NFV网络功能虚拟化基本原理及应用

NFV试图打破传统电信设备的竖井式体系，将通信网元功能分层解耦并引 入新的MANO管理体系实现网元全生命周期管理。
网管系统 IMS EPC HSS
vIMS
网管系统
MANO
vEPC
vHSS …
…
虚拟化资源
硬件资源
四大基本特征
虚拟化
采用开放的 Hypervisor和资源管 理软件将电信业务的软
硬件分离
通用IT基础设施
Glance：管理VM磁盘镜像功能
Cinder：为VM提供块存储服务
Swift：提供对象存储服务
Keystone：提供认证和权限管理
Ceilometer ： 提 供 监 控 和 计 量 服 务 （维护入口）
Horizon ： OpenStack 的 人 机 接 口 （服务入口Portal） Ironic：提供对裸机的管理（只管理 资源，不管理运行状态）。
root特 权模式
Hardware
Guest OS
全虚拟化
支持Windows和linux
半虚拟化
由于需要改动操作系统内核只支持linux
硬件辅助虚拟化
都支持
性能
VMM需要对上层OS指令进 上层OS知道自己工作在非之前模式，通过修
好
行捕获、翻译、模拟，性能 改其内核，与VMM通力协作，取消了捕获异
损耗大
主流虚拟机技术：
开源虚拟软件 ：主要有XEN、 KVM、 Hyper-V，其中 KVM开源社区最大最活跃 私有虚拟软件：VMware占据主要份额，价格也较高。
虚拟化基础设施管理技术：
私有技术：VMware的vCenter虚拟化管理平台、亚马逊 的AWS云管理平台等，商用广泛，成熟度较高 开源技术：Openstack对KVM,XEN,VMware和Hyper-V 等主流虚拟机技术都能支持
IP化承载的外在通信方式
• 电信网络下一步变革的核心是IT化，采用IT化的内在实现形式及设备形态，保
留CT的网络内涵和品质
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NFV是什么？
NFV：Network Function Virtualization
+ 网络功能
虚拟化
即传统电信设备实现的功能。传统 电 信设备，如MSC、MME、CSCF、
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目录
一、什么是NFV ？ 二、NFV关键技术 三、产业推进情况 四、NFV带来的影响
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1、虚拟化技术（1/3）
虚拟化指将一台物理计算机系统虚拟化为一台或多台虚拟计算机系统。每个虚拟计算机系统 都拥有自己的虚拟硬件（如CPU、内存和设备等），来提供一个独立的虚拟机执行环境。通过虚 拟化层的模拟，虚拟机中的操作系统认为自己仍然独占一个系统在运行。这个虚拟化层称为虚拟 机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）
VM
VMM (也叫Cloud OS 或者 Hypervisor)
VIM
存储节点 网络节点 计算节点
QEMU
存储节点 网络节点 计算节点
QEMU
存储节点 网络节点 计算节点
QEMU
存储节点 网络节点 计算节点
QEMU
存储节点 网络节点 计算节点
QEMU
OpenStack
OpenStack
网络虚拟化后的系统架构将由“通信域3层”+“管理域2套”共同组成，即：
通信域：硬件资源层、虚拟资源层和网络功能层三层 管理域：除传统
OMC/OSS等网管系统外，新增加云管理（MANO）系统
网络管理
云管理 NFV Management and Orchestration
OSOSSS//BBSSSS
Service, VNF and Infrastructure Description
Trove：提供数据库服务。 Heat ：提 供 针 对OpenStack 的编排 服务。
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2、基于KVM+OpenStack的NFV逻辑架构和物理结构对照图（3/3）
APP
Guest OS
VM
APP
APP
Guest OS
VM
Guest OS
VM
APP
Guest OS
VM
APP
Guest OS
Vn-Nf
虚拟计算 虚V拟irtu存al储 虚St拟ora网ge络
虚拟计算 虚Vi拟rtu存al 储 虚Ne拟tw网ork络
虚拟化层（VVirMtualWisaatiorneL, aKyeVr M, Xen）
Nf-Vi
Vl-Ha
Computing
Hardware resources
硬S件tora资ge 源 Network
OpenStack is a cloud operating system that controls large pools of compute, storage, and networking resources throughout a datacenter, all managed through a dashboard that gives administrators control while empowering their users to provision resources through a web interface.
