虛擬化技術(shù)對分層解耦的IMS系統(tǒng)性能影響探討

1 引言

電信運營商在網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)中引入NFV，通過使用虛擬化軟件技術(shù)，實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)元的軟硬件解耦，以達到不同廠家的軟件運行在統(tǒng)一的虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施上，實現(xiàn)硬件資源的共享和系統(tǒng)隨業(yè)務(wù)大小的自動伸縮功能。

NFV由VNF（虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能，如vIMS）、NFVI（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施）、MANO（管理與編排）三大組件組成。核心網(wǎng)絡(luò)IMS虛擬化后，傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)功能封裝為網(wǎng)絡(luò)功能應(yīng)用軟件，直接承載在網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施上，同時引入MANO實現(xiàn)資源管理、業(yè)務(wù)編排等。

本文主要根據(jù)三層解耦模式下，通過對vIMS虛擬化網(wǎng)元I-CSCF、S-CSCF、MMTel AS、ENUM/DNS、CCF進行包圍性VOLTE業(yè)務(wù)端到端性能測試，基于相同的VoLTE話務(wù)模型、相同服務(wù)器硬件資源以及CPU指定最大占用率的情況下，獲取不同設(shè)備廠家vIMS VNF的最大容量、硬件資源（CPU、內(nèi)存、硬盤）占用、接通率、時延等性能指標(biāo)，通過在測試中是否應(yīng)用相關(guān)虛擬化技術(shù)及性能情況對影響進行評估，并對IMS分層解耦部署提出建議。

2 影響性能的虛擬化技術(shù)

2.1 CPU核數(shù)及線程

CPU個數(shù)即CPU芯片個數(shù)；CPU的核心數(shù)是指物理即硬件上存在著幾個核心。線程數(shù)是一種邏輯概念，簡單地說，就是模擬出的CPU核心數(shù)。由于線程數(shù)等同于在某個瞬間CPU能同時并行處理的任務(wù)數(shù)，因此，CPU線程數(shù)越多，越有利于同時運行多個程序。

2.2 CPU綁定

CPU綁定指的是進程需要在指定的CPU上盡量長時間地運行而不被遷移到其他處理器,通過處理器關(guān)聯(lián)可以將虛擬處理器映射到一個或多個物理處理器上 ，也就是說把一個程序綁定到一個物理CPU上。虛擬機的vCPU可以綁定到主機的物理CPU上（pCPU）。

在多核運行的服務(wù)器上，每個CPU有緩存，緩存著進程使用的信息。由于進程可能會被OS調(diào)度到其他CPU上，當(dāng)綁定CPU后，程序會一直在指定的CPU上運行，不會由操作系統(tǒng)調(diào)度到其他CPU上，減少了CPU的緩存，也減少了進程或者線程的上下文切換，從而提高性能和效率。

另外，為將重要的業(yè)務(wù)進程隔離開，對部分實時進程調(diào)度優(yōu)先級高的，可以將其綁定到一個指定核上，既可以保證實時進程的調(diào)度，也可以避免其他CPU上的進程被該實時進程干擾。

2.3 DPDK

DPDK即Intel Data Plane Development Kit，專注于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用中數(shù)據(jù)包的高性能處理，將控制面線程以及各個數(shù)據(jù)面線程綁定到不同的CPU，線程間互不干擾，避免來回反復(fù)調(diào)度的性能消耗，提供高性能處理報文的能力。

2.4 內(nèi)存巨頁

在虛擬內(nèi)存管理中，內(nèi)核需要維護將虛擬內(nèi)存地址映射到物理地址的表，對于每個頁面操作，內(nèi)核都需要加載相關(guān)的映射表。內(nèi)存頁越小需要加載的頁就越多，內(nèi)核需加載的映射表頁越多，性能也就越低。Linux系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)的頁面大小為4 KB，如果使用內(nèi)存巨頁，采用2 MB作為分頁的基本單位，所需要的頁和由內(nèi)核加載的映射表就會減少，性能也就會相應(yīng)提升。

