虛擬化網絡運營和測試實踐探討

柏楠 唐靜 雷波

摘要：NFV是運營商網絡向未來演進的重要方向，需要建立適應NFV技術特點的網絡運營管理系統。對NFV的基本架構進行簡單介紹，分析了引入NFV技術后網絡運營管理及網元測試管理方面的問題，探討了嘗試解決部分問題的NFVO應用實踐，為虛擬化網絡運營和測試提供應用參考。

關鍵詞：網絡管理;網絡功能虛擬化;網元測試

1? ?引言

網絡功能虛擬化（NFV， Network Function Virtualization）是指基于標準服務器、交換機等設備，采用虛擬化軟件化的技術手段，實現傳統網絡設備實體的功能。從2012年ETSI成立網絡功能虛擬化工作組（ETSI ISG NFV）以來，網絡虛擬化持續發展，在網元設備上提倡分層解耦，采用通用設備來節省運營成本;在業務運營上提倡自動化，以自動擴縮容功能為代表的網絡彈性與快速構建能力對運營商頗具吸引力。NFV技術的引入，使得運營商在通信技術的發展與變革上有了更多的挑戰，本文主要針對NFV后網絡的運營管理和網元測試管理方面進行了深入探討和研究。

2? ?網絡虛擬化帶來的問題

經過近幾年的發展，NFV技術面臨的一些性能瓶頸已有相當的進展，但從運營商對網絡運營管理的角度來看，在現有物理網絡中大規模引入網絡虛擬化，應用虛擬網元（VNF， Virtualize Network Function）來構建網絡承載業務還面臨諸多困難。

2.1? 網絡運營管理的難題

ETSI NFV的參考架構如圖1所示，從管理角度來看，MANO是管理NFV框架的核心環節，它包括虛擬設施管理器（VIM， Virtualised Infrastructure Manage）、VNF管理器（VNFM， VNF Manager）和NFV編排器（NFVO， NFV Orchestrator）3個部分，從底層向上分別負責對虛擬資源、虛擬網元和網絡服務的管理。其中VIM與虛擬化層的hypervisor具有接口;VNFM與網元管理系統（EMS， Element Management System）和VNF具有接口;NFVO與OSS具有接口。

運營商網絡中傳統網元設備占多數，其測試建設、運營管理和維護都已非常成熟，BSS/OSS體系建設

相對完善，虛擬網元的引入帶來了“虛實共管”的問題，雖然有NFV MANO（Management and Orches-tration， 編排與管理）體系參考，但MANO與EMS及OSS的交互接口不夠細致，實現上缺少支持。管理復雜度的增加延緩了網絡管理自動化的進程，從而拖累了NFV技術的部分優勢。以vBRAS為例，作為較早引入到城域網中的VNF，vBRAS在實施過程中就面臨DC內資源分配和網絡配置、網管納管、業務初始配置等多個操作環節。沿用傳統物理網元的管理方式和維護慣性，往往需人工干預。網絡管理上的困難主要體現在：

（1）缺乏端到端的自動化配置能力。在虛擬網元（VNF）與傳統物理網元（PNF， Physical Network Function）共存的網絡中進行網絡服務編排，需要具備對兩者的基本管理和配置能力。PNF和VNF的業務配置都在EMS系統中，但VNF生命周期管理在VNFM和NFVO中，這兩套系統之間需要建立必要的協同關系。

（2）各類網元間及虛擬資源層面的告警、性能未實現協同。告警分析是網絡運營維護的重要一環，多個故障現象可能都是由同一原因導致，正確的告警關聯性分析至關重要。在虛實網絡或網元之間的、虛擬網元及虛擬化資源層面之間的性能事件、告警信息的協調仍然沒有實現。

（3）在網絡維護管理中，受維護人員使用習慣等原因的影響，在進行業務初始配置或狀態操作時，仍存在少量不易管理的手工操作方式。尤其是在接入網中，對于部分虛擬化的接入網元，如vBRAS或vCPE，還有人工操作命令行的情況。這不僅增加了操作錯誤的風險，更重要的是它可能會干擾NFVO或VNFM對虛擬網元生命周期的狀態管理。

（4）虛擬網元的承載層面基礎設施分布廣，面臨復雜層級的資源管理。運營商業務種類繁雜，承載網絡種類繁多，不同網絡、不同網元的部署位置各不相同。運營商的NFV基礎設施，按所處地理位置和業務部署的差異，也會有接入局點、邊緣DC、核心DC、區域中心DC等不同類型。通常不同的VNF會部署在不同位置，如vBras部署在核心DC或邊緣DC，而vCPE則部署在接入局點，而且對具體的業務網絡來說，存在隨需動態變化的可能，這對資源管理和VNF管理提出了很高的要求，相應地需要NFV-MANO的部署和管理范圍具有彈性，可以動態調整。

