NFV网络功能虚拟化基本原理及应用情况
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一、什么是NFV ？ 二、NFV关键技术
三、产业推进情况
四、NFV带来的影响
2
通信网络技术发展趋势
纵观移动通信网络发展历程，在经历了模拟通信、数字通信、端到端IP化后， 当前通信网正逐步迈向基于虚拟化、软件化等ICT融合技术的通信4.0时代
通信1.0：模拟化 通信2.0：数字化 通信3.0：IP化 （CT over IP）
VNF: Virtual Network Function VNFM: Virtual Network Function Management
NFVO: NFV Orchestrator VIM: Virtual Infrastructure Management
8
目录
一、什么是NFV ？ 二、NFV关键技术
虚拟计算 虚拟存储 Virtual 虚拟网络 Network
Nf-Vi
Manager(s)
Or-Vi
Vi-Vnfm
虚拟资源层
硬件资源层
虚拟化层（ VMWare, KVM, Xen） Virtualisation Layer
Vl-Ha
Computing Hardware
计算
硬件资源 Storage Hardware 存储
13
2、虚拟资源管理OpenStack组件（2/3）
Openstack包括计算、网络、存储、鉴权和监控等功能组件，每个功能组件都单 独命名，各组件之间有相互调用关系，在管理虚拟资源的同时，也能实现部分裸机管 理功能。
中心：中间那个菱形，表示虚拟机
Nova：管理计算能力、VM生命周期 Neutron ： 为OpenStack 提供网络连 接服务（旧版本为Quantum）
虚拟化
• NFV技术实施后，理论上讲，网络扩容、业务开放将发生以下变化：
– 资源共享、效率更高：不同业务系统共享硬件资源，资源利用效率可在不同应用间均衡
– 扩容灵活、快速响应：网络扩容通过新增虚拟资源的形式实现，多数不涉及新增硬件调测7
网络虚拟化后的系统架构图（3+2架构）
网络虚拟化后的系统架构将由“通信域3层”+“管理域2套”共同组成，即： 通信域：硬件资源层、虚拟资源层和网络功能层三层 管理域：除传统OMC/OSS等网管系统外，新增加云管理（MANO）系统
Hardware
全虚拟化
支持Windows和linux VMM需要对上层OS指令进 行捕获、翻译、模拟，性能 损耗大
Hardware
半虚拟化
由于需要改动操作系统内核只支持linux 上层OS知道自己工作在非之前模式，通过修 改其内核，与VMM通力协作，取消了捕获异 常、翻译、模拟过程，性能消耗小
Hardware
P-GW等均为网络功能实体
NFV 将传统通信网络设备功能软件化，通过特定的虚拟化技术，基于 IT 通用的计算、存储、网络硬件设备实现电信网络功能，NFV 将实现传统电信 产业与IT产业的深度融合。
4
NFV的基本特征
NFV于2013年在ETSI由13家运营商发起研究，是云计算在IT业取得巨大成功的 大背景下提出的，其工作目标是增强系统灵活性，实现网络及应用的快速部署、灵活 扩容和缩容。NFV的关键核心是通过虚拟化技术、基于通用IT硬件实现电信功能节点 的软件化，被认为是未来通信网络的基础技术。
Hardware resources Network Hardware
Virtualised VIM Infrastructure Manager(s)
网络
Execution reference points
Other reference points
Main NFV reference points
三、产业推进情况
四、NFV带来的影响
9
1、虚拟化技术（1/3）
虚拟化指将一台物理计算机系统虚拟化为一台或多台虚拟计算机系统。每个虚拟计算机系统 都拥有自己的虚拟硬件（如CPU、内存和设备等），来提供一个独立的虚拟机执行环境。通过虚 拟化层的模拟，虚拟机中的操作系统认为自己仍然独占一个系统在运行。这个虚拟化层称为虚拟 机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）