2.5 超線程

線程技術(shù)把多線程處理器內(nèi)部的兩個邏輯內(nèi)核模擬成兩個物理芯片，讓單個處理器就能使用線程級的并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件。超線程技術(shù)充分利用空閑CPU資源，在相同時間內(nèi)完成更多工作。[1]

2.6 NUMA親和性

NUMA（Non Uniform Memory Access Architecture）技術(shù)是一種用于多處理器的設(shè)計，可以使眾多服務(wù)器像單一系統(tǒng)那樣運轉(zhuǎn)。在NUMA下，處理器訪問本地存儲器的速度比非本地存儲器快一些。

2.7 親和性和反親和性

親和性可以實現(xiàn)就近部署，增強網(wǎng)絡(luò)能力實現(xiàn)通信上的就近路由，減少網(wǎng)絡(luò)的損耗。對于vIMS來說，將不同網(wǎng)元放在同一個虛機，例如S-CSCF與I-CSCF放一個虛機，加快接續(xù)時間。

反親和性主要是出于高可靠性考慮，盡量分散實例，減少因為某個節(jié)點故障對應(yīng)用的影響。

3 IMS系統(tǒng)性能測試要求

3.1 測試環(huán)境介紹

本次測試環(huán)境基于三層解耦情況下展開，硬件服務(wù)器、Hypervisor、vIMS等采用不同廠家設(shè)備進行組合測試的方式，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

圖1 三層解耦示例

測試環(huán)境的搭建，基于服務(wù)器虛擬化軟件測試模型，測試環(huán)境如圖2所示。

圖2 vIMS分層解耦測試環(huán)境示例

本文主要研究親和性/反親和性、NUMA綁定、內(nèi)存巨頁、DPDK等技術(shù)對VoLTE IMS性能的影響情況，因此，測試床采用相同的硬件、VIM和NFVO，對圖1中不同的vIMS廠家A及Hypervisor廠家C進行組合分組對比測試。不同組合情況說明如表1所示。

表1 vIMS分層解耦測試廠家組合

3.2 話務(wù)模型要求

測試基于以下話務(wù)模型要求進行，如表2所示。

表2 測試話務(wù)模型

3.3 測試要求

測試時，需注意以下事項。

（1）基本配置要求：在vIMS網(wǎng)元上，支持/開啟DPDK、內(nèi)存巨頁、超線程、NUMA親和性、反親和性功能；

（2）虛機統(tǒng)計結(jié)果是vIMS廠家在自己的EMS上所查詢的各虛機統(tǒng)計結(jié)果，物理機統(tǒng)計結(jié)果一般是各虛機統(tǒng)計結(jié)果的平均值，兩者差異可能很大。因此，CPU、內(nèi)存等的統(tǒng)計，以虛機的統(tǒng)計結(jié)果為準(zhǔn)。

（3）性能指標(biāo)根據(jù)測試組合不同，驗證的是測試組合的整體性能指標(biāo)，其指標(biāo)需達到以下標(biāo)準(zhǔn)。

① 指定話務(wù)量（100萬）、最大話務(wù)量（大于100萬）

② CPU占用率：小于80%

③ 呼叫接續(xù)成功率：大于99.999%

④ 穩(wěn)定性：呼叫時長大于24小時

4 虛擬化技術(shù)對性能的影響分析

4.1 DPDK影響分析

在不同的vIMS業(yè)務(wù)測試組合中，分別開啟和關(guān)閉DPDK，對比測試結(jié)果如下。

① 組合1關(guān)閉DPDK后，話務(wù)有呼損；

② 組合2無明顯變化；

③ 組合3關(guān)閉DPDK后測試指定話務(wù)量，與開啟DPDK相比，CPU負(fù)荷無明顯增大，但是時延平均增加150 ms；

從上述結(jié)果可以看到，虛擬化層在沒有開啟DPDK優(yōu)化設(shè)置情況下，IMS系統(tǒng)性能受到影響，不同廠家vIMS系統(tǒng)受影響的程度不同，啟用DPDK等優(yōu)化設(shè)置后，IMS系統(tǒng)性能得到優(yōu)化，在相同資源的情況下，承載話務(wù)大幅上升。

