NFV 闲聊（基础技术篇）

NFV全称是Network Function Virtualization。这又是一个与网络相关的故事。先来看看NFV的前世今生吧。在NFV之前，NF（Network
Function）是一直存在的，网络中，NF可以看成一个个独立的网元，实现着各自的功能。NF以固定的方式连接起来，统一提供的网络功能和服务。随便在网上找了张图，大概示意一下。

V（Virtualization）是虚拟化。NFV字面上理解就是网络功能虚拟化。凡是提到虚拟化，让人想到的是用软件的方式实现传统的功能。又是网络又是软件的，那NFV和SDN有什么区别联系？

首先，NFV和SDN彼此之间没有必然联系。NFV即使脱离SDN，也能实现，在传统的网络架构中，将PNF（Physical Network Function）替换成虚拟化的NF，再辅以传统的NF连接方式，也能实现NFV。而SDN更是可以脱离NFV实现。

但是，另一方面，NFV和SDN如果相互结合，又可以是互补的存在。借助SDN，不仅传统的NF连接方式都能支持，SDN还能提供更高效的NFV实现方式。毕竟SDN提供的管理层和转发层的分离，使得网络变得极其灵活。反过来，NFV也能够提供SDN的运行环境，帮助SDN的实现。举个例子，某公有云基于SDN提供了IaaS服务，某客户希望在该公有云上搭建自己的Web Server，这个时候，客户可以借助第三方的镜像来部署Firewall和Load Balancer实例。在这个场景下，第三方提供的镜像作为NFV的一部分，完善了SDN的功能。SDN和NFV的关系可以描述为下图，图中提到开放是为了技术更好的发展，与技术本身无关。

既然NF在之前就已经存在，那为什么要提出NFV？那肯定是原有的NF架构有这样那样的问题，这里就不展开了。简单说就是传统的NF架构成本高，运维困难，机会成本大（硬件设备更新换代之后，原有设备作废），为了更好的收益，才提出的NFV。除了内因，外界的技术发展也促使NFV的发展，这包括了：

• 云计算（Cloud computing）的发展：云计算为NFV的虚拟化提供了支持。通常NFV中的单元是一个个虚机，而云计算能提供灵活的虚拟管理。尤其是云计算带出的标准API如OpenFlow，OpenStack，OpenNaaS，和OGF的NSI，为NFV和云计算的结合提供了帮助，进而推动了NFV的发展。
  
• 标准服务器的发展：标准x86服务器的性能不断提升，成本不断降低，使得基于软件实现NF的成本大大优于基于专有设备实现NF。
  

当然NFV本身也存在一些挑战：

• 不同厂商之间的兼容问题，传统的NF本身各个厂商都是私有接口了，而NFV如果能统一接口，将使得应用变得更加广阔。
  
• 性能的下降：
  软件实现的东西通常都比专有设备实现的功能性能要差。因此，在一些对性能特别敏感的地方，仍然需要使用专有设备。
  
• 传统NF的迁移和共存问题。
  
• 统一的管理和编排（Management and Orchestration）
  
• 安全性和弹性等等。
  

总之，NFV于内于外都有其催生的因素，而其本身又具有一些挑战，这个时候就需要某个组织跳出来制定一个统一的标准，于是我们有了ETSI（European Telecommunications Standards Institute）提出的NFV参考架构。

High-Level NFV Framework

从大的颗粒看，NFV的架构可以分为三个部分，如下图所示：

VNF（Virtualized Network Function）

VNF运行在NFVI之上。从概念上，VNF是NF的虚拟化实现，V是Virtualized的意思。除了这点之外，还可以从三个角度来理解VNF：

• 从虚拟化的角度来说，VNF可以是一个VM（Virtual
  Machine），当然容器作为新生力量，它也可能存在，这里就不多说了。
  
• 从设备提供商（vendor）的角度来说，VNF是一个或者多个内部相连的VM和描述它们的模板。
  
• 从操作人员（operator）的角度来说，VNF是一个vendor提供的软件包。
  

前面提到了NF连接起来统一提供Network Service，描述NF连接关系的模板称为NF-FG （Forwarding Graph）这个就是之前介绍过的SFC。在NFV框架下，又称之为VNF-FG。VNF-FG提供VNF之间的逻辑连接，对应于传统网络架构中的用线缆连接NF。在一个黑盒子里，VNF-FG和VNF与NF-FG和NF提供的接口和服务是一样的。下图显示了在两个物理网元（PNF）之间通过VNF-FG建立的E2E（End to End）网络服务。

VNF的解构和聚合

VNF解构：将一个high
level的VNF拆分成一些low level的VNF，这样能够提供更灵活的应用，更快的响应，并支持更大的规模。
VNF聚合：将一些low
level的VNF组合成一个整体的high level的VNF。这样能减少管理的难度，并适当降低VNF-FG的复杂性。
由于通过虚拟化和软件实现了NF，VNF的组合连接方式可以非常灵活，具体要取决于VNF provider的实现和Network Service Provider的描述。

NFVI（NFV Infrastructure）

NFVI包含各种物理资源和虚拟化技术。NFVI支持VNF的运行。前面说过，从虚拟化的角度来看，VNF可以是VM。NFVI支持VNF的运行，其一部分工作就是提供VNF所需的VM。既然这样，那NFVI和Cloud有什么区别联系？