传统架构 四大基本特征 分区
同一物理机上 多个虚拟机相 互隔离
虚拟化架构
隔离
在单一物理 机上同时运行多 个虚拟机
整个虚拟机执行 环境封装在独立 文件中
封装
虚拟机无需 修改可运行 在任何物理 机上 10
独立
1、虚拟化技术（2/3）
虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔 离环境中的完整计算机系统。按实现方式分类，可以分为全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化
中的各虚拟通信网元，通过统一的虚拟资源层，部署到共享的通用云资源池（服务器、 存储系统等）中。
传统通信机房
数据中心机房
网络功能层： 软件实现的虚 拟化功能网元， 可 以 是 IMS 、 EPC等网元 虚拟资源层： 实现虚拟机资 源生成、调度、 删除等功能 硬件资源层： 云化系统中的 X86服务器、存 储设备、IOS等 IT类设备
VM(Virtual Machine)：虚拟化的计算单元，为上层应 用提供运行环境，由VMM创建和管理 Hypervisor：提供VMM(virtual machine monitor )虚 拟机监控器的功能
虚拟机功能：
开源虚拟软件 ：主要有 XEN 、 KVM 、 Hyper-V ，其中 KVM开源社区最大最活跃 私有虚拟软件：VMware占据主要份额，价格也较高。
未虚拟化
Ring 3
全虚拟化
半虚拟化
硬件辅助虚拟化
APP
Ring 3
APP
Ring 3
APP
Ring 3
来自百度文库
APP OS Hardware
Guest OS 性能
Ring 3
OS
VM
OS VM
Ring 0 Ring 0
OS
VM
VMM
非root 特权模 式
Ring 0
VMM
VMM
Ring 0
root特 权模式
通信网
通信4.0：IT化 （虚拟化，ICT融合）
软件 硬件 控制 分离 解耦
IP承载（BICC/SIP）
转发
1G为代表，模拟化 通信
2G为代表，数字化 通信
3G/4G逐渐发展，从软 交换到IMS，最后到 VoLTE完成彻底IP化
NFV/SDN是ICT化的催 化剂，驱动IT/CT走向 融合
•
电信网络过去十年的变革核心是 IP化，其特征是CT的设备形态及网络实质，
网络管理
OSS/BSS OSS/BSS
Service, VNF and Infrastructure Description Os-Ma
NFV Management and Orchestration
云管理
NFVO Orchestrator
Se-Ma
Or-Vnfm
NFVO： 统一的资 源管理和 调度 VNFM： 虚拟化网 元生命周 期管理 VIM：硬 件管理和 虚拟资源 管理
主流虚拟机技术：
虚拟化基础设施管理功能：
VIM(Virtual Infrastructure Manager): 负责虚拟机 资源分配、更新及释放，资源的性能和故障信息搜集上报
私有技术：VMware的vCenter虚拟化管理平台、亚马逊 的AWS云管理平台等，商用广泛，成熟度较高 开源技术：Openstack对KVM,XEN,VMware和Hyper-V 等主流虚拟机技术都能支持
IP化承载的外在通信方式
•
电信网络下一步变革的核心是IT化，采用IT化的内在实现形式及设备形态，保
留CT的网络内涵和品质
3
NFV是什么？
NFV：Network Function Virtualization
网络功能
+
虚拟化
即传统电信设备实现的功能。传统 电信设备，如MSC、MME、CSCF、
软件化
虚拟化
通用IT基础设施
统一的标准化IT计算、 存储、网络基础硬件
云化管理
应用和业务的生 命周期管理， 虚拟资源配置
网络自动化
可与SDN结合，使用 SDN技术自动化配 置网络 5
单个NFV虚拟化网元物理结构的变化
传统电信设备系统架构
网元软件
消息分发 链路管理 DB 业务
虚拟化网元架构
网元软件
消息分发 链路管理 中间件 操作系统 虚拟机 虚拟机 虚拟机 DB 业务
