本文系SDNLAB社區(qū)譯者計(jì)劃發(fā)布文章，SDNLAB將與國外優(yōu)質(zhì)媒體和個(gè)人進(jìn)行長(zhǎng)期的內(nèi)容合作，帶來更多的優(yōu)質(zhì)技術(shù)文章，本文是<<網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化：新興的虛擬化網(wǎng)絡(luò)層技術(shù)>> 系列文章的第三篇。
本文譯者：Andy Yu， 現(xiàn)于灣區(qū)一家網(wǎng)絡(luò)設(shè)備供應(yīng)商擔(dān)任PM職位，曾先后在AMD，Dell等公司任職多年。
我們?cè)谥暗南盗欣锩嬗懻摿薕PNFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化的網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)），主要覆蓋了有關(guān)虛擬架構(gòu)和相應(yīng)的支持NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）組織管理。本文將主要介紹組建不同虛擬網(wǎng)絡(luò)功能的開源解決方案。
一個(gè)虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能（ VNF ）能夠運(yùn)行于一個(gè)NFV基礎(chǔ)設(shè)施（ NFVI ），并由NFV Orchestrator（ NFVO ）和VNF Manager編排。 VNF除了定義良好的功能行為外，預(yù)期可對(duì)其它網(wǎng)絡(luò)功能，VNF Manager，EMS和NFVI 提供接口。
商業(yè)軟件和服務(wù)器目標(biāo)所取代的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施范圍可包括防火墻，VPN網(wǎng)關(guān)，交換機(jī)和路由器。 研究者們甚至認(rèn)為幾乎任何網(wǎng)絡(luò)功能都可以被虛擬化。NFV在如今的市場(chǎng)焦點(diǎn)包括交換機(jī)元件，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和應(yīng)用。NFV的典型網(wǎng)絡(luò)功能被認(rèn)為是交換機(jī)元件，運(yùn)營商級(jí)NAT和路由器，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)（回程和接入）的節(jié)點(diǎn)，在家庭/小型辦公室路由器功能，流量分析設(shè)備，IP多媒體子系統(tǒng)（ IMS） ，應(yīng)用層優(yōu)化功能和安全功能。
虛擬EPC和IP多媒體系統(tǒng)
3GPP是為移動(dòng)和融合網(wǎng)絡(luò)功能的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和規(guī)格定義網(wǎng)絡(luò)功能標(biāo)準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)。 LTE是從全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM ）演變?yōu)楸环Q為UMTS系統(tǒng)的早期的3GPP系統(tǒng) 發(fā)展而來的。
最常用于當(dāng)今的LTE移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)被稱為核心分組網(wǎng)演進(jìn)（EPC ），它是由UE ，演進(jìn)的通用陸地?zé)o線電接入網(wǎng)絡(luò)（ E-UTRAN）和EPC核心組成（LTE- ARCH= UE + EUTRAN + EPC） 。在E-UTRAN包括基站，這是所謂的eNodeB （ eNBs） 。EPC包括四個(gè)網(wǎng)絡(luò)單元，即服務(wù)網(wǎng)關(guān)（ SGW） ， PDN網(wǎng)關(guān)（ PGW） ，以及移動(dòng)性管理實(shí)體（MME） [X1] 。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)由大量種類繁多的專用硬件設(shè)備組成。
由于NFV和SDN被引進(jìn)于EPC，上面列出的一些組件正在成為虛擬化過程中，開放的API也正在被虛擬化元件之間引入。在下面的表格中，我們從最小的EPC開始，在隨后的行中為最小的EPC添加越來越多的功能。最后一列顯示了每個(gè)功能的3GPP架構(gòu)組件：
| No. | EPC Functionality with Increasing complexity (from 3GPP ref Architecture) | Components (Additional) |
| 1 | Minimal EPC – LTE accesses only, no PCC (Policy and Charging control) | MME, PDN-GW, S-GW, E-UTRAN, HSS (home subscriber server), EIR, (Optional IMS) |
