NFV管理和编排面临的挑战

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文字版：
2016/09/DTPT
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收稿日期：2016-08-09
0引言
近年来，运营商的营收不断减少。一方面是因为
用户日益增长的流量需求需要物理网络进行扩展，这
一部分增加了资本投入和运营支出。另一方面，运营
商之间的竞争以及他们和OTT服务商之间的竞争，导
致运营商无法根据增加的成本提高网络使用费。
网络功能虚拟化（NFV）已被确定为解决该问题的
一个可行方法。NFV通过使用x86等通用性硬件以及
虚拟化技术，通过软硬件解耦及功能抽象，可以充分
灵活共享资源，实现新业务的快速开发和部署，并基
于实际业务需求进行自动部署、弹性伸缩、故障隔离
和自愈等。首先，因为NFS可以在远程进行大规模的
更新和维护，这种更高效的运营使运营成本显著降
低。此外，灵活性的部署更有效地利用了资源，现有
的网络容量也可以支撑更多的用户流量需求，因此也
可以减少资本支出。最后，通过更快和更便宜的部署
和支持新的网络服务，NFV可以提供更好的服务敏捷
性。
这些期望使NFV成了一个新兴的研究领域。欧
洲电信标准协会（ETSI）发起成立了一个新的NFV
ISG（NetworkFunctionVirtualizationIndustrySpecifica⁃
tionGroup），目前已有超过80家运营商、设备供应商、
IT设备供应商以及技术供应商参加该规范工作组。
NFV管理和编排面临的挑战
关键词：
网络功能虚拟化；管理与编排；软件定义网络
doi：10.16463/j.cnki.issn1007-3043.2016.09.015
中图分类号：TN915
文献标识码：A
文章编号：1007-3043（2016）09-0068-06
摘要：
网络功能虚拟化技术实现了网元软件功能与专用硬件设备解耦，使得网络服
务具有敏捷性和可扩展性，降低了资本投入和运营支出，但是NFV在实现工
业部署前仍然有很多困难需要克服。简述了由ETSI提出的NFV管理和编排
框架；介绍了专注于MANO的代表性项目，阐述了它们的特点和与MANO框
架的映射关系；详述了MANO面临的挑战。
Abstract：
BydecouplingNFsfromthephysicalequipmentonwhichtheyrun，NFVpromisestoreduceCAPEXandOPEX，makenetworksmorescalableandflexible，andleadtoincreasedserviceagility.ButtherearemanydifficultiesforNFVtoovercometo
realizeindustrialdeployment.ItbrieflyintroducestheNFVmanagementandorchestrationframeworkproposedbyETSI.It
presentsrepresentativeprojectsthatfocusonMANO，anddiscusestheirfeaturesandrelationshipwiththeframework.Finally，itexpoundsthechallengesforMANO.
Keywords：
NFV；Managementandorchestration；SDN
孙石峰，罗成（广东南方电信规划咨询设计院有限公司，广东深圳518038）
SunShifeng，LuoCheng（GuangdongSouthernPlanning&DesigningInstituteofTelecomCo.，Ltd.，Shenzhen518038，China）
TheChallengesonNFVManagementandOrchestration
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ETSINFV的主要目的是在发展过程的早期实施经验
分享，并将相关的规范输出到相应的标准化组织制订
相关标准。为此，他们已经定义了一个NFV参考架构
以及管理和编排（MANO）的框架和其他一些基础性的
