趙彥

摘 ? 要：隨著4G業(yè)務的快速發(fā)展和數(shù)據(jù)流量的不斷增長，移動網(wǎng)絡面臨著前所未有的壓力和挑戰(zhàn)。運營商被迫投入大量資金和運營建設成本，并需要運行各類新的或者是改進過的無線網(wǎng)絡。為了減少昂貴的建設成本，實現(xiàn)靈活彈性網(wǎng)絡，運營商迫不及待地將5G推上舞臺。所謂的“5G”指的是第5代移動通信技術，與4G相比，除了5G時代的“峰值”速度外，另一核心亮點是它將徹底打破僵硬的硬件設備組網(wǎng)束縛，提供更靈活、彈性的網(wǎng)絡，讓網(wǎng)絡快速、充分地適應用戶需求，給用戶帶來更好的體驗。文章首先闡述了VNF技術研究現(xiàn)狀，其次介紹了VNF技術在5G核心網(wǎng)中的相關技術概念，最后重點介紹VNF技術的遷移方法。

關鍵詞：5G;虛擬化網(wǎng)絡功能技術;遷移方法

1 ? ?VNF技術的研究現(xiàn)狀

目前，5G技術標準相繼凍結，將為eMBB，mMTC和uRLLC三大范疇的多種場景供應有力的鏈接服務，增強對5G時代的支持，以滿足業(yè)務多樣性和相應的性能需求。5G核心網(wǎng)絡還面臨5大核心挑戰(zhàn)：支持多種業(yè)務模式、提供靈活的按需服務、更復雜的網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡安全和隱私保護，以及更加開放的服務生態(tài)系統(tǒng)。因此，研究虛擬化網(wǎng)絡功能（Virtual Network Feature，VNF）技術在5G核心網(wǎng)中的應用及采用VNF技術的5G核心網(wǎng)如何既能同時支持2G/3G/4G的接入，還可以滿足多種業(yè)務場景的需求就顯得尤為迫切。

目前，核心網(wǎng)絡正處于5G時代的虛擬化和云計算時代，核心網(wǎng)絡虛擬化可以降低運營和維護資本，提高運營和維護效率，但也給移動運營商的維護帶來了巨大的挑戰(zhàn)。此外，5G網(wǎng)絡還需要提高網(wǎng)絡的使用和運行效率，打破僵硬的硬件和網(wǎng)絡限制，并提供更靈活、彈性的網(wǎng)絡[1]。

由此可見，5G是滿足2020年未來需求的移動通信系統(tǒng)。5G移動通信系統(tǒng)必須是靈活的，具有網(wǎng)絡自我意識和自我對準等智能功能，以應對未來移動信息社會難以預測的快速變化。

2 ? ?VNF技術相關概念

VNF是一種網(wǎng)絡架構概念，虛擬化技術用于將分層網(wǎng)絡節(jié)點功能劃分為不同的功能塊并以軟件方式實現(xiàn)，不再局限于硬件架構。運營商的網(wǎng)絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）目標是通過改變傳統(tǒng)的網(wǎng)絡架構，利用通用標準的IT服務器、基于虛擬化的技術實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)絡設備的功能。網(wǎng)絡節(jié)點可根據(jù)用戶需求隨時準備和優(yōu)化標準IT通用硬件資源，并使用軟件管理平臺實現(xiàn)隨需應變的云網(wǎng)絡[2]。

當然，VNF技術也需要諸多相關虛擬資源支持。NFV的目標是分離，讓軟件和硬件獨立開發(fā)，并將電信設備從專用平臺轉移到通用服務器。因此，這種框架下，網(wǎng)絡必須是“彈性的”，不受物理網(wǎng)絡限制。

如圖1所示，NFV網(wǎng)絡可以分為NFVI層、VNF應用層和管理編排節(jié)點（NFV Management And Orchestration，MANO）。VNF可以視為軟件，作用是實現(xiàn)網(wǎng)絡功能，它通過虛擬化層提供的應用程序接口（Application Programming Interface，API）獲取虛擬計算機資源、虛擬存儲資源、虛擬網(wǎng)絡資源。

虛擬層負責實現(xiàn)硬件資源的抽象，形成虛擬資源，通過API為VNF提供虛擬計算機資源、虛擬存儲資源、虛擬網(wǎng)絡資源等，從而協(xié)助VNF實現(xiàn)網(wǎng)絡功能。管理編排域最顯著的特點是其靈活性，內部包括虛擬化基礎設施管理器（Virtual Infrastructure Management，VIM）、虛擬化網(wǎng)絡功能管理器（Virtual Network Function Management，VNFM）和網(wǎng)絡功能虛擬化編排器（Network Function Virtualization Orchestrator，NFVO）3個實體，分別完成對NFVI，VNF和網(wǎng)絡服務的管理，用于集成部署統(tǒng)一的參考點和接口，從而實現(xiàn)網(wǎng)絡部署的“靈活彈性”。

（1）彈性：繞過網(wǎng)絡業(yè)務中斷，恢復與網(wǎng)絡在正常狀態(tài)下的網(wǎng)絡框架/結構相關的能力。若發(fā)生網(wǎng)絡故障、服務中斷或正常運營中斷，則與網(wǎng)絡功能的框架/結構相關的容量是最低、最可接受的。

