vBRAS應用場景及評估方法探討

雷波+解云鵬+王波

摘要：虛擬寬帶遠程接入服務器（vBRAS）已經成為電信運營商在IP城域網（MAN）引入網絡功能虛擬化（NFV）的一個切入點，主要應用在一些小流量、常在線業務場景以及需要集中運營的業務場景。在vBRAS的性能評估方面，可以通過資源占用率等基本指標和穩定系數、均衡系數和無關系數等擴展指標來綜合衡量。

關鍵詞： NFV；vBRAS；性能評估

1 vBRAS形態及發展方向

城域網寬帶遠程接入服務器（BRAS）設備位于城域網邊緣，是用戶實現各種業務的入口，近年來運營商不斷嘗試“寬帶中國”、智能管道的戰略轉型，BRAS的關鍵地位也進一步得到凸顯。近年來在新業務、新流量模型的沖擊下，傳統BRAS的弊端也開始暴露，作為軟硬件一體化的專用設備，傳統BRAS這種控制與轉發緊耦合的架構在一定程度上束縛了城域網的發展。

網絡功能虛擬化（NFV）技術的出現，為傳統BRAS設備的發展提供了新的思路，通過采用x86等通用硬件以及虛擬化技術，把原有必須通過專用硬件實現的網絡功能，改由通用服務器實現，從而實現傳統BRAS的軟硬件解耦及功能抽象。基于NFV技術實現的虛擬化BRAS（vBRAS）有利于資源的靈活共享，滿足業務的自動部署、彈性伸縮、故障隔離和自愈，以及新業務的快速開發和部署[1-4]。

根據控制面和轉發面實現方式不同，目前vBRAS的實現主要有3種形態，如圖1所示。

其中，形態1為基于通用x86服務器的一體化架構，控制面和轉發面運行在單個虛擬機中；形態2為基于通用x86服務器轉發的轉控分離架構，由通用服務器硬件結合虛擬化軟件的網絡云資源池來實現轉發面，并通過統一云資源池提高業務的集約化管理能力；形態3為基于專用高速硬件轉發的轉控分離架構，在通用x86服務器實現的控制面控制下，通過專用硬件實現高效而靈活的流量轉發。

綜合來看，vBRAS將向轉控分離的形態（形態2和形態3）演進，形態2適合承載網絡電話（VoIP）、虛擬專用撥號網（VPDN）等小流量業務；形態3適合承載寬帶上網、高清視頻、虛擬現實（VR）等大流量業務。形態1由于可能會導致控制面分散，難以實現集約化的管理，不是vBRAS的發展方向。

2 vBRAS的典型應用場景

基于vBRAS的特點和能力，現有vBRAS主要應用在一些小流量、多并發、常在線業務場景以及需要集中運營的業務場景中。

（1）分流小流量、大并發業務的場景。

目前，現網傳統40 G平臺BRAS轉發能力一般支持100 000用戶數，由于BRAS設備控制層面在用戶會話性能存在瓶頸，為保障用戶突發流量、寬帶質量，通常要求并發用戶數不超過30 000～40 000，該場景下可通過vBRAS分流現網VoIP等小流量大并發的業務，解決傳統BRAS的會話處理能力不均衡問題。

如圖2所示，發揮傳統BRAS和vBRAS的特點，將占用BRAS控制層面資源，占用會話數，同時將流量要求小的業務（VoIP等）遷移至數據中心的vBRAS部署，寬帶上網、交互式網絡電視（IPTV）等業務流保留在傳統BRAS進行認證及轉發。虛擬化匯聚層可基于QinQ等方式區分用戶及業務類型，構建到vBRAS的隧道，將不同業務分流到BRAS和vBRAS。

（2）公共Wi-Fi業務集中接入統一認證場景。

公共Wi-Fi業務是一種免費公用無線網絡，手機用戶在公共場所搜索到特定無線網絡后，通過簡單的認證流程即可免費使用。公共Wi-Fi業務資源池需要滿足用戶城域內的集中Portal認證，并根據接入位置推送定制化Portal頁面的需求。

如圖3所示，Portal認證采用vBRAS資源池部署，利用城域網匯聚交換機或者路由器設備構建虛擬可擴展局域網（VxLAN）大二層網絡，形成公共Wi-Fi的Overlay承載網，實現城域網范圍內的公共Wi-Fi業務流量的集中認證。

3 vBRAS性能評估的需求

NFV技術提出之后，就一直強調分層解耦、集約管控的原則，以期實現開放、合作、競爭的生態環境。因此NFV重點關注基礎設施層、網絡功能層和協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）虛擬網絡功能（VNF）與NFV基礎設施（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，需要構建一套科學、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商的VNF以及不同專業的VNF。

