VNF技术的迁移方法研究

赵彦

摘   要：随着4G业务的快速发展和数据流量的不断增长，移动网络面临着前所未有的压力和挑战。运营商被迫投入大量资金和运营建设成本，并需要运行各类新的或者是改进过的无线网络。为了减少昂贵的建设成本，实现灵活弹性网络，运营商迫不及待地将5G推上舞台。所谓的“5G”指的是第5代移动通信技术，与4G相比，除了5G时代的“峰值”速度外，另一核心亮点是它将彻底打破僵硬的硬件设备组网束缚，提供更灵活、弹性的网络，让网络快速、充分地适应用户需求，给用户带来更好的体验。文章首先阐述了VNF技术研究现状，其次介绍了VNF技术在5G核心网中的相关技术概念，最后重点介绍VNF技术的迁移方法。

关键词：5G;虚拟化网络功能技术;迁移方法

1    VNF技术的研究现状

目前，5G技术标准相继冻结，将为eMBB，mMTC和uRLLC三大范畴的多种场景供应有力的链接服务，增强对5G时代的支持，以满足业务多样性和相应的性能需求。5G核心网络还面临5大核心挑战：支持多种业务模式、提供灵活的按需服务、更复杂的网络管理、网络安全和隐私保护，以及更加开放的服务生态系统。因此，研究虚拟化网络功能（Virtual Network Feature，VNF）技术在5G核心网中的应用及采用VNF技术的5G核心网如何既能同时支持2G/3G/4G的接入，还可以满足多种业务场景的需求就显得尤为迫切。

目前，核心网络正处于5G时代的虚拟化和云计算时代，核心网络虚拟化可以降低运营和维护资本，提高运营和维护效率，但也给移动运营商的维护带来了巨大的挑战。此外，5G网络还需要提高网络的使用和运行效率，打破僵硬的硬件和网络限制，并提供更灵活、弹性的网络[1]。

由此可见，5G是满足2020年未来需求的移动通信系统。5G移动通信系统必须是灵活的，具有网络自我意识和自我对准等智能功能，以应对未来移动信息社会难以预测的快速变化。

2    VNF技术相关概念

VNF是一种网络架构概念，虚拟化技术用于将分层网络节点功能划分为不同的功能块并以软件方式实现，不再局限于硬件架构。运营商的网络功能虚拟化（Network Function Virtualization，NFV）目标是通过改变传统的网络架构，利用通用标准的IT服务器、基于虚拟化的技术实现传统网络设备的功能。网络节点可根据用户需求随时准备和优化标准IT通用硬件资源，并使用软件管理平台实现随需应变的云网络[2]。

当然，VNF技术也需要诸多相关虚拟资源支持。NFV的目标是分离，让软件和硬件独立开发，并将电信设备从专用平台转移到通用服务器。因此，这种框架下，网络必须是“弹性的”，不受物理网络限制。

如图1所示，NFV网络可以分为NFVI层、VNF应用层和管理编排节点（NFV Management And Orchestration，MANO）。VNF可以视为软件，作用是实现网络功能，它通过虚拟化层提供的应用程序接口（Application Programming Interface，API）获取虚拟计算机资源、虚拟存储资源、虚拟网络资源。

虚拟层负责实现硬件资源的抽象，形成虚拟资源，通过API为VNF提供虚拟计算机资源、虚拟存储资源、虚拟网络资源等，从而协助VNF实现网络功能。管理编排域最显著的特点是其灵活性，内部包括虚拟化基础设施管理器（Virtual Infrastructure Management，VIM）、虚拟化网络功能管理器（Virtual Network Function Management，VNFM）和网络功能虚拟化编排器（Network Function Virtualization Orchestrator，NFVO）3个实体，分别完成对NFVI，VNF和网络服务的管理，用于集成部署统一的参考点和接口，从而实现网络部署的“灵活弹性”。

（1）弹性：绕过网络业务中断，恢复与网络在正常状态下的网络框架/结构相关的能力。若发生网络故障、服务中断或正常运营中断，则与网络功能的框架/结构相关的容量是最低、最可接受的。

