CN106452842A - 网络功能虚拟化中介系统架构 - Google Patents
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Abstract
本发明一种网络功能虚拟化中介系统架构，该架构包含：NFV基础架构；中介系统；其通信连接NFV基础架构，取得NFV网络中的信息用以制定决策输出至NFV基础架构；中介系统包含：网络管理系统，其分割网络功能虚拟化环境区域，按需求配置不同区域的网络功能；NFV管理系统，其管理网络功能虚拟化环境区域中所有虚拟网络功能的运作模式与流程，划分用户的优先等级，根据优先等级配置相对应效能的虚拟机；资源管理系统，其监视并根据网络功能虚拟化环境区域内虚拟机使用情况，调整虚拟机的使用人数、负载转移和开关。本发明提供网络管理者一个容易管理及人力资源与建置成本低的网络环境，提升用户的网络服务质量，降低网络管理人员于建设及管理网络还境的难度。
Description
技术领域
本发明涉及一种网络技术，具体涉及一种网络功能虚拟化中介系统架构。
背景技术
目前，在传统网络中，网络建置完毕后其修改与维护管理皆不容易，当若有新兴网络功能需求时，需要修改网络的配置，如需安装NAT时，需修改后端设置NAT装置所在位置的网络连接配置与设定，以及终端用户连接的设置，而若需修改为于中央网络之网络功能，如防火墙，需修改的不仅仅只是末端设计，而需修改较大范围的网络设计，这过程容易造成人为疏失，且装置设定错误造成网络瘫痪的可能性也有。当发展新兴网络功能时，将其推出至市场需要很长的时间，且建设网络功能时，也需营运成本与资金成本。
随着网络技术的蓬勃发展，网络服务型态也随之改变，信息化的演进及物联网环境带动，使现今数据储存、运算与服务方式纷纷走向虚拟化与云端化，软件定义网络以及网络功能虚拟化技术将成为未来重要的发展趋势。在现今通讯技术的快速发展下，于高科技的时代中，人们对于网络的需求与日俱增，并随着网络通讯技术的蓬勃发展，导致现今网络服务型已随之改变，现今数据储存、运算与服务方式纷纷走向虚拟化与云端化，过去传统网络架构与服务方式逐渐不符合需求，从因特网服务供货商、通讯服务运营商、网络技术研发单位、网络管理维护者、企业到一般终端用户，皆期望能建构出新一代的网络基础架构，以因应现今网络服务多样化之需求，而软件定义网络(Software-Defined Networking,SDN)技术与网络功能虚拟化(Network Function Virtualization,NFV)技术即为能够解决问题的方法。
由于云端化与虚拟化的模式运作，多样化与复杂化的功能服务也随之发展，为提供较佳的服务质量且多元化与客制化的网络服务，网络服务营运商必须部署多样化的专业网络设备及相应的软件平台，以支持各种不同的网络使用需求。然而目前网络建置方式多为基于硬件(Hardware-Based)的建置方式，不同硬设备间时常有着兼容性上的问题而造成无法互通之情形，这将造成网络服务营运商在规划多元化与客制化的网络服务时，往往需投入大量的时间及成本寻找适合的解决方案，而在网络服务专属的硬设备增多的同时，也提高了所须建置网络环境的复杂度，在进行部署、整合与维护等作业的困难度也相对提高，导致传统网络模式愈来愈不能满足用户对于网络的需求。
SDN技术与NFV技术能够很好的解决上述问题。相较于传统的网络，SDN基础架构将网络分作控制层(Control Plane)与数据层(Data Plane)，并运用集中化的管理方式，提供一个可程序化、更灵活且更方便网络管理与设置的环境。NFV技术透过标准IT虚拟化技术，将多种类型的网络服务虚拟化，以整合多类型的网络服务专属的硬设备，透过以基于软件(Software-Based)的建置方式代替基于硬件的建置方式，将常用之网络功能软件化的方式实现，执行于各类型之标准服务器硬件上，用来降低网络建设的复杂度，提升网络配置的效率。NFV技术亦解决网络功能专属设备间兼容性的问题，减少了网络建置之难易度，且透过NFV技术的运用，根据用户所需之要求于网络环境中配置相对应之网络功能，达到快速部署客制化网络功能建置的目的，也可提升网络功能的维护效率。
发明内容
本发明提供一种网络功能虚拟化中介系统架构，提供网络管理者一个容易管理及人力资源与建置成本低的网络环境，提升用户的网络服务质量。
为实现上述目的，本发明提供一种网络功能虚拟化中介系统架构，其特点是，该架构包含：
NFV基础架构，其包含网络功能设备的虚拟机；
中介系统；其通信连接NFV基础架构，取得NFV网络中的信息用以制定决策，并将决策输出至NFV基础架构让其运行；
上述中介系统包含：
网络管理系统，其管控网络功能虚拟化环境区域的规划与整合，通过网络功能虚拟化环境区域的分割，按需求配置不同区域的网络功能；
NFV管理系统，其管理网络功能虚拟化环境区域中所有虚拟网络功能的运作模式与流程，划分用户的优先等级，并根据优先等级配置相对应效能的虚拟机；
资源管理系统，其监视并根据网络功能虚拟化环境区域内虚拟机使用情况，调整虚拟机的使用人数、负载转移和开关。
上述网络管理系统包含服务范围选择模块，服务范围选择模块提供网络服务的范围区域选择；当用户有网络服务需求时，根据用户要求的网络功能的位置，设定网络功能范围区域，并在服务链建立时，根据设定的网络功能范围区域，配置对应的虚拟机群组到服务链参考依据中，协助服务链的建设工作。
