchestration，NFV-MANO)就扮演著管理NFVI以及分配NSs和VNFs所需資源的角色。NFV-MANO架構(gòu)[3]側(cè)重于編排管理虛擬網(wǎng)絡(luò)功能模塊及其之間的協(xié)作關(guān)系，期望將NFV的靈活性引入到運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)中。本文參考ETSI NFV架構(gòu)并結(jié)合電信運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)特點(diǎn)，給出一種WoMANO系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)架構(gòu)。

1 NFV標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀與開源進(jìn)展

國(guó)際上，多個(gè)有影響力的標(biāo)準(zhǔn)組織近年來(lái)紛紛成立工作組開展NFV研究。ETSI是最早開展NFV研究的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織，2012年成立了NFV ISG來(lái)研究網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，輸出多項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)成果并開展系統(tǒng)性PoC測(cè)試。此外，3GPP SA5(Service and System Aspects Working Group 5，電信網(wǎng)管系統(tǒng)研究工作組5)在2015年完成3GPP網(wǎng)絡(luò)中NFV網(wǎng)管的研究與相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定。電信管理論壇(TMF)中也開展了ZOOM項(xiàng)目，研究虛擬化網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)管問(wèn)題，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的組合與調(diào)度涉及較多。IETF成立SFC工作組專注于網(wǎng)絡(luò)功能的業(yè)務(wù)鏈[4]研究，后又成立專門的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化研究組聚焦于業(yè)務(wù)編排和資源管理等。BBF聚焦于虛擬家庭網(wǎng)關(guān)、虛擬接入路由器等設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)。在國(guó)際電信聯(lián)盟(ITU)也有相關(guān)的研究課題研究網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，ITU-T SG13重點(diǎn)研究控制面網(wǎng)元的虛擬化需求和架構(gòu)等。國(guó)內(nèi)CCSA TC3、TC5和TC6等也紛紛開展相關(guān)研究[5-8]，并取得顯著成果。

在傳統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)化工作開展的同時(shí)，開源組織也對(duì)NFV進(jìn)行積極推動(dòng)。2014年9月30日，由AT&T、中國(guó)移動(dòng)、戴爾、惠普等運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商與Linux 基金會(huì)合作，聯(lián)合發(fā)起成立了NFV 開放平臺(tái)項(xiàng)目(OPNFV)[9]的開源組織，旨在通過(guò)利用開源組織的力量，開發(fā)一個(gè)開放的、標(biāo)準(zhǔn)的NFV參考平臺(tái)。OPNFV[10]最初將提供NFV的基礎(chǔ)設(shè)施(NFVI)和虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理(VIM)模塊，并于2015年6月發(fā)布了首個(gè)版本Arno。2016年3月，發(fā)布了第二個(gè)版本Brahmaputra。

西班牙電信公司Telefónica于2015年初將自身研發(fā)的OpenMANO代碼開源，將代碼上傳到Github。OpenMANO包含openvim、openmano和openmanogui三部分。該平臺(tái)實(shí)現(xiàn)符合ETSI NFV參考架構(gòu)，并融合其他主流開源軟件，支持OpenStack作為VIM，OpenDaylight作為SDN控制器。

除此以外，像Open Stack[11]、KVM、OpenvSwitch、ONOS、OpenDaylight等開源組織也在助力NFV端到端的實(shí)現(xiàn)。從2012年到現(xiàn)在的近四年時(shí)間里，NFV自概念提出之后，已經(jīng)在標(biāo)準(zhǔn)化、實(shí)現(xiàn)和影響力上飛速發(fā)展，它和SDN一起將成為下一代網(wǎng)絡(luò)的革新技術(shù)。越來(lái)越多的運(yùn)營(yíng)商試水NFV，最近幾年將成為NFV快速發(fā)展期，然而，作為NFV最核心的組件，管理和編排還欠缺實(shí)現(xiàn)。本文從電信運(yùn)營(yíng)商的角度出發(fā)為NFV的管理與編排提供實(shí)際的解決方案，聚焦于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排(NFVO)和虛擬資源管理(NFVI+VIM)，與開源云平臺(tái)OpenStack原生接口成功對(duì)接，同時(shí)，集成開源能力組件(包括Ceph、Opendaylight、KVM)和VNF系統(tǒng)(OpenEPC、ClearWater)，實(shí)現(xiàn)了端到端的測(cè)試驗(yàn)證。

2 基于開源技術(shù)的Wo-MANO技術(shù)架構(gòu)

2.1 總體技術(shù)架構(gòu)與流程

如圖1所示，該系統(tǒng)的主要功能模塊包括：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排管理模塊(NFVO)、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理模塊(VNFM)、虛擬資源管理模塊(VIM)等。

