网络功能虚拟化

定义

网络功能虚拟化指把网络功能的软件实现与它所在的硬件设备分开,把原本由专用设备承担的功能改为运行在通用服务器、存储和交换机上的软件^[3]。按照欧洲电信标准协会(ETSI)白皮书的表述,这类功能既可以用标准服务器硬件承载,也可以按需移动到网络中的不同位置或在其中实例化,而不必现场安装新设备^[4]。

两个词容易混淆:网络虚拟化描述的是在物理网络上构建逻辑网络;网络功能虚拟化描述的则是网络功能的实现形态从专用硬件转为软件。二者关注的对象不同,NFV 的引入以虚拟化技术和云计算的资源池化能力为基础^[5]。

国内研究者常把这一思路概括为三层含义:网络功能软件从通用高性能服务器、存储与交换设备中分离出来;软硬件各自成为独立模块;以及基于通用硬件对软件设备进行自动化的远程安装与管理^[6]。

原理

NFV 的参考架构由三部分构成。网络功能虚拟化基础设施(NFVI)把物理的计算、存储和网络资源经虚拟化层抽象为资源池;虚拟网络功能(VNF)是部署在这些资源上的软件化网元;管理与编排(MANO)负责资源的分配、VNF 的生命周期管理、扩缩容与服务终止^[7]。ETSI 在 NFVI 内部进一步划分了虚拟化基础设施管理器(VIM)、VNF 管理器和编排器三个功能实体,分别对应资源层、网元层和服务层的管理^[8]。

从实现路径看,第一步是把网元软件与原来的硬件平台解耦,第二步是把该软件移植为通用服务器上的虚拟机,第三步由编排系统按业务流量调度计算资源^[9]。多个 VNF 按一定顺序串接起来形成服务功能链,例如流量依次经过边缘路由器、防火墙、深度包检测和地址转换,链上各节点可以动态调整^[10]。

由于通用处理器的转发能力弱于专用芯片,实际部署常配合数据平面开发套件、单根输入输出虚拟化、智能网卡或现场可编程门阵列等加速手段,把高吞吐、低计算量的报文流卸载到硬件处理。有厂商把计算、带宽与存储之间的失衡概括为 NFV 的「不匹配三角」,认为硬件加速是缓解该矛盾的主要途径^[11]。

发展历程

NFV 概念由电信运营商主导提出。2012 年 4 月起,多家运营商开始非正式磋商;同年 9 月的会议决定以欧洲电信标准协会下属行业规范组的形式推进^[12]。2012 年 10 月 22 日至 24 日,在德国达姆施塔特举行的 SDN 与 OpenFlow 世界大会上,13 家运营商联合发布 NFV 介绍性白皮书,同期披露了该工作组的设立^[13]。

2012 年 11 月,ETSI 董事会批准成立 NFV 行业规范组^[12]。该组于 2013 年 1 月在法国索菲亚·安蒂波利斯召开首次全体会议,参与企业数量随后迅速增长,到更新版白皮书发布时已超过 150 家,其中包括 28 家服务提供商^[1]。该组的定位是就业务与技术需求形成产业共识,而非制定强制性标准^[1]。

在不到一年时间里,该组发布了用例、需求、架构框架与术语等首批规范,并建立了概念验证平台的协调框架^[14]。此后的研究与产业化重点逐步转向资源分配、服务链编排、可靠性与性能优化,并与软件定义网络、云原生和边缘计算相互结合^[7]。

应用

按 ETSI 白皮书的界定,NFV 适用于移动网与固定网中任何数据面报文处理和控制面功能^[4]。运营商关注的典型场景包括宽带网络网关、运营商级地址转换、路由器、移动核心网演进分组核心(EPC)、IP 多媒体子系统(IMS)、无线接入网和家庭网络等^[6]。

在移动核心网中,一个虚拟化的 EPC 可以由若干虚拟网元组成,分布部署在多个数据中心内,共同完成原有机房设备的功能^[15]。接入侧则出现虚拟化基站与虚拟化客户侧设备等形态,把部分功能上移到网络侧的处理节点^[10]。

5G 的网络切片同样以 NFV 为基础:切片内的网络功能由共享资源池上的 VNF 承担,切片管理器与 MANO 协同按需分配资源,并可对 VNF 做扩缩容和跨资源池迁移^[11]。企业网络也被视为可受益的领域,网络功能可以在通用服务器上于较短时间内完成部署^[16]。

局限

性能是最常被提及的制约。虚拟化层的引入会带来开销,对高吞吐、低时延的功能影响明显;多个 VNF 共享物理资源时还会出现 CPU、内存和输入输出方面的争抢^[7]。专用集成电路和网络处理器在输入输出与报文分类上仍有优势,x86 架构不具备同等能力,在大规模路由与交换场景中要达到专用硬件的转发性能仍需硬件配合。

架构上的优化也有代价。为提升性能而设计的直通与卸载方案会使虚拟机热迁移等传统云计算能力变得复杂,某些芯片上还出现过输入输出地址转换缓冲被反复淘汰、吞吐量减半的情况。

安全与管理复杂度是另一组难点。管理程序自身的漏洞可能同时影响其上多个 VNF,多租户共享资源时隔离机制必须防止越权访问与信息泄露;在分布式环境中管理成百上千个 VNF 的生命周期,并在频繁伸缩、迁移的情况下保障服务等级协议,对编排工具提出了较高要求^[7]。此外,标准化工作仍在推进,不同厂商 VNF 之间的互通是现实挑战^[17]。

参见

• 软件定义网络 —— 与 NFV 互补的另一条网络技术路线,通过控制与转发分离提升网络可编程性。

• 虚拟化 —— NFV 将计算资源池化的基础技术手段。

• 网络切片 —— 在共享基础设施上划分逻辑网络以承载不同业务,通常以 NFV 为技术前提。

• 移动核心网 —— NFV 的主要落地场景之一,核心网网元可改为虚拟网络功能。

• 服务功能链 —— 多个虚拟网络功能按序串接形成的业务处理路径。

• 欧洲电信标准协会 —— 其下属的 NFV 行业规范组是推动 NFV 产业共识的主要组织。