1 引言

電信運營商在網(wǎng)絡重構中引入NFV，通過使用虛擬化軟件技術，實現(xiàn)傳統(tǒng)網(wǎng)元的軟硬件解耦，以達到不同廠家的軟件運行在統(tǒng)一的虛擬化基礎設施上，實現(xiàn)硬件資源的共享和系統(tǒng)隨業(yè)務大小的自動伸縮功能。

NFV由VNF（虛擬化網(wǎng)絡功能，如vIMS）、NFVI（網(wǎng)絡功能虛擬化基礎設施）、MANO（管理與編排）三大組件組成。核心網(wǎng)絡IMS虛擬化后，傳統(tǒng)網(wǎng)絡功能封裝為網(wǎng)絡功能應用軟件，直接承載在網(wǎng)絡功能虛擬化基礎設施上，同時引入MANO實現(xiàn)資源管理、業(yè)務編排等。

本文主要根據(jù)三層解耦模式下，通過對vIMS虛擬化網(wǎng)元I-CSCF、S-CSCF、MMTel AS、ENUM/DNS、CCF進行包圍性VOLTE業(yè)務端到端性能測試，基于相同的VoLTE話務模型、相同服務器硬件資源以及CPU指定最大占用率的情況下，獲取不同設備廠家vIMS VNF的最大容量、硬件資源（CPU、內存、硬盤）占用、接通率、時延等性能指標，通過在測試中是否應用相關虛擬化技術及性能情況對影響進行評估，并對IMS分層解耦部署提出建議。

2 影響性能的虛擬化技術

2.1 CPU核數(shù)及線程

CPU個數(shù)即CPU芯片個數(shù)；CPU的核心數(shù)是指物理即硬件上存在著幾個核心。線程數(shù)是一種邏輯概念，簡單地說，就是模擬出的CPU核心數(shù)。由于線程數(shù)等同于在某個瞬間CPU能同時并行處理的任務數(shù)，因此，CPU線程數(shù)越多，越有利于同時運行多個程序。

2.2 CPU綁定

CPU綁定指的是進程需要在指定的CPU上盡量長時間地運行而不被遷移到其他處理器,通過處理器關聯(lián)可以將虛擬處理器映射到一個或多個物理處理器上 ，也就是說把一個程序綁定到一個物理CPU上。虛擬機的vCPU可以綁定到主機的物理CPU上（pCPU）。

在多核運行的服務器上，每個CPU有緩存，緩存著進程使用的信息。由于進程可能會被OS調度到其他CPU上，當綁定CPU后，程序會一直在指定的CPU上運行，不會由操作系統(tǒng)調度到其他CPU上，減少了CPU的緩存，也減少了進程或者線程的上下文切換，從而提高性能和效率。

另外，為將重要的業(yè)務進程隔離開，對部分實時進程調度優(yōu)先級高的，可以將其綁定到一個指定核上，既可以保證實時進程的調度，也可以避免其他CPU上的進程被該實時進程干擾。

2.3 DPDK

DPDK即Intel Data Plane Development Kit，專注于網(wǎng)絡應用中數(shù)據(jù)包的高性能處理，將控制面線程以及各個數(shù)據(jù)面線程綁定到不同的CPU，線程間互不干擾，避免來回反復調度的性能消耗，提供高性能處理報文的能力。

2.4 內存巨頁

在虛擬內存管理中，內核需要維護將虛擬內存地址映射到物理地址的表，對于每個頁面操作，內核都需要加載相關的映射表。內存頁越小需要加載的頁就越多，內核需加載的映射表頁越多，性能也就越低。Linux系統(tǒng)標準的頁面大小為4 KB，如果使用內存巨頁，采用2 MB作為分頁的基本單位，所需要的頁和由內核加載的映射表就會減少，性能也就會相應提升。

2.5 超線程

線程技術把多線程處理器內部的兩個邏輯內核模擬成兩個物理芯片，讓單個處理器就能使用線程級的并行計算，進而兼容多線程操作系統(tǒng)和軟件。超線程技術充分利用空閑CPU資源，在相同時間內完成更多工作。[1]

2.6 NUMA親和性

NUMA（Non Uniform Memory Access Architecture）技術是一種用于多處理器的設計，可以使眾多服務器像單一系統(tǒng)那樣運轉。在NUMA下，處理器訪問本地存儲器的速度比非本地存儲器快一些。

2.7 親和性和反親和性

親和性可以實現(xiàn)就近部署，增強網(wǎng)絡能力實現(xiàn)通信上的就近路由，減少網(wǎng)絡的損耗。對于vIMS來說，將不同網(wǎng)元放在同一個虛機，例如S-CSCF與I-CSCF放一個虛機，加快接續(xù)時間。

反親和性主要是出于高可靠性考慮，盡量分散實例，減少因為某個節(jié)點故障對應用的影響。

3 IMS系統(tǒng)性能測試要求

3.1 測試環(huán)境介紹

本次測試環(huán)境基于三層解耦情況下展開，硬件服務器、Hypervisor、vIMS等采用不同廠家設備進行組合測試的方式，其網(wǎng)絡結構示意圖如圖1所示。

圖1 三層解耦示例

測試環(huán)境的搭建，基于服務器虛擬化軟件測試模型，測試環(huán)境如圖2所示。

圖2 vIMS分層解耦測試環(huán)境示例

本文主要研究親和性/反親和性、NUMA綁定、內存巨頁、DPDK等技術對VoLTE IMS性能的影響情況，因此，測試床采用相同的硬件、VIM和NFVO，對圖1中不同的vIMS廠家A及Hypervisor廠家C進行組合分組對比測試。不同組合情況說明如表1所示。

