VNF技術(shù)的遷移方法研究

趙彥

摘 ? 要：隨著4G業(yè)務(wù)的快速發(fā)展和數(shù)據(jù)流量的不斷增長，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。運(yùn)營商被迫投入大量資金和運(yùn)營建設(shè)成本，并需要運(yùn)行各類新的或者是改進(jìn)過的無線網(wǎng)絡(luò)。為了減少昂貴的建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)靈活彈性網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)營商迫不及待地將5G推上舞臺(tái)。所謂的“5G”指的是第5代移動(dòng)通信技術(shù)，與4G相比，除了5G時(shí)代的“峰值”速度外，另一核心亮點(diǎn)是它將徹底打破僵硬的硬件設(shè)備組網(wǎng)束縛，提供更靈活、彈性的網(wǎng)絡(luò)，讓網(wǎng)絡(luò)快速、充分地適應(yīng)用戶需求，給用戶帶來更好的體驗(yàn)。文章首先闡述了VNF技術(shù)研究現(xiàn)狀，其次介紹了VNF技術(shù)在5G核心網(wǎng)中的相關(guān)技術(shù)概念，最后重點(diǎn)介紹VNF技術(shù)的遷移方法。

關(guān)鍵詞：5G;虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能技術(shù);遷移方法

1 ? ?VNF技術(shù)的研究現(xiàn)狀

目前，5G技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)相繼凍結(jié)，將為eMBB，mMTC和uRLLC三大范疇的多種場景供應(yīng)有力的鏈接服務(wù)，增強(qiáng)對(duì)5G時(shí)代的支持，以滿足業(yè)務(wù)多樣性和相應(yīng)的性能需求。5G核心網(wǎng)絡(luò)還面臨5大核心挑戰(zhàn)：支持多種業(yè)務(wù)模式、提供靈活的按需服務(wù)、更復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)安全和隱私保護(hù)，以及更加開放的服務(wù)生態(tài)系統(tǒng)。因此，研究虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能（Virtual Network Feature，VNF）技術(shù)在5G核心網(wǎng)中的應(yīng)用及采用VNF技術(shù)的5G核心網(wǎng)如何既能同時(shí)支持2G/3G/4G的接入，還可以滿足多種業(yè)務(wù)場景的需求就顯得尤為迫切。

目前，核心網(wǎng)絡(luò)正處于5G時(shí)代的虛擬化和云計(jì)算時(shí)代，核心網(wǎng)絡(luò)虛擬化可以降低運(yùn)營和維護(hù)資本，提高運(yùn)營和維護(hù)效率，但也給移動(dòng)運(yùn)營商的維護(hù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。此外，5G網(wǎng)絡(luò)還需要提高網(wǎng)絡(luò)的使用和運(yùn)行效率，打破僵硬的硬件和網(wǎng)絡(luò)限制，并提供更靈活、彈性的網(wǎng)絡(luò)[1]。

由此可見，5G是滿足2020年未來需求的移動(dòng)通信系統(tǒng)。5G移動(dòng)通信系統(tǒng)必須是靈活的，具有網(wǎng)絡(luò)自我意識(shí)和自我對(duì)準(zhǔn)等智能功能，以應(yīng)對(duì)未來移動(dòng)信息社會(huì)難以預(yù)測的快速變化。

2 ? ?VNF技術(shù)相關(guān)概念

VNF是一種網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)概念，虛擬化技術(shù)用于將分層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能劃分為不同的功能塊并以軟件方式實(shí)現(xiàn)，不再局限于硬件架構(gòu)。運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）目標(biāo)是通過改變傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，利用通用標(biāo)準(zhǔn)的IT服務(wù)器、基于虛擬化的技術(shù)實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的功能。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)可根據(jù)用戶需求隨時(shí)準(zhǔn)備和優(yōu)化標(biāo)準(zhǔn)IT通用硬件資源，并使用軟件管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)隨需應(yīng)變的云網(wǎng)絡(luò)[2]。

