現代交換原理與技術第11章網絡功能虛擬化11.111.211.311.4NFV概述NFV的參考架構NFV的關鍵技術SDN與NFV協(xié)同工作11.5NFV的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)第11章網絡功能虛擬化縱觀移動通信網絡發(fā)展歷程，在經歷了模擬通信、數字通信、端到端IP化后，當前通信網正逐步邁向基于軟件化、虛擬化等ICT融合技術的通信4.0時代。11.1NFV概述通信1.0：模擬化通信2.0：數字化通信3.0：IP化(CToverIP)通信4.0：IT化(虛擬化，ICT融合)1G為代表，模擬化通信2G為代表，數字化

通信3G/4G逐漸發(fā)展，從軟交換到IMS,最后到VoLTE完成徹底IP化NFV/SDN是ICT化的催化劑，驅動IT/CT走向融合NFV產生的背景虛擬化是什么？11.1NFV概述虛擬化架構/模式傳統(tǒng)架構/模式資源抽像成共享資源池上層操作系統(tǒng)與硬件解耦，操作系統(tǒng)從資源池中分配資源資源獨立操作系統(tǒng)必須與硬件緊耦合虛擬化的優(yōu)勢?降低運營成本?降低能源消耗?

提升資源利用率?

提高應用兼容性?

加速應用部署?

動態(tài)調度資源NFV產生的背景虛擬化的關鍵特征11.1NFV概述每一個虛擬機都與同在一個服務器上的其他虛

擬機相隔離可以在其他服務器上不加修改的運行虛擬機在單一物理服務器上同時運行多個虛擬機………..………..………….分區(qū)隔離封裝硬件獨立虛擬機將整個系統(tǒng)，包括硬件配置、

操作系統(tǒng)以及應用等封裝在文件里NFV產生的背景虛擬化：抽象+池化=減少復雜度11.1NFV概述OSOSOS

vIMSvEPC

vEPC

VirtualizationvIMSVirtualInfrastructureOSTraditionalViewVirtualizationVirtualizationVirtualization

VirtualInfrastructure

Memory

PoolStorage

PoolInterconnect

PoolCPU

PoolNFV產生的背景虛擬化的關鍵能力11.1NFV概述服務器分隔復用動態(tài)熱遷移動態(tài)遷移實現負載優(yōu)化應用、軟件及OS預集成，打包發(fā)布Orchestrator讓未來部署業(yè)務會更加模板化便捷化Capex_____?利用率從7%提高到60%-80%?服務器數量減少，采購成本下降60%?單臺服務器重建和部署時間從20～30小時，減少為20～30分鐘?

運營成本降低70～80%支持APP

+OS的部署方式，實現同一臺物理機上應用的隔離和解耦資源池x86

ArchitectureOpex虛擬機x86

Architecture虛擬機對服務器的分割復用（資源的虛擬）可以劃分為三個部分：

CPU虛擬化、

內存虛擬化、

I/O虛擬化NFV產生的背景網絡虛擬化是一種支持在物理網絡環(huán)境中同時運行多個虛擬網絡的虛擬化技術。最常見的網絡虛擬化形式是虛擬局域網（VLAN）、虛擬專用網（VPN）和多協(xié)議標記交換（MPLS）。11.1NFV概述NFV產生的背景虛擬化技術驅動11.1NFV概述01云計算技術的快速發(fā)展為NFV提供了底層支撐，通過虛擬化技術實現了計算、存儲和網絡資源的池化與動態(tài)分配，使得網絡功能可以像云服務一樣靈活部署和擴展。通用服務器性能的顯著提升（如多核CPU、高速網絡接口）使得虛擬化網絡功能在性能上能夠媲美傳統(tǒng)專用硬件設備，為NFV的可行性奠定硬件基礎。KVM、OpenStack等開源虛擬化平臺的廣泛應用降低了技術門檻，加速了NFV技術的驗證與落地，推動行業(yè)從封閉走向開放。0203云計算技術成熟硬件性能提升開源生態(tài)繁榮NFV產生的背景新形勢下，NFV技術應運而生11.1NFV概述新的競爭環(huán)境新的用戶體驗新的技術變革新的用戶行為新形勢技術蓬勃發(fā)展