上述网络管理系统在网络功能服务链建设前，查询数据库取得预设的用户需求网络功能范围区域，判断需配置网络功能虚拟机的范围区域，配置对应范围区域虚拟机群组。
上述NFV管理系统包含：
优先权权利处理模块，其设置用户等级，根据用户等级配置相应的网络资源；
服务链结模块，其连接优先权权利处理模块，根据虚拟机使用率配置网络资源，虚拟器以资源由高到低的顺序配置入网络功能服务链。
上述优先权权利处理模块判断拥有网络功能服务需求的用户等级为高等类型或一般类型；查询用户等级所对应网络功能虚拟机的相关数据，配置相应等级的虚拟网络功能群组给用户，并将配置信息输出至服务链结模块作为网络功能服务链建设的判断依据。
上述服务链结模块计算所有虚拟机目前资源的使用率，选择提供最大资源的虚拟机并配置于网络功能服务链；重复上述流程直至所有要求的网络功能配置完毕，将配置结果输出至NFV基础架构。
上述资源管理系统包含：
资源分配模块，其根据门坎值调整网络资源，提高负载多的虚拟机的资源；
监视模块，其记录使用者网络资源使用信息，作为配置网络功能的依据。
上述资源分配模块判定低于门坎值下限的虚拟机处于轻载状态，降低轻载状态虚拟机的网络资源配置；高于门坎值上限的虚拟机处于重载状态，提高重载状态虚拟机的网络资源配置；处于门坎值上限与门坎值下限之间判定为正常状态，不进行网络资源调整。
上述监视模块记录使用者的信息包含：用户等级、区域和网络功能。
上述NFV基础架构与中介系统之间通过NFV沟通组件通信连接。
本发明网络功能虚拟化中介系统架构和现有技术相比，其优点在于，本发明发展网络功能虚拟化中介系统，处理整体网络功能虚拟化网络环境的控制管理与决策规划，透过网络功能虚拟化沟通组件与网络功能虚拟化基础架构进行通信，收集网络功能虚拟化网络环境信息与决策的指派，并展出三大管理系统，分别为网络管理系统、NFV管理系统、资源管理系统，网络管理系统用于管控网络功能虚拟化环境区域的规划与整合，通过网络环境区域的分割，依需求配置不同区域的网络功能，提升网络效益；NFV管理系统主要管理网络环境中所有VNF之运作模式与流程，包含了网络功能群组类别的挑选、不同效能VNF容器的分配策略、网络功能原件的挑选以及VNF串接方式等作业；最后，资源管理系统负责监控整体网络功能虚拟化环境，解决VNF容器之异常状态，提升VNF容器之运作效率，网络功能虚拟化中介系统通过三大管理系统的相互配合，为网络功能虚拟化环境提供规划与决策，实现高效能与高可靠度的目的；
本发明于网络功能虚拟化系统中提出了网络功能虚拟化的服务链建设的网络功能配置机制与网络功能虚拟机资源调整机制，分析环境中网络功能的效能，拟定出最小成本网络资源之服务链建设方式，提升网络功能服务的效益。也将针对现存之网络功能进行监控，取得网络功能之效能分析结果，依据网络功能的状态进行负载的再分配，降低网络功能提供效率不彰之问题，本专利所提出的网络服务管理机制与未使用本机制的网络功能虚拟化技术相互比较下，有效解决各网络功能服务提供的瓶颈。
附图说明
图1为网络功能虚拟化中介系统架构的实施例一的结构示意图；
图2为基于组件的网络功能虚拟化中介系统架构的结构示意图；
图3为服务范围选择模块的区域选择方式的示意图；
图4为服务范围选择模块的执行流程图；
图5为服务范围选择模块的运作的时间序列示意图；
图6为优先权利处理模块的接线示意图；
图7为优先权利处理模块的执行流程图；
图8为优先权利处理模块的运作的时间序列示意图；
图9为服务链结模块的接线示意图；
图10为服务链结模块的执行流程图；
图11为服务链结模块的运作的时间序列示意图；
图12为监控模块的执行流程图；
图13为监控模块的运作的时间序列示意图；
图14为资源分配模块的资源分配方式示意图；
图15为资源分配模块的门坎值设定示意图；
图16为资源分配模块的执行流程图；
图17为资源分配模块运作的时间序列示意图。
具体实施方式
以下结合附图，进一步说明本发明的具体实施例。
本发明公开了一种基于组件(Component-Based)的网络功能虚拟化(NetworkFunction Virtualization，NFV)中介系统架构，通过网络功能虚拟化技术改善了传统网络建设新兴网络功能遭遇的问题，标准虚拟化技术的运用，将网络功能进行虚拟化，将其执行于服务器上，改变网络功能的提供方式，减少人为疏失以及维护管理不易的问题。网络管理者仅仅需要管理虚拟网络部分，大大的减少人为疏失的可能性，当新兴网络功能推出时，由于虚拟化的成果，也减少了推出至市场的时间，也降低了营运商对于网络功能的营运成本与资金成本。
如图1并结合图2所示，为基于组件的网络功能虚拟化中介系统架构的一种实施例，该架构包含：NFV基础架构100以及中介系统200。中介系统200用于处理整体NFV网络环境的控制管理与决策规划，NFV基础架构100用于依据策略进行NFV网络环境的相关设置，其彼此间能够透过NFV沟通组件300(NFV Communication)进行通信，收集NFV网络环境信息与决策的指派。
