網絡虛擬化及網絡功能虛擬化技術探討

趙慧玲　解云鵬　史凡

摘要：對網絡虛擬化及網絡功能虛擬化的需求及熱點技術進行分析，并提出在運營商網絡中的典型應用場景：數據中心網絡、移動核心網絡、家庭網絡。數據中心網絡虛擬化可靈活實現不同租戶的安全、流量、性能策略，實現網絡自動配置；演進分組核心網網元虛擬化通過網絡功能虛擬化實現不同種類網絡硬件架構的統一，解決容量增加帶來的成本問題，解決業務靈活部署和增強的問題；家庭網絡虛擬化可簡化用戶側設備，通過減少用戶終端設備的維護和升級進而降低運營成本，并提高業務部署的靈活性。

關鍵詞： 網絡虛擬化；網絡功能虛擬化；疊加網絡；虛擬可擴展局域網；業務鏈

1 網絡虛擬化及網絡功能

虛擬化

1.1 技術簡介

網絡虛擬化（NV）的概念很早就已經提出，但具體定義在業界還存在較多爭議。目前通常認為網絡虛擬化是對物理網絡及其組件（比如交換機、端口以及路由器）進行抽象，并從中分離網絡業務流量的一種方式。采用網絡虛擬化可以將多個物理網絡抽象為一個虛擬網絡，或者將一個物理網絡分割為多個邏輯網絡。網絡虛擬化打破了網絡物理設備層和邏輯業務層之間的綁定關系，每個物理設備被虛擬化的網元所取代，管理員能夠對虛擬網元進行配置以滿足其獨特的需求。

網絡功能虛擬化（NFV）[1-2]是由歐洲電信標準組織（ETSI）從網絡運營商的角度出發提出的一種軟件和硬件分離的架構，主要是希望通過標準化的IT虛擬化技術，采用業界標準的大容量服務器、存儲和交換機承載各種各樣的網絡軟件功能，實現軟件的靈活加載，從而可以在數據中心、網絡節點和用戶端等不同位置靈活的部署配置。

1.2 對運營商的驅動力

（1）市場競爭驅動

OTT（Over the Top）的出現，使得網絡運營商需要面對互聯網服務商和應用提供商的激烈競爭，運營商的領地已經變成一片紅海，運營商提供增值服務變得異常困難[3]。網絡虛擬化及網絡功能虛擬化技術能夠支持網絡設備中的軟件按需進行安裝、修改和卸載，實現業務的靈活擴展，運營商在此基礎上可以快速提供各種差異化的應用和服務，以應對OTT的挑戰。

（2）業務運營驅動

在運營商網絡中，網絡資源配置復雜，效率較低。網絡虛擬化及網絡功能虛擬化可以實現網絡業務的自動化靈活配置，如虛擬局域網（VLAN）創建、數據中心多租戶配置、網絡負載均衡和防火墻策略配置等，有助于運營商提升配置和維護效率，縮短新業務部署的時間，并降低開展新業務的風險。

（3）建維成本驅動

通過網絡虛擬化及網絡功能虛擬化，運營商可以很容易在網絡設備基礎之上構建多種虛擬網絡環境，為不同用戶提供服務，從而最大程度地提高網絡資源利用率；另一方面，網絡虛擬化及網絡功能虛擬化對網絡設備實現了通用化和統一化，運營商能夠進一步減少網絡設備的投資維護成本以及設備能耗。

2 網絡虛擬化及網絡功能

虛擬化熱點技術分析

傳統的網絡虛擬化技術以VLAN與虛擬專用網（VPN）為代表，通過協議封裝在物理網絡上提供互相隔離的虛擬專用網絡。隨著軟件虛擬化、軟件定義網絡（SDN）等技術的發展，利用分布式的軟件技術實現網絡功能集的合理抽象、分割以及靈活調度逐步成為網絡虛擬化及網絡功能虛擬化的主流實現模式。現階段，疊加（Overlay）組網技術、虛擬化流量調度技術、虛擬集群及組網技術等是網絡虛擬化及網絡功能虛擬化技術的主要研究熱點。

2.1 疊加組網技術

在網絡技術領域，Overlay指的是一種在網絡架構上進行疊加的虛擬化技術模式，其大體框架是對基礎網絡不進行大規模修改的前提下，實現應用在網絡上的承載，并能與其他網絡業務分離，目前主要應用于數據中心內部網絡的大規模互聯，主流技術包括：