ALLIP

云計算為代表的IT新技術被推廣應用ATMSDHFRNo.7Ethernet……IP承載全業(yè)務TDMNFV產生的背景11.1NFV概述網絡功能虛擬化（NetworkFunctionsVirtualization，NFV）可以利用虛擬化技術使網絡功能運行在通用服務器平臺上，從而為廣大網絡服務提供商提供了更多更自由的選擇，可以實現網絡軟件與硬件的分離，這種解耦不但能夠大幅降低網絡部署和網絡運營成本、加快新型網絡功能的按需配置，而且還能提升網絡運營效率并增強網絡的靈活性和可擴展性。11.1NFV概述NFV：NetworkFunctionVirtualization網絡功能虛擬化傳統(tǒng)電信設備實現的功能軟件化NFV產生的背景2012年10月22-24日，全球13家網絡運營商（AT&T、英國電信、德國電信、Orange、Verizon、NTT、意大利電信、西班牙電信、中國移動、CenturyLink、Colt、KDDI、Telstra）在SDN和OpenFlow世界大會上發(fā)布了NFV的第一份白皮書。2013年1月ETSI下NFVISG(行業(yè)規(guī)范工作組)在進行相關標準制定，主要定義網絡功能虛擬化的需求和架構，到2014年底，基本實現該組織機構的健全與完善，同時實現對NFV的概念定義和系統(tǒng)架構的制定，并理清不同接口的標準化進程。NFV最大吸引力是運營商降低成本，提高管理、維護、網絡及業(yè)務部署效率、節(jié)能、以及未來的開放和創(chuàng)新潛力。11.1NFV概述NFV的概念NFV的概念是在2012年10月被提出的。NFV就是一種新的網元實現形態(tài)，實現傳統(tǒng)網絡網元軟件功能和硬件功能的解耦，使得硬件平臺通用化、軟件運行環(huán)境虛擬化，網絡功能部署動態(tài)化和自動化。所謂硬件解耦，就是指不再綁定專用的硬件設備，利用通用設備來承載各種網絡功能。NFV所倡導的網絡開放化、智能化和虛擬化的新理念，將驅動網絡技術路線的深刻調整，推動網絡建設、運維、業(yè)務創(chuàng)新和產業(yè)生態(tài)的根本性變革。11.1NFV概述NFV的概念就是將傳統(tǒng)的CT業(yè)務部署到云平臺上（云平臺是指將物理硬件虛擬化所形成的虛擬機平臺，能夠承載CT和IT應用），從而實現軟硬件解耦合。11.1NFV概述From:傳統(tǒng)煙囪式結構：軟件和硬件合一廠商A

廠商B

廠商C

廠商D廠商E解耦開放簡化To:軟件和硬件解耦NFV能給客戶帶來的好處11.1NFV概述更快響應市場需求更自由地

選擇更智能高

效地運維業(yè)務部署復雜硬件設備種類多種多樣創(chuàng)新困難，商業(yè)機會有限運維復雜From:今天的網絡To:未來NFV網絡一張網絡，統(tǒng)一管理向OTT提供網絡資源共享統(tǒng)一的硬件資源簡化業(yè)務部署推動創(chuàng)新，更多商用機會通過NFVO進行業(yè)務編排靈活快速部署通過mano自動化部署網元通用硬件，資源共享通過FusionSphere兼容硬件簡化運維自動擴縮容/esignt智能運維NFV的特征網絡功能與專用硬件解耦。打破傳統(tǒng)電信設備"專用硬件+封閉軟件"的綁定模式，采用標準x86服務器承載虛擬化網絡功能，使運營商CAPEX降低40%以上。硬件通用化。軟件模塊化。通過MANO（管理和編排）框架實現VNF的自動化部署、配置、監(jiān)控和修復，典型場景如故障時自動遷移VNF至健康節(jié)點?；谝陨线@些特征，傳統(tǒng)網絡向NFV轉變能夠獲得許多優(yōu)勢，主要包括：降低投資成本和運營成本、縮短服務周轉時間、增強服務供給與交付的靈活性。NFV的目標是降低投資成本和運營成本的同時提升服務的靈活性和資源的利用率。11.1NFV概述11.111.211.311.4NFV概述NFV的參考架構NFV的關鍵技術SDN與NFV協(xié)同工作11.5NFV的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)第11章網絡功能虛擬化NFV的參考架構由4個功能模塊組成，分別是NFV基礎設施（NFVI）、虛擬化網絡功能（VNF）模塊、NFV管理和編排（MANO）模塊、運營與業(yè)務支撐系統(tǒng)（OSS/BSS）。11.2NFV的參考架構NFV的參考架構11.2NFV的參考架構VNF(網絡功能虛擬化)(e.g.vIMS/vEPC)云操作系統(tǒng)(Hypervisor