VIM
NFVI
存储节点 网络节点 计算节点
存储节点 网络节点 计算节点
NFV试图打破传统电信设备的竖井式体系，将通信网元功能分层解耦并引 入新的MANO管理体系实现网元全生命周期管理。
网管系统 vIMS IMS EPC HSS … 网管系统 vEPC 虚拟化资源 硬件资源 vHSS …
MANO
四大基本特征
采用开放的 Hypervisor和资源管 理软件将电信业务的软 硬件分离
Glance：管理VM磁盘镜像功能
Cinder：为VM提供块存储服务 Swift：提供对象存储服务 Keystone：提供认证和权限管理
Ceilometer ： 提供监控和计量服务
（维护入口） Horizon ： OpenStack 的 人 机 接 口 （服务入口Portal） Ironic：提供对裸机的管理（只管理 资源，不管理运行状态）。 Trove：提供数据库服务。 Heat ： 提 供 针 对 OpenStack 的编 排 服务。
虚拟化基础设施管理技术：
虚拟软件是在上层应用与底层硬件之间额外增加的一层，因此设备虚拟化后对系统性能有额 外开销，需对虚拟机进行功能增强以适应电信级要求
应用
数据读写
客户OS
虚拟化层 存储设备驱动 磁盘 磁阵
主机OS
物理主机
原因1：虚拟化层对读写操作的控制和管理需要一定开销 原因2：越多上层应用，越多并行数据读写 增强方案（CPU隔离、多线程、巨页内存、SR-IOV、DPDK）： 创建VM存储时，尽量减少重读写业务在同一块硬盘上进 行操作 对于重读写VM，提供读写速率较高的固态硬盘 虚拟网卡：使用SR-IOV（单根I/O虚拟化）技术等
12
2、虚拟资源管理OpenStack（1/3）
OpenStack是一个分布式虚拟资源（计算、网络、存储）的管理平台，包括一系列开源 组件和标准接口协议，目前在全球范围内已经成为私有云管理的主流选择，主要厂家的虚拟 化层及VIM均是基于OpenStack的二次开发。
OpenStack is a cloud operating system that controls large pools of compute, storage, and networking resources throughout a datacenter, all managed through a dashboard that gives administrators control while empowering their users to provision resources through a web interface.
中间件 操作系统
虚拟机
ATCA
化软件生成虚拟计算机，供上层应用使用
Hypervisor/虚拟机监控器
关键变化 1 ：新增虚拟化层，即通过虚拟 关键变化 2 ：传统设备中单个网元独享专
用硬件变化为各网元共享通用x86服务器
COTS
6
网络虚拟化后的网络结构图
NFV改变现有通信网络设备软硬件一体化部署模式，使设置在一个数据中心机房
EMS 1
OMC EMS 2 VNF VNF 2 (MME)
虚拟计算 虚拟存储 Virtual 虚拟网络 Storage
Vn-Nf
EMS 3
Ve-Vnfm
VNF VNFM
网络功能层
VNF VNF 1 (CSCF)
NFVI 虚拟计算 虚拟存储 Virtual 虚拟网络 Computing
VNF VNF 3 (…)
硬件辅助虚拟化
都支持 好
可维护性能
典型虚拟机技术
一般
较好
好
KVM、VMware、 XEN
KVM、VMware
XEN
11
1、虚拟机技术（3/3）
虚拟技术是云计算的核心技术，虚拟化技术能够提升硬件资源利用率、增强系统的灵活 性。虚拟技术有私有技术、开源技术之分，业界倾向基于开源软件根据通信网需要进行优化 和增强。
14
2、基于KVM+OpenStack的NFV逻辑架构和物理结构对照图（3/3）
APP Guest OS
APP Guest OS
APP Guest OS
APP
APP
Guest OS
Guest OS
VM
VM
VM
VM
VM