工作。
虽然NFV取得了很大的进展，但仍有许多技术上
的挑战需要克服。其中，管理和编排的挑战已经引起
了特别的关注。主要原因是管理和编排与虚拟网络
功能（VNFs）一样，是确保NFV基础设施（NFVI）被正
确操作的一个关键因素。NFV的管理和编排涵盖对
基础设施虚拟化的物理资源支持、软件资源编排和生
命周期管理以及VNFs的生命周期管理。就像解耦
NFs，NFV需要转变管理模式，从旧有的设备驱动的模
式转移到运营感知的需求模式。显然，NFV要成为一
种成熟的模式需要解决好管理和编排中的主要挑战，
而且需要在当下规范阶段解决，而不能等到将来真正
开始大规模部署时再解决。
本文简述了由ETSI提出的管理和编排框架，接着
介绍了一些代表性的项目，并将他们的功能块映射到
ETSI管理和编排框架上，然后基于以下4个标准研究
了它们的特点。
a）管理方法（集中式、分布式、基于策略的、自我
管理）。
b）管理功能支持（故障、配置、计费、性能和安
全）。
c）范围（功能、服务、网络）。
d）对软件定义网络和云计算的整合。
最后讨论了NFV管理和编排的挑战以及未来的
研究机会。
1ETSIMANO框架
MANO是NFV系统中一个非常重要的部分，它的
作用是管理整套系统，并且快速高效地使用整套系统
的资源。虚拟化实现了底层物理设备和上层操作系
统、应用软件的解耦，而管理与协同系统则要提供一
个可管、可控、可运营的服务平台，使得基础资源可以
便捷地提供给应用，其本质是实现部署、调度、运维、
管理。管理与协同层的功能应包括：虚拟机生命周期
管理、资源监控、虚拟机性能监控、故障管理、虚拟机
动态迁移、负载均衡、资源管理、信息维护等
NFV管理和编排的框架如图1所示。该框架中的
功能块可以被分为3个主要实体。
a）NFV架构层。
b）NFV管理和业务流程。
图1NFV的管理与编排框架
Datarepositories
Virtualnetworkfunctions
NetworkmanagementsystemsNFVmanagementorchestration
Operationsystemsupport、
businesssystemsupportNFVorchestrator（NFVO）
VNFcatalog
VNFinstances
NScatalog
NFVIresources
Elementmanagement
VNF1
VNF2
VNFn
VNFmanager（VNFM）
Virtualresources
Physicalresources
NFVinfrastructures
Virtualizedinfrastruture
manager（VIM）
NFVarchitecturelayersReferencepoints
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c）网络管理系统。
这些实体和组成的功能模块，使用一组定义参考
点连接在一起。NFV架构层包括NFVI和VNFs。
NFVI整合硬件和软件资源成为NFV部署环境，VNFs
实现NFs部署在这些虚拟资源上。
NFV管理和编排实体由3个功能模块组成：虚拟
基础设施管理器（VIM）、NFV编排器（NFVO）和VNF
管理器（VNFM）；4个数据库：NS目录、VNF目录、NFV
的实例和NFVI资源。
VIM：VIM管理和控制NFVI的物理和虚拟资源在
一个域里面。这意味着，NFV架构可以包含1个以上
的VIM，每个VIM管理和控制从一个给定的基础设施
提供的NFVI资源。原则上，VIM可以专门处理特定类
型的资源（如NFVI计算或存储）也可以管理多种类型
的NFVI资源（如NFVI中的节点）。
NFVO：NFVO旨在结合多个函数创建端到端的服
务。为此，该NFVO功能可以分为两大类：资源的业务
流程和服务流程。首先是用来提供服务，通过抽象的
方式支持任何人独立地访问NFVI资源以及VNF/
NFVI资源共享管理下的实例。通过组合不同的端到
端服务原型创作服务编排的交易和网络服务实例的
拓扑管理。
VNFM：每个VNF的实例假定有一个相关的VN⁃
FM。VNFM负责VNFS的生命周期管理。一个VNFM
可能指派给1个或多个相同或不同类型的VNF实例的
管理，包括对某一领域的所有活动实例的一个VNFM
VNF的可能性。
