NFV Network Functions Virtualization
Виртуализация сетевых функций
Традиционные методы развития сетей связи не поспевают за быстрым ростом потребности рынка в полосе пропускания и в новых сервисах. На помощь приходят технологии виртуализации сетевых функций (Network Functions Virtualization, NFV). В статье рассматриваются преимущества и особенности архитектуры NFV.
Содержание |
Предпосылки, концепция и архитектурные особенности NFV
Эволюция архитектуры сетей
Ёмкость и пропускная способность сетей связи и передачи данных росли, и возможности сетей развивались в течение достаточно долгого времени. Однако, к 2019 году всё более заметно, что увеличение пропускной способности сетей не успевает за все более быстрым ростом потребности рынка в полосе пропускания и в новых сервисах. По данным Cisco Visiual Network Index, сетевой трафик растёт экспоненциально со среднегодовой скоростью роста 26% до 2022 года, и далее не прогнозируется никаких признаков снижения темпов этого роста.
Это вынуждает операторов связи и провайдеров услуг Интернет расширять свои сети всё более быстрыми темпами, между тем, доходность от услуг растёт далеко не так быстро, как потребность в полосе пропускания. Операторы стараются снижать затраты на развитие сети, а также повышать скорость разработки и внедрения новых функций для роста доходов.
Традиционные методы развития сетей заключаются в «аппаратном» принципе: «устройство – функция». В большинстве случаев для того, чтобы ввести очередную функцию, надо установить другое устройство. Однако, такие методы развития сетей и вывода на рынок новых услуг при помощи новых физических устройств сталкиваются с рядом ограничений.
Рассмотрим кратко эти ограничения.
- Ограничения гибкости
Проприетарный вендорский дизайн оборудования заключается в том, что каждое сетевое устройство имеет фиксированную комбинацию оборудования и программного обеспечения с небольшими вариациями. Это очень ограничивает операторов в выборе функциональных комбинаций и возможностей оборудования, которые могут быть развёрнуты на сети. Однако, все растущие требования рынка к различным услугам и сервисам делают использование ресурсов таких вендорских решений неэффективным.
- Ограничения масштабируемости
Возможности масштабирования физических сетевых устройств ограничены как в части оборудования, так и программного обеспечения. Оборудование требует питания и места для размещения, что часто ограничено в зонах плотной застройки. С другой стороны, возможности имеющихся физических устройств часто не поспевают за темпом роста потребности в современных сетевых функциях. Каждое устройство спроектировано с определённым пределом возможностей, и при его достижении, необходимо устанавливать новое устройство, которое в течение долгого времени будет оставаться недогруженным.
- Долгое время вывода услуг на рынок
Требования рынка растут, но рост количества функций и единиц оборудования не всегда способны поспевать за этими требованиями. Часто ввод новых функций требует апгрейда существующего и ввода нового оборудования. Для этого требуется тщательная разработка миграционного процесса, подтверждение правильности и практических испытаний нового решения. Требуется оценка нового оборудования, перестройка сетевой топологии, и, возможно, привлечение новых поставщиков оборудования, которые имеют в своём портфеле требуемые устройства и функции. Всё это значительно увеличивает капитальные затраты и стоимость владения инфраструктурой сети, ведёт к ограничению бизнеса и потере потенциальных доходов, если конкуренты окажутся быстрее.
- Ограничения администрирования
Системы мониторинга используют стандартные протоколы, такие как SNMP (Simple Network Management Protocol), NetFlow, Syslog и т.п. для сбора информации о состоянии устройств. Однако для мониторинга вендороспецифичных (проприетарных) параметров, стандартных систем может быть недостаточно. В этом случае, для каждого сетевого домена, построенного на оборудовании определённого поставщика, требуется проприетарная система мониторинга. Это также вносит свой вклад в капитальные затраты и стоимость владения, множа «зоопарк» таких устройств у оператора, требует обучения персонала и содержания в штате специалистов с сертификатами соответствующего вендора.
- Операционные расходы
Вендороспецифичное оборудование повышает операционные расходы, поскольку требует наличия в штате оператора соответствующих специалистов. Либо, как вариант, требует использования т.н. `managed services` (т.е. «профессиональных услуг» поставщика). Это приводит к «вендорозависимости», то есть, к привязанности к решениям конкретного поставщика. С другой стороны, использование оборудования многих поставщиков на сети вызывает проблемы совместимости разнородного оборудования и ещё больше повышает операционные расходы.