（1）虛擬可擴展局域網

虛擬可擴展局域網（VXLAN）是網絡虛擬化的重要技術，目前是因特網工程任務組（IETF）標準草案的一個子集。VXLAN通過在三層網絡上借助MAC-in-UDP封裝疊加一個二層網絡來實現網絡虛擬。每一個VXLAN劃分是利用24比特的VXLAN網絡標識符（VNI）來標識的。VXLAN封裝允許二層與任何端點進行通信，只要該端點在同一個VXLAN網段內即可，即便這些端點是在不同的IP子網內也沒有關系，從而解決了交換機出現媒體訪問控制（MAC）地址表容量受限問題。

（2）通用路由封裝的網絡虛擬化

通用路由封裝的網絡虛擬化（NVGRE）用RFC 2784[4]和RFC 2890[5]所定義的通用路由封裝（GRE）隧道協議來創建獨立的虛擬二層網絡。NVGRE中地址的學習是通過控制平面實現的，但是目前NVGRE還沒有地址學習的具體實施方案。相對VXLAN，NVGRE在負載均衡方面有天生的缺陷，無法基于GRE鍵值實現負載均衡。此外，由于建立的是端到端的隧道，因此隧道的數量隨終端數量增加以平方速率上升，導致維持隧道的開銷極大。

（3）無狀態傳輸隧道

無狀態傳輸隧道（STT）也是在二層/三層物理網絡上創建二層虛擬網絡的一種Overlay技術。在技術上，STT和VXLAN之間有很多相似之處，如，隧道端點都是由超級管理程序（Hypervisor）vSwitch提供的，虛擬網標識（VNID）的長度都是24位，可通過控制傳輸源報頭發揮多路徑優勢。不同的是STT把數據幀先進行分割再封裝，可以充分利用網卡的硬件加速功能來提升效率。另外，由于STT技術將原STT包偽裝成了傳輸控制協議/網間協議（TCP/IP）包，而在傳輸控制協議（TCP）包頭中又沒有維護TCP狀態信息，如果發生丟包不會進行重傳，因此STT建立的是不可靠的隧道。

2.2 虛擬化資源調度技術

虛擬化資源調度技術借助SDN、NFV等理念實現對網絡流量、業務功能等資源的虛擬化和智能調度。主要包括虛擬化流量調度和業務鏈。endprint

（1）虛擬化流量調度

虛擬化流量調度技術通過虛擬化技術突破目前IP網絡分布式路由選路的局限，利用集中式路由計算與流量調度，實現全網流量動態均衡與網絡結構優化。虛擬化流量調度技術主要應用于IP骨干網，重點包括如何合理定義IP路由功能集的抽象、集中式路由決策系統實現方式、集中式系統的可靠性以及該種模式下的保護路徑計算實時性算法等。目前虛擬化流量調度技術在朝著與SDN等新技術結合的方向發展，如通過新增路徑計算單元/控制器（PCE/Controller）系統來實現集中式路由決策系統。

（2）業務鏈

網絡中的虛擬防火墻、負載均衡器、網關等業務處理功能被稱為業務功能點，而流量經過一系列的業務功能點的處理，就形成了業務鏈[6]。與虛擬化流量調度不同，業務鏈更側重于解決虛擬網絡中如何通過控制服務器對網絡流量轉發進行編程控制，將流量靈活的調配到某個或某些個業務功能點進行處理，為用戶無縫交付網絡服務。在SDN及NFV的推動下，業務鏈備受關注，其發展前景被普遍看好。

2.3 虛擬集群技術

虛擬集群指通過虛擬化技術將網元或其內部組件進行邏輯組合，以滿足各類運營管理需求。現階段，同構虛擬集群和異構虛擬集群技術是虛擬集群的研究重點。

（1）同構虛擬集群

同構虛擬集群通過控制平面擴展，將多臺相同類型的物理設備虛擬成單臺邏輯設備，通過資源控制器實現多臺物理設備的資源共享與靈活調度。采用池化技術的設備擁有單一的控制與管理平面，對外采用唯一標識。相對于原物理設備，在設備容量與可靠性方面有顯著提升。該技術主要應用在骨干網，解決核心節點單機轉發和吞吐能力不足的問題，同時在IP網絡中的多業務邊緣路由器（MSE）池化、核心網中的移動性管理實體（MME）池化等方面也有應用的需求。

