vBRAS應(yīng)用場景及評估方法探討

雷波+解云鵬+王波

摘要：虛擬寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（vBRAS）已經(jīng)成為電信運(yùn)營商在IP城域網(wǎng)（MAN）引入網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）的一個切入點(diǎn)，主要應(yīng)用在一些小流量、常在線業(yè)務(wù)場景以及需要集中運(yùn)營的業(yè)務(wù)場景。在vBRAS的性能評估方面，可以通過資源占用率等基本指標(biāo)和穩(wěn)定系數(shù)、均衡系數(shù)和無關(guān)系數(shù)等擴(kuò)展指標(biāo)來綜合衡量。

關(guān)鍵詞： NFV；vBRAS；性能評估

1 vBRAS形態(tài)及發(fā)展方向

城域網(wǎng)寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（BRAS）設(shè)備位于城域網(wǎng)邊緣，是用戶實(shí)現(xiàn)各種業(yè)務(wù)的入口，近年來運(yùn)營商不斷嘗試“寬帶中國”、智能管道的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)型，BRAS的關(guān)鍵地位也進(jìn)一步得到凸顯。近年來在新業(yè)務(wù)、新流量模型的沖擊下，傳統(tǒng)BRAS的弊端也開始暴露，作為軟硬件一體化的專用設(shè)備，傳統(tǒng)BRAS這種控制與轉(zhuǎn)發(fā)緊耦合的架構(gòu)在一定程度上束縛了城域網(wǎng)的發(fā)展。

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）技術(shù)的出現(xiàn)，為傳統(tǒng)BRAS設(shè)備的發(fā)展提供了新的思路，通過采用x86等通用硬件以及虛擬化技術(shù)，把原有必須通過專用硬件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)功能，改由通用服務(wù)器實(shí)現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)BRAS的軟硬件解耦及功能抽象。基于NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬化BRAS（vBRAS）有利于資源的靈活共享，滿足業(yè)務(wù)的自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈，以及新業(yè)務(wù)的快速開發(fā)和部署[1-4]。

根據(jù)控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面實(shí)現(xiàn)方式不同，目前vBRAS的實(shí)現(xiàn)主要有3種形態(tài)，如圖1所示。

其中，形態(tài)1為基于通用x86服務(wù)器的一體化架構(gòu)，控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面運(yùn)行在單個虛擬機(jī)中；形態(tài)2為基于通用x86服務(wù)器轉(zhuǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)控分離架構(gòu)，由通用服務(wù)器硬件結(jié)合虛擬化軟件的網(wǎng)絡(luò)云資源池來實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)發(fā)面，并通過統(tǒng)一云資源池提高業(yè)務(wù)的集約化管理能力；形態(tài)3為基于專用高速硬件轉(zhuǎn)發(fā)的轉(zhuǎn)控分離架構(gòu)，在通用x86服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的控制面控制下，通過專用硬件實(shí)現(xiàn)高效而靈活的流量轉(zhuǎn)發(fā)。

綜合來看，vBRAS將向轉(zhuǎn)控分離的形態(tài)（形態(tài)2和形態(tài)3）演進(jìn)，形態(tài)2適合承載網(wǎng)絡(luò)電話（VoIP）、虛擬專用撥號網(wǎng)（VPDN）等小流量業(yè)務(wù)；形態(tài)3適合承載寬帶上網(wǎng)、高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）等大流量業(yè)務(wù)。形態(tài)1由于可能會導(dǎo)致控制面分散，難以實(shí)現(xiàn)集約化的管理，不是vBRAS的發(fā)展方向。

2 vBRAS的典型應(yīng)用場景

基于vBRAS的特點(diǎn)和能力，現(xiàn)有vBRAS主要應(yīng)用在一些小流量、多并發(fā)、常在線業(yè)務(wù)場景以及需要集中運(yùn)營的業(yè)務(wù)場景中。

（1）分流小流量、大并發(fā)業(yè)務(wù)的場景。

目前，現(xiàn)網(wǎng)傳統(tǒng)40 G平臺BRAS轉(zhuǎn)發(fā)能力一般支持100 000用戶數(shù)，由于BRAS設(shè)備控制層面在用戶會話性能存在瓶頸，為保障用戶突發(fā)流量、寬帶質(zhì)量，通常要求并發(fā)用戶數(shù)不超過30 000～40 000，該場景下可通過vBRAS分流現(xiàn)網(wǎng)VoIP等小流量大并發(fā)的業(yè)務(wù)，解決傳統(tǒng)BRAS的會話處理能力不均衡問題。

