网络虚拟化及网络功能虚拟化技术探讨

赵慧玲　解云鹏　史凡

摘要：对网络虚拟化及网络功能虚拟化的需求及热点技术进行分析，并提出在运营商网络中的典型应用场景：数据中心网络、移动核心网络、家庭网络。数据中心网络虚拟化可灵活实现不同租户的安全、流量、性能策略，实现网络自动配置；演进分组核心网网元虚拟化通过网络功能虚拟化实现不同种类网络硬件架构的统一，解决容量增加带来的成本问题，解决业务灵活部署和增强的问题；家庭网络虚拟化可简化用户侧设备，通过减少用户终端设备的维护和升级进而降低运营成本，并提高业务部署的灵活性。

关键词： 网络虚拟化；网络功能虚拟化；叠加网络；虚拟可扩展局域网；业务链

1 网络虚拟化及网络功能

虚拟化

1.1 技术简介

网络虚拟化（NV）的概念很早就已经提出，但具体定义在业界还存在较多争议。目前通常认为网络虚拟化是对物理网络及其组件（比如交换机、端口以及路由器）进行抽象，并从中分离网络业务流量的一种方式。采用网络虚拟化可以将多个物理网络抽象为一个虚拟网络，或者将一个物理网络分割为多个逻辑网络。网络虚拟化打破了网络物理设备层和逻辑业务层之间的绑定关系，每个物理设备被虚拟化的网元所取代，管理员能够对虚拟网元进行配置以满足其独特的需求。

网络功能虚拟化（NFV）[1-2]是由欧洲电信标准组织（ETSI）从网络运营商的角度出发提出的一种软件和硬件分离的架构，主要是希望通过标准化的IT虚拟化技术，采用业界标准的大容量服务器、存储和交换机承载各种各样的网络软件功能，实现软件的灵活加载，从而可以在数据中心、网络节点和用户端等不同位置灵活的部署配置。

1.2 对运营商的驱动力

（1）市场竞争驱动

OTT（Over the Top）的出现，使得网络运营商需要面对互联网服务商和应用提供商的激烈竞争，运营商的领地已经变成一片红海，运营商提供增值服务变得异常困难[3]。网络虚拟化及网络功能虚拟化技术能够支持网络设备中的软件按需进行安装、修改和卸载，实现业务的灵活扩展，运营商在此基础上可以快速提供各种差异化的应用和服务，以应对OTT的挑战。

（2）业务运营驱动

在运营商网络中，网络资源配置复杂，效率较低。网络虚拟化及网络功能虚拟化可以实现网络业务的自动化灵活配置，如虚拟局域网（VLAN）创建、数据中心多租户配置、网络负载均衡和防火墙策略配置等，有助于运营商提升配置和维护效率，缩短新业务部署的时间，并降低开展新业务的风险。

（3）建维成本驱动

通过网络虚拟化及网络功能虚拟化，运营商可以很容易在网络设备基础之上构建多种虚拟网络环境，为不同用户提供服务，从而最大程度地提高网络资源利用率；另一方面，网络虚拟化及网络功能虚拟化对网络设备实现了通用化和统一化，运营商能够进一步减少网络设备的投资维护成本以及设备能耗。

2 网络虚拟化及网络功能

虚拟化热点技术分析

传统的网络虚拟化技术以VLAN与虚拟专用网（VPN）为代表，通过协议封装在物理网络上提供互相隔离的虚拟专用网络。随着软件虚拟化、软件定义网络（SDN）等技术的发展，利用分布式的软件技术实现网络功能集的合理抽象、分割以及灵活调度逐步成为网络虚拟化及网络功能虚拟化的主流实现模式。现阶段，叠加（Overlay）组网技术、虚拟化流量调度技术、虚拟集群及组网技术等是网络虚拟化及网络功能虚拟化技术的主要研究热点。

2.1 叠加组网技术

在网络技术领域，Overlay指的是一种在网络架构上进行叠加的虚拟化技术模式，其大体框架是对基础网络不进行大规模修改的前提下，实现应用在网络上的承载，并能与其他网络业务分离，目前主要应用于数据中心内部网络的大规模互联，主流技术包括：

（1）虚拟可扩展局域网

虚拟可扩展局域网（VXLAN）是网络虚拟化的重要技术，目前是因特网工程任务组（IETF）标准草案的一个子集。VXLAN通过在三层网络上借助MAC-in-UDP封装叠加一个二层网络来实现网络虚拟。每一个VXLAN划分是利用24比特的VXLAN网络标识符（VNI）来标识的。VXLAN封装允许二层与任何端点进行通信，只要该端点在同一个VXLAN网段内即可，即便这些端点是在不同的IP子网内也没有关系，从而解决了交换机出现媒体访问控制（MAC）地址表容量受限问题。