NFV基础架构100由各式实体设备组合而成，主要构成组件依功能可分作运算资源、储存资源与网络资源，透过虚拟化技术的运用，将各式硬件资源虚拟化成相对应的虚拟资源，并通过虚拟机监控程序(Hypervisor)的帮助，利用已虚拟化的虚拟资源建设出虚拟机以运行虚拟网络功能(Virtual Network Feature，VNF)来提供服务。建设网络功能虚拟机(VM)前，将预先于虚拟层级中建立各式网络功能服务的模板，并于后续需要部署网络功能时，能够运用模板快速的建立含有对应VNF的虚拟机实体(Instance)，并通过所创建的实体提供网络功能服务，提升网络服务的提供效率。Hypervisor负责控制管理NFV网络环境中的虚拟机，当中介系统200有监视资源运用情形要求时，能够收集虚拟机使用状态信息，以回报中介系统200提供纪录使用，于网络服务建置时，透过中介系统200规划的服务链，运用组件管理能力进行VNF的统合整理，将设定的虚拟机进行串接，提供完整的网络服务。
中介系统200为本发明最重要的模块，中介系统200的工作主要为NFV网络环境进行整体订定与控管，运用NFV沟通组件300与NFV基础架构100之间进行通信，取得NFV网络中的各式信息用以制定决策，也将决策交付于NFV基础架构100让其实行。中介系统200主要分为网络管理系统210、NFV管理系统220以及资源管理系统230等三大管理系统以及NFV数据库240，各自管理不同的功能事件，提升NFV网络的效益。
网络管理系统210包含服务范围选择模块211用于管控网络功能虚拟化环境区域的规划与整合，通过网络环境区域的分割，依需求配置不同区域的网络功能，提升网络效益。于服务范围选择模块211(Region Selection)中，管理人员预先规划环境区域，将环境分成若干区域，并为其标上卷标，当用户有网络功能服务要求时，判断用户要求的网络功能设置区域，并于配置网络功能时，依设定配置对应区域类别的网络功能服务，通过不同范围网络功能服务的相互配合，提升网络运作效益。
NFV管理系统220包含优先权利处理模块221和服务链结模块222，主要管理网络环境中所有VNF的运作模式与流程，包含了网络功能群组类别的挑选、不同效能VNF容器(虚拟机)的分配策略、网络功能原件的挑选以及VNF串接方式等作业，通过优先权利处理模块221(Priority Handler)分析用户的优先等级，将其化分为高等优先权用户(High PriorityUser)以及一般用户(Normal User)，并为其配置相对应效能的VNF容器(虚拟机)，以确保高等优先权用户能有良好的服务质量。而服务链结模块222(Service Chaining)则执行NFV服务链的建置工作，从决定优先权等级与区域范围的群组中，获取群组内虚拟网络功能的使用情形，依据资源使用的情形选择较好的VNF实体，在用户要求之全部网络功能服务配置完毕后，运用所配置之网络功能实体规划建置较为适当之服务链，提供使用者一个较高的服务质量。
资源管理系统230包含资源分配模块231和监视模块232，为进行网络功能相关设备组件的资源的控管系统，由基础架构提供使用者使用的各个VNF虚拟机中，其负载多少不一，当太多使用者使用同一VNF虚拟机时，将会发生重载情形，而或者开启的VNF虚拟机使用人数过少，则将造成资源被占用而产生浪费情况，资源分配模块231(ResourceAllocation)负责进行虚拟资源的分配，调整每个虚拟机提供使用者服务的人数，进行虚拟机的负载转移与开关，藉此减少资源的浪费，并提高用户使用网络服务的体验。监视模块232(Monitor)固定时间监视NFV系统环境，并记录于数据库，当发生虚拟机长时间于轻载或重载的情形时，向发出资源分配模块发出调整请求，提高设计系统之执行效率，实现高效能与高可靠度之目的。
本发明运用网络功能虚拟化技术于软件定义网络之中，控制器(Controller)主要掌管实体网络部分，而中介系统220负责虚拟网络的部分。中介系统220依据网络环境状态与网络功能使用情形进行服务链的建设与网络功能间资源使用的调整，Controller依据中介系统220的规划，进行实体网络的建置规划，让网络服务能够顺利的提供，通过软件定义网络与网络功能虚拟化之间的相互合作，实现本发明设计一种高效能与高可靠度之网络功能虚拟化网络系统，提供网络管理者一个容易管理及人力资源与建设成本低的网络环境的目的。
网络管理系统210主要管理网络环境运作的工作，由于网络环境十分庞大，为了让网络功能虚拟化能够更加顺利的运作，将其分割成许多小区域以方便管理环境，通过分区网络的方式，将网络分成本地(Local)与全球(Global)等区域，为其配置适当的网络功能于区域中，当用户有网络服务使用需求时，透过其要求网络公能判断运作位置，将其配置于所属区域，由此提升网络工作效率。
服务范围选择模块211主要管理网络环境范围的区分，由于网络环境的规模十分巨大，为了管理的方便与提升服务提供的效率，运用将网络环境分割成许多区域提供管理的方式，藉此提升运作效率。
如图3所示，将网络环境是先分隔成许多区域，为不同区域订定不同网络功能服务提供的类型，将其分作Local与Global等区域，作为画分区域的依据，管理人员能够依照如公司部门、所在楼层或位置、不同工作室等分类，将其分配成与多不同的区域。服务范围选择模块用于提供网络服务的范围区域选择，当用户有网络服务需求时，根据用户要求之网络功能的位置，决定配置网络功能的范围区域，服务范围选择模块于服务链建立的时候，依据设定之网络功能范围区域设置，配置对应之虚拟机群组于服务链参考依据中，协助服务链的建设工作。