未虚拟化
全虚拟化
半虚拟化
硬件辅助虚拟化
Ring 3
APP
Ring 3 Ring 3
APP OS VM
Ring 3
APP OS VM
Ring 3 Ring 0
APP OS VM
非root 特权模 式
OS
Ring 0
VMM
Ring 0
Hardware
Hardware
VMM
Ring 0
Hardware
VMM
VNFM： 虚拟化网 元生命周 期管理
VIM：硬 件管理和 虚拟资源 管理
VNF: Virtual Network Function
NFVO: NFV Orchestrator
VNFM: Virtual Network Function Management
VIM: Virtual Infrastructure Management
H计ard算ware
Ha存rdw储are
Ha网rdw络are
Execution reference points
Other reference points
VNVNFFM
Manager(s)
Vi-Vnfm
Or-Vi
Virtualised
InfrVastIrMucture
Manager(s)
Main NFV reference points
一、什么是NFV ？ 二、NFV关键技术 三、产业推进情况 四、NFV带来的影响
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纵观移动通信网络发展历程，在经历了模拟通信、数字通信、端到端IP化后， 当前通信网正逐步迈向基于虚拟化、软件化等ICT融合技术的通信4.0时代
通信1.0：模拟化 通信2.0：数字化
通信3.0：IP化 （CT over IP）
Biblioteka Baidu
中的各虚拟通信网元，通过统一的虚拟资源层，部署到共享的通用云资源池（服务器、
存储系统等）中。
传统通信机房
数据中心机房
虚拟化
网络功能层 ： 软件 实现的 虚拟 化 功 能 网 元 ， 可 以 是 IMS 、 EPC等网元
虚拟资源层 ： 实现 虚拟 机 资源 生 成 、 调 度 、删除等功能
硬件资源层 ：
通信网 IP承载（BICC/SIP）
通信4.0：IT化 （虚拟化，ICT融合）
软件 硬件
控制 转发
分离 解耦
1G为代表，模拟化 通信
2G为代表，数字化 通信
3G/4G逐渐发展，从软 交换到IMS，最后到 VoLTE完成彻底IP化
NFV/SDN是ICT化的催 化剂，驱动IT/CT走向
融合
• 电信网络过去十年的变革核心是IP化，其特征是CT的设备形态及网络实质，
虚拟软件是在上层应用与底层硬件之间额外增加的一层，因此设备虚拟化后对系统性能有额 外开销，需对虚拟机进行功能增强以适应电信级要求
应用 数据读写
虚拟化层 存储设备驱动
磁盘
磁阵
客户OS 主机OS 物理主机
原因1：虚拟化层对读写操作的控制和管理需要一定开销 原因2：越多上层应用，越多并行数据读写 增强方案（CPU隔离、多线程、巨页内存、SR-IOV、DPDK）：
Os-Ma Se-Ma
ONrchFeVstrOator
Or-Vnfm
NFVO： 统一的资 源管理和 调度
网络功能层 虚拟资源层 硬件资源层
EMS 1
OEMMS 2C
EMS 3
Ve-Vnfm
VNF (CVNSFC1F)
VNF (MVNMF 2E)
VNF VN(…F 3)
NFVI 虚拟计算 虚V拟irt存ual储 C虚om拟p网uti络ng
传统架构
四大基本特征
分区
在单一物理 机上同时运行多
个虚拟机
虚拟化架构
隔离
同一物理机上 多个虚拟机相
互隔离
封装
整个虚拟机执行 环境封装在独立
文件中
独立
虚拟机无需 修改可运行 在任何物理
机上
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1、虚拟化技术（2/3）
虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔 离环境中的完整计算机系统。按实现方式分类，可以分为全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化
统一的标准化IT计算、 存储、网络基础硬件
云化管理
