NFV 閑聊（基礎技術篇）

NFV全稱是Network Function Virtualization。這又是一個與網路相關的故事。先來看看NFV的前世今生吧。在NFV之前，NF（Network

Function）是一直存在的，網路中，NF可以看成一個個獨立的網元，實現著各自的功能。NF以固定的方式連接起來，統一提供的網路功能和服務。隨便在網上找了張圖，大概示意一下。

V（Virtualization）是虛擬化。NFV字面上理解就是網路功能虛擬化。凡是提到虛擬化，讓人想到的是用軟體的方式實現傳統的功能。又是網路又是軟體的，那NFV和SDN有什麼區別聯繫？

首先，NFV和SDN彼此之間沒有必然聯繫。NFV即使脫離SDN，也能實現，在傳統的網路架構中，將PNF（Physical Network Function）替換成虛擬化的NF，再輔以傳統的NF連接方式，也能實現NFV。而SDN更是可以脫離NFV實現。

但是，另一方面，NFV和SDN如果相互結合，又可以是互補的存在。藉助SDN，不僅傳統的NF連接方式都能支持，SDN還能提供更高效的NFV實現方式。畢竟SDN提供的管理層和轉發層的分離，使得網路變得極其靈活。反過來，NFV也能夠提供SDN的運行環境，幫助SDN的實現。舉個例子，某公有雲基於SDN提供了IaaS服務，某客戶希望在該公有雲上搭建自己的Web Server，這個時候，客戶可以藉助第三方的鏡像來部署Firewall和Load Balancer實例。在這個場景下，第三方提供的鏡像作為NFV的一部分，完善了SDN的功能。SDN和NFV的關係可以描述為下圖，圖中提到開放是為了技術更好的發展，與技術本身無關。

既然NF在之前就已經存在，那為什麼要提出NFV？那肯定是原有的NF架構有這樣那樣的問題，這裡就不展開了。簡單說就是傳統的NF架構成本高，運維困難，機會成本大（硬體設備更新換代之後，原有設備作廢），為了更好的收益，才提出的NFV。除了內因，外界的技術發展也促使NFV的發展，這包括了：

• 雲計算（Cloud computing）的發展：雲計算為NFV的虛擬化提供了支持。通常NFV中的單元是一個個虛機，而雲計算能提供靈活的虛擬管理。尤其是雲計算帶出的標準API如OpenFlow，OpenStack，OpenNaaS，和OGF的NSI，為NFV和雲計算的結合提供了幫助，進而推動了NFV的發展。

• 標準伺服器的發展：標準x86伺服器的性能不斷提升，成本不斷降低，使得基於軟體實現NF的成本大大優於基於專有設備實現NF。

當然NFV本身也存在一些挑戰：

• 不同廠商之間的兼容問題，傳統的NF本身各個廠商都是私有介面了，而NFV如果能統一介面，將使得應用變得更加廣闊。

• 性能的下降：
  軟體實現的東西通常都比專有設備實現的功能性能要差。因此，在一些對性能特別敏感的地方，仍然需要使用專有設備。

• 傳統NF的遷移和共存問題。

• 統一的管理和編排（Management and Orchestration）

• 安全性和彈性等等。

總之，NFV於內於外都有其催生的因素，而其本身又具有一些挑戰，這個時候就需要某個組織跳出來制定一個統一的標準，於是我們有了ETSI（European Telecommunications Standards Institute）提出的NFV參考架構。

High-Level NFV Framework

從大的顆粒看，NFV的架構可以分為三個部分，如下圖所示：

VNF（Virtualized Network Function）

VNF運行在NFVI之上。從概念上，VNF是NF的虛擬化實現，V是Virtualized的意思。除了這點之外，還可以從三個角度來理解VNF：

• 從虛擬化的角度來說，VNF可以是一個VM（Virtual
  Machine），當然容器作為新生力量，它也可能存在，這裡就不多說了。

• 從設備提供商（vendor）的角度來說，VNF是一個或者多個內部相連的VM和描述它們的模板。

• 從操作人員（operator）的角度來說，VNF是一個vendor提供的軟體包。

前面提到了NF連接起來統一提供Network Service，描述NF連接關係的模板稱為NF-FG （Forwarding Graph）這個就是之前介紹過的SFC。在NFV框架下，又稱之為VNF-FG。VNF-FG提供VNF之間的邏輯連接，對應於傳統網路架構中的用線纜連接NF。在一個黑盒子里，VNF-FG和VNF與NF-FG和NF提供的介面和服務是一樣的。下圖顯示了在兩個物理網元（PNF）之間通過VNF-FG建立的E2E（End to End）網路服務。

VNF的解構和聚合

VNF解構：將一個high

level的VNF拆分成一些low level的VNF，這樣能夠提供更靈活的應用，更快的響應，並支持更大的規模。

VNF聚合：將一些low

level的VNF組合成一個整體的high level的VNF。這樣能減少管理的難度，並適當降低VNF-FG的複雜性。

由於通過虛擬化和軟體實現了NF，VNF的組合連接方式可以非常靈活，具體要取決於VNF provider的實現和Network Service Provider的描述。

NFVI（NFV Infrastructure）

NFVI包含各種物理資源和虛擬化技術。NFVI支持VNF的運行。前面說過，從虛擬化的角度來看，VNF可以是VM。NFVI支持VNF的運行，其一部分工作就是提供VNF所需的VM。既然這樣，那NFVI和Cloud有什麼區別聯繫？