如图4所示，为服务范围选择模块的执行流程，为了完成网络范围区域选择设置之运作方式，于网络功能服务链建设之前，服务范围选择模块查询数据库取得已设定完成的用户需求网络功能范围区域设置表，了解该用户针对其要求网络功能所需配置的相对位置，以及该网络功能的运作区域，规划出完整的网络功能环境拓朴，判断需配置网络功能虚拟机的范围区域设定，决定分配的虚拟机范围区域群组。搜集目前网络功能虚拟化环境下，所有相对应的网络功能虚拟机的相关数据，配置对应之范围区域虚拟机上定，最后将收集与决策的信息交由优先权利处理模块进行接续工作。
其中，网络功能顺序列表为：预先定义之网络功能于服务链中的排序模式，依照网络运作的原理、网络七层中的相对位置、以及管理人员对于网络状态作为依据，决定出较为适当的网络功能排序模式，如当有网络功能(NAT、防火墙以及路由器等)进行注册时，依据上述规则订定排序，为NAT、防火墙以及路由器分别设置排序等级为1、2、3，若某一个用户有防火墙、路由器以及NAT等网络功能需求，则能依据预先定义好的排序方式快速部署网络功能。
如图5所示，表示了网络管理系统中服务范围选择模块运作的时间序列，其运作方式如下：
步骤1、用户有网络功能使用建设需求，将此需求送往中介系统之服务范围选择模块。
步骤2、服务范围选择模块接收用户要求，依照用户需求进行数据库查询范围区域群组信息，进行范围区域群组(Local或Global)选择。
步骤3、数据库将结果回传至服务范围选择模块。
步骤4、服务范围选择模块通过数据库查询结果，选择并配置适当之网络功能虚拟机范围群组(Local或Global)。
步骤5、范围群组配置完毕后，进入优先权利处理程序。
通过上述的运作，以实现服务范围选择模块的工作。
NFV管理系统主要目的为针对本发明设计架购之网络功能进行管理工作，为环境中网络功能服务规划运作模式与流程方法。于用户有网络功能服务请求时，NFV管理系统为用户规划其网络服务的的提供，依不同用户优先等级分配不同资源之网络功能，以确保高优先权使用者能够拥有较好的服务质量。于提供网络服务时，依据用户的需求选择对应之网络功能，依据预先定义之网络功能排序顺位，决定网络功能服务链之串接方式，并于设置之服务链中，配置适当之提供虚拟网络功能对应虚拟机，藉此提升网络功能服务的效率，减少虚拟机产生重载的情形发生。NFV管理系统主要由两大模块所构成，分别为优先权利处理模块以及服务链结模块，通过这两个模块的相互合作，为使用者提供较为适当的网络服务，完成NFV管理系统的目标工作。
优先权利处理模块主要用于处理提供用户拥有使用网络功能的需求时，配置含有对应虚拟网络功能虚拟机等级的选择。网络服务的使用，如同使用网络传输的情形相同，并非所有使用者能够分配到的资源情形皆能够相同，为确保特定用户，如国家等级的用户、有特殊需求而申请者等，能够拥有较好的服务质量。本发明将网络服务用户分为一般用户与高等用户两大等级，亦将虚拟机分为一般类型(Normal)以及高等类型(Preferential)两种不同类型，分别分配不同多寡之资源于对应虚拟机中，以提供不同等级用户进行使用，如表1所示。
| 虚拟网络功能等级类型 | 运算资源 | 可接受之使用者人数 |
| 高等类型VNF | 多 | 限制最大人数 |
| 一般类型VNF | 少 | 不设限制 |
表1 VM分类
在不同类型的虚拟机中，一般类型虚拟机所配置的运算资源较少，以及并未设置能够接受使用者的人数，当虚拟机发生重载时，通过资源重新调整以解决负载问题；而高等类型虚拟机与一般类型相反，配置较多的运算资源，并设置能够接受使用者的人数，通过较好资源的配置与人数的限制，减少资源重新调整的发生率，以确保高等用户能够在任何时候接有较良好之服务质量。通过虚拟机等级划分，用来解决如图6左侧中无法为特定使用者提供较好服务之困扰，以图6右侧的方式提供同类型之虚拟机予不同等级的用户使用，分离不同等级的用户，以管理不同等级用户运用网络资源的配置，给于高等用户较好服务的保证。
如图7所示，为优先权利处理模块执行流程，为了实现使用者分级的运作，优先权利处理模块运用数据库查询中记录用户信息之数据表，判断拥有网络功能服务需求的用户的分级，决定分配给其的网络功能虚拟机群组需为高等类型或者是一般类型。查询目前网络功能虚拟化环境下，所有相对应的网络功能虚拟机的相关数据，配置正确的虚拟机等级给用户，最后将收集与决策之信息交由服务链结模块进行网络功能服务链建设的判断依据。
如图8所示，表示了优先权利处理模块运作的时间序列，其运作方式如下列：
步骤1、优先权利处理模块依照用户的需求进行数据库查询，以获得使用者之优先类别群组信息，进行优先类别群组(Normal,Preferential)的选择。
步骤2、数据库将查询的结果回传至优先权利处理模块，以提供判断使用。
步骤3、优先权利处理模块通过数据库查询结果，选择并配置适当之NFV优先类别群组(Normal,Preferential)，提供服务链建设的判断依据。
步骤4、范围群组配置完毕后，将数据转交至服务链结模块，以进行服务提供的实现。
通过上述的运作，以实现优先权利处理模块的目的。
服务链结模块用于处理用户要求的网络功能服务链的配置与实现，提供用户一个较佳的提供服务的方式，建设服务质量较好的服务链，满足用户对于网络功能服务得需求，由于用户对于网络功能服务有着各式各样的要求，为了满足用户不尽相同的服务，如何提供一个较佳的服务链为一项重要的项目。