（2）伸縮：根據(jù)需要動態(tài)地分配或恢復與虛擬化網(wǎng)絡面板關聯(lián)的資源。伸縮包括橫向/垂直擴展以及延伸到外部或內部。延伸到外部或內部是指通過添加/刪除資源實例如虛擬機（Virtual Machine ，VM）進行伸縮的能力。橫向/垂直擴展是指通過改變分配的資源來進行伸縮的能力，例如增加/減少內存或CPU容量。

3 ? ?VNF技術的遷移方法

5G技術具有吸睛的性能指標，給傳統(tǒng)網(wǎng)絡也帶來了巨大的挑戰(zhàn)和考驗，例如：冗余膨脹的協(xié)議、困難的服務部署和不靈活的資源調度等，迫切需要引入新技術改變這種狀況。與此同時，軟件定義網(wǎng)絡（Software Defined Network，SDN）和NFV的相繼出現(xiàn)也帶來了一些新問題，例如：流量分布不均、負載不平衡等。為更好解決上述問題，VNF技術應運而生。VNF遷移，即在具有NFV特性的網(wǎng)絡中，VNF將從傳統(tǒng)物理機器中刪除，并重新部署在更好的節(jié)點上，可解決NFV和SDN部署中的負載不平衡問題。

因此，VNF技術遷移[3]的方法研究較多，但遷移過程需要考慮的問題也很多，事實上，很難有十全十美的遷移方法，以下舉例說明。

用于解決VNF的實例遷移過程中產(chǎn)生的抖動和數(shù)據(jù)包丟失問題的方法，該方法包含兩個方面，一方面是為VNF提供一種數(shù)據(jù)包狀態(tài)通報的接口，另一方面提出了一種基于狀態(tài)的VNF無縫遷移框架。

遷移過程大致如下：

（1）控制器啟動目標環(huán)境，初始條件下沒有狀態(tài)信息和VNF實例。

（2）在源實例和目的實例之間建立兩個傳輸流，即狀態(tài)傳輸流和快照傳輸流。

（3）當快照傳輸流進行遷移時，相應的狀態(tài)也通過狀態(tài)傳輸流上報。

（4）目的實例序列接收狀態(tài)信息，直到快照被完全接收、安裝并啟動。

（5）當狀態(tài)流上報過載信息后，控制器將數(shù)據(jù)重定向至目的實例，完成遷移。

該遷移方法類似于預備份，在未過載時進行備份，過載后進行數(shù)據(jù)重定向，實現(xiàn)快速遷移，但存在占用大量資源的問題。

對基于SDN控制器實現(xiàn)VNF遷移的方法作定性分析，分為5大模塊：統(tǒng)計收集、拓撲生成、虛擬機請求、決策單元以及配置模塊，遷移步驟大致如下：

（1）定期統(tǒng)計收集模塊和統(tǒng)計交換機數(shù)據(jù)，存儲在數(shù)據(jù)庫中，為其他模塊提供交換信息。

（2）拓撲生成根據(jù)數(shù)據(jù)庫中的信息，生成整個網(wǎng)絡拓撲，包含所有的交換機和主機。

（3）虛擬機器申請單元監(jiān)測網(wǎng)絡虛擬機器的移徙申請，移位申請應包括來源和目的地，以及移徙所需的寬帶，虛擬機器申請單元提交決策單元的移徙申請資料。

（4）決策單元根據(jù)網(wǎng)絡的專題資料和網(wǎng)絡鏈接，選擇最適合移徙的移徙聯(lián)系，并將移位鏈轉到配置模塊。

（5）配置模塊通過遷移鏈接生成流，并將其發(fā)送到相應的交換機進行遷移。

VNF遷移通常需要考慮以下幾方面：何時開始VNF遷移，怎樣選定遷移要素;如何選定要遷移的VNF;如何選定遷移的目標節(jié)點;如何選定遷移的合適路徑等。實際過程中，遷移方法只將上述某一個或幾個方面作為標準，在兼顧性能和復雜度的同時，提高實現(xiàn)的可行性。

4 ? ?結語

為了更好地在虛擬化環(huán)境下提供電信級高可靠的網(wǎng)絡應用，國內部分廠商對VNF系統(tǒng)采用了組件化原則、跨DC容災部署等策略，提供了更可靠、更安全、更節(jié)省資源的全新云化核心網(wǎng)服務。目前，網(wǎng)絡化已經(jīng)到了發(fā)展的關鍵時期，采用SDN/NFV技術的網(wǎng)絡計算，再加上微服務設計，意味著5G網(wǎng)絡面向服務、軟件真正開放，這勢必有利于整合5G和垂直行業(yè)。

[參考文獻]

[1]朱達賢.淺談核心網(wǎng)虛擬化技術及應用[J].信息通信，2016（7）：264-266.

[2]杜鵑.VNF在移動網(wǎng)絡中的應用初探[J].內蒙古科技與經(jīng)濟，2015（16）：62-63.

[3]朱曉榮，王一忠.虛擬網(wǎng)絡功能遷移研究綜述[J].南京郵電大學學報（自然科學版），2018（1）：45-53.