+相關管理模塊)硬件(計算/存儲/網絡)NFVO（網絡業(yè)務

生命周期管理）VNFM（VNFs生命周期管理）VIM(虛擬資源管理)支持云化的網元應用MANO(NFVO+VNFM

+VIM)?VNFM

向上開放接口支持不同廠商NFVO?VNFM

向下無縫適配不同廠商的VIM?MANO是NFV的大腦，將網絡業(yè)務、應用、虛擬化

資源有機的串起來，實現應用部署和管理的自動化VNF-虛擬化網絡功能?

支持彈性伸縮?可以運行在不同廠商的NFVI上且性能可評估NFVI-云操作系統(tǒng)?優(yōu)選基于OpenStack的云操作系統(tǒng)?是保證高實時，高性能的關鍵NFVI-硬件?優(yōu)選使用具有虛擬化輔助功能的芯片的COTS?需要根據業(yè)務選擇高IOPS的磁陣?低RAID等級的磁陣建議冗余組網網絡功能虛擬化管理和編排，包含：網絡業(yè)務的生命周期管理與編排，網元的生命周期管理，以及虛擬資源的管理NFV的主要功能模塊NFVI（NFV基礎設施）NFVI位于NFV架構的最底層，是NFV的基礎，其為VNF提供隔離且可共享的虛擬化資源。NFVI可以分為3個獨立的子層物理硬件資源層虛擬化層虛擬資源層而從水平方向來看，NFVI可以分為計算資源、儲存資源、網絡資源3種。11.2NFV的參考架構NFV的主要功能模塊VNF模塊作為NFV的核心組件，VNF模塊對應電信網中的各種功能網元，它是傳統(tǒng)網絡功能（如防火墻、負載均衡器）的軟件化實現，運行在虛擬化基礎設施上。每個VNF可由一個或多個虛擬機（VM）或容器組成，支持彈性擴縮容和故障恢復，實現業(yè)務靈活部署。虛擬化網絡功能域的基本結構11.2NFV的參考架構NFV的主要功能模塊NFV管理和編排模塊（MANO）NFV管理和編排模塊主要完成虛擬資源的編排與生命周期的管理，同時還與外部的現有的運營與業(yè)務支撐系統(tǒng)相互作用，可以整合到整個網絡環(huán)境中去。NFV架構授權MANO去管理所有NFVI的資源，并可以對分配給其管理的VNF進行資源的創(chuàng)建、刪除和管理。為了實現更加細粒度的管理，ETSI將NFVMANO系統(tǒng)進一步劃分為3部分，分別為NFV編排器（NFVO）、VNF管理器（VNFM）和虛擬化基礎設施管理器（VIM），如圖所示。11.2NFV的參考架構NFV的主要功能模塊NFV管理和編排模塊（MANO）11.2NFV的參考架構01NFVO（NFV編排器）負責端到端網絡服務的編排，例如VoLTE或5G切片服務。其功能包括跨廠商VNF的拓撲編排、資源預留策略制定，以及基于SLA（服務等級協(xié)議）的全局資源優(yōu)化。VNFM（VNF管理器）專注于單個VNF實例的生命周期管理，包括實例化（創(chuàng)建VM）、彈性擴縮容（根據流量動態(tài)調整資源）、終止（釋放資源）等操作，同時監(jiān)控VNF的健康狀態(tài)并觸發(fā)自愈流程。VIM（虛擬基礎設施管理器）作為云平臺的核心組件，直接管理NFVI的物理和虛擬資源。例如OpenStack的Nova組件負責虛擬機調度，Cinder提供虛擬存儲，Neutron實現虛擬網絡配置。0203NFV的主要接口和參考點（1）VirtualizationLayer-HardwareResources（Vi-Ha）提供虛擬化層與硬件層的通道，實現軟硬件的解耦?？梢愿鶕NF不同的需求分配資源；同時也會收集底層的硬件信息上報到虛擬化平臺，告訴網絡運營商硬件平臺狀況。（2）VNF-NFVInfrastructure（Vn-Nf）描述了NFVI為VNF提供的虛擬硬件資源，此接口本身不包含任何協(xié)議，只是在邏輯上把NFVI與網絡功能區(qū)分開，讓NFVI的配置更加靈活多樣。