（2）伸缩：根据需要动态地分配或恢复与虚拟化网络面板关联的资源。伸缩包括横向/垂直扩展以及延伸到外部或内部。延伸到外部或内部是指通过添加/删除资源实例如虚拟机（Virtual Machine ，VM）进行伸缩的能力。横向/垂直扩展是指通过改变分配的资源来进行伸缩的能力，例如增加/减少内存或CPU容量。

3    VNF技术的迁移方法

5G技术具有吸睛的性能指标，给传统网络也带来了巨大的挑战和考验，例如：冗余膨胀的协议、困难的服务部署和不灵活的资源调度等，迫切需要引入新技术改变这种状况。与此同时，软件定义网络（Software Defined Network，SDN）和NFV的相继出现也带来了一些新问题，例如：流量分布不均、负载不平衡等。为更好解决上述问题，VNF技术应运而生。VNF迁移，即在具有NFV特性的网络中，VNF将从传统物理机器中删除，并重新部署在更好的节点上，可解决NFV和SDN部署中的負载不平衡问题。

因此，VNF技术迁移[3]的方法研究较多，但迁移过程需要考虑的问题也很多，事实上，很难有十全十美的迁移方法，以下举例说明。

用于解决VNF的实例迁移过程中产生的抖动和数据包丢失问题的方法，该方法包含两个方面，一方面是为VNF提供一种数据包状态通报的接口，另一方面提出了一种基于状态的VNF无缝迁移框架。

迁移过程大致如下：

（1）控制器启动目标环境，初始条件下没有状态信息和VNF实例。

（2）在源实例和目的实例之间建立两个传输流，即状态传输流和快照传输流。

（3）当快照传输流进行迁移时，相应的状态也通过状态传输流上报。

（4）目的实例序列接收状态信息，直到快照被完全接收、安装并启动。

（5）当状态流上报过载信息后，控制器将数据重定向至目的实例，完成迁移。

该迁移方法类似于预备份，在未过载时进行备份，过载后进行数据重定向，实现快速迁移，但存在占用大量资源的问题。

对基于SDN控制器实现VNF迁移的方法作定性分析，分为5大模块：统计收集、拓扑生成、虚拟机请求、决策单元以及配置模块，迁移步骤大致如下：

（1）定期统计收集模块和统计交换机数据，存储在数据库中，为其他模块提供交换信息。

（2）拓扑生成根据数据库中的信息，生成整个网络拓扑，包含所有的交换机和主机。

（3）虚拟机器申请单元监测网络虚拟机器的移徙申请，移位申请应包括来源和目的地，以及移徙所需的宽带，虚拟机器申请单元提交决策单元的移徙申请资料。

（4）决策单元根据网络的专题资料和网络链接，选择最适合移徙的移徙联系，并将移位链转到配置模块。

（5）配置模块通过迁移链接生成流，并将其发送到相应的交换机进行迁移。

VNF迁移通常需要考虑以下几方面：何时开始VNF迁移，怎样选定迁移要素;如何选定要迁移的VNF;如何选定迁移的目标节点;如何选定迁移的合适路径等。实际过程中，迁移方法只将上述某一个或几个方面作为标准，在兼顾性能和复杂度的同时，提高实现的可行性。

4    结语

为了更好地在虚拟化环境下提供电信级高可靠的网络应用，国内部分厂商对VNF系统采用了组件化原则、跨DC容灾部署等策略，提供了更可靠、更安全、更節省资源的全新云化核心网服务。目前，网络化已经到了发展的关键时期，采用SDN/NFV技术的网络计算，再加上微服务设计，意味着5G网络面向服务、软件真正开放，这势必有利于整合5G和垂直行业。

[参考文献]

[1]朱达贤.浅谈核心网虚拟化技术及应用[J].信息通信，2016（7）：264-266.

[2]杜鹃.VNF在移动网络中的应用初探[J].内蒙古科技与经济，2015（16）：62-63.

[3]朱晓荣，王一忠.虚拟网络功能迁移研究综述[J].南京邮电大学学报（自然科学版），2018（1）：45-53.