基于開源技術的WoMANO技術架構研究

中國聯合網絡通信有限公司研究院 北京 100032

引言

NFV即網絡功能虛擬化[1]，是通過使用x86等通用性硬件以及虛擬化技術來承載很多的網絡功能化軟件，從而降低網絡昂貴的設備成本。NFV技術可以通過軟硬件解耦及功能抽象，使網絡設備功能不再依賴于專用硬件，使資源可以充分靈活共享，實現新業務的快速開發和部署，并基于實際業務需求進行自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈等。

虛擬化消除了網絡功能(Network Function, NF)和硬件之間的依賴關系，為虛擬化網絡功能(Virtualized Network Function, VNF)創建了標準化的執行環境和管理接口。可使多個VNFs以虛擬機(VM)的形式共享物理服務器，物理服務器進一步匯集成為一個集中而靈活的共享NFV基礎設施(NFVI)資源池，這和云計算基礎設施很像，而業界主流的NFVI實現也是在云計算IaaS基礎之上，進行了性能、穩定性的優化。NFV的分層架構，使得NFV各模塊解耦，運營商和設備商各司其職，既緊密合作，又無強綁定。

NFV增加了通信網絡的靈活性，也同時對網絡管理和編排提出新的功能需求。在傳統網絡中，網絡功能固化于專用硬件中，而NFV引入了一個新的虛擬化層，通過網絡管理和編排，實現VNFs和NS(Network Service，網絡業務)的生命周期管理。VNFs能夠和其他的VNFs或者物理網絡功能關聯來實現一個網絡服務。在NFV中，NS可以包括物理網絡功能、虛擬網絡功能、相關虛擬鏈路以及網絡功能虛擬化基礎設施。它們的協作處理需要一組新的管理和業務流程功能。網絡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[3]側重于編排管理虛擬網絡功能模塊及其之間的協作關系，期望將NFV的靈活性引入到運營商網絡中。本文參考ETSI NFV架構并結合電信運營商業務特點，給出一種WoMANO系統實現的技術架構。

1 NFV標準現狀與開源進展

國際上，多個有影響力的標準組織近年來紛紛成立工作組開展NFV研究。ETSI是最早開展NFV研究的國際標準組織，2012年成立了NFV ISG來研究網絡功能虛擬化，輸出多項標準成果并開展系統性PoC測試。此外，3GPP SA5(Service and System Aspects Working Group 5，電信網管系統研究工作組5)在2015年完成3GPP網絡中NFV網管的研究與相關標準的制定。電信管理論壇(TMF)中也開展了ZOOM項目，研究虛擬化網絡的網管問題，對于網絡服務的組合與調度涉及較多。IETF成立SFC工作組專注于網絡功能的業務鏈[4]研究，后又成立專門的網絡功能虛擬化研究組聚焦于業務編排和資源管理等。BBF聚焦于虛擬家庭網關、虛擬接入路由器等設備標準。在國際電信聯盟(ITU)也有相關的研究課題研究網絡功能虛擬化，ITU-T SG13重點研究控制面網元的虛擬化需求和架構等。國內CCSA TC3、TC5和TC6等也紛紛開展相關研究[5-8]，并取得顯著成果。

在傳統標準化工作開展的同時，開源組織也對NFV進行積極推動。2014年9月30日，由AT&T、中國移動、戴爾、惠普等運營商和設備商與Linux 基金會合作，聯合發起成立了NFV 開放平臺項目(OPNFV)[9]的開源組織，旨在通過利用開源組織的力量，開發一個開放的、標準的NFV參考平臺。OPNFV[10]最初將提供NFV的基礎設施(NFVI)和虛擬化基礎設施管理(VIM)模塊，并于2015年6月發布了首個版本Arno。2016年3月，發布了第二個版本Brahmaputra。