（3）NFVOrchestrator-VNFManager（Or-Vnfm）Or-Vnfm為NFVO與VNFM的接口，建議采用REST、SNMP、FTP協(xié)議，承載了NFVO與VNFM之間的信息流。11.2NFV的參考架構NFV的主要接口和參考點（4）Vi-VnfmVi-Vnfm為VNFM與VIM的接口，建議采用REST、SNMP、FTP協(xié)議。（5）Or-ViOr-Vi為NFVO與VIM的接口，建議采用REST、SNMP、FTP協(xié)議。（6）NFVI-VirtualizedInfrastructureManager（Nf-Vi）Nf-Vi為VIM與NFVI的接口，負責將虛擬資源請求（如創(chuàng)建VM）映射到底層物理資源，實現硬件資源的一致性管理。該接口需支持硬件異構性，例如通過Libvirt抽象不同Hypervisor（KVM、Hyper-V）的操作差異。11.2NFV的參考架構NFV的主要接口和參考點（7）OSS/BSS-NFVManagementandOrchestration（Os-Ma）完成OSS/BSS和NFVO之間的信息交互，實現如下接口功能：網元生命周期信息與管理編排的交互；轉發(fā)NFV有關的狀態(tài)配置信息；管理配置策略交互；NFVI用量數據信息交互。（8）VNF/EM-VNFManager（Ve-Vnfm）讓管理平面與虛擬網絡功能有信息交流，主要完成網元配置信息與生命周期狀態(tài)交互。（9）Se-Ma主要完成VNF部署模板的下發(fā)工作，這個模板是由管理和編排層根據網絡運營者的意愿生成的。11.2NFV的參考架構NFV部署方案NFV通過軟硬件解耦，使得網絡設備開放化，軟硬件可以獨立演進，避免廠家鎖定?；贜FV分層解耦的特性，根據軟硬件解耦的開放性不同，可將集成部署策略分為單廠家、共享資源池、硬件獨立和三層全解耦4種方案，如圖所示。11.2NFV的參考架構NFV部署方案11.2NFV的參考架構11.111.211.311.4NFV概述NFV的參考架構NFV的關鍵技術SDN與NFV協(xié)同工作11.5NFV的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)第11章網絡功能虛擬化標準服務器對NFV而言，行業(yè)標準服務器的使用是一個關鍵因素。NFV借助了IT行業(yè)的規(guī)模經濟效應。IT行業(yè)的標準服務器設備由標準IT組件（如X86架構）構成。標準服務器的共性是，在服務器內的組件可替換，并且有一個充分競爭的供應商市場。IntelDPDK（IntelDataPlaneDevelopmentKit，Intel數據平面開發(fā)套件）是一個專為Intel架構處理器提供的多核CPU數據平面開發(fā)套件。它主要用于快速地進行分組處理，可以顯著提升數據分組的處理性能，并且支持Intel最新網卡的硬件虛擬化操作。IntelDPDK源碼開放，因此，網絡廠商可以利用DPDK技術來提高網絡設備的轉發(fā)性能。11.3NFV的關鍵技術虛擬化技術NFV利用虛擬化技術實現軟硬件的解耦，也就是在標準物理服務器平臺上，用軟件實現網絡功能。虛擬化技術實現了物理資源的邏輯抽象和統(tǒng)一表示。11.3NFV的關鍵技術網絡功能解耦利用SR-IOV（單根I/O虛擬化）和DPDK（數據平面開發(fā)套件）技術，將網卡硬件資源虛擬化為多個虛擬功能單元，實現接近物理硬件的網絡性能（時延<10μs）。計算虛擬化通過Hypervisor或容器引擎（如Docker）將物理服務器的計算資源抽象為虛擬資源池，支持多租戶隔離和彈性擴縮容，典型技術包括KVM、VMwareESXi和Xen。