以vBRAS為例，其業務處理能力與所消耗的硬件服務器資源沒有絕對的線性關系，按照傳統的通過堆疊測試儀表來測試網元設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，通常是普通網絡設備的數百倍，很難在一般的測試環境中堆疊足夠多的測試儀表；二是部分vBRAS提供方也沒有在實驗環境中測試出vBRAS的極限，無法提前計算和規劃測試方案與測試資源。

因此繼續沿用現有物理網元的測試方案，即簡單地將vBRAS及相應底層系統NFVI解決方案放置到現有物理網元設備的測試環境中，按照現有物理網元設備的測試用例進行測試，難以準確測試出vBRAS的性能極值，我們需要找出一種新的性能評估方案。

4 vBRAS性能評估指標與驗證

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

（1）基本指標，指資源占用率指標，一般包括中央處理器（CPU）、內存、存儲和網絡等幾方面指標，具體包括：

·虛擬機CPU（vCPU）性能的關鍵指標，包括vCPU使用率、系統調用開銷、vCPU綁定率；

·內存（RAM）的主要性能指標，包括訪問帶寬和延遲；

·硬盤輸入輸出（I/O）的主要性能指標，包括連續/大塊/小塊讀寫的吞吐量；

·網絡的主要性能指標，包括傳輸吞吐量、延遲、抖動和丟包率。

（2）擴展指標，用以衡量vBRAS在不同環境下的運行情況，包括穩定系數、均衡系數和無關系數等方面指標，具體包括：

·均衡系數，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；

·穩定系數，用以衡量持續測試一段時間后，各項性能指標是否會出現波動；

·無關系數，用以衡量vBRAS在不同NFVI平臺上的表現是否一致。

我們假設：

·業務輸入X，根據業務需求所制定的業務模型以及一定量的業務輸入；

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

·性能指標Y，vBRAS對NFVI平臺的資源需求。

那么對于在一定的業務輸入X時，當[G≤GH]時，記錄此時所得到的性能指標[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值；

·平臺維度j，即在不同NFVI平臺測試出的性能指標值。

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項資源的利用率。因此對于3個擴展指標可以分別表述如下：

·均衡系數。vBRAS其性能指標與研發能力、編程能力有密切關聯，如果系統設計不夠合理，就容易出現資源利用不均衡，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[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。

·穩定系數。由于vBRAS的軟件特性，各項性能指標可能會隨時間的變化出現波動，因此定義穩定系數[β]，用以衡量持續測試一段時間后，各項性能指標的波動情況。

·無關系數。平臺無關性是指當存在多個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現的業務處理能力接近。因此定義無關系數[γ]，用以衡量vBRAS在不同NFVI平臺上的表現是否一致。

我們在實驗室對兩個不同供應商的vBRAS網元進行了測試，兩個vBRAS在架構上存在較大差異，vBRAS1采用單虛機模式，在一個虛機內完成管理面、控制面和轉發面的功能；而vBRAS2采用多虛機模式，用不同的虛機分別完成管理面、控制面和轉發面的功能，因此只通過vCPU利用率是無法衡量vBRAS1和vBRAS2的優劣勢。因此我們利用文中提出的3個擴展參數進行了綜合評估。

（1）均衡系數。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]，因此可以認為vBRAS1較vBRAS2利用資源更為均衡。

目前采用黑盒測試法，未區分這些vCPU是用于管理面、控制面和轉發面。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發面的vCPU，因此將不同用途的vCPU放在一起比較，會導致評估結果產生一定的偏差。未來可以考慮借助灰盒測試法，區分vCPU的用途，分別比較用于管理面、控制面和轉發面的3類vCPU資源利用情況，得出更為全面的比較結果。

（2）穩定系數。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]，因此可以認為vBRAS1較vBRAS2更加穩定。

（3）無關系數

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，但運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]，因此可以認為vBRAS2較vBRAS1與平臺的無關性更好。

因此如果要綜合比較vBRAS1和vBRAS2的優劣勢，需要對這幾個參數進行綜合評估，給每個參數給出一定的權重，比如按照層次化評估法進行綜合評估，限于篇幅，不再贅述。

5 結束語

作為IP網絡領域虛擬化的代表之一，vBRAS已經成為運營商在IP城域網入NFV的切入點。在vBRAS的評估方面，可以通過資源占用率等基本指標和穩定系數、均衡系數和無關系數等擴展指標來綜合衡量。可以預見的是，隨著NFV應用規模的逐步擴大，后續對VNF性能的系統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

本期實驗工作是在北京研究院-惠普聯合實驗室完成的，王旭亮、谷欣、許一亮等工程師承擔了大量的試驗，對他們謹致謝意！

參考文獻

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