应用和业务的生 命周期管理， 虚拟资源配置
网络自动化
可与SDN结合，使用 SDN技术自动化配 置网络
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单个NFV虚拟化网元物理结构的变化 传统电信设备系统架构 网元软件
消息分发 链路管理 DB 中间件
业务
操作系统
ATCA
关键变化1：新增虚拟化层，即通过虚拟
常、翻译、模拟过程，性能消耗小
可维护性能
一般
较好
好
典型虚拟机技术
KVM、VMware
XEN
KVM、VMware、 XEN
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1、虚拟机技术（3/3）
虚拟技术是云计算的核心技术，虚拟化技术能够提升硬件资源利用率、增强系统的灵活
性。虚拟技术有私有技术、开源技术之分，业界倾向基于开源软件根据通信网需要进行优化
创建VM存储时，尽量减少重读写业务在同一块硬盘上进 行操作
对于重读写VM，提供读写速率较高的固态硬盘 虚拟网卡：使用SR-IOV（单根I/O虚拟化）技术等
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2、虚拟资源管理OpenStack（1/3）
OpenStack是一个分布式虚拟资源（计算、网络、存储）的管理平台，包括一系列开源 组件和标准接口协议，目前在全球范围内已经成为私有云管理的主流选择，主要厂家的虚拟 化层及VIM均是基于OpenStack的二次开发。
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2、虚拟资源管理OpenStack组件（2/3）
Openstack包括计算、网络、存储、鉴权和监控等功能组件，每个功能组件都单
独命名，各组件之间有相互调用关系，在管理虚拟资源的同时，也能实现部分裸机管
理功能。
中心：中间那个菱形，表示虚拟机
Nova：管理计算能力、VM生命周期 Neutron：为OpenStack提供网络连 接服务（旧版本为Quantum）
P-GW等均为网络功能实体
软件化
NFV将传统通信网络设备功能软件化，通过特定的虚拟化技术，基于IT
通用的计算、存储、网络硬件设备实现电信网络功能，NFV将实现传统电信
产业与IT产业的深度融合。
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NFV的基本特征
NFV于2013年在ETSI由13家运营商发起研究，是云计算在IT业取得巨大成功的 大背景下提出的，其工作目标是增强系统灵活性，实现网络及应用的快速部署、灵活 扩容和缩容。NFV的关键核心是通过虚拟化技术、基于通用IT硬件实现电信功能节点 的软件化，被认为是未来通信网络的基础技术。
和增强。
虚拟机功能：
VM(Virtual Machine)：虚拟化的计算单元，为上层应 用提供运行环境，由VMM创建和管理 Hypervisor：提供VMM(virtual machine monitor )虚 拟机监控器的功能
虚拟化基础设施管理功能：
VIM(Virtual Infrastructure Manager): 负责虚拟机 资源分配、更新及释放，资源的性能和故障信息搜集上报
云 化系统中的 X86服务器、存 储设备、IOS等 IT类设备
• NFV技术实施后，理论上讲，网络扩容、业务开放将发生以下变化：
– 资源共享、效率更高：不同业务系统共享硬件资源，资源利用效率可在不同应用间均衡 – 扩容灵活、快速响应：网络扩容通过新增虚拟资源的形式实现，多数不涉及新增硬件调测 7
网络虚拟化后的系统架构图（3+2架构）
化软件生成虚拟计算机，供上层应用使用
关键变化2：传统设备中单个网元独享专
用硬件变化为各网元共享通用x86服务器
虚拟化网元架构 网元软件
消息分发 链路管理 DB 中间件
业务
操作系统
虚拟机 虚拟机 虚拟机 虚拟机
Hyper visor/虚拟机监控器
COTS
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网络虚拟化后的网络结构图
NFV改变现有通信网络设备软硬件一体化部署模式，使设置在一个数据中心机房