VMM (也叫Cloud OS 或者 Hypervisor)
存储节点 网络节点 计算节点 存储节点 网络节点 计算节点
三、产业推进情况
四、NFV带来的影响
2
通信网络技术发展趋势
纵观移动通信网络发展历程，在经历了模拟通信、数字通信、端到端IP化后， 当前通信网正逐步迈向基于虚拟化、软件化等ICT融合技术的通信4.0时代
通信1.0：模拟化 通信2.0：数字化 通信3.0：IP化 （CT over IP）
VNF: Virtual Network Function VNFM: Virtual Network Function Management
NFVO: NFV Orchestrator VIM: Virtual Infrastructure Management
8
目录
一、什么是NFV ？ 二、NFV关键技术
虚拟计算 虚拟存储 Virtual 虚拟网络 Network
Nf-Vi
Manager(s)
Or-Vi
Vi-Vnfm
虚拟资源层
硬件资源层
虚拟化层（ VMWare, KVM, Xen） Virtualisation Layer
Vl-Ha
Computing Hardware
计算
硬件资源 Storage Hardware 存储
13
2、虚拟资源管理OpenStack组件（2/3）
Openstack包括计算、网络、存储、鉴权和监控等功能组件，每个功能组件都单 独命名，各组件之间有相互调用关系，在管理虚拟资源的同时，也能实现部分裸机管 理功能。
中心：中间那个菱形，表示虚拟机
Nova：管理计算能力、VM生命周期 Neutron ： 为OpenStack 提供网络连 接服务（旧版本为Quantum）
虚拟化
• NFV技术实施后，理论上讲，网络扩容、业务开放将发生以下变化：
– 资源共享、效率更高：不同业务系统共享硬件资源，资源利用效率可在不同应用间均衡
– 扩容灵活、快速响应：网络扩容通过新增虚拟资源的形式实现，多数不涉及新增硬件调测7
网络虚拟化后的系统架构图（3+2架构）
网络虚拟化后的系统架构将由“通信域3层”+“管理域2套”共同组成，即： 通信域：硬件资源层、虚拟资源层和网络功能层三层 管理域：除传统OMC/OSS等网管系统外，新增加云管理（MANO）系统
Hardware
全虚拟化
支持Windows和linux VMM需要对上层OS指令进 行捕获、翻译、模拟，性能 损耗大
Hardware
半虚拟化
由于需要改动操作系统内核只支持linux 上层OS知道自己工作在非之前模式，通过修 改其内核，与VMM通力协作，取消了捕获异 常、翻译、模拟过程，性能消耗小
Hardware
P-GW等均为网络功能实体
NFV 将传统通信网络设备功能软件化，通过特定的虚拟化技术，基于 IT 通用的计算、存储、网络硬件设备实现电信网络功能，NFV 将实现传统电信 产业与IT产业的深度融合。
4
NFV的基本特征
NFV于2013年在ETSI由13家运营商发起研究，是云计算在IT业取得巨大成功的 大背景下提出的，其工作目标是增强系统灵活性，实现网络及应用的快速部署、灵活 扩容和缩容。NFV的关键核心是通过虚拟化技术、基于通用IT硬件实现电信功能节点 的软件化，被认为是未来通信网络的基础技术。
Hardware resources Network Hardware
Virtualised VIM Infrastructure Manager(s)
网络
Execution reference points
Other reference points
Main NFV reference points
三、产业推进情况
四、NFV带来的影响
9
1、虚拟化技术（1/3）
虚拟化指将一台物理计算机系统虚拟化为一台或多台虚拟计算机系统。每个虚拟计算机系统 都拥有自己的虚拟硬件（如CPU、内存和设备等），来提供一个独立的虚拟机执行环境。通过虚 拟化层的模拟，虚拟机中的操作系统认为自己仍然独占一个系统在运行。这个虚拟化层称为虚拟 机监控器（Virtual Machine Monitor，VMM）
传统架构 四大基本特征 分区
同一物理机上 多个虚拟机相 互隔离