如圖2所示，發(fā)揮傳統(tǒng)BRAS和vBRAS的特點(diǎn)，將占用BRAS控制層面資源，占用會話數(shù)，同時將流量要求小的業(yè)務(wù)（VoIP等）遷移至數(shù)據(jù)中心的vBRAS部署，寬帶上網(wǎng)、交互式網(wǎng)絡(luò)電視（IPTV）等業(yè)務(wù)流保留在傳統(tǒng)BRAS進(jìn)行認(rèn)證及轉(zhuǎn)發(fā)。虛擬化匯聚層可基于QinQ等方式區(qū)分用戶及業(yè)務(wù)類型，構(gòu)建到vBRAS的隧道，將不同業(yè)務(wù)分流到BRAS和vBRAS。

（2）公共Wi-Fi業(yè)務(wù)集中接入統(tǒng)一認(rèn)證場景。

公共Wi-Fi業(yè)務(wù)是一種免費(fèi)公用無線網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)用戶在公共場所搜索到特定無線網(wǎng)絡(luò)后，通過簡單的認(rèn)證流程即可免費(fèi)使用。公共Wi-Fi業(yè)務(wù)資源池需要滿足用戶城域內(nèi)的集中Portal認(rèn)證，并根據(jù)接入位置推送定制化Portal頁面的需求。

如圖3所示，Portal認(rèn)證采用vBRAS資源池部署，利用城域網(wǎng)匯聚交換機(jī)或者路由器設(shè)備構(gòu)建虛擬可擴(kuò)展局域網(wǎng)（VxLAN）大二層網(wǎng)絡(luò)，形成公共Wi-Fi的Overlay承載網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)城域網(wǎng)范圍內(nèi)的公共Wi-Fi業(yè)務(wù)流量的集中認(rèn)證。

3 vBRAS性能評估的需求

NFV技術(shù)提出之后，就一直強(qiáng)調(diào)分層解耦、集約管控的原則，以期實(shí)現(xiàn)開放、合作、競爭的生態(tài)環(huán)境。因此NFV重點(diǎn)關(guān)注基礎(chǔ)設(shè)施層、網(wǎng)絡(luò)功能層和協(xié)同編排層之間的南北向解耦，主要包括以下3方面[5-6]：

（1）通用硬件與虛擬化軟件的解耦；

（2）虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）與NFV基礎(chǔ)設(shè)施（NFVI）解耦；

（3）NVF的管理和編排（MANO）解耦。

其中，為了滿足VNF與NFVI的解耦，需要構(gòu)建一套科學(xué)、合理的VNF性能評估方法，以便于同一套評估體系去衡量不同供應(yīng)商的VNF以及不同專業(yè)的VNF。

以vBRAS為例，其業(yè)務(wù)處理能力與所消耗的硬件服務(wù)器資源沒有絕對的線性關(guān)系，按照傳統(tǒng)的通過堆疊測試儀表來測試網(wǎng)元設(shè)備最大處理能力的方法并不適用于vBRAS，主要有兩方面問題：一是vBRAS的軟件處理極限非常高，需要耗費(fèi)大量的測試儀表資源，而目前的測試儀表價格昂貴，通常是普通網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的數(shù)百倍，很難在一般的測試環(huán)境中堆疊足夠多的測試儀表；二是部分vBRAS提供方也沒有在實(shí)驗(yàn)環(huán)境中測試出vBRAS的極限，無法提前計算和規(guī)劃測試方案與測試資源。

因此繼續(xù)沿用現(xiàn)有物理網(wǎng)元的測試方案，即簡單地將vBRAS及相應(yīng)底層系統(tǒng)NFVI解決方案放置到現(xiàn)有物理網(wǎng)元設(shè)備的測試環(huán)境中，按照現(xiàn)有物理網(wǎng)元設(shè)備的測試用例進(jìn)行測試，難以準(zhǔn)確測試出vBRAS的性能極值，我們需要找出一種新的性能評估方案。