圖1 WoMANO系統(tǒng)架構(gòu)與實(shí)現(xiàn)流程

圖1展現(xiàn)了實(shí)現(xiàn)服務(wù)網(wǎng)絡(luò)編排的主要系統(tǒng)流程，包括：1)用戶上傳VNF以及NS模板；2)選取需要實(shí)例化NS模板，如IMS；3)系統(tǒng)解析模板，根據(jù)策略配置決定如何初始化VNF；4)根據(jù)VNF模板配置初始化需要的虛擬網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，如子網(wǎng)、路由、ACL和NAT等；5)創(chuàng)建VNF需要的云主機(jī)；6)實(shí)例化NS所需的VNFs；7)監(jiān)控腳本監(jiān)控VNF服務(wù)是否啟動(dòng)，并發(fā)送監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)；8)通過(guò)監(jiān)控腳本判斷IMS是否啟動(dòng)成功。

2.2 Wo-MANO功能模塊設(shè)計(jì)

針對(duì)圖1所示技術(shù)架構(gòu)，對(duì)各模塊具體功能描述如下。

1)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排管理模塊NFVO。一個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)NS的實(shí)現(xiàn)需要一個(gè)或一組虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能VNFs以及一組相關(guān)聯(lián)的NFV基礎(chǔ)設(shè)施共同實(shí)現(xiàn)。圍繞NS的管理與編排，NFVO具有兩個(gè)主要功能，即資源編排和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排。前者負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)跨多個(gè)VIMs的NFVI資源的編排，后者負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的生命周期管理。所以NFVO模塊主要包括NS模塊管理、NS生命周期管理和網(wǎng)絡(luò)功能編排。

NS模板管理：在部署模板中可以獲取每個(gè)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的部署和操作行為要求，為未來(lái)的實(shí)例化過(guò)程中模板選擇做準(zhǔn)備。NS模板管理包括模板描述和模板管理功能，其中NS模板描述定義了各種NS的基本信息以及實(shí)現(xiàn)NS所需的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源VNF，NS模板管理功能實(shí)現(xiàn)模板的上傳、查看和刪除。

NS生命周期管理：包括NS創(chuàng)建和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控等功能。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)創(chuàng)建是由網(wǎng)絡(luò)服務(wù)使用者申請(qǐng)服務(wù)后，經(jīng)過(guò)審批流程，審批通過(guò)后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的創(chuàng)建；網(wǎng)絡(luò)服務(wù)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控功能獲取并存儲(chǔ)NS各項(xiàng)指標(biāo)的全程狀態(tài)信息。NS監(jiān)控流程包括監(jiān)控信息獲取與監(jiān)控信息展示兩個(gè)環(huán)節(jié)，NS監(jiān)控依賴于構(gòu)成NS的VNF狀態(tài)，而VNF的狀態(tài)是通過(guò)VNF所在云主機(jī)的監(jiān)控腳本發(fā)送至系統(tǒng)，再由系統(tǒng)判斷服務(wù)是否啟動(dòng)正常。

網(wǎng)絡(luò)功能編排：虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能的編排是指通過(guò)NS網(wǎng)絡(luò)功能模板，利用VIM虛擬資源和VNFs自動(dòng)化完成網(wǎng)絡(luò)服務(wù)功能編排。通過(guò)NS模板定義的約束關(guān)系，創(chuàng)建NS所需要的資源并對(duì)NS進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)編排。以基于中國(guó)聯(lián)通沃云平臺(tái)的網(wǎng)絡(luò)功能編排為例，網(wǎng)絡(luò)功能編排流程示例如圖2所示。

2)虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理模塊。VNF的管理和業(yè)務(wù)流程包括傳統(tǒng)的故障管理、配置管理、計(jì)費(fèi)管理、性能管理和安全管理(Fault、Configuration、Accounting、Performance、Security Management，F(xiàn)CAPS)。由于網(wǎng)絡(luò)功能與物理資源的解耦對(duì)管理功能提出新需求，NFV引進(jìn)的新特性使得管理也產(chǎn)生相應(yīng)變化。本文VNFM聚焦于VNF模板管理、生命周期管理和狀態(tài)監(jiān)控等功能。

VNF模板管理：VNF模板定義了虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的基本描述信息以及實(shí)現(xiàn)所需要的資源，如flavor、image和虛擬資源等。VNF的實(shí)例化會(huì)按照VNF模板來(lái)分配網(wǎng)絡(luò)、計(jì)算以及存儲(chǔ)資源。VNF模板管理支持多個(gè)模板同時(shí)上傳，并以列表形式展示VNF模板，支持查看和刪除模板。

VNF生命周期管理：VNF作為NFVO的重要支撐部分，直接關(guān)系著編排功能的成敗，實(shí)際上VNF生命周期就是NFVO的另一種體現(xiàn)。VNF創(chuàng)建過(guò)程包括：a)解析VNF依賴關(guān)系；b)創(chuàng)建VNF所需要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)環(huán)境；c)創(chuàng)建云主機(jī)；d)啟動(dòng)VNF服務(wù)；e)啟動(dòng)監(jiān)控腳本。若中間VNF服務(wù)停止，監(jiān)控腳本會(huì)發(fā)送消息至系統(tǒng)標(biāo)識(shí)此VNF的當(dāng)前狀態(tài)。

