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网络功能虚拟化平台研究1
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2022-08-03
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摘要最近几年来,个人用户网络流量需求越来越多,但是传统移动运营商的营收却不容乐观,究其原因是因为用户越来越高的网络要求使得运营商不断增加布置新设备的成本,控制底
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分类号 密级
UDC
注
1
学 位 论 文
网络功能虚拟化平台研究
郭帅
指导教师 章小宁 教授
电子科技大学 成 都
申请学位级别 硕士 学科专业 通信与信息系统
提交论文日期 2018.5.15 论文答辩日期 2018.5.23
学位授予单位和日期 电子科技大学 2018 年 6 月
答辩委员会主席
评阅人
注 1:注明《国际十进分类法 UDC》的类号。
Research on Network Function Virtualization
Platform
A Master Thesis Submitted to
University of Electronic Science and Technology of China
Discipline: Communication and Information Systems
Author: Guo Shuai
Supervisor: Professor Zhang Xiaoning
School: School of Communication & Information
Engineering
摘要
I
摘要
最近几年来,个人用户网络流量需求越来越多,但是传统移动运营商的营收却
不容乐观,究其原因是因为用户越来越高的网络要求使得运营商不断增加布置新
设备的成本,控制底层设备成本的增加以降低成本成了运营商们普遍关心的话题,
网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)技术随之兴起。其作为一
种可以广泛应用的技术手段,通过将传统运营商持有的网络功能硬件解耦和,将 网
络功能从专有的硬件上剥离开来,部署在 X86 通用服务器上,并依靠软件来实现
相应的虚拟网络功能,以向外提供服务。这样可以根据实时的需求进行资源的有效
调度,达到降低设备成本的需要。
而在实际应用部署中,具体的 NFV 使用还有很多的问题尚未解决,比如通用
服务器一般用于处理传统的 IT 业务,其相比于专有硬件,在处理 NFV 中的高速率
转发业务的时候,面临着严重的性能瓶颈,需要有针对性地分析在实际使用中如何
提高 NFV 的使用效率。在单服务器中,数据包的整个转发流程会有多个过程会对
网络功能的使用效率造成影响,而 采用不同的虚拟化方式,也将对后续网络功能的
部署、迁移产生不同的影响。
本文针对 NFV 在实际部署中的高性能需求,对实际的部署架构进行了层层分
析,并对可能造成性能瓶颈的数据转发平面和虚拟化平面进行了分析,力图实现高
性能地在通用服务器上进行 NFV 部署。在虚拟转发层,选取了业内应用广泛的三
种软件交换技术 DPDK-OVS、NetMap 和 Click 来进行部署,针对 DPDK 和
OpenvSwitch 两种工程实现技术整合以及性能优化,针对 NetMap 在 NFV 场景下
的使用改进了相关的内部数据结构进行优化,通过构建 Click 基础组件链构建 Click
软件路由器,实现了三种数据转发平面后,对三种数据平面的性能进行了对比测试
和分析。在虚拟化方式的选择上,选用了 KVM 虚拟化技术和 Docker 容器技术进
行分析,在实际的宿主机上部署了两种虚拟化方式,优化了相关了网络连接模式,
并对两种虚拟化方式进行了性能测试,对结果进行了分析。最后,搭建大规模实验
平台,针对不同的数据转发平面和虚拟化方式,部署了两种 NFV 实验平台,对虚
拟网络功能进行了功能测试,对网络性能和容灾性能进行了测试对比分析,最后对
三种数据转发平面和两种虚拟化方式在 NFV 技术落地中的选择提出了建议,以为
后续 NFV 技术高效率地部署落地提供更好的支持。
关键词: 网络功能虚拟化,数据转发平面,虚拟化,性能
ABSTRACT
II
ABSTRACT
In recent years, the demand for individual users' network traffic has been increasing,
but the revenue of traditional mobile operators is not optimistic. The reason is that the
higher and higher network requirements of users have caused the cost of deploying new
equipment to be continuously increased in operations. Controlling the increase in the cost
of the underlying equipment to reduce costs has become a topic of common concern to
operators, and Network Function Virtualization (NFV) technology has emerged. As a
widely used technical method, it decouples the network function hardware held by
traditional operators and separates the network function from the proprietary hardware. It
is deployed on X86 general-purpose servers and depends on the software. Implement
corresponding virtual network functions to provide services outward. In this way, the
resources can be effectively scheduled according to real-time requirements and the need
for reducing equipment costs can be achieved.
However, in actual application deployment, there are still many problems in the use
of specific NFVs. For example, general-purpose servers are generally used to process
traditional IT services. Compared to proprietary hardware, they handle high-rate
forwarding services in NFVs. Facing severe performance bottlenecks, it is necessary to
analyze in a targeted manner how to increase the efficiency of NFV use in actual use. In
a single server, there are multiple processes in the entire forwarding process of a data
packet that can affect the use efficiency of network functions. Using different
virtualization methods will also have different effects on the deployment and migration
of subsequent network functions.
This thesis focuses on the performance requirements of NFV in actual deployment,
analyzes the actual deployment architecture, and analyzes the data forwarding plane and
virtualization plane that may cause performance bottlenecks. In the virtual forwarding
layer, three software switching technologies, DPDK-OVS, NetMap, and Click, which are
widely used in the industry, were selected for deployment. The technologies of DPDK
and OpenvSwitch were integrated, and the use of NetMap in the NFV scenario was
improved. The internal data structure, which builds the Click software router by
constructing the Click infrastructure chain, implements three data forwarding planes, and
compares the performance of the three data planes. In the selection of virtualization
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