當(dāng)然，VNF技術(shù)也需要諸多相關(guān)虛擬資源支持。NFV的目標(biāo)是分離，讓軟件和硬件獨(dú)立開發(fā)，并將電信設(shè)備從專用平臺(tái)轉(zhuǎn)移到通用服務(wù)器。因此，這種框架下，網(wǎng)絡(luò)必須是“彈性的”，不受物理網(wǎng)絡(luò)限制。

如圖1所示，NFV網(wǎng)絡(luò)可以分為NFVI層、VNF應(yīng)用層和管理編排節(jié)點(diǎn)（NFV Management And Orchestration，MANO）。VNF可以視為軟件，作用是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能，它通過虛擬化層提供的應(yīng)用程序接口（Application Programming Interface，API）獲取虛擬計(jì)算機(jī)資源、虛擬存儲(chǔ)資源、虛擬網(wǎng)絡(luò)資源。

虛擬層負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)硬件資源的抽象，形成虛擬資源，通過API為VNF提供虛擬計(jì)算機(jī)資源、虛擬存儲(chǔ)資源、虛擬網(wǎng)絡(luò)資源等，從而協(xié)助VNF實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能。管理編排域最顯著的特點(diǎn)是其靈活性，內(nèi)部包括虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器（Virtual Infrastructure Management，VIM）、虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理器（Virtual Network Function Management，VNFM）和網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器（Network Function Virtualization Orchestrator，NFVO）3個(gè)實(shí)體，分別完成對(duì)NFVI，VNF和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的管理，用于集成部署統(tǒng)一的參考點(diǎn)和接口，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)部署的“靈活彈性”。

（1）彈性：繞過網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)中斷，恢復(fù)與網(wǎng)絡(luò)在正常狀態(tài)下的網(wǎng)絡(luò)框架/結(jié)構(gòu)相關(guān)的能力。若發(fā)生網(wǎng)絡(luò)故障、服務(wù)中斷或正常運(yùn)營中斷，則與網(wǎng)絡(luò)功能的框架/結(jié)構(gòu)相關(guān)的容量是最低、最可接受的。

（2）伸縮：根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)地分配或恢復(fù)與虛擬化網(wǎng)絡(luò)面板關(guān)聯(lián)的資源。伸縮包括橫向/垂直擴(kuò)展以及延伸到外部或內(nèi)部。延伸到外部或內(nèi)部是指通過添加/刪除資源實(shí)例如虛擬機(jī)（Virtual Machine ，VM）進(jìn)行伸縮的能力。橫向/垂直擴(kuò)展是指通過改變分配的資源來進(jìn)行伸縮的能力，例如增加/減少內(nèi)存或CPU容量。

3 ? ?VNF技術(shù)的遷移方法

5G技術(shù)具有吸睛的性能指標(biāo)，給傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)也帶來了巨大的挑戰(zhàn)和考驗(yàn)，例如：冗余膨脹的協(xié)議、困難的服務(wù)部署和不靈活的資源調(diào)度等，迫切需要引入新技術(shù)改變這種狀況。與此同時(shí)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）和NFV的相繼出現(xiàn)也帶來了一些新問題，例如：流量分布不均、負(fù)載不平衡等。為更好解決上述問題，VNF技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。VNF遷移，即在具有NFV特性的網(wǎng)絡(luò)中，VNF將從傳統(tǒng)物理機(jī)器中刪除，并重新部署在更好的節(jié)點(diǎn)上，可解決NFV和SDN部署中的負(fù)載不平衡問題。

因此，VNF技術(shù)遷移[3]的方法研究較多，但遷移過程需要考慮的問題也很多，事實(shí)上，很難有十全十美的遷移方法，以下舉例說明。

用于解決VNF的實(shí)例遷移過程中產(chǎn)生的抖動(dòng)和數(shù)據(jù)包丟失問題的方法，該方法包含兩個(gè)方面，一方面是為VNF提供一種數(shù)據(jù)包狀態(tài)通報(bào)的接口，另一方面提出了一種基于狀態(tài)的VNF無縫遷移框架。