如图9所示，网络功能服务的提供，需考虑到网络服务之间的连贯性以及功能执行的顺畅性，服务链结模块将运用用户事先规划要求决定需配置的网络功能，运用网络功能顺序列表决定网络功能的配置顺序，于配置的网络功能中，计算包含对应网络功能之虚拟机群组(VM Group)中所有虚拟机目前可提供资源的总量，运用计算结果筛选出目前闲置资源量最多的虚拟机，将其配置于建设的服务链中，并于NFV基础设施下实现设计的网络功能服务链，提供用户使用。
如图9上方所示，在未导入服务链结模块时，网络功能服务链的建设模式并非以最佳规划的方式进行建设，这将导致提供网络功能服务的虚拟机容易进入重载状态，并频繁的触发资源重新配置的需求，进而造成网络功能服务提供效率不彰。
如图9下方所示，而于导入服务链结模块后，针对包含目前配置对应的网络功能虚拟机进行解析，从而挑选出使用率较低的虚拟机，减少资源重新配置的次数，提升服务使用效率。
如图10所示，为服务链结模块的执行流程。为了实现较优良之网络功能服务链的建设，服务链结模块查询数据库以取得用户所需的网络功能类别，并依照网络功能顺序列表的序列规划，决定网络功能先后执行的排序，规划出服务链的基本执行型态。于规划服务链中网络功能的执行顺序后，计算出整体所需之VNF数量，并依序为其配置含有对应功能之虚拟机。再配置对应网络功能虚拟机中，运用下述式(1)和式(2)，计算出每个虚拟机目前资源的使用率以及可提供的资源量(Resi)：
其中，为第i台拥有对应网络功能虚拟机器目前得使用率，方程式中与分别表示了第i台虚拟机器目前的网络吞吐量以及其最大网络吞吐量，并计算出目前网络吞吐量使用的百分比；表示了第i台虚拟机器目前的CPU使用率。
主要选取目前所有拥有对应网络功能虚拟机器中，其可提供资源量最多者，以配置于服务链中。Resi表示了第i台虚拟机器目前能够提供的资源量。
当所有含有对应网络功能虚拟机街计算完毕后，挑选出能够提供最大资源的虚拟机并配置于网络功能服务链之中。当前网络功能配置完毕后，依序配置下一个网络功能，重复进行计算虚拟机目前资源的使用率以及可提供的资源量，以及配置够提供最大资源的虚拟机于服务链中支动作，直至所有要求之网络功能配置完毕的时候。当所有网络功能配置完毕后，将配置结果送往往路功能虚拟化基础架构，以实现设计的服务链，并将结果纪录于数据库中，以便监视与其他模块的使用。
如图11所示，为服务链结模块运作的时间序列，其运作方式如下：
步骤1、服务链结模块运用配置之虚拟机群组(Local/Global+Normal/Preferential)，依照用户需求进行数据库查询，以进行服务链的串接。
步骤2、数据库藉回传查询之相关虚拟机数据查询。
步骤3、运算对应网络功能虚拟机能够提供之资源量，并将可提供的资源量最大之虚拟机配置入服务链中。若尚有未配置完成之VNF，则重复步骤1配置下一个VNF，将全部所需VNF配置完毕后，规划出较好的服务链。
步骤4、配置完毕后针对NFV环境进行设置，建设符合使用者要求之服务链。
通过上述的运作，以实现优先权利处理模块的目的。
资源管理系统主要用于管理本发明中设计的架构基础设施与网络功能相关设备组件，进行所有网络功能容器(虚拟机)资源分配的调整，以及针对网络功能虚拟化基础架构的使用情形进行监视的动作。为了减少资源的浪费，提供服务的虚拟机设计为动态的调整模式，网络功能服务提供时，通过服务链结模块建设网络功能服务链，然用户使用网络功能的情形并非永远不变，网络功能的修改、目前使用中的人数等皆会随着时间而改变，这将造成网络功能虚拟化环境下各个虚拟机的负载将多寡不同，当太多使用者使用同一VNF虚拟机时，将会发生重载情形，这将导致网络功能虚拟机运用负荷太重，降低服务提供效率，而当虚拟机使用者不需要时，也将产生轻载现象，造成了资源被占用而产生浪费的情形，因此为其调整配置与监视整体环境将是一个重要的工作。资源管理系统主要由两大模块所构成，分别为资源分配模块以及监视模块，通过这两个模块的相互合作，管理网络功能虚拟化资源运用与配置，提供NFV管理系统较好的服务链建设运作。
监视模块：由于用户使用网络功能的情形会随着时间而改变，新增、移除、修改、使用网络功能的负载量等因素导致网络功能的使用状态皆不固定，为了提升网络功能虚拟化环境的效率，随时监视整体环境的情况并随之调整将是一件十分重要的事情。于网络虚拟化环境建设时，收集用户对于网络功能的要求，并依照其所需求建设网络环境，才能够让使用者拥有较好的服务质量。就由数据库收集并记录用户对于网络功能的需求，并纪录配置结果，就由数据库的运用，让网络功能服务链的建设与虚拟机资源分配调整能够有一个判断的依据，改善网络环境。
为了满足用户对于网络功能的需求，网络功能虚拟化环境必须能够依照要求配置网络功能服务予用户，为了能够正确的提供对应要求的服务，管理人员能够对服务使用者进行注册动作，将其信息与要求记录于数据库中，其记录信息如表2所示。当为使用者进行注册时，将分配给使用者一个独特的标识符以作识别，即为使用者标识符(User ID)，由于为了确保特定用户等申请者拥有较好的服务质量，而将用户区分为一般用户与高等用户，每个用户的优先权利等级不同，亦将其记录于数据库中，最后记录用户所要求的网络功能，以确保能够正确的提供服务。
| 用户识别码 | 权利等级 | 虚拟网络功能 |
| 1 | 高等用户 | NAT,防火墙,路由器 |
| 2 | 一般用户 | 路由器,防火墙 |
| 3 | 一般用户 | NAT,路由器,防火墙 |
| 4 | 高等用户 | NAT,防火墙 |
| 5 | 高等用户 | 防火墙 |
| … | … | … |
| n | 一般用户 | NAT,路由器,防火墙 |
