网络功能虚拟化：深入探讨虚拟设备

网络功能虚拟化 (NFV) 正在通过将网络功能与专用硬件设备分离，并在标准虚拟化基础设施上以软件形式运行它们，从而彻底改变电信和网络行业。这种转变带来了敏捷性、可扩展性和成本节约，使服务提供商和企业能够更有效地部署和管理网络服务。NFV 的核心在于虚拟设备的概念，也称为虚拟化网络功能 (VNF)。

什么是虚拟设备 (VNF)？

在 NFV 的上下文中，虚拟设备是网络功能的软件实现，该功能传统上在专用硬件上运行。这些功能现在被打包为虚拟机 (VM) 或容器，允许它们部署在标准服务器上并使用虚拟化技术进行管理。VNF 的示例包括防火墙、负载平衡器、路由器、入侵检测系统 (IDS)、会话边界控制器 (SBC) 等等。可以把它想象成将一个专门的硬件盒子变成可以在服务器上运行的软件。

虚拟设备的主要特征：

• 基于软件： VNF 纯粹是软件实现，无需专用硬件。
• 虚拟化： 它们在虚拟机或容器中运行，提供隔离和资源管理。
• 标准基础设施： VNF 部署在标准服务器上，利用现有的数据中心基础设施。
• 可扩展： 可以根据需求动态地将资源分配给 VNF，从而确保最佳性能。
• 敏捷： VNF 可以快速部署、更新和停用，从而加快服务创新。

具有虚拟设备的 NFV 架构

欧洲电信标准协会 (ETSI) 定义的 NFV 架构为部署和管理 VNF 提供了一个框架。它由三个主要组件组成：

• 虚拟化基础设施 (NFVI)： 这是 NFV 架构的基础，提供运行 VNF 所需的计算、存储和网络资源。它通常包括标准服务器、存储阵列和网络交换机。NFVI 技术的示例包括 VMware vSphere、OpenStack 和 Kubernetes。
• 虚拟网络功能 (VNF)： 这些是虚拟设备本身，代表网络功能的软件实现。它们部署和管理在 NFVI 上。
• NFV 管理和编排 (MANO)： 该组件提供用于管理和编排 VNF 和 NFVI 的工具和流程。它包括 VNF 部署、扩展、监控和修复等功能。MANO 解决方案的示例包括 ONAP（开放网络自动化平台）和 ETSI NFV MANO。

示例： 想象一下，一家电信提供商正在推出一项新服务，例如面向小型企业的虚拟化客户驻地设备 (vCPE) 产品。使用 NFV，他们可以在位于其数据中心的标准服务器上部署一套 VNF，包括虚拟路由器、防火墙和 VPN 网关。MANO 系统自动执行这些 VNF 的部署和配置，使提供商能够快速轻松地向其客户配置新服务。这避免了在每个客户所在地发运和安装物理 CPE 设备的需要。

在 NFV 中使用虚拟设备的优势

在 NFV 中采用虚拟设备为服务提供商和企业带来了诸多好处：

• 降低成本： 通过消除对专用硬件设备的需求，NFV 降低了资本支出 (CAPEX) 和运营支出 (OPEX)。标准服务器通常比专用硬件便宜，并且虚拟化技术可以更好地利用资源。降低的功耗和冷却成本进一步有助于节省成本。
• 提高敏捷性和可扩展性： 可以按需部署和扩展 VNF，从而加快服务创新并响应不断变化的业务需求。服务提供商可以快速启动新服务并适应不断变化的流量模式。
• 提高资源利用率： 虚拟化技术可以更好地利用计算资源。VNF 可以共享资源，从而减少过度配置的需求。
• 简化管理： NFV MANO 系统提供对 VNF 和底层基础设施的集中管理，从而简化网络运营。自动化的部署、扩展和修复功能减少了人工干预并提高了效率。
• 更大的灵活性和选择： NFV 允许服务提供商从不同的供应商处选择最佳的 VNF，从而避免供应商锁定。开放标准和互操作性促进了创新和竞争。
• 更快的上市时间： 快速部署和配置 VNF 的能力缩短了新服务的上市时间。服务提供商可以更快地响应市场需求并获得竞争优势。
• 增强的安全性： VNF 可以包含防火墙、入侵检测系统和 VPN 网关等安全功能，从而提供全面的网络保护。虚拟化技术还提供隔离和遏制功能，从而降低安全漏洞的风险。

