网络功能虚拟化及其应用场景分析

　　1 虚拟机技术

　　要讨论网络功能虚拟化（Network Function Virtualization,NFV），首先要讨论虚拟机（Virtual Machine,VM）技术，因为虚拟机技术是“网络功能虚拟化”的物质基础，没有虚拟机技术的成熟，网络功能虚拟化无从谈起。

　　虚拟机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。虚拟系统通过生成现有操作系统的全新虚拟镜像，具有与真实Windows系统完全一样的功能。进入虚拟系统后，所有操作都是在这个全新的、独立的虚拟系统中进行，可以独立安装运行软件、保存数据、拥有自己的独立桌面，不会对真正的系统产生任何影响 ,而且具有能够在现有系统与虚拟镜像之间灵活切换的一类操作系统。虚拟系统和传统的虚拟机（Parallels Desktop、VMware、VirtualBox、Virtual PC）的不同在于：虚拟系统不会降低电脑的性能，启动虚拟系统不需要像启动Windows系统那样耗费时间，运行程序更加方便快捷；虚拟系统只能模拟和现有操作系统相同的环境，而虚拟机则可以模拟出其他种类的操作系统，而且虚拟机需要模拟底层的硬件指令，所以在应用程序运行速度上比虚拟系统慢得多。流行的虚拟机软件有VMware（VMware ACE）、VirtualBox和Virtual PC,它们都能在Windows系统上虚拟出多个计算机系统。

　　虚拟机技术只是网络功能虚拟化的基础，仅有虚拟机技术不足以用于网络功能虚拟化的场景，主要原因是单一服务器提供的虚拟机技术所能提供的IT资源（计算资源、存储资源和I/O资源），不能满足网络功能虚拟化中网元对IT资源的要求。能满足网络功能虚拟化中网元对IT资源要求的，只能是“云”化的数据中心。所谓“云化”的数据中心，指的是将数据中心中服务器的IT资源“池”化，“池”化后的数据中心中IT资源成为一个IT资源的整体，它可以动态、按需根据网络功能虚拟化中网元对IT资源的要求进行该网元功能的虚拟机资源的配置。这时虚拟机可能在一个服务器内，也可能由多个服务器组成。

　　2 网络功能虚拟化

    网络功能虚拟化（NFV）通过软硬件解耦及功能抽象，使网络设备功能不再依赖于专用硬件，硬件资源可以充分灵活共享，实现新业务的快速开发和部署，并基于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离和自愈等。网络功能虚拟化后，可以采用标准的x86服务器、存储和交换设备，取代通信网私有专用的网元设备。其好处是硬件为基于x86标准的IT设备，更加规范化和标准化；开放的API,帮助运营商获得更多、更灵活的网络能力。NFV的部署将使运营商组网灵活和简单，硬件设备统一和高效。网络功能虚拟化的图形化说明如图1所示。

　　网络虚拟化一般含有以下三个层面的内容

　　网元虚拟化。网元通常是指网络中的设备，例如数据网中的路由器、交换机就是数据网中的网元，移动网、光通信网、接入网等都有网元。到目前为止，网元都是以实体形态存在的，如数据网中的路由器是实体网元，数据网中的交换机也是实体网元。所谓实体网元是实际存在的网络设备。

　　在网管上看到一个网元，实际就有一个网络设备，即网元实体化。其优点是以实体的形式存在，缺点是不通用、种类繁杂。网元虚拟化就是要将实体的网元转变为虚拟的网元，也就是说，网元的能力完整保留，但承载网元软件的载体由实体，变成由具有相同能力IT资源（计算资源、存储资源和I/O资源）的虚拟机来承载。网元虚拟化的结果是网元的能力完全保留，实体不见了。

　　网元间的连接虚拟化。目前网元之间的连接是由各类专线实现，同样是实体形式的。也就是说，目前网元间的连接是实体化的。采用了NFV以后，网元间的实体连接不存在了，可以由NFV中的编排器（Orchestrator）掌控的存在于NFVI（NFV Infrastructure,NFV的基础设施）中的通信资源调配和编排得到。这时网元间的连接也被虚拟了。网元虚拟化和网络间连接虚拟化合起来构成局部网络的虚拟化。这里之所以要加局部两个字，是因为只有在局部可以实现网络虚拟化，在全局是做不到的。

　　网络功能虚拟化是一种组网技术，通过NFV的组网，网络由实体走向虚拟。采用NFV可以实现网元虚拟化和网元间连接虚拟化。

　　虚拟网。虚拟网是网络内生的虚拟化能力，它将一个物理网虚拟成为几个、几十个乃至几万个网络拓扑，是物理网的子集或全集，虚拟网与虚拟网之间信息隔离，资源独立，拥有实体网的全部能力。虚拟网能力是网络技术中最大的难点，但它又是承载多业务的必备条件，因为承载多业务要求有服务质量的保证和较高的网络使用效率，因此必须使用虚拟网。虚拟网有两种形态：线状虚拟网，即虚拟网是由端到端的线（虚电路）组成，N个用户的虚拟网需要N×（N-1）/2个虚电路组成；网状虚拟网，即虚拟网由网组成，N个用户的虚拟网需要N-1条连接线。当N较大时，这两种虚拟网的管理复杂度就不在一个量级上。

　　网络功能虚拟化是外部的组网技术，可以用于实现网元功能的虚拟化，也可以用于实现网元间连接的虚拟化，但不能用于实现网络中的虚拟网，网络中的虚拟网需要内生技术来实现。

　　按照NFV网络功能虚拟化设计，纵向分为三层，如图2所示。

　　●基础设施层。NFVI是一个资源池，包括IT资源和CT资源（通信网的传输资源和交换路由资源等）。 NFVI是虚拟化的计算、存储、I/O资源池和用于NFV的通信网的传输资源和交换路由资源等。

　　●虚拟网络层。虚拟网络层对应目前各个电信业务网络，每个物理网元映射为一个虚拟网元，虚拟网元所需资源需要分解为虚拟的计算、存储、交换资源，由NFVI承载。

　　虚拟网元之间的接口依然采用传统网络定义的信令接口，业务网管也依旧。NFV是新的组网技术，不改变原网络特征。

　　●运营支撑层。运营支撑层就是目前的OSS/BSS,仅需作适应虚拟化的修改和调整。

　　横向分为两个域。

　　●业务网络域。就是目前的各电信业务网络。

　　●管理编排域。NFV同传统网络最大区别就是增加了一个管理编排域（MANO），MANO负责整个NFVI资源的管理和编排，负责业务网络和NFVI资源的映射和关联，负责OSS业务资源流程的实施等。MANO内部包括VIM、VNFM和Orchestrator三个实体，分别完成对NFVI、VNF和NS（Network Service,业务网络提供的网络服务）三个层次的管理。

　　按照NFV的技术原理，一个业务网络可以分解为一组VNF和VNFL（VNF Link），表示为VNF-FG（VNFForwarding Graph）。然后每个VNF可以分解为一组VNFC（VNF Component）和内部连接图，每个VNFC映射为一个VM;每个VNFL对应一个IP连接，需要分配一定的链路资源（流量、QoS、路由等参数）；通过这样的编排流程，一个业务网络可以通过MANO来自顶向下分解，直到可分配到资源，然后对应VM等资源由NFVI分配，对应VNFL资源需要同承载网网管系统交互，由承载网分配。