| 2 | + PCC for LTE accesses only | PCEF, BBERF, PCRF, OCS, OFCS, SPR, AF. |
| 3 | + The legacy GPRS Packet Core and its 2G/3G accesses (co-existence) | 1. GERAN, CS_MGW, MSCS – PSTN.2. UTRAN, SGSN, GGSN – PDNs |
| 4 | + GERAN and UTRAN accesses via legacy SGSN and Gn (during transition to EPC) | (No additional components) |
| 5 | + 2G/3G accesses via evolved SGSN and S4 (target EPC, for 2G/3G/4G accesses) | S4-SGSN. |
| 6 | + Direct user path via S12, and control via S4 for UTRAN only | (No additional components.) |
| 7 | + Voice services: CS FallBack (CSFB) via SGs and SRVCC via IMS and Sv | SCCAS |
| 8 | + Trusted non-3GPP accesses via S2a | 3GPP-AAA-Proxy/Server |
| 9 | + Untrusted non-3GPP accesses via S2b | ePDG |
| 10 | + Access Network Discovery Support Functions via S14 | ANDSF |
IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）是一個(gè)用于提供IP多媒體服務(wù)的體系結(jié)構(gòu)框架。
| IMS Functionalities | Components |
| PSTN gateway | BGCF, IMS-MGW, MGCF |
| User-Profile | HSS, SLF |
| IMS-Core (Call session management) | S-CSCF, I-CSCF, P-CSCF, ECSCF |
| Application Server | TAS, SCCAS, AS |
| Multimedia Resource Function | MRFP, MRFC |
| Border Control | IBCF, TrGW |
| Others (Media Resource Broker, Location Retrieval and Emergency access transfer) | MRB, LRF, EATF |
當(dāng)前存在有相當(dāng)數(shù)量的開源項(xiàng)目來實(shí)現(xiàn)EPC架構(gòu)的各個(gè)組件。下表中列出了一些軟件。然而，需要理解的是，不存在單一的軟件解決方案可以實(shí)現(xiàn)完整的EPC。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，不同的軟件必須合作而且所謂的“膠”被發(fā)明出來從而使得這些軟件可以共同實(shí)現(xiàn)EPC的功能。
| EPC/IMS Component | Open source Software |
| HSS | OpenIMSCore, OpenHSS, Clearwater IMS |
| P-GW | nwEPC |
| S-GW | nwEPC |
| IMS Core | OpenIMS core, Clearwater IMS, |
| PCRF | FreePCRF |
| PCEF | OpenIMS |
| BBERF | –NA– |
| CDF | OpenCDF |
| CGF | Open-CGF |
| ePDG | –NA– |
| AAA | OpenDPS, OpenBloX |
| MME | OpenAirINterface |
| ANDSF | Libdmclient , Funambol DM Server and Client |
| eNB | Openairinterface |
| UE | Openairinterface |
| Network Management | OpenNMS |
| Service Availability | OpenSAF |
| SS7, SIGTRAN, MGCP, VoIP | OpenSS7 |
| BI | Pentaho |
| ERP+CRM | OpenTaps |
| Enterprise Automation | Ofbiz |
| Decision Support System | OpenCDS |
| Billing | jBilling |
| Service Accounting | OpenPortal |
虛擬交換和路由
