NFV技术及网元生命周期管理分析

谢淑琳

（北京交通大学，北京 100089）

关键字：网络功能虚拟化；VNF；生命周期管理

0 引 言

5G时代的到来和移动网络设备的增加导致网络流量大幅度增长，当前核心网的模式封闭僵化、资源无法共享且网元部署缺乏弹性。为了提高网络通信的质量，需要对网络架构进行改造，但在当前核心网模式的基础上进行修改会导致网络设备数量多而复杂，增加后续维护和升级的难度。因此引入NFV技术，网元功能以软件的方式实现，硬件资源通过虚拟化技术进行虚拟化[1-3]。网元可以自动化部署，虚拟化的资源可以共享，电信运营商的运营成本会大大降低。

1 框架简介

传统网络架构中，网元依赖专用硬件设备，引入NFV技术后专有硬件设备被通用X86服务器替代。网元设计成软件的形式，硬件资源虚拟化后创建虚拟机，将网元部署在虚拟机上。图1所展示的NFV架构是在中国移动根据欧洲电信标准化协会（European Telecommunication Standard Institute，ETSI）所提出的NFV架构的基础上扩展得到的。

图1 核心网云管理平台系统组网结构

NFV架构有6大模块，分别为操作维护中心（Operation and Maintenance Center，OMC）、虚拟化网络功能（Virtualized Network Function，VNF）、虚拟化基础设施（Virtualized Network Function Infrastructure，VNFI）、虚拟化网络功能编排（Network Funcation Virtualization Ochestrater，NFVO）、虚拟化网络功能管理（Virtualized Network Function Manager，VNFM）以及虚拟化基础设施管理（Virtual Infrastructure Management，VIM）。

其中，在物理网元和虚拟网元发生故障或对网元的性能和配置进行管理时都由OMC负责，而且OMC还要配合VNFM对虚拟网元进行生命周期管理。VNF和传统物理网元的功能一样，是以软件的方式进行实现，例如虚拟化服务网关S-GW和PCRF等。NFVI为VNF提供运行所需要的资源，包括硬件资源和软件资源，硬件资源经过中间层的虚拟化技术变为虚拟计算、存储及网络等。NFVO+是在标准NFVO的基础上加入了对虚拟网元的FCAPS管理能力，标准NFVO负责对网络服务的管理，配合VNFM和VIM可以实现网元生命周期管理。VNFM的功能是实现VNF的生命周期管理，包括VNF实例化、弹性扩缩容以及VNF实例终止等。VIM负责对底层的硬件资源和虚拟资源进行管理监控，发生故障时及时上报，同时接收VNFM的请求进行资源创建或释放[4,5]。

2 VNF生命周期管理

VNF从自动部署到扩缩容以及实例终止整个生命周期流程都需要由VNFM进行管理，这里主要介绍VNF的实例化和弹性扩缩容流程。

2.1 VNF实例化

在VNF实例化之前要保证VNF包已经上载到VNFM中，同时镜像也要下发到VIM中，VNF实例化流程如图2所示。

图2 VNF实例化流程

具体流程说明如下：

（1）操作员在NFVO+界面选择需要实例化的VNF。

（2）NFVO+查询VNFR信息。

（3）如果该VNFR未执行资源预留，那么NFVO+调用C6：QueryVNFD Req接口，接口中含VNF Package ID，到VNFM查询VNFD信息。

（4）VNFM查询本地保存的VNFD信息。

（5）VNFM返回C6：QueryVNFD Response，包含VNFD的详细信息和可调整的参数。

（6）NFVO+在实例化页面展示VNFD信息，调用C6：InstantiateVNF接口，请求VNFM实例化VNF。

（7）VNFM收到请求后创建实例化任务，生成JobID，返回给NFVO+。

（8）VNFM分析对应的VNF包，从VNF包中获取VNFD的信息，得到VNF实例化需要的资源。

（9）VNFM向NFVO+发送资源授权请求。

（10）NFVO+根据当前情况决定是否接受VNFM的授权请求。

（11）VNFM向NFVO+发送创建虚拟资源的请求。

（12）NFVO+向VIM发送通知创建虚拟资源。

（13）VIM进行资源创建，向NFVO+发送C7：PushVmChanges请求，告诉NFVO+自身的资源变化。

（14）NFVO+向VIM返回响应。

（15）虚拟机创建成功后，VNFM对VNF的参数进行部署和配置。

（16）VNFM向NFVO+发送VNF实例化成功后包含的虚拟资源。

（17）NFVO+向VNFM返回响应。

（18）VNFM通知OMC对实例化成功的VNF进行管理。

（19）OMC向VNFM返回响应。

（20）OMC将新实例化的VNF添加到管理对象。

（21）OMC对VNF进行应用参数的配置。

（22）操作人员在显示界面查看实例化的结果。

2.2 VNF自动扩缩容流程

为了适应不同业务流量，VNF需要扩缩容，增加或减少VNF需要的资源。弹性扩缩容分为自动和手动两种情况，其中自动扩缩容需要设置好特定的策略，流程如图3所示。

图3 VNF自动扩缩容

具体流程说明如下：

（1）VNFM中已经存在VNF的扩缩容策略并且已经激活。

（2）VNFM/OMC监测VNF性能，并和扩缩容策略进行匹配。

（3）达到扩缩容条件，VNFM/OMC触发VNF扩缩容。

（4）VNFM发送C6：VNFMEventNotification接口，告知NFVO+要对VNF进行扩缩容。

（5）NFVO+返回响应。

（6）VNFM向NFVO+发送资源授权请求。

（7）NFVO+检查是否允许该实例进行扩缩容操作。

（8）VNFM告知OMC有VNF要进行扩缩容。

（9）OMC向VNFM返回VNF扩缩容预通知，指示是否允许后续扩缩容操作。

（10）VNFM向NFVO+发送创建/删除虚拟资源的请求。

（11）NFVO+向VIM发送创建/删除虚拟资源的请求。

（12）VIM向NFVO+发送C7：PushVmChanges请求。

（13）NFVO+向VIM返回响应。

（14）扩缩容成功后，VNFM对VNF重新进行参数配置。

（15）VNFM检查VNF，确定是否扩缩容成功。

（16）VNFM向NFVO发送VNF当前资源变化的通知。

（17）NFVO+向VNFM返回响应。

（18）VNFM向OMC发送VNF扩缩容结果通知。

（19）OMC向VNFM返回VNF扩缩容结果通知响应。

（20）OMC更新管理对象。

（21）OMC对扩缩容后的VNF重新进行参数配置。

3 结 论

NFV技术从一开始提出就备受关注，它可以很好地解决传统核心网架构的弊端，但同时也存在一定的缺点。硬件资源虚拟化和网元功能软件化可以实现网元的软硬件解耦，保证网元的快速部署与资源共享。FV架构中各模块之间的接口采用私有化还是标准化、NFV技术如何保证系统的可靠性等都是未来需要考虑的问题。