VNF技術的遷移方法研究

趙彥

摘 ? 要：隨著4G業務的快速發展和數據流量的不斷增長，移動網絡面臨著前所未有的壓力和挑戰。運營商被迫投入大量資金和運營建設成本，并需要運行各類新的或者是改進過的無線網絡。為了減少昂貴的建設成本，實現靈活彈性網絡，運營商迫不及待地將5G推上舞臺。所謂的“5G”指的是第5代移動通信技術，與4G相比，除了5G時代的“峰值”速度外，另一核心亮點是它將徹底打破僵硬的硬件設備組網束縛，提供更靈活、彈性的網絡，讓網絡快速、充分地適應用戶需求，給用戶帶來更好的體驗。文章首先闡述了VNF技術研究現狀，其次介紹了VNF技術在5G核心網中的相關技術概念，最后重點介紹VNF技術的遷移方法。

關鍵詞：5G;虛擬化網絡功能技術;遷移方法

1 ? ?VNF技術的研究現狀

目前，5G技術標準相繼凍結，將為eMBB，mMTC和uRLLC三大范疇的多種場景供應有力的鏈接服務，增強對5G時代的支持，以滿足業務多樣性和相應的性能需求。5G核心網絡還面臨5大核心挑戰：支持多種業務模式、提供靈活的按需服務、更復雜的網絡管理、網絡安全和隱私保護，以及更加開放的服務生態系統。因此，研究虛擬化網絡功能（Virtual Network Feature，VNF）技術在5G核心網中的應用及采用VNF技術的5G核心網如何既能同時支持2G/3G/4G的接入，還可以滿足多種業務場景的需求就顯得尤為迫切。

目前，核心網絡正處于5G時代的虛擬化和云計算時代，核心網絡虛擬化可以降低運營和維護資本，提高運營和維護效率，但也給移動運營商的維護帶來了巨大的挑戰。此外，5G網絡還需要提高網絡的使用和運行效率，打破僵硬的硬件和網絡限制，并提供更靈活、彈性的網絡[1]。

由此可見，5G是滿足2020年未來需求的移動通信系統。5G移動通信系統必須是靈活的，具有網絡自我意識和自我對準等智能功能，以應對未來移動信息社會難以預測的快速變化。

2 ? ?VNF技術相關概念

VNF是一種網絡架構概念，虛擬化技術用于將分層網絡節點功能劃分為不同的功能塊并以軟件方式實現，不再局限于硬件架構。運營商的網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）目標是通過改變傳統的網絡架構，利用通用標準的IT服務器、基于虛擬化的技術實現傳統網絡設備的功能。網絡節點可根據用戶需求隨時準備和優化標準IT通用硬件資源，并使用軟件管理平臺實現隨需應變的云網絡[2]。

當然，VNF技術也需要諸多相關虛擬資源支持。NFV的目標是分離，讓軟件和硬件獨立開發，并將電信設備從專用平臺轉移到通用服務器。因此，這種框架下，網絡必須是“彈性的”，不受物理網絡限制。

如圖1所示，NFV網絡可以分為NFVI層、VNF應用層和管理編排節點（NFV Management And Orchestration，MANO）。VNF可以視為軟件，作用是實現網絡功能，它通過虛擬化層提供的應用程序接口（Application Programming Interface，API）獲取虛擬計算機資源、虛擬存儲資源、虛擬網絡資源。

虛擬層負責實現硬件資源的抽象，形成虛擬資源，通過API為VNF提供虛擬計算機資源、虛擬存儲資源、虛擬網絡資源等，從而協助VNF實現網絡功能。管理編排域最顯著的特點是其靈活性，內部包括虛擬化基礎設施管理器（Virtual Infrastructure Management，VIM）、虛擬化網絡功能管理器（Virtual Network Function Management，VNFM）和網絡功能虛擬化編排器（Network Function Virtualization Orchestrator，NFVO）3個實體，分別完成對NFVI，VNF和網絡服務的管理，用于集成部署統一的參考點和接口，從而實現網絡部署的“靈活彈性”。

（1）彈性：繞過網絡業務中斷，恢復與網絡在正常狀態下的網絡框架/結構相關的能力。若發生網絡故障、服務中斷或正常運營中斷，則與網絡功能的框架/結構相關的容量是最低、最可接受的。