（2）異構虛擬集群

異構虛擬集群主要通過分布式技術實現不同類型設備的整合，可進一步減少管理/配置網元類型和數量，從而提升業務和網絡的部署效率與靈活性。目前研究重點是接入控制設備+交換機/光線路終端（OLT）、接入控制設備+家庭網關以及路由器+光傳送網（OTN）的虛擬集群等。

3 網絡虛擬化及網絡功能

虛擬化的典型應用場景

在市場競爭、業務運營以及建維成本等多方面驅動下，運營商在網絡虛擬化及網絡功能虛擬化方面也在積極研究和探索，并在一些已有明確業務需求的場景（如數據中心網絡、移動核心網絡、家庭網絡等）中嘗試引入。

3.1 數據中心網絡

數據中心網絡虛擬化可通過Overlay方式全面屏蔽底層物理網絡設施，以軟件方式實現底層物理網絡的共享和租戶隔離，實現針對每個租戶的單獨網絡定義（組網、流量控制、安全管理等），云數據中心資源管理平臺通過應用編程接口（API）接入SDN控制器，通過可編程方式實現多租戶網絡的靈活部署（包括跨數據中心部署）[7-8]。其應用場景如圖1所示[9]。

數據中心網絡虛擬化方案無需依賴底層網絡，可以靈活實現不同租戶的安全、流量、性能等策略，實現多租戶模式，基于可編程能力實現網絡自動配置[10]。但是引入Overlay后可能使得網絡架構復雜化，并且物理網絡無法感知邏輯網絡，而通過軟件控制邏輯網絡也會對網絡性能產生一定影響。

3.2 演進分組核心網網元

演進分組核心網（EPC）網元虛擬化采用“Applications+Controller+Switch”3層架構，將網元的流量流向、需要進行哪些流量處理功能等控制功能提取出來由“Applications+Controller”兩層來實現，“Switch”層實現基于流的轉發功能（甚至可能集成深度包檢測等流量分析及處理功能），并逐步實現控制面網元的集中化，通過系統架構演進（SAE）網關的信令面與MME、策略與計費規則功能（PCRF）等設備的融合形成移動核心網虛擬控制云[11]。應用場景如圖2所示[12]。

EPC單網元虛擬化通過網絡功能虛擬化實現網絡硬件架構的統一，解決容量增加帶來的成本問題，通過業務控制和轉發的分離以及硬件和軟件的分離解決業務靈活部署和增強的問題，從而降低運營商的建設成本（CAPEX）和維護成本（OPEX）。

3.3 家庭網絡虛擬化

家庭網絡虛擬化是將家庭網絡中的家庭網關（HG）、機頂盒（STB）設備中控制面功能及業務處理功能（如防火墻、地址管理、設備管理、故障診斷等）分離出來，虛擬化后遷移到控制器側或云端，HG及STB設備上僅保留物理接入接口（廣域網口、局域網口、USB接口等）以及數據面二層轉發[11，13]。應用場景如圖3所示。

家庭網絡虛擬化一方面可以簡化用戶側設備，運營商不需要對STB和HG進行持續的維護和升級，通過采用遠程方式即可為用戶提供網絡故障診斷服務，便于故障診斷和修復，提升業務可管理性并降低能耗；另一方面可以提高業務部署的靈活性，運營商可更快速簡單部署新硬件/軟件，從而可以并為未來新業務的快速部署開放提供能力，縮短了新業務市場響應時間[14]。

4 結束語

網絡虛擬化及網絡功能虛擬化攜其在IT行業的巨大成功，已經逐步進入運營商的視野，在多個場景中由其使用的特點和優勢，將逐步正在成為電信行業未來發展的一個重要趨勢。但同時也需要指出相關的技術實現，還有尚待進一步深入研究，值得關注和重視。

參考文獻

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[13] BBF Draft， SD-313. High Level Requirements and Framework for SDN in Telecommunication Broadband Networks [S]. BBF， 2012.

[14] BBF Draft， PD-295. Network Located Residential Gateway [S]. BBF， 2012.endprint