数据存储：数据存储库数据库，将不同类型的信
息在NFV管理和编排。可以考虑4种类型的库。
a）NS目录是一组预定义的模板，该模板定义了
服务如何被创建和部署以及服务和它们的连接所需
的功能。
b）VNF目录是一组描述部署和运行特性的可用
原型模板。
c）NFVI资源库保存可用/分配NFVI的资源信息。
d）NFV实例库保存所有功能和服务实例的信息
在其整个生命周期。
NFV的目标是希望通过广泛采用的硬件承载各
种各样的网络软件功能，实现软件的灵活加载，在数
据中心、网络节点和用户端等各个位置灵活配置，加
快网络部署和调整的速度，降低业务部署的复杂度及
总体投资成本，提高网络设备的统一化、通用化、适配
性。因此，通过明确角色分离手段管理和编排实体协
调，NFV网络管理系统将继续在NFV中起关键作用。
管理与编排实体将处理那些与虚拟化机制有关的服
务，网络管理功能将接管VNFs和潜在的物理节点提
供的特殊网络服务。这些网络管理系统包括网元管
理、操作系统的支持和业务系统支持。
2NFVMANO相关项目
2.1CloudNFV
CloudNFV是一个开放式平台，用于开展基于云
计算技术和SDN的NFV。CloudNFV由3个主要元素
组成：主动虚拟化、NFVO以及NFVM。主动虚拟化是
一个数据模型，它代表服务、功能以及资源3个方面，
由主动式协议和主动式资源组成。主动式资源描述
了基础设施中所有资源的状态，而主动式协议则包含
了描述所有有效NF特征的所有服务模板。协调器具
备相关的策略，而这些策略包含了一系列的服务以及
有效资源的状态管理，确定了服务以及它们之间相互
连接的功能点的位置。
在部署所有资源的服务向主动资源报告它们的
状态和通畅状况后，主动资源的管理流程可以利用管
理信息基础映射这种状态。ETSINFV管理和编排与
CloudNFV之间的主要差别是后者同时将管理和编排
作为能够运行统一数据模型的应用程序。
2.2ExperiaSphere
ExperiaSphere是NFV的一种管理编排模型，它以
开源工具集为基础。模型定义了资源公开服务特征
的方式以及功能分解资源的方式。服务模型然后被
代理所使用，代理会选择1个或多个所需的服务模型
创建一个服务实例。一旦服务实例创建成功，它的状
态就可以通过生命周期进行跟踪。为了实现这些目
的，ExperiaSphere基于2个原理：结构化智能以及操作
导出。
结构化智能使用普遍服务定义语言以及云应用
程序拓扑和编制规范集成去定义服务元素、服务目标
以及基础设施之间的关系。操作导出允许虚拟服务
和资源实现物理化的管理。管理功能利用定义来源
于实际资源状态的变量，从而对服务的虚拟元素起到
作用。
2.3OPENMANO
开放式管理编排是由西班牙电信公司主导的一
项开源项目，其目的是运用强化平台感知原理展开
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ETSINFV管理和编排框架，并处理与性能和可移植性
相关的内容。OPENMANO的架构包含3个主要元素：
OPENMANO、OPENVIM以及图形用户界面（GUI）。此
外，还包含2个与OPENMANO和OPENVIM互动的指
令键入交互界面。
OPENVIM是一个轻量的、NFV指定的直接接入
NFVI中计算机和存储节点的VIM，它具备一个能够创
建基础网络拓扑结构以及增强上述EPA原理的
OPENflow控制器。它向OPENMANO提供了一个以
REST为基础的北向接口，在这里可以提供包括图像、
风格、实例以及网络生命周期管理的增强云服务。
OPENVIMAPI扩展了OPENStackAPI以适应EPA。
2.4OPNFV
OPNFV是由Linux基金会创建并主持的一个开源
项目。其目的是建立一个多运营商可互操作性的
NFV解决方案。OPNFV是一个集成开源参考平台，计
划验证现有的标准规范，改进相关的上游开源项目，
同时在OPNFV和上游项目内开发必要的新功能。特
别需要指出的是，它的核心功能是实现由ETSI提供的
NFV需求。为了实现这个目的，OPNFV于2015年发
布了该项目的第1个版本，被称为OPNFVArno。Arno
是ETSI架构中NFVI和VIM的初步构建。
2.5ZOOM
ZOOM是一个TM论坛项目，旨在改进OSS/BSS模
型自动化供应过程，支持服务部署。项目定期进行一