4 vBRAS性能評估指標(biāo)與驗(yàn)證

一般而言，對vBRAS性能評估可以通過固定環(huán)境下的性能測試和固定需求的性能測試來衡量，在相同業(yè)務(wù)情況下，系統(tǒng)對資源占用越少則越有優(yōu)勢，但這個問題也不是絕對的，還需要考察其他方面的內(nèi)容。因此我們將vBRAS性能評估指標(biāo)分成兩類：一類為基本指標(biāo)，主要是固定業(yè)務(wù)輸入下的資源占用率；一類為擴(kuò)展指標(biāo)，通過vBRAS在不同時刻和不同平臺上的測試結(jié)果綜合進(jìn)行考量。

（1）基本指標(biāo)，指資源占用率指標(biāo)，一般包括中央處理器（CPU）、內(nèi)存、存儲和網(wǎng)絡(luò)等幾方面指標(biāo)，具體包括：

·虛擬機(jī)CPU（vCPU）性能的關(guān)鍵指標(biāo)，包括vCPU使用率、系統(tǒng)調(diào)用開銷、vCPU綁定率；

·內(nèi)存（RAM）的主要性能指標(biāo)，包括訪問帶寬和延遲；

·硬盤輸入輸出（I/O）的主要性能指標(biāo)，包括連續(xù)/大塊/小塊讀寫的吞吐量；

·網(wǎng)絡(luò)的主要性能指標(biāo)，包括傳輸吞吐量、延遲、抖動和丟包率。

（2）擴(kuò)展指標(biāo)，用以衡量vBRAS在不同環(huán)境下的運(yùn)行情況，包括穩(wěn)定系數(shù)、均衡系數(shù)和無關(guān)系數(shù)等方面指標(biāo)，具體包括：

·均衡系數(shù)，用以衡量存在多個相同類型資源時，各個資源占用率是否均衡；

·穩(wěn)定系數(shù)，用以衡量持續(xù)測試一段時間后，各項(xiàng)性能指標(biāo)是否會出現(xiàn)波動；

·無關(guān)系數(shù)，用以衡量vBRAS在不同NFVI平臺上的表現(xiàn)是否一致。

我們假設(shè)：

·業(yè)務(wù)輸入X，根據(jù)業(yè)務(wù)需求所制定的業(yè)務(wù)模型以及一定量的業(yè)務(wù)輸入；

·觀察指標(biāo)G，利用測試儀表所檢測的關(guān)鍵性指標(biāo)，比如丟包率或時延等指標(biāo)，用以衡量vBRAS是否處于正常工作狀態(tài)；

·性能指標(biāo)Y，vBRAS對NFVI平臺的資源需求。

那么對于在一定的業(yè)務(wù)輸入X時，當(dāng)[G≤GH]時，記錄此時所得到的性能指標(biāo)[Y={Y1，Y2，…，YN}]，其中[Yn，n=1，…，N]表示vBRAS需要占用多個資源，每個資源的占用率，比如vBRAS需占用多個vCPU，[Yn]表示每個vCPU的利用率。

此外還需要考慮在不同時刻和不同平臺上的性能指標(biāo)是否存在差異，因此還存在兩個維度：

·時間維度t，即在不同時刻測試出的性能指標(biāo)值；

·平臺維度j，即在不同NFVI平臺測試出的性能指標(biāo)值。

我們即可以用[Y（t，j）n]表示在j平臺上t時刻測試出的第n項(xiàng)資源的利用率。因此對于3個擴(kuò)展指標(biāo)可以分別表述如下：

·均衡系數(shù)。vBRAS其性能指標(biāo)與研發(fā)能力、編程能力有密切關(guān)聯(lián)，如果系統(tǒng)設(shè)計不夠合理，就容易出現(xiàn)資源利用不均衡，同類資源的某些部分不夠，而另外一些部分卻空閑的情況，因此定義均衡系數(shù)[α]，用以衡量存在多個相同類型資源時，各資源占用率是否均衡。

·穩(wěn)定系數(shù)。由于vBRAS的軟件特性，各項(xiàng)性能指標(biāo)可能會隨時間的變化出現(xiàn)波動，因此定義穩(wěn)定系數(shù)[β]，用以衡量持續(xù)測試一段時間后，各項(xiàng)性能指標(biāo)的波動情況。

·無關(guān)系數(shù)。平臺無關(guān)性是指當(dāng)存在多個NFVI平臺可選擇的時候，vBRAS在不同的平臺上占用相同資源所實(shí)現(xiàn)的業(yè)務(wù)處理能力接近。因此定義無關(guān)系數(shù)[γ]，用以衡量vBRAS在不同NFVI平臺上的表現(xiàn)是否一致。

