计网Seminar翻译-3

计算机网络 虚拟化

使用案例

在这一节中，我们将要介绍NFV的两个用例：移动核心网络的虚拟化以及家庭网络。我们将关注、讨论已存在架构的一些问题和使用基于NFV解决方案带来的好处。NFV在数据层处理（Data Plan Processing）和控制层功能（Control Plane Function）两方面都可使用。有兴趣的读者可以参考ETSI[13]阅读更多的用户用例，比如内容分发网络和固定接入网络的虚拟化。

移动通信核心网络的虚拟化

今天的移动核心网络像死板的hard-state信号协议一样[9]，需要购买各种各样的昂贵设备来适应各种情况。当前的设备无法满足一个特定功能时，手机运营商不得不替换已存在设备，即使当前设备对大多数的要求来说已经足够了。而这正揭示了为了按照要求扩大或缩小服务规模时的困难性。而且，移动核心网络通过较底层的传输协议利用隧道机制从一些中心化的网关中传输用户数据（例如PGWs(PDN Gateway)在4G分组核心演进(Evoleved Packet Core)中）。对于移动运营商来说，控制与维护这些长距离的永久隧道是非常昂贵的。

通过虚拟化移动核心网络，Cloud EPC(Cloud Evoleved Packet Core)可以来解决这些问题，从而满足变化的市场需求。EPC虚拟化的目标包括：移动管理实体（Mobility Management entity, MME），归属用户服务器（Home subscriber server, HSS），SGW(Signal Gateway)，PGW(PDN Gateway)以及策略与计费规则功能（policy and charging rules function, PCRF）。我们将阐述4G LTE网络的EPC的虚拟化，以及其与遗留的EPC共处（见图3）。通过MME融合池组(MME pooling)等技术使得两种模式的共处成为了可能。我们注意到，只虚拟化一部分的移动核心网络是有可能的，比如SGW、PGW以及将物理设备用作其他组件。

好处：通过虚拟化上文提到过的网络功能，Cloud EPC将使我们朝向一个更加智能，更加有弹性以及有规模的核心架构的方向前进。它可以使硬件资源的灵活分布，从而消除了性能瓶颈，还可以快速发起一些能够产生新的收入来源的创新服务（例如机器对机器(M2M)的通信）。EPC虚拟化将根据地理限制分发网络资源，这样可以确保在局部资源故障的时候的服务的可靠性和稳定性，也能减少total cost of onership(TCO)。这也能使得SGW和PGW的部署更加灵活，比如，通过eNodeB进行协同定位，从而消除长距离隧道。利用Cloud EPC，无线运营商不仅仅可以横向扩展他们的市场业务，更可以利用之前的没有涉及过的纵向市场。

挑战：一个关于Cloud EPC的很有挑战性的问题就是，当服务扩展时维护者需要动态地重定向用户的传输路径。早期的工作表明SDN可以使移动核心网络的不同组件间的服务链能够正常运作。然而，由于之前SDN是专注于数据之间的网络连接，对于现有SDN控制器在大范围内的可扩展性、易管理性的效果如何还不明确，尤其是对于具有严格的隐性要求的移动网络来说。另一个关于Cloud EPC有趣的话题是其对物联网应用领域的支持，这个领域中的核心网具有大量的只需要很少数据通信但是需要消耗大量信令资源的设备。

家庭网络的虚拟化

网络服务提供商通过专用的由专门网络后端系统支持的CPE(customer premises equipment)提供家庭服务。典型的CPE设备包括用于因特网访问的住宅网关(Residential gateways, RGs)以及用于多媒体服务的机顶盒(set-top boxes, STBs)两部分。在这个架构下，由于交互式流控制功能（例如倒回、快进），传送时移的IPTV服务众所周知是一个很复杂的问题。但NFV技术的出现（它可以实现快速的最后一公里接入），促进了家庭网络的虚拟化以及将IPTV服务的复杂性降低了。

在图4中我们描述了虚拟化家庭网络的架构。这个虚拟化的对象目标是机顶盒以及RGs的组件，如防火墙，DHCP服务器，VPN网关，NAT路由器等。通过将这些移入数据中心，网络及服务提供商只需要给客户提供低成本的设备即可。这些设备用于物理连接，而且具有较低的维护要求，如图4左下角的三个灰色盒子所示。这些设备只需要提供用于因特网访问的第二层的功能，第三层以及更上层的RGs功能已经被移入运营商的网络。我们注意到，利用这个虚拟架构，在客户之间共享一些RGs以及机顶盒的功能成为了可能。

好处：这个虚拟架构对于网络运营商以及终端用户具有巨大的优势。首先，由于避免了经常性的维护和更新CPE设备，减少了日常经营的支出，也减轻了客服中心以及产品返修部的负担；其次，由于其提供几乎无限制的存储容量，而且还可以访问所有的服务，以及可以与不同地方多台设备共享内容，这极大的提高用户体验；再次，它可以实现动态服务质量管理以及在用户应用流之间的可控的共享功能，这帮助内容提供商利用开放的API增强对终端用户的程序化的供给能力。最后，它尽可能减小了对CPE功能的依赖，以便更舒畅更少额外负担的引进新服务。

挑战：虚拟化的分发过程在高容量服务器上的表现性能是这个领域的一个基础问题。为了让虚拟环境达到与裸机相同或更好的性能，我们需要仔细的设计软件架构以及要正确地配置系统参数，这在Intel的BRAS Poc的虚拟化测试中有指出。此外，当我们为了最小化运营成本而共享虚拟化资源时，安全性和保密性问题依然是另一个研究挑战。

讨论

在期望NFV带来好处的很多领域，当我们迈向虚拟化时，对于不同的网络功能可能有不同的价值，同时也会面临不同的挑战与困难。例如，根据最近爱立信公司的一个分析，通过虚拟化家庭网络和媒体分发网络，将会带来很高的价值而且没有太多的挑战；但若虚拟化网络接入口以及核心路由，则没有太多价值但却有更多的挑战。然而，我们注意到在价值与挑战之间的权衡是可能会随着底层的技术的演化而改变的。

The data plane (sometimes known as the user plane, forwarding plane, carrier plane or bearer plane) is the part of a network that carries user traffic.

The control plane is the part of a network that carries signaling traffic and is responsible for routing.