存儲虛擬化采用Ceph、vSAN等分布式存儲方案，將異構存儲設備抽象為統(tǒng)一資源池，提供高可用（99.999%）和低延遲（ms級）的虛擬存儲卷，滿足VNF的持久化需求。開源軟件OPNFV是基于已存在的開源項目搭建的一個集成的、開放的平臺，它允許網絡設備提供商、運營商、平臺提供商以及硬件提供商在這個平臺上進行合作、創(chuàng)新。OPNFV垂直整合各上游工程組件，包括OpenDaylight、DPDK、OpenStack、KVM、OpenvSwitch等。通過開源軟件產業(yè)間的協(xié)作，開源項目為NFV提供一個研發(fā)與應用的公共基礎，降低探索、測試和部署新技術的風險。11.3NFV的關鍵技術VNF編排如圖所示，NFV核心思想就是把網絡功能從這些特定生產商生產的專門硬件中剝離開來，把它們用軟件的形式在通用的商用服務器上實現，通過該方式實現的網絡功能，被稱為虛擬網絡功能（VNF）。11.3NFV的關鍵技術VNF編排11.3NFV的關鍵技術聲明式編排引擎基于ETSINFVMANO架構，通過OpenBaton或OSM平臺實現VNF全生命周期管理，包括自動化部署（從鏡像拉取到服務上線<5分鐘）、彈性伸縮（基于Prometheus指標觸發(fā)）和灰度升級。策略驅動運維采用Ansible/Terraform編寫基礎設施即代碼（IaC）模板，結合閉環(huán)控制算法實現自愈（如故障VNF自動重建）和節(jié)能（基于負載的動態(tài)功耗調節(jié)）?？缬騾f(xié)同機制通過BGPEVPN或SegmentRouting技術，實現數據中心與邊緣節(jié)點間的VNF服務鏈動態(tài)編排，支持端到端業(yè)務鏈（如防火墻→負載均衡→DPI）的分鐘級開通。VNF部署把資源分為節(jié)點資源和鏈路資源，這是因為物理網絡和VNF-FG拓撲都是由節(jié)點和鏈路構成。節(jié)點資源指的是服務器和VNF的屬性，如CPU、內存、存儲等資源。鏈路資源是指物理鏈路和虛擬鏈路的屬性，如時延、帶寬、丟包等資源。11.3NFV的關鍵技術11.111.211.311.4NFV概述NFV的參考架構NFV的關鍵技術SDN與NFV協(xié)同工作11.5NFV的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)第11章網絡功能虛擬化SDN技術主要分離網絡中交換設備的數據平面和控制子面，數據平面變得靈活可編程，控制平面的功能為控制可編程的數據平面。SDN負責網絡中的OSI七層網絡模型中的第1層~第3層。NFV技術主要將網絡功能設備的功能從專用硬件中解耦出來，并利用軟件在通用平臺上實現這些功能。NFV負責的是網絡中OSI七層網絡模型中的第4層~第7層。11.4SDN與NFV協(xié)同工作SDN與NFV協(xié)同工作11.4SDN與NFV協(xié)同工作SDN、NFV以及應用程序之間協(xié)同工作11.4SDN與NFV協(xié)同工作11.111.211.311.4NFV概述NFV的參考架構NFV的關鍵技術SDN與NFV協(xié)同工作11.5NFV的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)第11章網絡功能虛擬化NFV的優(yōu)勢靈活的硬件選擇，降低管理和維護復雜度。11.5NFV的優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)通過采用通用服務器（COTS）替代專用硬件設備，CAPEX可降低40%-60%。例如英國電信部署NFV后，骨干網設備采購成本下降52%。硬