虚拟化架构
隔离
在单一物理 机上同时运行多 个虚拟机
整个虚拟机执行 环境封装在独立 文件中
封装
虚拟机无需 修改可运行 在任何物理 机上 10
独立
1、虚拟化技术（2/3）
虚拟机（Virtual Machine）指通过软件模拟的具有完整硬件系统功能的、运行在一个完全隔 离环境中的完整计算机系统。按实现方式分类，可以分为全虚拟化、半虚拟化、硬件辅助虚拟化
中的各虚拟通信网元，通过统一的虚拟资源层，部署到共享的通用云资源池（服务器、 存储系统等）中。
传统通信机房
数据中心机房
网络功能层： 软件实现的虚 拟化功能网元， 可 以 是 IMS 、 EPC等网元 虚拟资源层： 实现虚拟机资 源生成、调度、 删除等功能 硬件资源层： 云化系统中的 X86服务器、存 储设备、IOS等 IT类设备
VM(Virtual Machine)：虚拟化的计算单元，为上层应 用提供运行环境，由VMM创建和管理 Hypervisor：提供VMM(virtual machine monitor )虚 拟机监控器的功能
虚拟机功能：
开源虚拟软件 ：主要有 XEN 、 KVM 、 Hyper-V ，其中 KVM开源社区最大最活跃 私有虚拟软件：VMware占据主要份额，价格也较高。
未虚拟化
Ring 3
全虚拟化
半虚拟化
硬件辅助虚拟化
APP
Ring 3
APP
Ring 3
APP
Ring 3
来自百度文库
APP OS Hardware
Guest OS 性能
Ring 3
OS
VM
OS VM
Ring 0 Ring 0
OS
VM
VMM
非root 特权模 式
Ring 0
VMM
VMM
Ring 0
root特 权模式
通信网
通信4.0：IT化 （虚拟化，ICT融合）
软件 硬件 控制 分离 解耦
IP承载（BICC/SIP）
转发
1G为代表，模拟化 通信
2G为代表，数字化 通信
3G/4G逐渐发展，从软 交换到IMS，最后到 VoLTE完成彻底IP化
NFV/SDN是ICT化的催 化剂，驱动IT/CT走向 融合
•
电信网络过去十年的变革核心是 IP化，其特征是CT的设备形态及网络实质，
网络管理
OSS/BSS OSS/BSS
Service, VNF and Infrastructure Description Os-Ma
NFV Management and Orchestration
云管理
NFVO Orchestrator
Se-Ma
Or-Vnfm
NFVO： 统一的资 源管理和 调度 VNFM： 虚拟化网 元生命周 期管理 VIM：硬 件管理和 虚拟资源 管理
主流虚拟机技术：
虚拟化基础设施管理功能：
VIM(Virtual Infrastructure Manager): 负责虚拟机 资源分配、更新及释放，资源的性能和故障信息搜集上报
私有技术：VMware的vCenter虚拟化管理平台、亚马逊 的AWS云管理平台等，商用广泛，成熟度较高 开源技术：Openstack对KVM,XEN,VMware和Hyper-V 等主流虚拟机技术都能支持
IP化承载的外在通信方式
•
电信网络下一步变革的核心是IT化，采用IT化的内在实现形式及设备形态，保
留CT的网络内涵和品质
3
NFV是什么？
NFV：Network Function Virtualization
网络功能
+
虚拟化
即传统电信设备实现的功能。传统 电信设备，如MSC、MME、CSCF、
软件化
虚拟化
通用IT基础设施
统一的标准化IT计算、 存储、网络基础硬件
云化管理
应用和业务的生 命周期管理， 虚拟资源配置
网络自动化
可与SDN结合，使用 SDN技术自动化配 置网络 5
单个NFV虚拟化网元物理结构的变化
传统电信设备系统架构
网元软件
消息分发 链路管理 DB 业务
虚拟化网元架构
网元软件
消息分发 链路管理 中间件 操作系统 虚拟机 虚拟机 虚拟机 DB 业务
VIM
NFVI
存储节点 网络节点 计算节点
存储节点 网络节点 计算节点
NFV试图打破传统电信设备的竖井式体系，将通信网元功能分层解耦并引 入新的MANO管理体系实现网元全生命周期管理。
