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分布式vUP弹性伸缩技术白皮书-6W100-整本手册.pdf (407.39 KB)
分布式vUP弹性伸缩技术白皮书
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本文中的内容为通用性技术信息，某些信息可能不适用于您所购买的产品。
在转发与控制分离组网场景中，vBRAS-vUP（简称vUP）是指由虚拟化设备担任UP角色。vUP具有计算能力强的特点，可以用来处理如ITMS、VoIP等大会话小流量需求的业务。vUP根据设备形态不同，又分为：
· 集中式vUP：由集中式虚拟化设备担任UP角色。
· 分布式vUP：由分布式虚拟化设备担任UP角色，该类vUP由MPU-VM和LPU-VM两种类型的VM组成。
· 本手册中，如无特殊说明，vUP均指分布式vUP。
· 有关MPU-VM和LPU-VM的详细介绍，请查阅《分布式vUP架构技术白皮书》。
在vUP中，LPU-VM负责处理用户业务、转发报文。如果LPU-VM资源不可调整，当接入用户转发需求增加时，可能导致转发性能不足无法满足用户需求；当接入用户减少时，会导致LPU-VM资源空闲，造成资源浪费。因此，管理员需要根据用户的实际业务需求定制策略，合理利用和规划vUP中的LPU-VM数量。
vUP弹性伸缩是一种动态调整vUP资源分配的技术。vUP弹性伸缩是指横向伸缩，即vUP中LPU-VM数量动态增减。在业务需求增加时，增加LPU-VM，保证业务的平滑扩展；在业务需求下降时，减少LPU-VM，避免资源浪费。通过vUP弹性伸缩，管理员可以根据vUP的运行状况动态，实时地进行LPU-VM的申请和释放，从而达到提高资源利用率和节能减排的目的。例如，晚上的上网用户数比白天多，则vUP会根据实际用户数变化，动态地在晚上申请LPU-VM，白天释放LPU-VM，进而提高vUP利用率。
· 灵活控制
支持动态分配LPU-VM资源。管理员可以vUP的运行状态灵活控制LPU-VM资源的分配。
· 高利用率
vBRAS系统可以根据vUP的运行状况动态，按需地进行LPU-VM资源的申请和释放，提高LPU-VM资源的利用率。
· 负载均衡
管理员可以通过在vUP系统中部署弹性伸缩组实现业务流量在不同LPU-VM之间负载均衡。
vUP弹性伸缩包括自动扩缩容和手工扩缩容两种方式：
· 自动扩缩容：指LPU-VM按需自动扩缩容，vUP通过收集弹性伸缩组内LPU-VM的负载信息，并根据弹性伸缩组的负载指标自动增删该弹性伸缩组内的LPU-VM数量，以提高vUP的资源利用率。
· 手工扩缩容：指管理员在MPU-VM上通过执行创建、删除LPU-VM命令来触发LPU-VM的扩缩容。手工扩缩容适用于上线用户数和CP数量稳定、业务可靠性要求高的使用场景。手工扩缩容过程需要管理员手工干预，且转控分离组网中需要事先部署VNFM-vBRAS。
¡ 该方式和自动扩缩容的相同点在于：要求的网络环境相同，均要求转控分离系统架构中部署VNFM-vBRAS、Cloud OS和CAS，且扩缩容的流程基本相同。
¡ 该方式和自动扩缩容的不同点在于：触发条件不同和使用场景不同。手工创建的LPU-VM编号固定，且只能通过手工方式删除，不会被自动缩容。
vUP弹性伸缩涉及如下概念：
· 弹性伸缩组：用于管理一个vUP内的一组LPU-VM。
· 负载指标：弹性伸缩组进行自动扩缩容的依据。负载指标包括：
¡ 弹性伸缩组内的总带宽利用率。
¡ 弹性伸缩组内的总CPU利用率。
¡ 弹性伸缩组内的总上线用户数。
· 采样定时器：MPU-VM定期对弹性伸缩组的LPU-VM进行采样，收集采样数据，计算负载指标，作为vUP弹性伸缩的依据。