（2）通用路由封装的网络虚拟化

通用路由封装的网络虚拟化（NVGRE）用RFC 2784[4]和RFC 2890[5]所定义的通用路由封装（GRE）隧道协议来创建独立的虚拟二层网络。NVGRE中地址的学习是通过控制平面实现的，但是目前NVGRE还没有地址学习的具体实施方案。相对VXLAN，NVGRE在负载均衡方面有天生的缺陷，无法基于GRE键值实现负载均衡。此外，由于建立的是端到端的隧道，因此隧道的数量随终端数量增加以平方速率上升，导致维持隧道的开销极大。

（3）无状态传输隧道

无状态传输隧道（STT）也是在二层/三层物理网络上创建二层虚拟网络的一种Overlay技术。在技术上，STT和VXLAN之间有很多相似之处，如，隧道端点都是由超级管理程序（Hypervisor）vSwitch提供的，虚拟网标识（VNID）的长度都是24位，可通过控制传输源报头发挥多路径优势。不同的是STT把数据帧先进行分割再封装，可以充分利用网卡的硬件加速功能来提升效率。另外，由于STT技术将原STT包伪装成了传输控制协议/网间协议（TCP/IP）包，而在传输控制协议（TCP）包头中又没有维护TCP状态信息，如果发生丢包不会进行重传，因此STT建立的是不可靠的隧道。

2.2 虚拟化资源调度技术

虚拟化资源调度技术借助SDN、NFV等理念实现对网络流量、业务功能等资源的虚拟化和智能调度。主要包括虚拟化流量调度和业务链。endprint

（1）虚拟化流量调度

虚拟化流量调度技术通过虚拟化技术突破目前IP网络分布式路由选路的局限，利用集中式路由计算与流量调度，实现全网流量动态均衡与网络结构优化。虚拟化流量调度技术主要应用于IP骨干网，重点包括如何合理定义IP路由功能集的抽象、集中式路由决策系统实现方式、集中式系统的可靠性以及该种模式下的保护路径计算实时性算法等。目前虚拟化流量调度技术在朝着与SDN等新技术结合的方向发展，如通过新增路径计算单元/控制器（PCE/Controller）系统来实现集中式路由决策系统。

（2）业务链

网络中的虚拟防火墙、负载均衡器、网关等业务处理功能被称为业务功能点，而流量经过一系列的业务功能点的处理，就形成了业务链[6]。与虚拟化流量调度不同，业务链更侧重于解决虚拟网络中如何通过控制服务器对网络流量转发进行编程控制，将流量灵活的调配到某个或某些个业务功能点进行处理，为用户无缝交付网络服务。在SDN及NFV的推动下，业务链备受关注，其发展前景被普遍看好。

2.3 虚拟集群技术

虚拟集群指通过虚拟化技术将网元或其内部组件进行逻辑组合，以满足各类运营管理需求。现阶段，同构虚拟集群和异构虚拟集群技术是虚拟集群的研究重点。

（1）同构虚拟集群

同构虚拟集群通过控制平面扩展，将多台相同类型的物理设备虚拟成单台逻辑设备，通过资源控制器实现多台物理设备的资源共享与灵活调度。采用池化技术的设备拥有单一的控制与管理平面，对外采用唯一标识。相对于原物理设备，在设备容量与可靠性方面有显著提升。该技术主要应用在骨干网，解决核心节点单机转发和吞吐能力不足的问题，同时在IP网络中的多业务边缘路由器（MSE）池化、核心网中的移动性管理实体（MME）池化等方面也有应用的需求。

（2）异构虚拟集群

异构虚拟集群主要通过分布式技术实现不同类型设备的整合，可进一步减少管理/配置网元类型和数量，从而提升业务和网络的部署效率与灵活性。目前研究重点是接入控制设备+交换机/光线路终端（OLT）、接入控制设备+家庭网关以及路由器+光传送网（OTN）的虚拟集群等。

3 网络虚拟化及网络功能

虚拟化的典型应用场景

在市场竞争、业务运营以及建维成本等多方面驱动下，运营商在网络虚拟化及网络功能虚拟化方面也在积极研究和探索，并在一些已有明确业务需求的场景（如数据中心网络、移动核心网络、家庭网络等）中尝试引入。

3.1 数据中心网络

数据中心网络虚拟化可通过Overlay方式全面屏蔽底层物理网络设施，以软件方式实现底层物理网络的共享和租户隔离，实现针对每个租户的单独网络定义（组网、流量控制、安全管理等），云数据中心资源管理平台通过应用编程接口（API）接入SDN控制器，通过可编程方式实现多租户网络的灵活部署（包括跨数据中心部署）[7-8]。其应用场景如图1所示[9]。