兩個(gè)最重要的網(wǎng)絡(luò)功能是路由和交換功能。NFV的目標(biāo)是通過運(yùn)行于商業(yè)硬件或虛擬機(jī)上來支持各種標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，例如BGP ＆ OSPF。下面，我們將介紹一些用于實(shí)現(xiàn)交換和路由功能流行的開源軟件。
交換：
Linux網(wǎng)橋：這是一種通過IEEE 802.1D協(xié)議基于軟件的交換機(jī)，自帶的Linux發(fā)行版作為內(nèi)核模塊。它包括FDB （轉(zhuǎn)發(fā)DB） ， STP（生成樹） ，混雜模式以接收所有數(shù)據(jù)包過濾和流量整形支持 - 這使得它比通過硬件實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)橋功能更強(qiáng)大。
OpenVswitch （ OVS ） ： OVS可能是目前最流行和廣泛使用基于軟件的交換機(jī)。它支持OpenFlow，并且可作為一個(gè)通用的交換機(jī)。它包括各種功能，例如asVLAN標(biāo)記， VXLAN ，GRE ，粘接（bonding），基于流的轉(zhuǎn)發(fā)(flow based forwarding)，用戶空間的控制臺(tái)(user space control plane)等。
Lagopus：這是另外一種兼容OpenFlow 1.3的軟件交換機(jī)。類似OVS 一般，它也與Intel DPDK非常匹配。，他們?cè)谒麄兊穆肪€圖中計(jì)劃集成其他控制臺(tái)方案，如Quagga和GoBGP ，對(duì)此我相信會(huì)非常有利于開放的各種用戶解決方案。
Vale/Netmap：類似于Linux網(wǎng)橋和OVS，Vale連接了物理或虛擬網(wǎng)絡(luò)接口。然而，較之其他軟件的交換機(jī)，它擁有更高性能（高吞吐量和低CPU使用率）和可擴(kuò)展性。更好的性能是通過Netmap的API來實(shí)現(xiàn)的，事實(shí)上，Vale 是作為Netmap分發(fā)（distribution）的一部分提供的。
路由：
Quagga：Quagga是個(gè)擁有許多小型后臺(tái)進(jìn)程的集合，每一個(gè)后臺(tái)進(jìn)程都有一個(gè)特定的任務(wù)。這個(gè)任務(wù)可能是運(yùn)行一個(gè)OSPF或BGP等路由協(xié)議。Zebra后臺(tái)進(jìn)程負(fù)責(zé)與內(nèi)核進(jìn)行交互，并提供了一個(gè)簡(jiǎn)單的API （稱為Zserv ）供其他后臺(tái)進(jìn)程使用，所以它們并不需要直接調(diào)用內(nèi)核。其他的后臺(tái)進(jìn)程運(yùn)行各自的協(xié)議。用戶可以配置Quagga，使所有這些后臺(tái)進(jìn)程從同一個(gè)位置查看它們的配置文件，或者單獨(dú)配置每個(gè)后臺(tái)進(jìn)程。
BIRD：BIRD是一個(gè)由布拉格查理大學(xué)數(shù)學(xué)和物理學(xué)院教授們開發(fā)的項(xiàng)目。目前，它由CZ.NIC實(shí)驗(yàn)室開發(fā)和支持。BIRD項(xiàng)目旨在開發(fā)一個(gè)功能齊全的動(dòng)態(tài)IP路由程序，主要是針對(duì)于（但不限于）Linux ， FreeBSD和其他類UNIX系統(tǒng)和GNU通用公共許可證下發(fā)布的系統(tǒng)。它同時(shí)支持 IPv4和IPv6 （需要使用-enable - IPv6來進(jìn)行配置）的， 多種路由表BGP ，RIP，OSPF ，靜態(tài)路由及IPv6路由器公告等。
VYoS：VyOS是一款基于Linux的網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)，它提供基于軟件的路由功能，包括各種OSPF，BGP路由協(xié)議，集成了防火墻和VPN的支持功能。 VyOS其實(shí)是Vyatta（被博科通訊Brocade Communications收購）的一個(gè)分支。
虛擬商網(wǎng)元（個(gè)人網(wǎng)絡(luò)設(shè)備）
研究人員認(rèn)為，雖然核心路由器的虛擬化是不可行的，但是至少在不久的將來，由于高性能（吞吐量）的需求，骨干網(wǎng)邊緣（PE）路由器的虛擬化將是一個(gè)更可行的選擇。
虛擬專用網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)，如L3 VPN的IP （每個(gè)PE設(shè)備的作用就像一組虛擬路由器） ，L2 VPN， EVPN和偽線（pseudowires）在被當(dāng)虛擬化時(shí)，這些功能會(huì)體現(xiàn)出靈活性和可擴(kuò)展性，這將是對(duì)供應(yīng)商的一個(gè)主要收益之處，許多供應(yīng)商已經(jīng)考慮通過執(zhí)行在云中執(zhí)行相同的虛擬化來實(shí)現(xiàn)例如PE的功能。