虚拟设备的部署模型

NFV 中虚拟设备有几种部署模型，每种模型都有其自身的优点和缺点：

• 集中式部署： VNF 部署在中央数据中心中，并由用户远程访问。此模型提供规模经济和简化的管理，但可能会为远离数据中心的用户带来延迟问题。
• 分布式部署： VNF 部署在网络边缘，更靠近用户。此模型可减少延迟并改善用户体验，但需要更多的分布式基础设施和管理。
• 混合部署： 集中式和分布式部署的组合，其中一些 VNF 部署在中央数据中心中，而另一些 VNF 部署在边缘。此模型允许根据每项服务的特定要求优化性能和成本。

全球示例： 一家在世界各地设有办事处的大型跨国公司可能会使用混合部署模型。核心网络功能（例如集中式身份验证和授权）可以托管在欧洲的主要数据中心中。基于边缘的 VNF（如本地防火墙和内容缓存）可以部署在北美、亚洲和非洲的区域办事处中，以提高本地用户的性能和安全性。

实施虚拟设备的挑战

虽然 NFV 提供了显着的好处，但实施虚拟设备也带来了一些挑战：

• 性能： VNF 可能无法始终达到与专用硬件设备相同的性能，尤其是在高吞吐量应用程序中。优化 VNF 性能需要仔细的设计、资源分配和调整。
• 复杂性： 管理虚拟化网络基础设施可能很复杂，需要专门的技能和工具。NFV MANO 系统可以帮助简化管理，但需要仔细的规划和配置。
• 安全性： 确保 VNF 和底层基础设施的安全性至关重要。虚拟化技术引入了必须解决的新的安全注意事项。
• 互操作性： 确保来自不同供应商的 VNF 之间的互操作性可能具有挑战性。开放标准和互操作性测试至关重要。
• 技能差距： 实施和管理 NFV 需要一支拥有虚拟化、网络和软件开发专业知识的熟练 workforce。培训和教育对于弥合技能差距至关重要。
• 旧版集成： 将 VNF 与现有的旧版网络基础设施集成可能很复杂。需要仔细的规划和迁移策略。

实施虚拟设备的最佳实践

为了克服挑战并最大限度地发挥 NFV 的优势，遵循实施虚拟设备的最佳实践非常重要：

• 仔细规划： 制定一项与业务目标和技术要求相一致的全面 NFV 战略。
• 选择正确的 VNF： 选择满足性能、安全性和互操作性要求的 VNF。
• 优化性能： 调整 VNF 和底层基础设施以获得最佳性能。考虑使用硬件加速技术，例如 DPDK（数据平面开发工具包）。
• 实施强大的安全性： 实施强大的安全措施来保护 VNF 和底层基础设施。
• 自动化管理： 使用 NFV MANO 系统来自动化 VNF 部署、扩展和监控。
• 监控性能： 持续监控 VNF 性能并确定需要改进的方面。
• 培训员工： 为员工提供有关 NFV 技术和最佳实践的培训和教育。
• 彻底测试： 在生产环境中部署 VNF 之前，进行彻底的测试。

虚拟设备的未来趋势

NFV 和虚拟设备领域在不断发展。塑造未来的一些关键趋势包括：

• 云原生 VNF： 使用 Kubernetes 等技术转向为云原生环境设计的容器化 VNF。这允许更大的敏捷性、可扩展性和可移植性。
• 边缘计算： 在网络边缘部署 VNF 以支持低延迟应用程序，例如增强现实、虚拟现实和自动驾驶汽车。
• 人工智能 (AI) 和机器学习 (ML)： 使用 AI 和 ML 来自动化网络管理、优化 VNF 性能并提高安全性。
• 5G 及更高版本： NFV 是 5G 网络的关键推动因素，允许虚拟化核心网络功能和部署新服务。
• 开源： 越来越多地采用开源 NFV 解决方案，例如 ONAP 和 OpenStack。
• 网络切片： 创建针对特定应用程序要求量身定制的虚拟化网络切片的能力。

全球趋势示例： 全球 5G 网络的兴起在很大程度上依赖于 NFV。不同国家/地区的运营商（例如，韩国、美国、德国）正在利用 NFV 来虚拟化其 5G 核心网络，使他们能够以更大的灵活性和效率提供新服务。

结论

虚拟设备是网络功能虚拟化的一个基本组成部分，在成本节约、敏捷性和可扩展性方面提供了显着的好处。虽然实施 VNF 会带来挑战，但遵循最佳实践并及时了解新兴趋势可以帮助组织充分释放 NFV 的潜力。随着网络格局的不断发展，虚拟设备将在支持下一代网络服务和应用程序方面发挥越来越重要的作用。NFV 的成功实施依赖于一种整体方法，该方法考虑了转型的技术、组织和技能相关方面。