数据中心网络虚拟化方案无需依赖底层网络，可以灵活实现不同租户的安全、流量、性能等策略，实现多租户模式，基于可编程能力实现网络自动配置[10]。但是引入Overlay后可能使得网络架构复杂化，并且物理网络无法感知逻辑网络，而通过软件控制逻辑网络也会对网络性能产生一定影响。

3.2 演进分组核心网网元

演进分组核心网（EPC）网元虚拟化采用“Applications+Controller+Switch”3层架构，将网元的流量流向、需要进行哪些流量处理功能等控制功能提取出来由“Applications+Controller”两层来实现，“Switch”层实现基于流的转发功能（甚至可能集成深度包检测等流量分析及处理功能），并逐步实现控制面网元的集中化，通过系统架构演进（SAE）网关的信令面与MME、策略与计费规则功能（PCRF）等设备的融合形成移动核心网虚拟控制云[11]。应用场景如图2所示[12]。

EPC单网元虚拟化通过网络功能虚拟化实现网络硬件架构的统一，解决容量增加带来的成本问题，通过业务控制和转发的分离以及硬件和软件的分离解决业务灵活部署和增强的问题，从而降低运营商的建设成本（CAPEX）和维护成本（OPEX）。

3.3 家庭网络虚拟化

家庭网络虚拟化是将家庭网络中的家庭网关（HG）、机顶盒（STB）设备中控制面功能及业务处理功能（如防火墙、地址管理、设备管理、故障诊断等）分离出来，虚拟化后迁移到控制器侧或云端，HG及STB设备上仅保留物理接入接口（广域网口、局域网口、USB接口等）以及数据面二层转发[11，13]。应用场景如图3所示。

家庭网络虚拟化一方面可以简化用户侧设备，运营商不需要对STB和HG进行持续的维护和升级，通过采用远程方式即可为用户提供网络故障诊断服务，便于故障诊断和修复，提升业务可管理性并降低能耗；另一方面可以提高业务部署的灵活性，运营商可更快速简单部署新硬件/软件，从而可以并为未来新业务的快速部署开放提供能力，缩短了新业务市场响应时间[14]。

4 结束语

网络虚拟化及网络功能虚拟化携其在IT行业的巨大成功，已经逐步进入运营商的视野，在多个场景中由其使用的特点和优势，将逐步正在成为电信行业未来发展的一个重要趋势。但同时也需要指出相关的技术实现，还有尚待进一步深入研究，值得关注和重视。

参考文献

[1] 陈世兴. 虚拟化该成为网络面向应用的第一步 [EB/OL]. （2014-02-20）. http：//network.51cto.com/art/201304/387608.htm.

[2] Network Functions Virtualisation [R]. Introductory White Paper. SDN and OpenFlow World Congress. October 22-24， 2012.endprint

[3] 王彦彬. 运营商交战OTT：颠覆还是被颠覆 [N]. 通信产业报， 2013-03-05.

[4] IETF RFC 2784. Generic Routing Encapsulation （GRE） [S]. IETF， 2000.

[5] IETF RFC 2890. Key and Sequence Number Extensions to GRE [S]. IETF， 2000.

[6] ETSI GS NFV 001 V1.1.1. Network Functions Virtualisation （NFV） Use Cases [S]. ETSI，2013.

[7] 罗萱， 黄保青， 韦建文. 面向数据中心的软件定义网络 [EB/OL]. （2014-02-20）. http：//www.edu.cn/sdn_12536/20130724/t20130724_992629.shtml.

[8] 王茜， 赵慧玲， 解云鹏. SDN标准化和应用场景探讨 [J]. 中兴通讯技术， 2013，19（05）：06-09.

[9] NICK M. OpenFlow： Enabling Innovation in Campus Networks [J]. ACM SIGCOMM Computer Communication， 2008，38（2）：69-74. doi：10.1145/1355734.1355746.

[10] 雷葆华， 王峰， 王茜. SDN核心技术剖析和实战指南 [M]. 电子工业出版社，2013.

[11] 王茜， 解云鹏， 陈运清. 未来数据网络（FDN）的应用场景和需求 [S]. CCSA， 2013.

[12] ETSI NFV架构解读 [EB/OL]. （2014-02-20）. http：//www.sdnap.com/sdnap-post/2856.html.

[13] BBF Draft， SD-313. High Level Requirements and Framework for SDN in Telecommunication Broadband Networks [S]. BBF， 2012.

[14] BBF Draft， PD-295. Network Located Residential Gateway [S]. BBF， 2012.endprint