表1 vIMS分層解耦測試廠家組合

3.2 話務模型要求

測試基于以下話務模型要求進行，如表2所示。

表2 測試話務模型

3.3 測試要求

測試時，需注意以下事項。

（1）基本配置要求：在vIMS網(wǎng)元上，支持/開啟DPDK、內存巨頁、超線程、NUMA親和性、反親和性功能；

（2）虛機統(tǒng)計結果是vIMS廠家在自己的EMS上所查詢的各虛機統(tǒng)計結果，物理機統(tǒng)計結果一般是各虛機統(tǒng)計結果的平均值，兩者差異可能很大。因此，CPU、內存等的統(tǒng)計，以虛機的統(tǒng)計結果為準。

（3）性能指標根據(jù)測試組合不同，驗證的是測試組合的整體性能指標，其指標需達到以下標準。

① 指定話務量（100萬）、最大話務量（大于100萬）

② CPU占用率：小于80%

③ 呼叫接續(xù)成功率：大于99.999%

④ 穩(wěn)定性：呼叫時長大于24小時

4 虛擬化技術對性能的影響分析

4.1 DPDK影響分析

在不同的vIMS業(yè)務測試組合中，分別開啟和關閉DPDK，對比測試結果如下。

① 組合1關閉DPDK后，話務有呼損；

② 組合2無明顯變化；

③ 組合3關閉DPDK后測試指定話務量，與開啟DPDK相比，CPU負荷無明顯增大，但是時延平均增加150 ms；

從上述結果可以看到，虛擬化層在沒有開啟DPDK優(yōu)化設置情況下，IMS系統(tǒng)性能受到影響，不同廠家vIMS系統(tǒng)受影響的程度不同，啟用DPDK等優(yōu)化設置后，IMS系統(tǒng)性能得到優(yōu)化，在相同資源的情況下，承載話務大幅上升。

4.2 NUMA親和性影響分析

在不同的測試組合中，NUMA親和性對比測試結果如下。

① 組合1取消NUMA親和性后進行測試，話務起來27分鐘后即產(chǎn)生呼損，7個小時后呼損達千分之3.1；② 組合2無明顯變化；③組合3取消NUMA親和性后測試指定話務量，CPU負荷無明顯增大，時延平均增加3.5 ms；

從上述結果可以看到，虛擬化層在沒有NUMA親和性的情況下，IMS的處理能力和時延受到一定影響，不同廠家vIMS系統(tǒng)受影響的程度不同，啟用NUMA親和性等優(yōu)化設置后，vIMS系統(tǒng)性能得到優(yōu)化。

4.3 內存巨頁影響分析

在不同的測試組合中，分別開啟和關閉內存巨頁，對比測試結果如下。

① 組合1開啟DPDK，64字節(jié)提升16.1%，1 518字節(jié)提升44.6%，平均提升幅度25.3%；

② 組合2開啟DPDK，64字節(jié)提升46.5%，1 518字節(jié)提升39.9%，平均提升幅度39.2%；

③ 組合1未開啟DPDK，vSwitch性能受服務器資源負載、CPU調度機制影響較大，有一定波動，單獨使用進行內存巨頁性能提升不明顯；

④ 組合2未開啟DPDK，vSwitch性能瓶頸在于系統(tǒng)調度開銷，不在內存訪問，受系統(tǒng)調度影響比較明顯，單獨開啟內存巨頁后對性能影響較小。

從上述結果可以看到，內存巨頁配合DPDK可有效提升網(wǎng)絡轉發(fā)性能，在未開啟DPDK的情況下，轉發(fā)性能無明顯影響。

5 應用建議

通過對三層解耦情況下的vIMS系統(tǒng)性能對比測試及虛擬化技術對IMS系統(tǒng)性能的影響分析，建議如下。

（1）DPDK：明顯提升IMS系統(tǒng)性能，建議在IMS網(wǎng)元分層解耦進行應用，并建議與內存巨頁和CPU綁定配合使用，以更好地提升性能；

（2）CPU綁定：獨占硬件資源，降低資源搶占風險，提升CPU處理速度，但降低整體資源利用率，影響遷移功能，建議在IMS網(wǎng)元的重要模塊中應用。

（3）內存巨頁：在應用支持的情況下建議開啟，建議要求vIMS支持，在vIMS分層解耦中和DPDK同時應用；

（4）NUMA親和性：VM的虛擬NUMA節(jié)點映射到物理主機的同一NUMA節(jié)點，可以提升vIMS系統(tǒng)性能，建議在vIMS網(wǎng)元分層解耦進行應用。

（5）內存巨頁：建議與DPDK配合適應以提升vIMS系統(tǒng)性能。

（6）反親和性：分散策略部署VNF，防止主備VNF在同一主機節(jié)點，避免單節(jié)點故障阻塞業(yè)務，提升vIMS網(wǎng)元的可靠性。

6 結束語

綜上所述，通過三層解耦情況下對vIMS系統(tǒng)的性能測試結果分析，在今后現(xiàn)網(wǎng)的部署工作中，可以充分利用DPDK、NUMA親和性、CPU綁定、內存巨頁等虛擬化技術，進一步提高虛擬化IMS系統(tǒng)性能。