4.2 NUMA親和性影響分析

在不同的測試組合中，NUMA親和性對比測試結(jié)果如下。

① 組合1取消NUMA親和性后進行測試，話務(wù)起來27分鐘后即產(chǎn)生呼損，7個小時后呼損達千分之3.1；② 組合2無明顯變化；③組合3取消NUMA親和性后測試指定話務(wù)量，CPU負(fù)荷無明顯增大，時延平均增加3.5 ms；

從上述結(jié)果可以看到，虛擬化層在沒有NUMA親和性的情況下，IMS的處理能力和時延受到一定影響，不同廠家vIMS系統(tǒng)受影響的程度不同，啟用NUMA親和性等優(yōu)化設(shè)置后，vIMS系統(tǒng)性能得到優(yōu)化。

4.3 內(nèi)存巨頁影響分析

在不同的測試組合中，分別開啟和關(guān)閉內(nèi)存巨頁，對比測試結(jié)果如下。

① 組合1開啟DPDK，64字節(jié)提升16.1%，1 518字節(jié)提升44.6%，平均提升幅度25.3%；

② 組合2開啟DPDK，64字節(jié)提升46.5%，1 518字節(jié)提升39.9%，平均提升幅度39.2%；

③ 組合1未開啟DPDK，vSwitch性能受服務(wù)器資源負(fù)載、CPU調(diào)度機制影響較大，有一定波動，單獨使用進行內(nèi)存巨頁性能提升不明顯；

④ 組合2未開啟DPDK，vSwitch性能瓶頸在于系統(tǒng)調(diào)度開銷，不在內(nèi)存訪問，受系統(tǒng)調(diào)度影響比較明顯，單獨開啟內(nèi)存巨頁后對性能影響較小。

從上述結(jié)果可以看到，內(nèi)存巨頁配合DPDK可有效提升網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)性能，在未開啟DPDK的情況下，轉(zhuǎn)發(fā)性能無明顯影響。

5 應(yīng)用建議

通過對三層解耦情況下的vIMS系統(tǒng)性能對比測試及虛擬化技術(shù)對IMS系統(tǒng)性能的影響分析，建議如下。

（1）DPDK：明顯提升IMS系統(tǒng)性能，建議在IMS網(wǎng)元分層解耦進行應(yīng)用，并建議與內(nèi)存巨頁和CPU綁定配合使用，以更好地提升性能；

（2）CPU綁定：獨占硬件資源，降低資源搶占風(fēng)險，提升CPU處理速度，但降低整體資源利用率，影響遷移功能，建議在IMS網(wǎng)元的重要模塊中應(yīng)用。

（3）內(nèi)存巨頁：在應(yīng)用支持的情況下建議開啟，建議要求vIMS支持，在vIMS分層解耦中和DPDK同時應(yīng)用；

（4）NUMA親和性：VM的虛擬NUMA節(jié)點映射到物理主機的同一NUMA節(jié)點，可以提升vIMS系統(tǒng)性能，建議在vIMS網(wǎng)元分層解耦進行應(yīng)用。

（5）內(nèi)存巨頁：建議與DPDK配合適應(yīng)以提升vIMS系統(tǒng)性能。

（6）反親和性：分散策略部署VNF，防止主備VNF在同一主機節(jié)點，避免單節(jié)點故障阻塞業(yè)務(wù)，提升vIMS網(wǎng)元的可靠性。

6 結(jié)束語

綜上所述，通過三層解耦情況下對vIMS系統(tǒng)的性能測試結(jié)果分析，在今后現(xiàn)網(wǎng)的部署工作中，可以充分利用DPDK、NUMA親和性、CPU綁定、內(nèi)存巨頁等虛擬化技術(shù)，進一步提高虛擬化IMS系統(tǒng)性能。