网管系统 vIMS IMS EPC HSS … 网管系统 vEPC 虚拟化资源 硬件资源 vHSS …
MANO
四大基本特征
采用开放的 Hypervisor和资源管 理软件将电信业务的软 硬件分离
Glance：管理VM磁盘镜像功能
Cinder：为VM提供块存储服务 Swift：提供对象存储服务 Keystone：提供认证和权限管理
Ceilometer ： 提供监控和计量服务
（维护入口） Horizon ： OpenStack 的 人 机 接 口 （服务入口Portal） Ironic：提供对裸机的管理（只管理 资源，不管理运行状态）。 Trove：提供数据库服务。 Heat ： 提 供 针 对 OpenStack 的编 排 服务。
虚拟化基础设施管理技术：
虚拟软件是在上层应用与底层硬件之间额外增加的一层，因此设备虚拟化后对系统性能有额 外开销，需对虚拟机进行功能增强以适应电信级要求
应用
数据读写
客户OS
虚拟化层 存储设备驱动 磁盘 磁阵
主机OS
物理主机
原因1：虚拟化层对读写操作的控制和管理需要一定开销 原因2：越多上层应用，越多并行数据读写 增强方案（CPU隔离、多线程、巨页内存、SR-IOV、DPDK）： 创建VM存储时，尽量减少重读写业务在同一块硬盘上进 行操作 对于重读写VM，提供读写速率较高的固态硬盘 虚拟网卡：使用SR-IOV（单根I/O虚拟化）技术等
12
2、虚拟资源管理OpenStack（1/3）
OpenStack是一个分布式虚拟资源（计算、网络、存储）的管理平台，包括一系列开源 组件和标准接口协议，目前在全球范围内已经成为私有云管理的主流选择，主要厂家的虚拟 化层及VIM均是基于OpenStack的二次开发。
OpenStack is a cloud operating system that controls large pools of compute, storage, and networking resources throughout a datacenter, all managed through a dashboard that gives administrators control while empowering their users to provision resources through a web interface.
中间件 操作系统
虚拟机
ATCA
化软件生成虚拟计算机，供上层应用使用
Hypervisor/虚拟机监控器
关键变化 1 ：新增虚拟化层，即通过虚拟 关键变化 2 ：传统设备中单个网元独享专
用硬件变化为各网元共享通用x86服务器
COTS
6
网络虚拟化后的网络结构图
NFV改变现有通信网络设备软硬件一体化部署模式，使设置在一个数据中心机房
EMS 1
OMC EMS 2 VNF VNF 2 (MME)
虚拟计算 虚拟存储 Virtual 虚拟网络 Storage
Vn-Nf
EMS 3
Ve-Vnfm
VNF VNFM
网络功能层
VNF VNF 1 (CSCF)
NFVI 虚拟计算 虚拟存储 Virtual 虚拟网络 Computing
VNF VNF 3 (…)
硬件辅助虚拟化
都支持 好
可维护性能
典型虚拟机技术
一般
较好
好
KVM、VMware、 XEN
KVM、VMware
XEN
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1、虚拟机技术（3/3）
虚拟技术是云计算的核心技术，虚拟化技术能够提升硬件资源利用率、增强系统的灵活 性。虚拟技术有私有技术、开源技术之分，业界倾向基于开源软件根据通信网需要进行优化 和增强。
14
2、基于KVM+OpenStack的NFV逻辑架构和物理结构对照图（3/3）
APP Guest OS
APP Guest OS
APP Guest OS
APP
APP
Guest OS
Guest OS
VM
VM
VM
VM
VM
VMM (也叫Cloud OS 或者 Hypervisor)
存储节点 网络节点 计算节点 存储节点 网络节点 计算节点