（2）伸縮：根據需要動態地分配或恢復與虛擬化網絡面板關聯的資源。伸縮包括橫向/垂直擴展以及延伸到外部或內部。延伸到外部或內部是指通過添加/刪除資源實例如虛擬機（Virtual Machine ，VM）進行伸縮的能力。橫向/垂直擴展是指通過改變分配的資源來進行伸縮的能力，例如增加/減少內存或CPU容量。

3 ? ?VNF技術的遷移方法

5G技術具有吸睛的性能指標，給傳統網絡也帶來了巨大的挑戰和考驗，例如：冗余膨脹的協議、困難的服務部署和不靈活的資源調度等，迫切需要引入新技術改變這種狀況。與此同時，軟件定義網絡（Software Defined Network，SDN）和NFV的相繼出現也帶來了一些新問題，例如：流量分布不均、負載不平衡等。為更好解決上述問題，VNF技術應運而生。VNF遷移，即在具有NFV特性的網絡中，VNF將從傳統物理機器中刪除，并重新部署在更好的節點上，可解決NFV和SDN部署中的負載不平衡問題。

因此，VNF技術遷移[3]的方法研究較多，但遷移過程需要考慮的問題也很多，事實上，很難有十全十美的遷移方法，以下舉例說明。

用于解決VNF的實例遷移過程中產生的抖動和數據包丟失問題的方法，該方法包含兩個方面，一方面是為VNF提供一種數據包狀態通報的接口，另一方面提出了一種基于狀態的VNF無縫遷移框架。

遷移過程大致如下：

（1）控制器啟動目標環境，初始條件下沒有狀態信息和VNF實例。

（2）在源實例和目的實例之間建立兩個傳輸流，即狀態傳輸流和快照傳輸流。

（3）當快照傳輸流進行遷移時，相應的狀態也通過狀態傳輸流上報。

（4）目的實例序列接收狀態信息，直到快照被完全接收、安裝并啟動。

（5）當狀態流上報過載信息后，控制器將數據重定向至目的實例，完成遷移。

該遷移方法類似于預備份，在未過載時進行備份，過載后進行數據重定向，實現快速遷移，但存在占用大量資源的問題。

對基于SDN控制器實現VNF遷移的方法作定性分析，分為5大模塊：統計收集、拓撲生成、虛擬機請求、決策單元以及配置模塊，遷移步驟大致如下：

（1）定期統計收集模塊和統計交換機數據，存儲在數據庫中，為其他模塊提供交換信息。

（2）拓撲生成根據數據庫中的信息，生成整個網絡拓撲，包含所有的交換機和主機。

（3）虛擬機器申請單元監測網絡虛擬機器的移徙申請，移位申請應包括來源和目的地，以及移徙所需的寬帶，虛擬機器申請單元提交決策單元的移徙申請資料。

（4）決策單元根據網絡的專題資料和網絡鏈接，選擇最適合移徙的移徙聯系，并將移位鏈轉到配置模塊。

（5）配置模塊通過遷移鏈接生成流，并將其發送到相應的交換機進行遷移。

VNF遷移通常需要考慮以下幾方面：何時開始VNF遷移，怎樣選定遷移要素;如何選定要遷移的VNF;如何選定遷移的目標節點;如何選定遷移的合適路徑等。實際過程中，遷移方法只將上述某一個或幾個方面作為標準，在兼顧性能和復雜度的同時，提高實現的可行性。

4 ? ?結語

為了更好地在虛擬化環境下提供電信級高可靠的網絡應用，國內部分廠商對VNF系統采用了組件化原則、跨DC容災部署等策略，提供了更可靠、更安全、更節省資源的全新云化核心網服務。目前，網絡化已經到了發展的關鍵時期，采用SDN/NFV技術的網絡計算，再加上微服務設計，意味著5G網絡面向服務、軟件真正開放，這勢必有利于整合5G和垂直行業。

[參考文獻]

[1]朱達賢.淺談核心網虛擬化技術及應用[J].信息通信，2016（7）：264-266.

[2]杜鵑.VNF在移動網絡中的應用初探[J].內蒙古科技與經濟，2015（16）：62-63.

[3]朱曉榮，王一忠.虛擬網絡功能遷移研究綜述[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2018（1）：45-53.