2.2? 網元測試管理的問題

在虛擬網元的測試方面，隨著NFV解耦的進展，在基礎設施硬件、Hypervisor、VNF等層面分別采用不同供應商的解耦方案已日趨成熟，由此，面臨如何在有限資源投入情況下對虛擬網元進行客觀、全面快速的測試等問題。

（1）VNF的更新頻率從原有網絡設備的的9～12個月縮短至3個月甚至更短，頻繁的版本迭代產生更多的測試資源要求，若保持傳統的測試方案會使測試周期十分漫長，無法滿足市場的需求。

（2）在軟硬件解耦的環境下，每一個環節的變化都會導致測試場景的變更，例如每次網元的升級，都會將所有的測試用例（包括功能及性能）進行遍歷，測試內容更加復雜，要求測試方法更加完善。

（3）在VNF管理方面已不同于實體網絡設備，在虛擬網元眾多的情況下，需要保證現網使用的VNF的安全性與可靠性。

3? ?運營和測試管理的實踐

從2016年提出CTNet2025網絡重構以來，中國電信一直推動NFV技術及產業鏈的發展與成熟，在移動核心網、城域網等領域進行了大量的實踐探索。在城域網重構方面，隨著CO機房的DC化改造及vBRAS網元產品的發展完善，在構建場景化應用的過程中，中國電信研究院以TeleNOS系統為主體，對虛擬網元的運營管理、測試管理進行了持續探索。

3.1? TeleNOS的基本信息

TeleNOS（Network Orchestration System，網絡編排系統）系統是參考ETSI NFV-MANO相關標準研發的增強NFVO。如圖2所示，系統具備NFVO的各項功能，包括NSD和VNFD模板編排管理、NS/VNF生命周期管理等，支持多VIM和多VNFM的注冊管理、故障告警管理和性能事件管理等。

在架構設計上，以分布式任務隊列為核心，以NSD和VNFD模板為輸入，采用插件適配器的方式封裝不同形態特性的周邊系統接口，實現NFVO的各項功能及更多增強功能，如圖3所示。

3.2? VNF業務配置實踐

在NFVO基本功能基礎上，基于靈活擴展的系統架構，通過EMS適配插件，TeleNOS系統與EMS進行對接。在VNF實例化的過程中，操作人員可在單一系統內進行資源編排選擇和業務初始化配置，避免了各部分的信息需要分別使用不同系統或者人工進行操作的情況，降低配置錯誤的可能性，提高操作人員的效率。選定的業務初始化配置信息由TeleNOS系統暫存，并在VNF實例化完成后，通過執行EMS適配插件，調用相應EMS的功能接口，將VNF實例納管到EMS后，將配置信息下發到VNF，完成配置生效。

系統中進行實例化操作時即可配置其業務初始化參數，包括其管理IP地址、EMS中的地址池設置、vxlan設置等。當實例化操作完成后，vBras實例已經具有初始業務配置。

進一步地，借助EMS適配插件，還可以實現對部分PNF的配置管理，從而增強NFVO對PNF和VNF混合編排管理的能力。此外對于部分規模較小、功能單一的VNF，缺少對應VNFM和EMS的情況，可以考慮將VNFM與NFVO合并功能，通過CLI適配插件，完成對其的業務配置管理。如圖5所示，虛線為增加的NFVO與EMS、與VNF的接口。

3.3? 自動化部署級聯實踐

在NFV環境中，考慮到NS或VNF的實例化面臨著多DC或多級DC的實施，需要NFV-MANO的部署和管理范圍靈活可變，具有彈性，在TeleNOS中引入NFVO的自動化多級部署方案，將NFVO本身封裝為特殊的VNF包，實現這一要求。

在NFV-MANO需要擴展管理范圍時，如接管新DC的虛擬化資源或網絡部署實例要求向新增DC做延伸，NFVO（上層O）可在注冊了新增DC節點的VIM后，使用級聯部署插件，自動化地在新增的DC節點部署NFVO實例，將它作為與原NFVO（上層O）進行級聯的下層O，并配合上層O實現NS或VNF在新增節點的實例化。這種自動部署能力實現向下擴展的方案適用于DC分級架構，如圖6所示，以部署于核心DC的NFVO接管某邊緣DC虛擬資源并向邊緣DC中實例化一個下層O的實際場景為例，其流程如下：