我們在實(shí)驗(yàn)室對兩個不同供應(yīng)商的vBRAS網(wǎng)元進(jìn)行了測試，兩個vBRAS在架構(gòu)上存在較大差異，vBRAS1采用單虛機(jī)模式，在一個虛機(jī)內(nèi)完成管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的功能；而vBRAS2采用多虛機(jī)模式，用不同的虛機(jī)分別完成管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的功能，因此只通過vCPU利用率是無法衡量vBRAS1和vBRAS2的優(yōu)劣勢。因此我們利用文中提出的3個擴(kuò)展參數(shù)進(jìn)行了綜合評估。

（1）均衡系數(shù)。對于vBRAS1占用8個vCPU，而vBRAS2則占用10個，每個vCPU的平均利用率如圖4所示。

綜合起來，計算出vBRAS1的[α=0.289]，vBRAS2的[α=0.366]，因此可以認(rèn)為vBRAS1較vBRAS2利用資源更為均衡。

目前采用黑盒測試法，未區(qū)分這些vCPU是用于管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面。顯然用于管理面和控制面的vCPU的利用率會明顯低于用于轉(zhuǎn)發(fā)面的vCPU，因此將不同用途的vCPU放在一起比較，會導(dǎo)致評估結(jié)果產(chǎn)生一定的偏差。未來可以考慮借助灰盒測試法，區(qū)分vCPU的用途，分別比較用于管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的3類vCPU資源利用情況，得出更為全面的比較結(jié)果。

（2）穩(wěn)定系數(shù)。對于不同時刻的兩個vBRAS的平均利用率情況如圖5所示。

綜合起來，計算出vBRAS1的[β=0.008]，vBRAS2的[β=0.016]，因此可以認(rèn)為vBRAS1較vBRAS2更加穩(wěn)定。

（3）無關(guān)系數(shù)

由于vBRAS1廠家自己也提供NFVI平臺，vBRAS1在自家的平臺上的性能更優(yōu)，但運(yùn)行在第三方平臺上時，性能會有所下降。vBRAS2廠家不提供NFVI平臺，可運(yùn)行在不同的第三方NFVI平臺上。

此時，vBRAS1的[γ=0.022]，vBRAS2的[γ=0.009]，因此可以認(rèn)為vBRAS2較vBRAS1與平臺的無關(guān)性更好。

因此如果要綜合比較vBRAS1和vBRAS2的優(yōu)劣勢，需要對這幾個參數(shù)進(jìn)行綜合評估，給每個參數(shù)給出一定的權(quán)重，比如按照層次化評估法進(jìn)行綜合評估，限于篇幅，不再贅述。

5 結(jié)束語

作為IP網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域虛擬化的代表之一，vBRAS已經(jīng)成為運(yùn)營商在IP城域網(wǎng)入NFV的切入點(diǎn)。在vBRAS的評估方面，可以通過資源占用率等基本指標(biāo)和穩(wěn)定系數(shù)、均衡系數(shù)和無關(guān)系數(shù)等擴(kuò)展指標(biāo)來綜合衡量。可以預(yù)見的是，隨著NFV應(yīng)用規(guī)模的逐步擴(kuò)大，后續(xù)對VNF性能的系統(tǒng)評估方案以及自動化評估工具等方面的需求也將會越來越明確。

致謝

本期實(shí)驗(yàn)工作是在北京研究院-惠普聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室完成的，王旭亮、谷欣、許一亮等工程師承擔(dān)了大量的試驗(yàn)，對他們謹(jǐn)致謝意！

參考文獻(xiàn)

[1] 蔣銘，于益俊. NFV與VNF架構(gòu)演進(jìn)與網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)未來[J]. 信息通信技術(shù)， 2016（1）： 45-51

[2] 杜鵑.VNF在移動網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用初探[J].內(nèi)蒙古科技與經(jīng)濟(jì)， 2015（16）： 62-63

[3] 周宇翔.NFV走向商用面臨六大問題[N]. 通信產(chǎn)業(yè)報，2014-09-01（25）

[4] 周振勇.NFV技術(shù)進(jìn)展及其應(yīng)用探討[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2016（7）：41-45

[5] 李晨，谷欣，林群陽，等. NFV網(wǎng)絡(luò)加速技術(shù)探討及實(shí)踐[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2016（6）：25-32

[6] 思博倫通信.完整驗(yàn)證NFV的性能[J].電信網(wǎng)技術(shù)，2015（6）：63-71