· 冷却定时器：在弹性伸缩组扩缩容成功后，vUP启动冷却定时器，即弹性伸缩组进入冷却期。冷却期内MPU-VM不对弹性伸缩组的LPU-VM进行采样，不会触发弹性伸缩组的扩缩容，以避免弹性伸缩组频繁扩缩容，保证弹性伸缩组的稳定性。待冷却定时器超时后，弹性伸缩组开始采样。
· 持续个数：vUP会在连续多个采样周期的采样数据均超过或低于负载门限时，才会触发弹性伸缩组的扩缩容，以避免弹性伸缩组内负载指标频繁变化导致频繁扩缩容。
vUP弹性伸缩的实现方式为vUP根据弹性伸缩组的负载情况自动进行扩缩容，即vUP收集弹性伸缩组内所有LPU-VM的负载信息，根据负载情况自动增/删弹性伸缩组内的LPU-VM。
· 自动扩容
如图1所示，自动扩容是指vUP为弹性伸缩组按需自动增加LPU-VM。当达到扩容条件后，vUP通过新增LPU-VM，来增加弹性伸缩组的管理空间，从而缓解弹性伸缩组内的转发压力。
· 自动缩容
如图2所示，自动缩容是指vUP按需自动删除弹性伸缩组中的LPU-VM。当达到缩容条件后，vUP通过删除LPU-VM，来减少弹性伸缩组内硬件资源的浪费。由于用户通过vUP上的VSI接口上线，所以vUP自动缩容删除LPU-VM后，不会导致用户下线。
vUP可以基于弹性伸缩组的单一负载指标进行扩缩容，也可以基于弹性伸缩组的多个负载指标进行扩缩容。
如图3所示，vUP仅根据弹性伸缩组的一项负载指标的负载情况进行扩缩容：
· 如果该项负载指标连续多个采样周期（假设为3个）均超过高门限，则对弹性伸缩组进行扩容，向弹性伸缩组添加新的LPU-VM，以提高弹性伸缩组的转发能力。
· 如果该项负载指标连续多个采样周期（假设为3个）均低于低门限，则对弹性伸缩组进行缩容，删除某个LPU-VM，以减少资源占用，降低部署和维护成本。
如图4所示，vUP同时根据弹性伸缩组的多个负载指标的负载情况进行扩缩容时，负载指标之间的关系不同，判断扩缩容的条件不同：
· and关系：如果多个负载指标连续多个采样周期（假设为3个）均超过各自的高门限，则对弹性伸缩组进行扩容；如果多个负载指标连续多个采样周期（假设为3个）均低于各自的低门限，则对弹性伸缩组进行缩容。
· or关系：多个负载指标中，如果其中一个负载指标连续多个采样周期（假设为3个）均超过它的高门限，则对弹性伸缩组进行扩容；如果多个负载指标连续多个采样周期（假设为3个）均低于各自的低门限，则对弹性伸缩组进行缩容。
vUP根据弹性伸缩组内负载指标的情况判断该弹性伸缩组的负载情况，自动调整弹性伸缩组内的LPU-VM数量，保证vUP资源合理利用和业务功能稳定。如图5所示，vUP弹性伸缩的工作流程为：
(1) 在vUP上创建弹性伸缩组。
(2) MPU-VM启动采样定时器，采样定时器超时后，MPU-VM对LPU-VM进行采样。
(3) MPU-VM向弹性伸缩组的LPU-VM收集采样数据，并计算弹性伸缩组的负载指标。
(4) 达到扩缩容条件后，对弹性伸缩组进行扩容或者缩容（假如持续个数为3）。
¡ 扩容流程参见(5)。
¡ 缩容流程参见(6)。
(5) 负载指标连续超过高门限的次数达到3次，对弹性伸缩组进行扩容：
a. 按照一定规则选取待创建的LPU-VM的编号。
b. vUP向VNFM-vBRAS申请创建指定编号的LPU-VM。
c. 该LPU-VM创建成功后自动加入弹性伸缩组。
d. MPU-VM向新创建的LPU-VM下发配置。
e. 扩容完成。
(6) 负载指标连续低于低门限的次数达到3次，对弹性伸缩组进行缩容：
a. 按照一定规则选取待删除的LPU-VM的编号。
b. 清除待删除LPU-VM上的配置。
c. 该LPU-VM自动退出弹性伸缩组。
d. vUP向VNFM-vBRAS申请删除指定编号的LPU-VM。
e. LPU-VM删除后缩容完成。
(7) 弹性伸缩组扩缩容完成后启动冷却定时器，即弹性伸缩组进入冷却期（假如冷却期为30秒）。冷却期内不对弹性伸缩组进行采样，MPU-VM获取不到负载信息，不会触发弹性伸缩组的扩缩容，保证弹性伸缩组的稳定性。经过30秒，冷却定时器超时后，弹性伸缩组开始采样。