（1）向核心DC的NFVO（上層O）中注冊邊緣DC的VIM信息，包括租戶賬號、管理地址、密鑰等。

（2）在上層O的模板數據庫中保存有NFVO自身級聯部署所需的模板及安裝包等。

（3）在上層O的插件數據庫中上傳級聯部署的插件。

（4）在上層O中對級聯部署的模板進行實例化，并輸入參數。

（5）上層O通過運行插件，將在邊緣DC中實例化一個下層O的實例。

（6）實例化過程和結果都會記錄在上層O的日志中。

（7）下層O實例正常運行，與上層O協同工作。

針對DC基礎設施分散，而管理要集中統一的情況，這種分層級聯的自動化部署方式就非常合適。其中上層的NFVO是編排調度和資源管理的核心，在這一節點上系統可以采用雙機或集群式的部署模式，增加可靠性;而在下層NFVO則采用虛機承載，輕便靈活，隨需而設。功能上，上層的NFVO負責全局的編排和統一管理，可以執行跨域跨DC的NS編排和實例化，而下層NFVO則通過同步機制，協助上層完成對本節點的資源調度及操作。以上層NFVO發起在新增邊緣DC實例化某VNF為例，其流程如下：

（1）上層O的模板數據庫中保存有VNF的模板及包。

（2）上層O的插件數據庫中已有該VNF對應的VNFM適配插件。

（3）在上層O中，選擇將VNF通過下層O在邊緣DC進行實例化。

（4）上層O調度下層O實例自動進行插件的同步。

（5）上層O調度下層O實例自動進行模板的同步。

（6）上層O調度下層O實例執行VNF的實例化。

（7）在下層O所在邊緣DC中VNF實例生成，運行正常。

（8）下層O回傳過程日志到上層O中。

3.4? VNF網元測試實踐

在網元及其相關的測試方面，依托TeleNOS系統，針對虛擬網元的測試需求，使用TOS（Testing Orchestration System，測試編排系統）組件對VNF、測試用例（TestCase）、測試套（TestSuit）、系統接口（API）、測試結果都進行統一的管理，可提高VNF驗證和測試的自動化水平，便于運營商采購時對VNF開展評估，加速新業務網元的規范引入。

面向繁瑣的測試環境部署，將測試環境交由TeleNOS進行管理編排，按測試所需提出模板，實現被測VNF實例的自動化創建，減少測試環境的人工干預。TOS組件根據網元專業類型自動化匹配測試套，同時對結果數據進行自動化整理，大幅提高了測試效率，縮短了測試周期。通過與專業儀表廠商進行合作，可根據不同的測試類型匹配對應的儀表。同時，在測試過程中會對資源進行全程監控，測試結束后生成周期內的資源監控報告。在TOS組件中引入版本管理，通過對連續版本的虛擬網元進行測試而建立起的網元版本庫，系統可支持網元版本升級評估及合格網元新版本推送等。

4? ?結束語

運營商網絡的云化虛擬化是產業發展的必然趨勢，在規模應用虛擬網元構建虛擬網絡服務的過程中，要建立切合實際生產需要的、高效可靠的管理系統。中國電信在近年的運營商網絡云化領域進行了部分探索與應用，可以實現NFV技術下虛擬網元的運營管理及測試管理，為NFV的網絡管理建設提供參考。

參考文獻：

[1] ETSI. Network functions virtualisation （NFV）; management and orchestration; functional requirements specification： GS NFV-IFA 010[S]. 2019.

[2] ETSI. Network Functions Virtualisation （NFV） Release 2; Protocols and Data Models; RESTful protocols specification for the Ve-Vnfm Reference Point： GS NFV-SOL 002[S]. 2019.

[3] ETSI. Network Functions Virtualisation （NFV） Release 3; Management and Orchestration; Report on management of NFV-MANO and automated deployment of EM and other OSS functions： GR NFV-IFA 021[S]. 2019.

[4] 林文峰，陳錦潮. NFV網絡運營體系構造[J]. 郵電設計技術， 2018（7）： 60-65.

[5] 胡亞希，霍筱寧. 引入NFV 技術的網絡管理方案[J]. 電信科學， 2018（S1）： 72-77.

[6] 雷波，解云鵬，王波. vBRAS應用場景及評估方法探討[J]. 中興通訊技術， 2017（2）： 23-26.

[7] 雷波，唐靜. 中國電信打造NFV自動化集成與驗證平臺[J]. 通信世界， 2019（13）： 46-47.

[8] 李晨. SDN/NFV賦能5G網絡架構的云化演進[J]. 通信世界， 2019（12）： 45-48.

[9] 趙鵬，段曉東. SDN/NFV發展中的關鍵：編排器的發展與挑戰[J]. 電信科學， 2017，33（4）： 18-25.

[10] 史凡，趙慧玲. 中國電信網絡重構及關鍵技術分析[J]. 中興通訊技術， 2017，23（2）： 2-5.