- Миграция
Устройства и сети должны периодически обслуживаться и модернизироваться. Это требует физического доступа к сетевым элементам и выезда техперсонала на места установки для того, чтобы развернуть новое оборудование, реконфигурировать физические линки, и провести работы с инженерным оборудованием сайта. Это создаёт стоимостной барьер для решений о миграции и апгрейде сети, замедляя предложение новых услуг пользователям.
- Плавность роста ёмкости сети
Требования к росту ёмкости сети (как на короткие, так и на длительные сроки) сложно спрогнозировать. В результате, сети часто строятся с большим запасом по ёмкости в расчёт не взрывной рост к потребностям в трафике. Согласно оценкам экспертов, более 50% ёмкости сети остаётся недовостребованной бòльшую часть времени. Это ведёт к непроизводительным капитальным затратам. Напротив, когда ресурсы сети оказываются исчерпанными, проходит значительное время, прежде чем ёмкость сети удаётся расширить. Таким образом, развитие сети происходит скачкообразно, с чередованием периодов недостаточной и избыточной ёмкости сети.
- Взаимодействие
Часто бывает так, что для ускорения вывода оборудования на рынок поставщики оснащают его новыми функциям до полного завершения процесса их стандартизации. Во многих случаях это приводит к несовместимости разнородного оборудования на сети, необходимости испытаний сетевых решений в лабораториях операторов и сервис-провайдеров перед тем, как развёртывать эти устройства на сети. Затем, обычно следует период доработок поставщиком оборудования и повторных испытаний. И даже в этом случае часть несовместимостей не удаётся выявить, и это «всплывает» уже во время работы оборудования на «живой» сети.
Концепция виртуализации сетевых функций
Виртуализация – технология, которая позволяет запускать несколько операционных систем на одном физическом сервере. Концепция виртуализации серверов достаточно давно используется в дата-центрах (ЦОД, центрах обработки данных). При этом, физические серверы заменяются их виртуальными «копиями», работающими поверх гипервизоров. Это позволяет, кроме прочего, достичь более эффективного использования физических ресурсов дата-центра.
NFV расширяет концепцию виртуализации за пределы серверов, на все типы сетевых устройств. NFV можно определить как метод и технологию, которая даёт возможность заменить физические сетевые устройства с определёнными функциями на программные сущности, выполняющими такие же функции на общедоступном серверном оборудовании.Дмитрий Бородачев, DатаРу Облако: Наше преимущество — мультивендорная модель предоставления облачных услуг 
NFV используется как «зонтичный» термин для обозначения экосистемы, которая состоит из виртуальных сетевых устройств, инструментов управления и инфраструктуры, которая объединяет программные сущности со стандартным компьютерным оборудованием.
Фактически, NFV отделяет программное обеспечение от оборудования, и предоставляет возможность использовать любое коммерчески доступное, стандартное оборудование COTS (Commercial Off the Shelf) для выполнения на нём специализированных сетевых функций, которые можно менять быстро и в любой момент.
Структура (Framework) NFV
Термин NFV впервые был введён ведущими операторами связи мира на конгрессе SDN OpenFlow World Congress в 2012 году, ведущими операторами связи мира. Они проанализировали ограничения традиционного метода развития сети, указанные выше, и создали рабочую группу по разработке спецификаций NFV ISG (Industry Specification Group) под руководством Европейского института по разработке стандартов для телекоммуникаций ETSI (European Telecommunications Standards Institute).
Рабочая группа ISG выдвинула три основных критерия, которые должны быть реализованы в стандартах (рекомендациях) для NFV:
- Отделение (Decoupling): полное разделение оборудования и программного обеспечения.
- Гибкость (Flexibility): автоматизированное и масштабируемое развёртывание сетевых функций
- Динамические операции (Dynamic operations): контроль за операционными параметрами сети при помощи точного (гранулярного) управления и мониторинга состояния сети.
На основе этих критериев была разработана обобщённая архитектура NFV, показанная на рисунке ниже.
Архитектура NFV состоит из трёх основных подсистем:
- Виртуализированные сетевые функции NFV (Virtualized Network Function)
- Инфраструктура виртуализации NFVI (NFV Infrastructure)
- Подсистема управления и оркестрации MANO (Management and Orchestration)
Кроме NFVI, подсистемы представляют собой программное обеспечение, а не оборудование.
NFVI включает в себя как физическое оборудование (вычислений, хранения, сети), так и виртуальное «оборудование»: серверы, системы хранения, сетевые устройства. Уровень виртуализации (гипервизоры и гостевые операционные системы) дают возможность разворачивать на физических серверах виртуальные машины VM (Virtual Machines), которые выполняют любые предписанные им функции. Для VM не имеет большого значения, на каком именно физическом сервере она развёрнута и работает. Более того, VM могут перемещаться (мигрировать) с одного физического сервера на другой без прерывания их работы.
