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网络功能虚拟化下服务功能链的资源管理研究综述.docx
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![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597797/bg1.jpg)
摘 要 伴随着云计算,软件定义网络和网络功能虚拟化等网络新技术的
出现,未来网络运维向着虚拟化、智能化的方向不断迈进.网络功能虚
拟化提供了一种服务节点虚拟化的方法,它采用通用服务器替代传统
网络中的专用中间件,可以大大降低网络运营商的建设和运营成本,
提升网络管理的灵活性和可扩展性.由于网络端到端服务通常需要不同
的服务功能,采用虚拟化技术构建网络服务功能链,进行资源的合理分
配和调度成为一个重要的研究课题,引起了学术界和工业界的广泛关
注.从网络功能虚拟化的技术背景出发,介绍了网络功能虚拟化下服务
功能链资源管理的基础架构、技术基础和应用场景.而后基于服务功能
链编排的不同阶段,将现有理论研究划分为 4 个部分:组链、部署、
调度和按需缩放分别展开论述,从问题出发介绍和分析了研究现状.最
后,针对现有存在问题,提出了一些拟解决方案,并对未来的研究方
向进行了展望.
关键词 网络功能虚拟化;服务功能链;网络资源优化;未来网络管理;
云计算
传统意义上,网络运营商会采用专用的网络设备来提供不同的网
络功能,比如防火墙、网络地址转换器和流量分类器等,因此现有的
大多数网络服务需要依靠各式各样专用的网络中间件.但是,这些网络
中间件的使用带来了诸多不便:1)价格昂贵,设备升级换代开销大;
2)高能耗,设备运行维护开销大;3)可扩展性差,不同厂商设备之间
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597797/bg2.jpg)
很难兼容;4)需要专业人员维护,随着设备增多管理维护难度大;5)
生命周期短,每过几年产品需要整体更新换代.
然而,近年来网络流量却呈指数级别增长,据思科年度可视化网
络指数预测(visual networking index, VNI)
[1]
报告指出,到 2022 年
全球年度 IP 流量预计达到 4.8 ZB,相比 2017 年的 1.5 ZB 增加了
3.2 倍.除此之外,随着物联网(Internet of thing, IoT)和移动智能设
备的发展,物联网设备连接数从 2015 年的 49 亿增长到 2020 年的
122 亿.近年来诸如虚拟现实、增强现实等新型网络服务也在不断涌现.
面对巨大流量压力和诸多新型网络业务,运营商不得不部署大量昂贵
的专用网络设备来提供服务.文献[2]中指出,在企业网络中,网络中间
件的数目几乎与网络中的路由器和交换机数目相当.这使得网络运营商
的建设费用(capital expenditure, CAPEX)和运营成本(operating
expense, OPEX)不断增加,阻碍了网络新业务的开发.在这样的背景
下,网络功能虚拟化(network function virtualization, NFV)
[3]
被提
出利用虚拟化技术将网络功能以软件形式布置在标准化的服务器上,
其基本思想是将专用设备上的网络功能迁移到通用的 X86 服务器上,
实现软硬件分离的独立发展,以提升传统网络的开放性、兼容性和灵
活性.
服务功能链(service function chain, SFC)
[4]
通过定义一组有序的
服务功能并将其实例化,基于虚拟网络对网络中间件间的流量进行灵
活调度处理,从而满足特定的网络服务需求.在传统 SFC 的定义
[5]
中,
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597797/bg3.jpg)
服务功能(service function, SF)作为逻辑元件可以是虚拟元件也可以
是嵌入网络的物理元件.而 NFV+SFC 被认为是未来网络管理由实向虚
的重要手段,现有理论研究中的 SFC 多采用虚拟化的网络功能进行服
务,因此在本文中所提及的服务功能链资源管理中的 SF 均是指虚拟化
的网络服务.
近些年关于网络功能虚拟化下服务功能链资源管理的研究不断更
新,而相关综述却很少.因此,本文针对 SFC 的资源管理问题,首先简
要介绍了 NFV 的基础架构、网络服务虚拟化概念及应用场景.而后根据
SFC 编排的不同阶段,将现有理论研究划分为组链、布置、调度和按
需缩放 4 个部分,从网络场景、理论模型、优化方法等方面进行分析、
比较和总结,并指出了尚未解决的技术难题和未来相关研究的发展趋
势.
1 NFV 基础架构
NFV 的概念于 2012 年首次提出,欧洲电信标准协会(European
Telecommunications Standards Institute, ETSI)开始对这项新技
术提出相关定义和体系结构
[6]
.2013 年,ETSI 发布了 NFV 的第 1 个正
式定义架构,并对其进行了不断修订;它主要包含了 3 个部分:NFV
基 础 设 施 (network function virtualization infrastructure,
NFVI) 、 NFV 管 理 编 排 系 统 (management and orchestration,
MANO)和虚拟化网络功能(virtual network function, VNF),如图 1
所示:
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597797/bg4.jpg)
Fig. 1 ETSI-NFV architecture
[7]
图
1 ETSI-NFV
架构
[7]
1) NFVI.NFV 基础设施为 VNF 提供资源,它包含网络中所用的软
件和硬件.硬件资源包括计算硬件、存储硬件和网络硬件,其中计算硬
件和存储硬件一般被合并,通常采用通用的服务器(例如 X86 PC 服务
器),包括 CPU、内存和网卡等,网络硬件包括交换机和路由器用于提
供 网 络 连 接 ; 而 软 件 的 计 算 和 存 储 资 源 通 常 以 虚 拟 机 (virtual
machine, VM)形式体现,被布署在高容量的服务器上,利用虚拟化
技术提供虚拟资源.虚拟网络资源由位于硬件之上的 VNF 虚拟节点和虚
拟链路组成,这些链路为 VNF 实例之间提供连接.因此,虚拟化资源和
硬件资源在 NFVI 中是紧密耦合在一起的.
![](https://csdnimg.cn/release/download_crawler_static/85597797/bg5.jpg)
2) NFV MANO.NFV MANO 由编排器(orche-strator)、虚拟化
网 络 功 能 管 理 器 (VNF manager) 和 虚 拟 化 基 础 设 施 管 理 器
(virtualized infrastructure manager, VIM)组成.NFV MANO 负责
提供存储信息和数据模型的数据库,支持基础架构虚拟化资源编排 ,
VNF 的生命周期管理并负责向 VNF 分配 NFVI 的物理资源等.此外,该
框架还定义了可用于 NFV-MANO 的不同组件之间通信的接口,兼容
传统网络管理系统(即运营支持系统(operations support system,
OSS)和业务支持系统(business support system, BSS)),以允许
VNF 和旧版功能同时在设备上运行
[8]
.
3) VNF.VNF 是在虚拟资源(例如虚拟机)上运行的网络功能软件实
例.一个 VNF 可以部署在单个虚拟机上或由多个虚拟机上的子功能组成.
VNF 通常由元素管理系统(element management system, EMS)
管理,负责其创建、配置、性能监视和安全管理.EMS 可以为电信运营
商(telecom service provider, TSP)提供运营支持系统 OSS 所需的
基本信息.OSS 与业务支持系统 BSS 一起,可帮助 TSP 部署和管理多
种端到端电信服务(例如订购、计费、续订、问题排查等).NFV 架构着
重于与现有 OSS BSS 解决方案的集成.
2 网络服务虚拟化
在网络服务虚拟化中,覆盖(overlay)网络技术将虚拟网络与物理
网络分 离, 为网络 服务提 供链 接,采 用隧道 技术 例 如 VXLAN 和
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