VNF狀態(tài)監(jiān)控：通過(guò)shell腳本，使VNF云主機(jī)與MANO服務(wù)端監(jiān)控建立連接，實(shí)時(shí)發(fā)送VNF的監(jiān)控服務(wù)信息，系統(tǒng)在收到數(shù)據(jù)后可利用圖標(biāo)動(dòng)態(tài)展示VNF狀態(tài)。

圖2 網(wǎng)絡(luò)功能編排流程示例

3)虛擬資源管理模塊。其負(fù)責(zé)控制和管理NFVI的計(jì)算、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)資源，通常在一個(gè)運(yùn)營(yíng)商的基礎(chǔ)設(shè)施域內(nèi)。一個(gè)VIM可能被定制處理特定類型的NFVI資源或者能夠管理多種類型的NFVI資源。VIM可以用北向接口對(duì)外提供功能服務(wù)，而南向接口則與各種hypervisor和網(wǎng)絡(luò)控制器交互以支撐北向接口暴露的功能；另外一些VIM的實(shí)現(xiàn)是直接通過(guò)調(diào)用底層計(jì)算模塊、存儲(chǔ)模塊和網(wǎng)絡(luò)控制器暴露的接口實(shí)現(xiàn)。

云資源管理平臺(tái)為VIM功能實(shí)現(xiàn)提供支撐，可以通過(guò)云管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)云主機(jī)和虛擬網(wǎng)絡(luò)資源管理等功能。虛擬云主機(jī)管理，通過(guò)云平臺(tái)接口創(chuàng)建云主機(jī)為VNF提供虛擬資源，能夠通過(guò)云資源管理門戶監(jiān)控到云主機(jī)的詳細(xì)信息，通過(guò)web視圖查看集群節(jié)點(diǎn)的云主機(jī)實(shí)時(shí)狀態(tài)。虛擬網(wǎng)絡(luò)資源管理，通過(guò)云資源管理平臺(tái)接口創(chuàng)建VNF所需虛擬網(wǎng)絡(luò)資源，這里以VPC網(wǎng)絡(luò)服務(wù)資源管理為例，展示所需要?jiǎng)?chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)資源以及相應(yīng)的依賴關(guān)系，如圖3所示。

圖3 虛擬網(wǎng)絡(luò)資源管理流程示例

上述示例流程中，NS的每次實(shí)例化意味建立一套獨(dú)立的VPC環(huán)境，并且相應(yīng)的子網(wǎng)、網(wǎng)關(guān)路由和路由表都會(huì)關(guān)聯(lián)到此VPC。虛擬網(wǎng)絡(luò)資源新建過(guò)程包括：a)建立路由表以及路由規(guī)則，然后跟子網(wǎng)關(guān)聯(lián)；b)為子網(wǎng)建立安全訪問(wèn)策略ACL規(guī)則，分別對(duì)TCP、UDP和ICMP進(jìn)行規(guī)則設(shè)置；c)為訪問(wèn)云主機(jī)，需要提供nat功能，綁定publicip；d)建立云主機(jī)，綁定到一個(gè)network。上述虛擬網(wǎng)絡(luò)資源完成新建后可以在門戶界面進(jìn)行查看。

4)視圖管理。提供可視化的web控制臺(tái)，方便管理人員進(jìn)行操作。管理人員可以借此實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的自動(dòng)化編排操作并查看各VNF組成部分的當(dāng)前狀態(tài)。另外，可以通過(guò)提供的全景視圖功能，以圖形直觀地展示所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)的虛擬云主機(jī)的當(dāng)前狀態(tài)情況。全景視圖是對(duì)虛擬云主機(jī)資源的狀態(tài)視圖展示，將云資源管理平臺(tái)所有計(jì)算節(jié)點(diǎn)的虛擬機(jī)進(jìn)行列表呈現(xiàn)，是對(duì)VNF狀態(tài)監(jiān)控的補(bǔ)充，通過(guò)調(diào)用hypervisor接口發(fā)現(xiàn)云主機(jī)的詳細(xì)信息，便于監(jiān)控其虛擬計(jì)算資源狀態(tài)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文結(jié)合中國(guó)聯(lián)通NFV實(shí)踐，聚焦網(wǎng)絡(luò)服務(wù)編排(NFVO)和虛擬資源管理(NFVI+VIM)，探索NFV環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的運(yùn)營(yíng)模式以及驗(yàn)證云平臺(tái)承載虛擬網(wǎng)絡(luò)功能(VNF)的技術(shù)可行性，提出了一種基于標(biāo)準(zhǔn)和開源技術(shù)的WoMANO技術(shù)架構(gòu)，為電信運(yùn)營(yíng)商開展網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施升級(jí)、簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)模式提供參考。

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