首先，Cloud和NFV都依赖物理的计算网络存储资源，它们都把这些资源作为一个资源池来使用。

其次，Cloud的服务提供形式通常有IaaS，PaaS，SaaS。而NFVI需要提供IaaS的运行时环境，这样才具备提供VM的能力。

第三，在Cloud提供的形式中，还有一个NaaS（Network as a
Service），它提供了一个动态的，按需的网络连接服务。NFVI需要提供NaaS的动态网络连接能力，以管理VNF之间的连接。因此Cloud中的IaaS和NaaS可以看成是NFVI所需要提供部分服务内容。

NFVI可以理解成一个定制化的Cloud，将物理资源（计算存储网络）抽象和虚拟化，以提供上层运行的VNF使用。NFVI的物理资源在NFVI-PoPs（NFVI Point of
Presence）。在一个NFV架构中，NFVI-PoPs不局限于一个位置。例如，Service
Provider2可以在Service
Provider1提供的NFVI之上运行自己的VNF（SP1和SP2之间进行相应的协商），如下图所示：

NFV MANO（Management and Orchestration）

将NF从硬件资源抽象解耦成软件实现的VNF，必然会带来管理上的挑战。这包扩了，逻辑上E2E的网络服务在NFV
network中的映射；将VNF部署在合适的位置以实现期望的网络服务；为VNF分配和扩展硬件资源；检查VNF状态，并恢复VNF的错误。其实在传统网络架构中，这些都是operator管理PNF的工作，现在可以通过软件来实现，也可以说是增加了通用性，降低了维护成本。

NFV MANO管理前面描述的VNF和NFVI的系统，这包括：

• NFVI中支持虚拟化的硬件和软件
  
• VNF的编排和声明周期管理
  

NFV MANO由几个部分组成，每个部分完成特定的功能。另一方面，NFV MANO必须与现有的管理系统，例如OSS/BSS，硬件资源管理系统，和作为VIM的CMS等工作在一起，以帮助它们管理虚拟化的资源。这块在下个部分再说明。

NFV Reference Architectural Framework

在前面的基础上，再进一步详细描述ETSI给出的NFV架构。

先看组成部分：

• VNF：前面已经描述过了，这里就不再叙述。
  
• EM（Element Management）：对一个多着多个VNF进行管理。注意NFVI只是提供VNF的运行环境，对VNF的管理还需要EM参与。
  
• VNF Manager(s)：作为NFV MANO的一部分，负责VNF的生命周期管理。VNF Manager可以存在多个。
  
• NFVI：前面已经描述过。
  
• VIM（Virtualized Infrastructure Manager）: 作为NFV MANO的一部分，管理支持虚拟化的硬件软件资源。包括权限管理，增加/回收VNF的资源，分析NFVI的故障，收集NFVI的信息等。VIM可以存在多个。
  
• NFV Orchestrator： 作为NFV MANO的一部分，管理和编排NFVI和软件资源，在NFVI上实现Network
  Service。
  
• OSS/BSS（Operation Support Systems and
  Business Support Systems）: Operator原有的管理系统。
  
• Service，VNF and Infrastructure Description：
  为NFV MANO提供数据存储管理的功能，数据包括VNF
  deployment template，VNF-FG，service-related
  information和NFVI数据模型。
  

再来看看各个组成部分的连接关系。

• Virtualization Layer - Hardware Resources (Vi-Ha)： 连接 virtualization 层和硬件资源。为VNF创造一个不依赖于硬件资源的运行环境。
  
• VNF - NFV Infrastructure (Vn-Nf) ： 指的是由NFVI提供的供VNF运行的环境。
  
• NFV Orchestrator - VNF Manager (Or-Vnfm) ：将配置信息发给VNF manager，进一步由VNF manager控制VNF，使得VNF在VNF-FG中工作。同时收集VNF的信息，以供Network Service声明周期管理。
  
• Virtualized
  Infrastructure Manager - VNF Manager (Vi-Vnfm) ：由于VNF
  Manager肩负着VNF的声明周期管理，这个连接是VNF Manager控制VNF资源的接口。同时也收集虚拟化资源配置和状态信息，供VNF使用。
  
• NFV Orchestrator -
  Virtualised Infrastructure Manager (Or-Vi) ：NFV
  MANO不是简单的分层的关系，Orchestrator可以直接连接到VIM。这个连接也是资源的分配和保留，收集虚拟化资源的配置和状态信息。
  
• NFVI - Virtualised
  Infrastructure Manager (Nf-Vi) ：具体的虚拟资源分配，同时收集NFVI的虚拟化资源的配置和状态信息。
• OSS/BSS - NFV
  Management and Orchestration (Os-Ma) ： OSS/BSS的接入点。
  
• VNF/EM - VNF
  Manager (Ve-Vnfm) ： VNF Manager 管理VNF的接口，包括了VNF的生命周期管理，配置管理，收集VNF的状态信息，以供Network
  Service生命周期管理使用。

后

后再来看什么是NFV？NFV是一个技术方向，是将虚拟化技术应用到传统网络，是对传统网络的革新。它的应用主要是电信领域。ETSI NFV ISG与2014年9月成立了OPNFV（Open Platform of
Network Function Visualization）开源社区。OPNFV是一个Linux基金会托管项目，提供了一个集成的开源参考平台。OPNFV的出现为NFV产业提供了一个公共的平台，聚集了NFV领域的主要参与方，包括运营商，CT厂商，IT厂商等，基于OpenStack、OpenDaylight、ONOS、KVM 等开源组件进行集成。