系列的实践技术演示，每一个演示都由他们“孵化项
目开发”而产生。每一个“孵化项目”有1个或多个网
络运营商以及设备和软件供应商赞助。目前已产生
了9个关注NFV方面的孵化项目，包括混合网络的端
到端自动化管理项目以及在NFV环境下显示动态安
全编排价值和影响力的项目。
表1展示了专注于MANO项目的管理方式、管理
功能和管理范围以及管理领域里的一些异同。
3MANO的挑战
3.1资源管理
用于支持VNF的服务器具有有限的内存、计算和
存储能力。因为在实践中这些服务器可能分布在多
个域中，域间链路容量也是有限的。因此，为了达到
NFV预期的经济规模，必须对实体资源进行有效的管
理。动态、可伸缩性以及自动化是这种资源管理的重
要特征。下面列举3个主要挑战。
a）NFV接入网点位置：第1项是确定NFV接入网
点的位置。在运营商网络节点支持的VNF情况下，确
定哪一个节点子集可以用作NFV接入网位置非常重
要。它可以被表述为一个考虑用户位置为目的以及
服务器安装和维护成本的最优化问题。
b）功能位置：为了组成服务器，必须部署其组成
功能，对有效接入网点处的功能做出决定。这个问题
与虚拟网络嵌入（VNE）有关，因此也适用类似的方
法。为了实现这个目的，功能位置选定被定义为具有
负载平衡和能量守恒等目的的一个数学问题。但是，
任何这样的界定都应该能够考虑功能连接或优先级
需求以避免网络拥塞。此外，虽然目前大部分的NFV
概念验证均基于专用虚拟机支持的每一个VNF，这种
方法无法规模化，特别是对那些用户驻地设备的轻量
函数。在这种情况中，需要调度方法分配虚拟机资
源。
c）动态资源管理：NFV的一个卖点是它具备动态
规模化资源的能力。NFV必须具有增加或减少特定
的功能或分配虚拟机资源的能力。虽然目前的虚拟
或云平台也能够实现这一点，但是许多平台却需要用
户或资源拥有者手动发出。因此，允许网络动态管理
资源的自动化和自我配置机制对于NFV的推广非常
重要。
3.2分布式管理
目前的管理编排方法主要关注集中式的解决方
案，这就造成了可扩展性的限制，特别是服务跨多个
管理域的场景。这主要归因于与大量异构数据源相
表1各NFV项目的特点
管理
方式
管理
功能
管理
范围
管理相
关领域
集中式
分布式
基于策略
自我管理
故障
计费
绩效
安全
功能
服务
网络
SDN
CLOUD
CLOUND
-NFV
√√√√√
EXPERIASPHERE
√√√√√
OPENMANO
√√√√√√√
OPEN
-NFV
√√√√√
ZOOM
√√√√√√√√√√
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关的数据收集和分析产生的延迟以及频繁组织这些
过程执行的日常通信。最终，落后的服务和资源学习
状态并没有为网络重新配置操作留有余地。为了更
好地应对需求动态以及变化的服务需求，需要实行有
效的监控机制，为分布式管理实体提供必要的信息，
实现动态配置变化。分布式决策制定者中支持轻量
合作的通信协议是另一个关键的研究问题。
3.3SDN管理
虽然NFV和SDN并不相互依赖，但是它们却是密
切相关和互补的。NFV和SDN均引入了高等级的动
态性和可伸缩性，从而缩减了管理者的可见性和控
制。因此，传统的管理方法必须进行改善以适应它
们。虽然有些自称是基于SDN的，但是所有调查的项
目和解决方案均关注的是管理虚拟计算基础设施、资
源和功能。同样，从SDN的角度来看，重点是以程序
化的方式管理网络。能够结合两者的管理解决方案，
是目前的一个关键的研究领域。此外，SDN本身的管
理仍然具有开放式的问题，例如控制器的数量、位置
以及在多个控制器管理给定转发元素时如何避免冲
突。在这种情况下，许多已经进行过研究的管理编排
解决方案中都提及的基于策略的管理思想可以进一
步延伸至SDN。
3.4云安全
由于SDN和NFV关注远程网络资源的可编程性
及其功能，因此这也打开了一系列重要的潜在威胁，
如果成功，与非NFV环境相比，将会产生深远的影
响。ETSINFV安全组最近起草了一个文件，该文件阐
述了NFV可能带来的安全威胁，但是它没有提出解决
这些安全问题的建议。由于这份文件的原因，安全部
分目前并没有得到充分的开发。在所有的研究项目
和解决方案中，只有OPEN-NFV提出了一个包含异常