遷移過程大致如下：

（1）控制器啟動(dòng)目標(biāo)環(huán)境，初始條件下沒有狀態(tài)信息和VNF實(shí)例。

（2）在源實(shí)例和目的實(shí)例之間建立兩個(gè)傳輸流，即狀態(tài)傳輸流和快照傳輸流。

（3）當(dāng)快照傳輸流進(jìn)行遷移時(shí)，相應(yīng)的狀態(tài)也通過狀態(tài)傳輸流上報(bào)。

（4）目的實(shí)例序列接收狀態(tài)信息，直到快照被完全接收、安裝并啟動(dòng)。

（5）當(dāng)狀態(tài)流上報(bào)過載信息后，控制器將數(shù)據(jù)重定向至目的實(shí)例，完成遷移。

該遷移方法類似于預(yù)備份，在未過載時(shí)進(jìn)行備份，過載后進(jìn)行數(shù)據(jù)重定向，實(shí)現(xiàn)快速遷移，但存在占用大量資源的問題。

對(duì)基于SDN控制器實(shí)現(xiàn)VNF遷移的方法作定性分析，分為5大模塊：統(tǒng)計(jì)收集、拓?fù)渖?、虛擬機(jī)請(qǐng)求、決策單元以及配置模塊，遷移步驟大致如下：

（1）定期統(tǒng)計(jì)收集模塊和統(tǒng)計(jì)交換機(jī)數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中，為其他模塊提供交換信息。

（2）拓?fù)渖筛鶕?jù)數(shù)據(jù)庫中的信息，生成整個(gè)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，包含所有的交換機(jī)和主機(jī)。

（3）虛擬機(jī)器申請(qǐng)單元監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)虛擬機(jī)器的移徙申請(qǐng)，移位申請(qǐng)應(yīng)包括來源和目的地，以及移徙所需的寬帶，虛擬機(jī)器申請(qǐng)單元提交決策單元的移徙申請(qǐng)資料。

（4）決策單元根據(jù)網(wǎng)絡(luò)的專題資料和網(wǎng)絡(luò)鏈接，選擇最適合移徙的移徙聯(lián)系，并將移位鏈轉(zhuǎn)到配置模塊。

（5）配置模塊通過遷移鏈接生成流，并將其發(fā)送到相應(yīng)的交換機(jī)進(jìn)行遷移。

VNF遷移通常需要考慮以下幾方面：何時(shí)開始VNF遷移，怎樣選定遷移要素;如何選定要遷移的VNF;如何選定遷移的目標(biāo)節(jié)點(diǎn);如何選定遷移的合適路徑等。實(shí)際過程中，遷移方法只將上述某一個(gè)或幾個(gè)方面作為標(biāo)準(zhǔn)，在兼顧性能和復(fù)雜度的同時(shí)，提高實(shí)現(xiàn)的可行性。

4 ? ?結(jié)語

為了更好地在虛擬化環(huán)境下提供電信級(jí)高可靠的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，國內(nèi)部分廠商對(duì)VNF系統(tǒng)采用了組件化原則、跨DC容災(zāi)部署等策略，提供了更可靠、更安全、更節(jié)省資源的全新云化核心網(wǎng)服務(wù)。目前，網(wǎng)絡(luò)化已經(jīng)到了發(fā)展的關(guān)鍵時(shí)期，采用SDN/NFV技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，再加上微服務(wù)設(shè)計(jì)，意味著5G網(wǎng)絡(luò)面向服務(wù)、軟件真正開放，這勢(shì)必有利于整合5G和垂直行業(yè)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]朱達(dá)賢.淺談核心網(wǎng)虛擬化技術(shù)及應(yīng)用[J].信息通信，2016（7）：264-266.

[2]杜鵑.VNF在移動(dòng)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]朱曉榮，王一忠.虛擬網(wǎng)絡(luò)功能遷移研究綜述[J].南京郵電大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018（1）：45-53.