表2 NFV用户资料
由于使用者所使用到的范围皆非固定，用户使用网络功能服务时，其可能跨越多个范围，因此运用如表3纪录了用户要求的网络功能配置的范围信息，并运用于服务链建设当中。
表3用户要求的网络功能配置的范围信息
为建立网络功能服务链，服务链的建设排序方法有许多种类，为了提供较好的网络功能服务链建设方式，将虚拟网络功能依据网络服务提供于OSI模型分层层级的运作方式以及传统网络执行顺序进行编排，为每一个网络功能排入独特的排序编号，让网络功能服务链建设的时候，能有个服务功能串接顺序的依据，建设完善的服务链，降低网络服务提供错误的机率，其示意如表4所示。
| 虚拟网络功能类型 | 虚拟网络功能排序顺位 |
| NAT | 1 |
| 路由器 | 2 |
| 防火墙 | 3 |
| … | … |
| VNF K | K |
表4 VNF订单资料
运用虚拟机提供网络功能服务，然虚拟机的负载随着时间而改变，使用者的数量也亦跟着改变，为了解决虚拟机重载与轻载的情形发生，势必需要监视环境中虚拟机的运作状态，此外亦可提供服务链建设的参考。
表5监视数据
如表5所示，表示了监视纪录的结果，在每个虚拟机上为其设置独特的标识符，即虚拟机标识符(VM ID)，并标记其提供使用的用户对像等级、提供范围区域与网络功能类型等信息，让服务链的建设工作能够运用这些信息决定配置于服务链中的虚拟机后补成员，也可用于资源重新分配作中选取可接收转移负载虚拟机对象的依据。此外亦记录了虚拟机目前的CPU使用率与网络吞吐量信息，提供算法运算的使用数据，完成负载转移与服务链配置对象的工作。最后也将时间信息纪录于数据库中，记录了初始记录的时间(Tinitial)以及最后更新的时间(Tupdate)，其可作为是否需要执行资源重新分配工作得依据。
如表6所示，当网络服务建设完毕的同时，也将所配置的网络功能虚拟机记录于数据库之中。每个用户要求支网络功能接为不同，且其所拥有的优先权利也不相同，于服务链建设时，将其为用户配置的结果纪录于数据库之中，记录了用户所要求的网络功能与建设服务链时所配置的虚拟机标识符，提供管理者管理参考以及资源重新配置使用。
表6服务链接配置
如图12所示，为监视模块的执行流程：于监视过程中，监视模块会定期发送监视要求，以取得网络功能虚拟画环境的信息，当取得信息后，判断虚拟机是否处于轻载或重载的状态，若所有虚拟机皆处于正常状态下，将监视结果纪录于数据库中并将目前时间更新于初始纪录时间中，等待下次的监视要求；而若有虚拟机处于轻载或重载的状态，查询数据库纪录的初始纪录时间(Tinitial)，运用目前时间(Tupdate)与初始纪录时间得出其处于轻载或重载的持续时间(Tduration)，比较持续时间是否超过管理人员所设定之容忍时间(Tcolerats)，以决定是否进行资源重新配置工作；当为超过容忍时间时，将监视结果纪录下来，并将目前时间更新于最后更新时间中，等待下次的监视要求。
如图13所示，表示了监视模块运作的时间序列，其运作方式如下：
步骤1、监视模块发出监视网络功能虚拟化环境要求。
步骤2、网络功能虚拟化基础架构收集网络功能虚拟化环境数据，将其回传至监视模块。
步骤3、监视模块判断虚拟机重载或空载的时间(Tduration＝Tupdate-Tinitial)是否大于最大容忍时间。
步骤4、若虚拟机重载或空载的时间无大于最大容忍时间时，将结果纪录于数据库中。
步骤5、然若虚拟机重载或空载的时间大于最大容忍时间时，则触发资源重新配置工作。
通过上述的运作，以实现监视模块的工作。
资源分配模块主要用于处理虚拟机间发生重载或者轻载时，资源重新配置的工作，由于用户对于网络服务的要求并不总是一样，需要从新配置的时机也是很多，而且当用户不使用网络功能时，虚拟机的使用人数也会减少，此外当用户使用网络服务时，也无法保证其使用网络服务的负载量为一固定数值，由此可知虚拟机的使用负载并非固定不变，其当下的负载量将随着时间而变化，为了防止网络功能虚拟机发生重载而造成效率不彰或者是资源闲置不用的浪费，针对虚拟机负载的调整尤为重要。
为了调整虚拟机的负载，可分为两种方式进行调整：如图14上方所示，第一种方式为调整已存在虚拟机之间的负载量，重载时将发生重载虚拟机上，将其多余的负载转移至其他拥有相同网络功能的虚拟机上，让其他虚拟机分担过多的负载量，由此减少虚拟机上所持有的负载量；而于轻载时，将其身上所用有的全部负载量转移至他拥有相同网络功能的虚拟机上，让其他虚拟机分担本身的负载量，藉此将负载转移出去，让此虚拟机关闭时，不会影响到用户使用网络服务，而造成用户的不便，以释放资源的方式，减少闲置且不可使用的资源，提高运作效率。如图14下方所示，第二种调整方式为新兴虚拟机的建立，发生重载情形时，若已存在的相同网络功能虚拟机可接收负载量总合不足以接收重载状态虚拟机的多余负载下，强迫其他拥有相同网络功能的虚拟机接收多余负载只会令其进入重载状态，而须再一次进行资源重新配置工作，这么做只增加工作量，亦无法解决任何问题，因此于此情况下，运用新建新兴虚拟机接收多余的负载，由此分担重载状态下虚拟机的负载量，提升运作效率；于轻载时，若已存在之相同网络功能虚拟机可接收负载量总合不足以接收轻载状态虚拟机的负载下，则将维持现状不变，已确保虚拟机赏负载不会过多。