预警、监测以及隔离等安全服务的综合解决方案。在
ZOOM项目中，安全问题的支持分别基于一系列优化
实践或和其他产品整合。
因此，所有的NFV产品都缺乏真正的安全支持。
在这个领域中的重大安全挑战是可以被检测和阻止
的。尤其是多运营商环境中，对TSP竞争对手访问其
他的TSP数据/配置时的全新安全问题。在这种情况
下，相互隔离很重要。
3.5全面管理
大多数解决方案提供了一种执行配置的方式。
只有很少数解决方案会增加性能管理，而且正如上面
所讨论的，只有很少的解决方案同时还提供安全管
理。在大多数解决方案中，计费管理被完全忽略了。
同样，目前没有办法跟踪网络利用率以确保各个部分
能够恰如其分。考虑到NFV所承诺的开放性，这是非
常矛盾的，特别是在一个引入多运营商的世界中，不
同部分在同一设备上通过虚拟化进行共存必然有更
大的难度。
一般来说，整个服务生命周期的管理仍然缺失。
NFV的一个独特卖点是，它承诺建立和删除服务整个
过程的自动化，包括配置、性能优化、故障响应以及记
账等。由于所有产品中缺少了对计费的支持，因此这
项承诺还没有实现。原因之一是计费与遗留的解决
方案往往是相互交错的。因此，为所有的FCAPS功能
提供支持是非常具有挑战性的，但是同时这对于NFV
能够为电信业真正带来改变是非常重要的。
3.6可编程性与智能化
考虑到NFV预想的异构实体资源之间复杂服务
的部署与维护，需要开发一系列的可编程界面，这将
超出当前SDN简单控制和连接资源的功能范围。SDN
解决方案能够根据转发规则控制网络传输的分布。
同时还需要额外抽象应用到计算和储存资源，这样网
络功能才能在多运营商之间具体化，但是还需要具有
配置功能和控制的动态编程界面。
管理编排系统必须足够智能，这样配置操作才能
最大程度地实现自动化，特别是那些对运行能迅速做
出响应的智能方法。在这方面，自动将高级策略转变
为操作参数以及执行配置完整性检查的智能机制至
关重要。
3.7链接性和互操作性
NFV的一个主要目标是打破设备供应商、运营商
以及他们所提供的服务之间的绑定。实现这一目标
的一个关键需求是对互操作性的支持。ETSI在定义
NFV管理编排框架以及组成接口方面取得了显著的
进步，但是仍然需要进行更多的工作实现具有不同功
能的不同运营商之间支持互操作性。互操作性问题
可以在所有调查的项目和解决方案中观察到。例如，
虽然它们均基于ETSI管理编排框架，但是受调查项目
和解决方案均利用定制模块功能和服务代理。这意
味着除非定义清晰的界面，否则不可能从不同的操作
者到单个服务实现连锁功能。这是因为虽然ETSI建
议将VNF以及网络服务描述符作为功能和服务定义
的模板，但是它不能定义实现描述符的数据模型。
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在这一方面，ATIS（AllianceforTelecommunica⁃
tionsIndustrySolutions）已经开始关注信道互操作性、
全新服务描述以及自动化流程方面。虽然ATIS最近
提出了7个针对相同目的的内部运营商使用案例，但
是这些还是通用的描述。特别是，它们并没有定义任
何可以实现这些使用案例的技术要求或解决方案。
4结束语
本文介绍了由ETSI提出的一些NFV管理和编排
代表性项目，简介了它们的功能以及与ETSINFV管理
和编排框架的映射关系。在此基础上，讨论了NFV关
于管理和编排的研究机会和挑战。尽管NFV在ETSI
完成了第1阶段的工作，该管理和编排流程仍然缺乏
实施细则和标准的管理人员以及接口。其结果是，大
多数的预标准化的解决方案事实上都是定制或者创
建自己专有的解决方案，这将有可能导致互操作性问
题。此外，虽然一些已确定的挑战，如安全性已在一
些项目和工业产品中被考虑，其他如自动化的资源管
理还没有被显著关注。
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作者简介：
孙石峰，毕业于长春邮电学院，广东南
方电信规划咨询设计院有限公司副总
工程师，主要从事数据通信网络的规
划、咨询、设计及技术管理工作；罗成，
毕业于深圳大学，工程师，博士，主要
从事物联网和5G方向的研究。
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