图5 vUP弹性伸缩工作流程示意图
vUP中弹性伸缩组进行扩容增加LPU-VM时，MPU-VM会自动为LPU-VM下发配置，以简化用户操作。管理员需要根据用户需求，在弹性伸缩组的配置模板中提前规划好需要下发给LPU-VM的配置，以便该LPU-VM能够与上行设备和下行设备互通。
如图6所示，vUP需要通过弹性伸缩组中的LPU-VM与DC-GW在同一广播网中建立路由邻居关系（以OSPF为例）。vUP作为一个OSPF节点（使用唯一的Router ID标识）管理多个LPU-VM上的OSPF接口。对于同一个OSPF节点的不同OSPF接口，这些OSPF接口的IP地址不能属于同一网段。vUP通过弹性伸缩组中LPU-VM的接口与DC-GW建立邻居关系时，要求不同LPU-VM的接口IP地址不能属于同一个网段。当vUP扩容增加新的LPU-VM时，会带来如下问题：
· vUP和DC-GW需要配置新的网段，配置工作量大。
· vUP和DC-GW占用的网段数量随着LPU-VM的增加而增多，浪费地址资源。
图6 vUP弹性伸缩组网中的路由学习示意图
为了解决上述问题，管理员可以部署OSPF/OSPFv3共网段功能。如图7和图8所示，共网段功能的工作机制如下：
(1) 弹性伸缩组中不同LPU-VM的OSPF接口分别虚拟出一个OSPF节点，这样的节点称为虚拟OSPF节点。
(2) 各个虚拟OSPF节点使用属于同一网段的IP地址、不同的Router ID与DC-GW建立邻居关系，使得不同LPU-VM的接口可以属于同一网段，从而减少vUP增加新的LPU-VM时的网段规划和配置工作量。
图8 vUP弹性伸缩组网中的共网段功能示意图
vUP上虚拟OSPF节点和对端建立邻居关系以及路由计算的规则如下：
· vUP上虚拟OSPF节点发布虚拟的Router LSA，与对端建立邻居关系，但不进行路由计算。
· vUP上真实OSPF节点发布真实的Router LSA，进行路由计算，并维护链路状态数据库，但不与对端建立邻居关系。
如图9所示，vUP通过弹性伸缩组中LPU-VM的接口与DC-GW建立路由邻居关系后，由于DC-GW与弹性伸缩组中所有LPU-VM的链路开销均相同，所以通过DC-GW转发的流量将在LPU-VM之间负载分担。
图9 vUP弹性伸缩中流量的负载分担示意图
vUP的弹性伸缩组内任何一个LPU-VM都可能从上游设备收到发往用户侧的下行流量，并直接在接收LPU-VM进行转发处理，即负责转发用户下行流量的LPU-VM是变化的。在QoS等应用场景中，为便于策略部署，管理员可能希望限定用户下行流量的转发LPU-VM，即指定用户的流量采用指定LPU-VM集中转发。部署基于用户的集中转发功能后，vUP将按一定的算法在弹性伸缩组内为每个用户分别选出一个转发LPU-VM，后续，弹性伸缩组内任何LPU-VM从上游设备收到某用户的下行流量时，都会将流量透传给该用户的转发LPU-VM进行转发处理。
如图10所示，在vUP上部署基于用户的集中转发功能后，在弹性伸缩组内访问用户A的流量集中通过LPU-VM 5转发，访问用户B的流量集中通过LPU-VM 8转发。
图10 vUP弹性伸缩中流量的集中转发示意图
如图11所示，在转发与控制分离组网中，ITMS、VoIP等大会话小流量业务可以通过vBRAS-pUP（由物理设备担任UP角色）转发到vBRAS-vUP处理，也可以直接通过DC-GW转发到vUP处理。在vBRAS-vUP上部署弹性伸缩后，vBRAS-vUP根据弹性伸缩组的运行状况、资源利用情况，实时地调整弹性伸缩组的LPU-VM数量，进行扩缩容，从而达到提高资源利用率的目的。
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