如图15所示，为了实现资源调整的目的，本发明提出了网络功能虚拟机资源调整机制。于网络功能虚拟机资源调整机制下，为了让资源调整能够顺利的运作，本发明设定的门坎值设定，门坎值为一个区间范围，具有门坎值下限和门坎值上限。门坎值设定图中表示了目前网络功能虚拟机资源的使用率，并订定界线以进行资源调整工作。从0％开始至门坎值下限(Reslower)定义为轻载状态，当虚拟机处于此状态时，表示此虚拟机所接受的负载过少，由于大多资源皆处于无法有效运用状态，因此将进行资源重新分配，藉此减少资源的浪费。门坎值下限与门坎值上限(Resupper)之间定义为正常状态，可接受工作的配给，亦不需要进行资源调整。最后，于门坎值上限至100％的区间内定义为重载状态，当虚拟机处于此状态时，表示虚拟机所接受的负载过多，将导致虚拟机超出其负荷上限，于此状态中亦将进行资源的重新分配，降低虚拟机的负荷。为了使资源的调整容易执行与减少资源重新分配的频率，本发明亦设计负载平衡基准点以供资源调整使用，运用负载平衡基准点将其分为两大部分，资源使用率于负载平衡基准点以下者，表示了虚拟机状态为于可接收多余负载的情形，而资源使用率于负载平衡基准点以上者，则表示虚拟机处于缓冲状态，可接受新的工作的配给，但不接受多余负载分配的情形，通过缓冲状态的设计，使得虚拟机能够于资源重新分配工作完成后，不会因接受新兴工作而立刻触发再次的资源重新分配。
当虚拟机处于轻载以及重载时，将触发资源的重新配置，无论是处于轻载或是处于重载，其资源重新配置的方式皆为类似。为了让资源重新配置顺利的进行，必须计算出轻载或重载虚拟机其所需转移的多余负载量，以及其他含有相同网络功能虚拟机能够接受的负载量数值，通过这些数值的运用，完成资源的重新配置。
如图17所示，为资源分配模块的流程：为了使网络功能虚拟机能够不发生重载情形，也不造成资源使用率效率不彰的问题，当有重载或轻载发生时，资源分配模块将判断目前情况为重载或轻载，并进行对应的资源的重新分配工作。于重载时，将对应网络功能之所有虚拟机进行评估，针对重载状态下的虚拟机运用式(4)进行计算，取得其目前的资源使用情形：
其中，ResT表示了触发资源重新配置虚拟机器目前之资源使用率，其中NTT表示虚拟机器目前的网络吞吐量，为虚拟机器整体可接受之最大网络吞吐量，藉由上述两点的运算，获得目前网络吞吐量使用的百分比为多少；UT则表示了触发资源重新配置虚拟机器目前的CPU使用率。
然后运用式(5)得到重载状态下的虚拟机其多余的负载量
其中，为触发资源重新配置虚拟机器的多余的负载量，为可接收调整的负载量。
当重载状态下虚拟机多余的负载量计算完毕后，利用式(6)和(7)针对与有相同网络功能的虚拟机计算各别可接收转移的负载量。
其中，为第j台含有相同网络功能虚拟机器目前之资源使用率，于方程式中与分别表示了第j台虚拟机器目前的网络吞吐量以及其最大网络吞吐量，并计算出目前网络吞吐量使用的百分比；表示了第j台虚拟机器目前的CPU使用率。
式(7)中，表示了第j台含有相同网络功能虚拟机器其可接受的负载量。
根据式(8)后获得于网络功能虚拟化环境中所有拥有相同网络功能的虚拟机可接收转移负载的总量
然后，判断重载状态的虚拟机其多余的负载量是否大于其他虚拟机可接收转移负载的总量，以决定转移多余负载量的方式为转移至其他虚拟机上，或者是开新虚拟机来进行负载的接收。而当处于轻载状态时，则运用式(4)和式(5)得到轻载状态虚拟机需转移的负载量计算完毕后运用式(6)、式(7)和式(8)得出于网络功能虚拟化环境中所有拥有相同网络功能的虚拟机可接收转移负载的总量最后判断轻载状态的虚拟机需转移的负载量是否大于其他虚拟机可接收转移负载的总量，决定将轻载状态的虚拟机需转移的负载量转移至其他虚拟机上，或者是保持现状不进行调整。当调整完毕后，将结果纪录于数据库中进行更新，以确保下次判断与调整能够顺利进行。
如图17所示，表示了资源分配模块运作的时间序列，其运作方式如下：
步骤1、资源分配模块判断其调整模式为重载调整或者轻载调整，并进行数据库查询相关虚拟机信息。
步骤2、数据库回传相关VM的信息至资源分配模块。
步骤3、资源分配模块计算需调整虚拟机需转移的负载量以及其他虚拟机可接受的负载量，并根据计算结果进行判断：于重载时，决定是否需新开虚拟机或者是运用现有虚拟机接收多余的负载；而于轻载时，决定是否保持现状，或者运用现有虚拟机接收需转移负载。
步骤4、网络功能虚拟化基础架构依据资源分配模块的决策，调整虚拟机负载。
步骤5、运用数据库纪录结果。
通过上述的运作，以实现优先权利处理模块之目的。
在现今通讯技术的快速发展下，于高科技的时代中，人们对于网络的需求与日俱增，并随着网络通讯技术的蓬勃发展，导致现今网络服务型已随之改变，现今数据储存、运算与服务方式纷纷走向虚拟化与云端化，过去传统网络架构与服务方式逐渐不符合需求，而软件定义网络技术与网络功能虚拟化技术即为能够解决问题的方法。
相较于传统的网络，软件定义网络基础架构将网络分作控制层与数据层，并运用集中化的管理方式，提供一个可程序化、更灵活且更方便网络管理与设置的环境。而网络功能虚拟化技术透过标准IT虚拟化技术，将多种类型的网络服务虚拟化，以整合多类型的网络服务专属的硬设备，降低网络建设之复杂度，亦解决网络功能专属设备间兼容性的问题，并提升网络配置的效率。
本发明提出高效能与高可靠度之网络功能虚拟化网络系统，结合网络功能虚拟化与软件定义网络，分别运用双方带来的好处，提升整体网络运作效率，并降低网络管理人员于建设及管理网络还境的难度。