首先，Cloud和NFV都依賴物理的計算網路存儲資源，它們都把這些資源作為一個資源池來使用。

其次，Cloud的服務提供形式通常有IaaS，PaaS，SaaS。而NFVI需要提供IaaS的運行時環境，這樣才具備提供VM的能力。

第三，在Cloud提供的形式中，還有一個NaaS（Network as a

Service），它提供了一個動態的，按需的網路連接服務。NFVI需要提供NaaS的動態網路連接能力，以管理VNF之間的連接。因此Cloud中的IaaS和NaaS可以看成是NFVI所需要提供部分服務內容。

NFVI可以理解成一個定製化的Cloud，將物理資源（計算存儲網路）抽象和虛擬化，以提供上層運行的VNF使用。NFVI的物理資源在NFVI-PoPs（NFVI Point of

Presence）。在一個NFV架構中，NFVI-PoPs不局限於一個位置。例如，Service

Provider2可以在Service

Provider1提供的NFVI之上運行自己的VNF（SP1和SP2之間進行相應的協商），如下圖所示：

NFV MANO（Management and Orchestration）

將NF從硬體資源抽象解耦成軟體實現的VNF，必然會帶來管理上的挑戰。這包擴了，邏輯上E2E的網路服務在NFV

network中的映射；將VNF部署在合適的位置以實現期望的網路服務；為VNF分配和擴展硬體資源；檢查VNF狀態，並恢復VNF的錯誤。其實在傳統網路架構中，這些都是operator管理PNF的工作，現在可以通過軟體來實現，也可以說是增加了通用性，降低了維護成本。

NFV MANO管理前面描述的VNF和NFVI的系統，這包括：

• NFVI中支持虛擬化的硬體和軟體

• VNF的編排和聲明周期管理

NFV MANO由幾個部分組成，每個部分完成特定的功能。另一方面，NFV MANO必須與現有的管理系統，例如OSS/BSS，硬體資源管理系統，和作為VIM的CMS等工作在一起，以幫助它們管理虛擬化的資源。這塊在下個部分再說明。

NFV Reference Architectural Framework

在前面的基礎上，再進一步詳細描述ETSI給出的NFV架構。

先看組成部分：

• VNF：前面已經描述過了，這裡就不再敘述。

• EM（Element Management）：對一個多著多個VNF進行管理。注意NFVI只是提供VNF的運行環境，對VNF的管理還需要EM參與。

• VNF Manager(s)：作為NFV MANO的一部分，負責VNF的生命周期管理。VNF Manager可以存在多個。

• NFVI：前面已經描述過。

• VIM（Virtualized Infrastructure Manager）: 作為NFV MANO的一部分，管理支持虛擬化的硬體軟體資源。包括許可權管理，增加/回收VNF的資源，分析NFVI的故障，收集NFVI的信息等。VIM可以存在多個。

• NFV Orchestrator： 作為NFV MANO的一部分，管理和編排NFVI和軟體資源，在NFVI上實現Network
  Service。

• OSS/BSS（Operation Support Systems and
  Business Support Systems）: Operator原有的管理系統。

• Service，VNF and Infrastructure Description：
  為NFV MANO提供數據存儲管理的功能，數據包括VNF
  deployment template，VNF-FG，service-related

  information和NFVI數據模型。

再來看看各個組成部分的連接關係。

• Virtualization Layer - Hardware Resources (Vi-Ha)： 連接 virtualization 層和硬體資源。為VNF創造一個不依賴於硬體資源的運行環境。

• VNF - NFV Infrastructure (Vn-Nf) ： 指的是由NFVI提供的供VNF運行的環境。

• NFV Orchestrator - VNF Manager (Or-Vnfm) ：將配置信息發給VNF manager，進一步由VNF manager控制VNF，使得VNF在VNF-FG中工作。同時收集VNF的信息，以供Network Service聲明周期管理。

• Virtualized
  Infrastructure Manager - VNF Manager (Vi-Vnfm) ：由於VNF
  Manager肩負著VNF的聲明周期管理，這個連接是VNF Manager控制VNF資源的介面。同時也收集虛擬化資源配置和狀態信息，供VNF使用。

• NFV Orchestrator -
  Virtualised Infrastructure Manager (Or-Vi) ：NFV
  MANO不是簡單的分層的關係，Orchestrator可以直接連接到VIM。這個連接也是資源的分配和保留，收集虛擬化資源的配置和狀態信息。

• NFVI - Virtualised
  Infrastructure Manager (Nf-Vi) ：具體的虛擬資源分配，同時收集NFVI的虛擬化資源的配置和狀態信息。
• OSS/BSS - NFV
  Management and Orchestration (Os-Ma) ： OSS/BSS的接入點。

• VNF/EM - VNF
  Manager (Ve-Vnfm) ： VNF Manager 管理VNF的介面，包括了VNF的生命周期管理，配置管理，收集VNF的狀態信息，以供Network
  Service生命周期管理使用。

最後

最後再來看什麼是NFV？NFV是一個技術方向，是將虛擬化技術應用到傳統網路，是對傳統網路的革新。它的應用主要是電信領域。ETSI NFV ISG與2014年9月成立了OPNFV（Open Platform of

Network Function Visualization）開源社區。OPNFV是一個Linux基金會託管項目，提供了一個集成的開源參考平台。OPNFV的出現為NFV產業提供了一個公共的平台，聚集了NFV領域的主要參與方，包括運營商，CT廠商，IT廠商等，基於OpenStack、OpenDaylight、ONOS、KVM 等開源組件進行集成。

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