西班牙電信公司Telefónica于2015年初將自身研發的OpenMANO代碼開源，將代碼上傳到Github。OpenMANO包含openvim、openmano和openmanogui三部分。該平臺實現符合ETSI NFV參考架構，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端到端的實現。從2012年到現在的近四年時間里，NFV自概念提出之后，已經在標準化、實現和影響力上飛速發展，它和SDN一起將成為下一代網絡的革新技術。越來越多的運營商試水NFV，最近幾年將成為NFV快速發展期，然而，作為NFV最核心的組件，管理和編排還欠缺實現。本文從電信運營商的角度出發為NFV的管理與編排提供實際的解決方案，聚焦于網絡服務編排(NFVO)和虛擬資源管理(NFVI+VIM)，與開源云平臺OpenStack原生接口成功對接，同時，集成開源能力組件(包括Ceph、Opendaylight、KVM)和VNF系統(OpenEPC、ClearWater)，實現了端到端的測試驗證。

2 基于開源技術的Wo-MANO技術架構

2.1 總體技術架構與流程

如圖1所示，該系統的主要功能模塊包括：網絡服務編排管理模塊(NFVO)、虛擬化網絡功能管理模塊(VNFM)、虛擬資源管理模塊(VIM)等。

圖1 WoMANO系統架構與實現流程

圖1展現了實現服務網絡編排的主要系統流程，包括：1)用戶上傳VNF以及NS模板；2)選取需要實例化NS模板，如IMS；3)系統解析模板，根據策略配置決定如何初始化VNF；4)根據VNF模板配置初始化需要的虛擬網絡環境，如子網、路由、ACL和NAT等；5)創建VNF需要的云主機；6)實例化NS所需的VNFs；7)監控腳本監控VNF服務是否啟動，并發送監控數據；8)通過監控腳本判斷IMS是否啟動成功。

2.2 Wo-MANO功能模塊設計

針對圖1所示技術架構，對各模塊具體功能描述如下。

1)網絡服務編排管理模塊NFVO。一個網絡服務NS的實現需要一個或一組虛擬化網絡功能VNFs以及一組相關聯的NFV基礎設施共同實現。圍繞NS的管理與編排，NFVO具有兩個主要功能，即資源編排和網絡服務編排。前者負責實現跨多個VIMs的NFVI資源的編排，后者負責網絡服務的生命周期管理。所以NFVO模塊主要包括NS模塊管理、NS生命周期管理和網絡功能編排。

NS模板管理：在部署模板中可以獲取每個網絡服務的部署和操作行為要求，為未來的實例化過程中模板選擇做準備。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的基本信息以及實現NS所需的虛擬網絡資源VNF，NS模板管理功能實現模板的上傳、查看和刪除。

NS生命周期管理：包括NS創建和網絡服務運行狀態監控等功能。網絡服務創建是由網絡服務使用者申請服務后，經過審批流程，審批通過后進行網絡服務的創建；網絡服務運行狀態監控功能獲取并存儲NS各項指標的全程狀態信息。NS監控流程包括監控信息獲取與監控信息展示兩個環節，NS監控依賴于構成NS的VNF狀態，而VNF的狀態是通過VNF所在云主機的監控腳本發送至系統，再由系統判斷服務是否啟動正常。

網絡功能編排：虛擬化網絡功能的編排是指通過NS網絡功能模板，利用VIM虛擬資源和VNFs自動化完成網絡服務功能編排。通過NS模板定義的約束關系，創建NS所需要的資源并對NS進行網絡編排。以基于中國聯通沃云平臺的網絡功能編排為例，網絡功能編排流程示例如圖2所示。

2)虛擬化網絡功能管理模塊。VNF的管理和業務流程包括傳統的故障管理、配置管理、計費管理、性能管理和安全管理(Fault、Configuration、Accounting、Performance、Security Management，FCAPS)。由于網絡功能與物理資源的解耦對管理功能提出新需求，NFV引進的新特性使得管理也產生相應變化。本文VNFM聚焦于VNF模板管理、生命周期管理和狀態監控等功能。