本发明发展网络功能虚拟化中介系统，处理整体网络功能虚拟化网络环境的控制管理与决策规划，透过网络功能虚拟化沟通组件与网络功能虚拟化基础架构进行通信，收集网络功能虚拟化网络环境信息与决策的指派，并展出三大管理系统，分别为网络管理系统、NFV管理系统、资源管理系统。网络管理系统用于管控网络功能虚拟化环境区域的规划与整合，通过网络环境区域的分割，依需求配置不同区域之网络功能，提升网络效益；NFV管理系统主要管理网络环境中所有VNF的运作模式与流程，包含了网络功能群组类别的挑选、不同效能VNF容器的分配策略、网络功能原件的挑选以及VNF串接方式等作业；最后，资源管理系统负责监控整体网络功能虚拟化环境，解决VNF容器之异常状态，提升VNF容器之运作效率。网络功能虚拟化中介系统通过三大管理系统的相互配合，为网络功能虚拟化环境提供规划与决策，实现高效能与高可靠度的目的。
于网络功能虚拟化系统中提出了网络功能虚拟化之服务链建设之网络功能配置机制与网络功能虚拟机资源调整机制，分析环境中网络功能之效能，拟定出最小成本网络资源之服务链建设方式，提升网络功能服务的效益。亦将针对现存之网络功能进行监控，取得网络功能之效能分析结果，依据网络功能的状态进行负载的再分配，降低网络功能提供效率不彰之问题。本发明所提出的网络服务管理机制与未使用本机制之网络功能虚拟化技术相互比较下，有效解决各网络功能服务提供之瓶颈。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (10)
1.一种网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，该架构包含：
NFV基础架构，其包含网络功能设备的虚拟机；
中介系统；其通信连接NFV基础架构，取得NFV网络中的信息用以制定决策，并将决策输出至NFV基础架构让其运行；
所述中介系统包含：
网络管理系统，其管控网络功能虚拟化环境区域的规划与整合，通过网络功能虚拟化环境区域的分割，按需求配置不同区域的网络功能；
NFV管理系统，其管理网络功能虚拟化环境区域中所有虚拟网络功能的运作模式与流程，划分用户的优先等级，并根据优先等级配置相对应效能的虚拟机；
资源管理系统，其监视并根据网络功能虚拟化环境区域内虚拟机使用情况，调整虚拟机的使用人数、负载转移和开关。
2.如权利要求1所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述网络管理系统包含服务范围选择模块，服务范围选择模块提供网络服务的范围区域选择；当用户有网络服务需求时，根据用户要求的网络功能的位置，设定网络功能范围区域，并在服务链建立时，根据设定的网络功能范围区域，配置对应的虚拟机群组到服务链参考依据中，协助服务链的建设工作。
3.如权利要求2所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述网络管理系统在网络功能服务链建设前，查询数据库取得预设的用户需求网络功能范围区域，判断需配置网络功能虚拟机的范围区域，配置对应范围区域虚拟机群组。
4.如权利要求1所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述NFV管理系统包含：
优先权权利处理模块，其设置用户等级，根据用户等级配置相应的网络资源；
服务链结模块，其连接优先权权利处理模块，根据虚拟机使用率配置网络资源，虚拟器以资源由高到低的顺序配置入网络功能服务链。
5.如权利要求4所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述优先权权利处理模块判断拥有网络功能服务需求的用户等级为高等类型或一般类型；查询用户等级所对应网络功能虚拟机的相关数据，配置相应等级的虚拟网络功能群组给用户，并将配置信息输出至服务链结模块作为网络功能服务链建设的判断依据。
6.如权利要求4所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述服务链结模块计算所有虚拟机目前资源的使用率，选择提供最大资源的虚拟机并配置于网络功能服务链；重复上述流程直至所有要求的网络功能配置完毕，将配置结果输出至NFV基础架构。
7.如权利要求1所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述资源管理系统包含：
资源分配模块，其根据门坎值调整网络资源，提高负载多的虚拟机的资源；
监视模块，其记录使用者网络资源使用信息，作为配置网络功能的依据。
8.如权利要求7所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述资源分配模块判定低于门坎值下限的虚拟机处于轻载状态，降低轻载状态虚拟机的网络资源配置；高于门坎值上限的虚拟机处于重载状态，提高重载状态虚拟机的网络资源配置；处于门坎值上限与门坎值下限之间判定为正常状态，不进行网络资源调整。
9.如权利要求7所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述监视模块记录使用者的信息包含：用户等级、区域和网络功能。
10.如权利要求1所述的网络功能虚拟化中介系统架构，其特征在于，所述NFV基础架构与中介系统之间通过NFV沟通组件通信连接。
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