面向网络功能虚拟化的加速关键技术研究

发布时间：2020-04-14 01:21

【摘要】：近年来,随着网络业务类型和数量的增长,传统网络中的硬件设备的种类和数量快速增加,企业需要巨额资金购买和部署网络功能;此外,不同的网络设备通常来自于不同的供应商,企业需要配备庞大的专用设备管理人才,由此导致设备的维护成本增加。为了应对以上问题,网络功能虚拟化(Network Functions Virtualization,NFV)技术应运而生,经过虚拟化技术处理,NFV将传统在专用设备上实现的网络功能统一采用业界标准的交换机、服务器和存储平台来实现。标准统一的网络设备将会使得网络的运营成本大大降低,提高了网络的适应性和可扩展性。但是在NFV技术广泛应用的同时也带来一系列问题,系统的性能依赖于通用处理器的性能,在处理一些消耗计算资源较大的业务时,难以满足业务需求。为了克服以上问题,本文开展以下两方面研究。一、为了提高NFV架构的性能,本研究从硬件底层出发提出了灵活高效的硬件加速方案。对于部分原来部署在通用服务器上的功能模块,本研究通过通用加速器件——现场可编程门阵列(Field—Programmable Gate Array,FPGA)来实现。因此,本研究搭建了FPGA加速平台,同时部署了典型的计算密集型功能——硬件数据加密标准加密算法、典型的网络密集型功能——硬件虚拟交换机(Open Virtual Switch,OVS),系统通过控制业务数据流经不同的功能模块,从而实现加速模块的调用。经测试表明,硬件OVS的转发时延最低可达68纳秒(对应帧长为64字节下),远远低于软件OVS以及基于软件的加速方案,可知硬件加速平台在性能上具有巨大优势。此外,本研究通过FPGA部分重配置技术来部署新的功能模块,实现了硬件加速模块的灵活部署,同时有效的节约了硬件资源。二、在实际网络应用场景中,NFV中的硬件加速模块需要与其他部署在通用处理器上的虚拟网络功能(Virtual Network Function,VNF)构成功能服务链,协同为业务提供服务,硬件加速模块和VNF的部署位置会影响服务链的端到端传输时延,从而影响业务的整体时延,因此本研究针对含有硬件加速模块的NFV架构提出了 VNF的迁移算法,通过虚拟机的迁移改变VNF的实际部署位置,从而降低服务链的传输时延,本研究通过遗传算法规划虚拟机的迁移,仿真结果表明,所有服务链的传输时延之和降低了86.4%。综上所述,本研究提出了基于FPGA的灵活硬件加速方案,有效降低了业务处理时延;并且对含有硬件模块的NFV架构提出了合适的虚拟机迁移算法,降低了业务传输时延。本研究从以上两方面实现NFV的加速。
【图文】：

虚拟网络,虚拟化管理,功能,设备价格

Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ＮＦＶＩ）、虚拟网络功能（ＶｉｒｔｕａｌＮｅｔｗｏｒｋＦｕｎｃｔｉｏｎ，邋ＶＮＦ）、网络功逡逑能虚拟化管理和编排（ＭａｎａｇｅｍｅｎｔＡｎｄＮｅｔｗｏｒｋＯｒｃｈｅｓｔｒａｔｉｏｎ，ＭＡＮＯ）邋［ｎ］。三逡逑个部分的具体关系如图１－１所示。逡逑１．

硬件加速,方案研究,性能对比,灵活性

因此本研宄分别对计算密集型业务和网络密集型业务部署加速模块，把逡逑不同的加速模块部署到ＮＦＶ架构中，在原来的ＮＦＶ架构上构造新的ＮＦＶ硬件逡逑加速方案。如图２－２所示，ＮＦＶＩ为上层提供虚拟的存储计算网络资源和加速器逡逑资源，上层应用既可以调用基于软件的ＶＮＦ，也可以调用硬件加速模块，来保证逡逑高可靠性和高性能。ＶＮＦ服务提供商根据诸多方面考量来决定是否调用加速模逡逑块，例如业务对时延的要求，服务性价比等。与此同时，本研究通过软件定义网逡逑络（Ｓｏｆｔｗａｒｅ邋Ｄｅｆｉｎｅｄ邋Ｎｅｔｗｏｒｋ，邋ＳＤＮ）将设备的控制层面和转发层面分离，实现逡逑１１逡逑
【学位授予单位】：北京邮电大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TP393.01

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