與PE路由器相類似，寬帶遠(yuǎn)程接入服務(wù)器（B -RAS ）是供應(yīng)商網(wǎng)絡(luò)將各種互聯(lián)網(wǎng)流量來源，如DSL ，有線網(wǎng)絡(luò)，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)和以太網(wǎng)等，而匯聚于一個(gè)單一由從DSLAM設(shè)備出入的網(wǎng)絡(luò)。它可以是一個(gè)簡(jiǎn)單的路由器從核心到客戶端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)包（反之亦然），或一個(gè)復(fù)雜的路由器（通過每個(gè)用戶）實(shí)現(xiàn)IP政策，Qos，包處理（packet manipulation），限制器等虛擬化功能. BRAS的虛擬化功能也被證明 無論是在成本和靈活性/可擴(kuò)展性方面 都有益于 用于網(wǎng)絡(luò)服務(wù)供應(yīng)商。
開源個(gè)人網(wǎng)絡(luò)設(shè)備
之前提到的大多數(shù)路由類開源軟件如路由，如Quagga，VyOS和BIRD，都可以用來實(shí)現(xiàn)眾多PE的功能。這些例如IPtables(netfilter)和Radius-server(freeRADIUS) 之類的軟件都屬于標(biāo)準(zhǔn)Linux發(fā)行版的一部分，可分別用于虛擬防火墻和虛擬AAA 。軟件snort在一些NFV應(yīng)用部署中被用于虛擬入侵檢測(cè)系統(tǒng)（virtual IDS）。
此外，其他的軟件如MPLS-Linux和xl2tp-daemon也可用于虛擬化的PE的功能。最近，AT＆T和愛立信共同通過OpenDaylight控制器提出了基于SDN的L3VPN 。
虛擬CPE
客戶端設(shè)備或CPE是指那些通常位于企業(yè)或住宅寬帶用戶端的網(wǎng)絡(luò)終端設(shè)備，用于與電信服務(wù)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)對(duì)接服務(wù)。通常情況下，服務(wù)運(yùn)營商可以通過從不同的硬件廠商，企業(yè)用戶和住宅用戶來配置和管理客戶端設(shè)備。
如果不使用虛擬化的CPE，每當(dāng)任何新技術(shù)的應(yīng)用，增加新的服務(wù)，或?qū)Π踩裕Ｃ苄院陀?jì)量功能的升級(jí)都可能會(huì)顯著增加服務(wù)運(yùn)營商的成本。
通過虛擬的CPE，大多數(shù)的CPE功能被拉出客戶端并移入運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)（可能是在其數(shù)據(jù)中心） 。這樣產(chǎn)生了一個(gè)“簡(jiǎn)化”的CPE ，CPE充當(dāng)了連接到服務(wù)運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)的簡(jiǎn)單Layer-2轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備。通常情況下，如DHCP ，防火墻，NAT，路由，VPN等服務(wù)通過在運(yùn)營商的數(shù)據(jù)中心作為一個(gè)虛擬機(jī)（ VM）實(shí)例中運(yùn)行的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（ VNFs ）提供。
開源vCPE ：
網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，如DHCP ，防火墻，NAT， DNS（ vDHCP ， VFW ， vNAT ， VDNS ， ） ，都可以通過開源實(shí)現(xiàn)，并且可以作為許多標(biāo)準(zhǔn)的Linux發(fā)行版的一部分發(fā)行。例如， DNS和DHCP可以用dnsmasq來部署。而用于實(shí)現(xiàn)NAT和防火墻的IPtables，一直沒有有針對(duì)于NFV 和致力于構(gòu)建虛擬客戶端設(shè)備的獨(dú)立的開源項(xiàng)目，例如客戶路由器，虛擬機(jī)頂盒和虛擬的家庭路由器。
虛擬訪問網(wǎng)元
駐留在混合光纖的DSL “遠(yuǎn)程”節(jié)點(diǎn)，例如FTTcab和FTTdp ，通常位于街道或建筑物接入網(wǎng)絡(luò)的功能，正逐漸成為虛擬化的熱點(diǎn)。出于經(jīng)濟(jì)上的考量，這些節(jié)點(diǎn)應(yīng)盡量緊湊，具有非常低的功率消耗和非常低的維護(hù)成本。對(duì)這些遠(yuǎn)程節(jié)點(diǎn)的簡(jiǎn)化可以通過對(duì)某些功能如 OLT ， DSLAM ，ONU， ONT ， MDU和DPU等的虛擬化，把復(fù)雜的工作轉(zhuǎn)移到虛擬化環(huán)境來達(dá)到經(jīng)濟(jì)上的可行性。目前盡管還沒有任何開源軟件來實(shí)現(xiàn)這些用于虛擬化的網(wǎng)絡(luò)功能，但一些大型電信運(yùn)營商，如AT＆T，正在朝著虛擬化這些功能的方向努力，我們期望他們?cè)诓痪玫膶硪苍S會(huì)開放源碼，但愿這個(gè)希望能夠早日成為現(xiàn)實(shí)！
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