NFV技術及網元生命周期管理分析

謝淑琳

（北京交通大學，北京 100089）

關鍵字：網絡功能虛擬化；VNF；生命周期管理

0 引 言

5G時代的到來和移動網絡設備的增加導致網絡流量大幅度增長，當前核心網的模式封閉僵化、資源無法共享且網元部署缺乏彈性。為了提高網絡通信的質量，需要對網絡架構進行改造，但在當前核心網模式的基礎上進行修改會導致網絡設備數量多而復雜，增加后續維護和升級的難度。因此引入NFV技術，網元功能以軟件的方式實現，硬件資源通過虛擬化技術進行虛擬化[1-3]。網元可以自動化部署，虛擬化的資源可以共享，電信運營商的運營成本會大大降低。

1 框架簡介

傳統網絡架構中，網元依賴專用硬件設備，引入NFV技術后專有硬件設備被通用X86服務器替代。網元設計成軟件的形式，硬件資源虛擬化后創建虛擬機，將網元部署在虛擬機上。圖1所展示的NFV架構是在中國移動根據歐洲電信標準化協會（European Telecommunication Standard Institute，ETSI）所提出的NFV架構的基礎上擴展得到的。

圖1 核心網云管理平臺系統組網結構

NFV架構有6大模塊，分別為操作維護中心（Operation and Maintenance Center，OMC）、虛擬化網絡功能（Virtualized Network Function，VNF）、虛擬化基礎設施（Virtualized Network Function Infrastructure，VNFI）、虛擬化網絡功能編排（Network Funcation Virtualization Ochestrater，NFVO）、虛擬化網絡功能管理（Virtualized Network Function Manager，VNFM）以及虛擬化基礎設施管理（Virtual Infrastructure Management，VIM）。

其中，在物理網元和虛擬網元發生故障或對網元的性能和配置進行管理時都由OMC負責，而且OMC還要配合VNFM對虛擬網元進行生命周期管理。VNF和傳統物理網元的功能一樣，是以軟件的方式進行實現，例如虛擬化服務網關S-GW和PCRF等。NFVI為VNF提供運行所需要的資源，包括硬件資源和軟件資源，硬件資源經過中間層的虛擬化技術變為虛擬計算、存儲及網絡等。NFVO+是在標準NFVO的基礎上加入了對虛擬網元的FCAPS管理能力，標準NFVO負責對網絡服務的管理，配合VNFM和VIM可以實現網元生命周期管理。VNFM的功能是實現VNF的生命周期管理，包括VNF實例化、彈性擴縮容以及VNF實例終止等。VIM負責對底層的硬件資源和虛擬資源進行管理監控，發生故障時及時上報，同時接收VNFM的請求進行資源創建或釋放[4,5]。

2 VNF生命周期管理

VNF從自動部署到擴縮容以及實例終止整個生命周期流程都需要由VNFM進行管理，這里主要介紹VNF的實例化和彈性擴縮容流程。

2.1 VNF實例化

在VNF實例化之前要保證VNF包已經上載到VNFM中，同時鏡像也要下發到VIM中，VNF實例化流程如圖2所示。

圖2 VNF實例化流程

具體流程說明如下：

（1）操作員在NFVO+界面選擇需要實例化的VNF。

（2）NFVO+查詢VNFR信息。

（3）如果該VNFR未執行資源預留，那么NFVO+調用C6：QueryVNFD Req接口，接口中含VNF Package ID，到VNFM查詢VNFD信息。

（4）VNFM查詢本地保存的VNFD信息。

（5）VNFM返回C6：QueryVNFD Response，包含VNFD的詳細信息和可調整的參數。

（6）NFVO+在實例化頁面展示VNFD信息，調用C6：InstantiateVNF接口，請求VNFM實例化VNF。

（7）VNFM收到請求后創建實例化任務，生成JobID，返回給NFVO+。

（8）VNFM分析對應的VNF包，從VNF包中獲取VNFD的信息，得到VNF實例化需要的資源。

（9）VNFM向NFVO+發送資源授權請求。

（10）NFVO+根據當前情況決定是否接受VNFM的授權請求。

（11）VNFM向NFVO+發送創建虛擬資源的請求。

（12）NFVO+向VIM發送通知創建虛擬資源。

（13）VIM進行資源創建，向NFVO+發送C7：PushVmChanges請求，告訴NFVO+自身的資源變化。

（14）NFVO+向VIM返回響應。

（15）虛擬機創建成功后，VNFM對VNF的參數進行部署和配置。

（16）VNFM向NFVO+發送VNF實例化成功后包含的虛擬資源。

（17）NFVO+向VNFM返回響應。

（18）VNFM通知OMC對實例化成功的VNF進行管理。

（19）OMC向VNFM返回響應。

（20）OMC將新實例化的VNF添加到管理對象。

（21）OMC對VNF進行應用參數的配置。

（22）操作人員在顯示界面查看實例化的結果。

2.2 VNF自動擴縮容流程

為了適應不同業務流量，VNF需要擴縮容，增加或減少VNF需要的資源。彈性擴縮容分為自動和手動兩種情況，其中自動擴縮容需要設置好特定的策略，流程如圖3所示。

圖3 VNF自動擴縮容

具體流程說明如下：

（1）VNFM中已經存在VNF的擴縮容策略并且已經激活。

（2）VNFM/OMC監測VNF性能，并和擴縮容策略進行匹配。

（3）達到擴縮容條件，VNFM/OMC觸發VNF擴縮容。

（4）VNFM發送C6：VNFMEventNotification接口，告知NFVO+要對VNF進行擴縮容。

（5）NFVO+返回響應。

（6）VNFM向NFVO+發送資源授權請求。

（7）NFVO+檢查是否允許該實例進行擴縮容操作。

（8）VNFM告知OMC有VNF要進行擴縮容。

（9）OMC向VNFM返回VNF擴縮容預通知，指示是否允許后續擴縮容操作。

（10）VNFM向NFVO+發送創建/刪除虛擬資源的請求。

（11）NFVO+向VIM發送創建/刪除虛擬資源的請求。

（12）VIM向NFVO+發送C7：PushVmChanges請求。

（13）NFVO+向VIM返回響應。

（14）擴縮容成功后，VNFM對VNF重新進行參數配置。

（15）VNFM檢查VNF，確定是否擴縮容成功。

（16）VNFM向NFVO發送VNF當前資源變化的通知。

（17）NFVO+向VNFM返回響應。

（18）VNFM向OMC發送VNF擴縮容結果通知。

（19）OMC向VNFM返回VNF擴縮容結果通知響應。

（20）OMC更新管理對象。

（21）OMC對擴縮容后的VNF重新進行參數配置。

3 結 論

NFV技術從一開始提出就備受關注，它可以很好地解決傳統核心網架構的弊端，但同時也存在一定的缺點。硬件資源虛擬化和網元功能軟件化可以實現網元的軟硬件解耦，保證網元的快速部署與資源共享。FV架構中各模塊之間的接口采用私有化還是標準化、NFV技術如何保證系統的可靠性等都是未來需要考慮的問題。