VNF模板管理：VNF模板定義了虛擬網絡功能的基本描述信息以及實現所需要的資源，如flavor、image和虛擬資源等。VNF的實例化會按照VNF模板來分配網絡、計算以及存儲資源。VNF模板管理支持多個模板同時上傳，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，直接關系著編排功能的成敗，實際上VNF生命周期就是NFVO的另一種體現。VNF創建過程包括：a)解析VNF依賴關系；b)創建VNF所需要的網絡服務環境；c)創建云主機；d)啟動VNF服務；e)啟動監控腳本。若中間VNF服務停止，監控腳本會發送消息至系統標識此VNF的當前狀態。

VNF狀態監控：通過shell腳本，使VNF云主機與MANO服務端監控建立連接，實時發送VNF的監控服務信息，系統在收到數據后可利用圖標動態展示VNF狀態。

圖2 網絡功能編排流程示例

3)虛擬資源管理模塊。其負責控制和管理NFVI的計算、存儲和網絡資源，通常在一個運營商的基礎設施域內。一個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可以用北向接口對外提供功能服務，而南向接口則與各種hypervisor和網絡控制器交互以支撐北向接口暴露的功能；另外一些VIM的實現是直接通過調用底層計算模塊、存儲模塊和網絡控制器暴露的接口實現。

云資源管理平臺為VIM功能實現提供支撐，可以通過云管理平臺實現云主機和虛擬網絡資源管理等功能。虛擬云主機管理，通過云平臺接口創建云主機為VNF提供虛擬資源，能夠通過云資源管理門戶監控到云主機的詳細信息，通過web視圖查看集群節點的云主機實時狀態。虛擬網絡資源管理，通過云資源管理平臺接口創建VNF所需虛擬網絡資源，這里以VPC網絡服務資源管理為例，展示所需要創建的網絡資源以及相應的依賴關系，如圖3所示。

圖3 虛擬網絡資源管理流程示例

上述示例流程中，NS的每次實例化意味建立一套獨立的VPC環境，并且相應的子網、網關路由和路由表都會關聯到此VPC。虛擬網絡資源新建過程包括：a)建立路由表以及路由規則，然后跟子網關聯；b)為子網建立安全訪問策略ACL規則，分別對TCP、UDP和ICMP進行規則設置；c)為訪問云主機，需要提供nat功能，綁定publicip；d)建立云主機，綁定到一個network。上述虛擬網絡資源完成新建后可以在門戶界面進行查看。

4)視圖管理。提供可視化的web控制臺，方便管理人員進行操作。管理人員可以借此實現網絡功能的自動化編排操作并查看各VNF組成部分的當前狀態。另外，可以通過提供的全景視圖功能，以圖形直觀地展示所有計算節點的虛擬云主機的當前狀態情況。全景視圖是對虛擬云主機資源的狀態視圖展示，將云資源管理平臺所有計算節點的虛擬機進行列表呈現，是對VNF狀態監控的補充，通過調用hypervisor接口發現云主機的詳細信息，便于監控其虛擬計算資源狀態。

3 結束語

本文結合中國聯通NFV實踐，聚焦網絡服務編排(NFVO)和虛擬資源管理(NFVI+VIM)，探索NFV環境下網絡服務的運營模式以及驗證云平臺承載虛擬網絡功能(VNF)的技術可行性，提出了一種基于標準和開源技術的WoMANO技術架構，為電信運營商開展網絡基礎設施升級、簡化網絡運營模式提供參考。

參考文獻

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[2] ETSI ISG NFV. Network Function Virtualization (NFV) Management and Orchestration[EB/OL].[216-03-10].http://portal.etsi.org. 2015

[3] ETSI ISG NFV. Network Functions Virtualisation(NFV)：Architectural Framework[S]. 2013

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[10] 楊帆,候樂青.SDN/NFV技術發展及開放生態分析[J].電信網技術,2015(04):5-9

[11] OpenStack home page[EB/OL].[2016-03-10].https://www.openstack.org/