Строго говоря, в архитектуру NFV также необходимо включить подсистему поддержки операций и бизнеса (OSS/BSS), которая является частью традиционной сетевой системы оператора связи. Однако, наличие этой подсистемы в архитектуре NFV является временным, поскольку операторы не могут одномоментно отказаться от существующих OSS/BSS и сразу перейти на MANO (такое возможно только для новых сетей операторов, начинающих свой бизнес с нуля и начинающих строить сеть).
MANO должна иметь полную видимость (операционное состояние, статистика использования и пр.) всех программных сущностей, развёрнутых в системе NFV, и управлять ими. Поэтому именно MANO представляет наиболее подходящий интерфейс для подсистемы OSS/BSS в части сбора операционных данных. В будущем, по мере трансформации сети, все функции OSS/BSS должны перейти к MANO.
Взаимодействие элементов архитектуры NFV
Обобщённые блоки архитектуры NFV, на рис. 3 состоят, в свою очередь, из функциональных модулей более низкого уровня. Например, административный блок MANO представляет собой комбинацию трёх основных функциональных модулей: менеджера инфраструктуры виртуализации VIM (Virtualized Infrastructure Manager), менеджера виртуальных сетевых функций VNFM (Virtualized Network Function Manager) и оркестратора NFVO (NFV Orchestrator).
В архитектуре также определены референсные точки (reference points) между функциональными блоками и модулями, через которые они взаимодействуют между собой. Следует заметить, что референсные точки – это не интерфейсы (программные или аппаратные). Эти точки представляют собой спецификации той информации, которая должна через них передаваться, а также, где и как она должна обрабатываться.
На рисунке ниже референсные точки показаны жирными кружками с соединительными линиями. Более подробное их описание можно найти в описании от ETSI, или здесь.
Ресурсы оборудования в NFVI подразделяются на три категории:
- Оборудование серверов
- Оборудование систем хранения
- Оборудование сетевых интерфейсов
Вычислительное оборудование серверов включает центральный процессор CPU и память, которая может быть распределена между компьютерными узлами с использованием технологий кластеризации.
Системы хранения могут быть локальными NAS (Network Attached Storage), а также подключёнными по технологии SAN (Storage Area Network).
Сетевое оборудование состоит из набора карт сетевых интерфейсов и портов, которые могут быть использованы виртуальными сетевыми функциями VNF.
Ни один из этих видов оборудования не является специально созданным для выполнения тех или иных функций, а представляет собой общедоступные аппаратные устройства COTS. Все виды оборудования (процессоры, память, системы хранения, сетевые карты и пр.) объединены в общий пул. Отдельные устройства из этого пула используются по мере надобности для создания VNF, и, после окончания работы функции, вновь освобождаются.
Функциональные блоки могут простираться между разными компьютерными узлами в дата-центре и даже между самими дата-центрами. То есть, они обычно не сосредоточены в одном сетевом узле, местоположении или точке присутствия на сети POP (point of presence), а распределены.
Такая распределённость – очень важное качество архитектуры NFV, которая даёт много преимуществ.
Функциональный блок NFVI предоставляет аппаратные ресурсы в виде виртуальных машин VM (Virtual Machine), на которых работают VNF. Виртуальные машины представляют собой виртуальный аналог физического оборудования, которое предоставляется для запуска на них VNF точно так же, как если бы это было физическое оборудование.
Для управления NFVI предназначен менеджер инфраструктуры виртуализации VIM (Virtualized Infrastructure Manager), который является частью MANO. Он отвечает за управление ресурсами серверов, систем хранения и сети, а также программного обеспечения Уровня виртуализации. VIM обладает полной информацией о наличии и занятости ресурсов (inventory), а также атрибутами их работы (например, электропитания, состояния занятости процессора и пр.), и кроме того, средствами мониторинга параметров работы (например, статистики использования).
Созданием и управлением работой виртуальных сетевых функций занимается менеджер VNF – VNFM. Он, по запросу от Оркестратора NFV на формирование виртуальной функции VNF, запрашивает соответствующие ресурсы от VIM и запускает на них эту VNF, либо составляет сложную функцию из других, более элементарных VNF. В процессе её работы, если требуется расширение (масштабирование) мощности VNF, VNFM запрашивает дополнительные ресурсы от VIM, получает их и добавляет в работающую VNF (например, добавляет ядра процессора CPU). Это может быть запуск дополнительных виртуальных машин VM, наращивание объёма памяти или пространства системы хранения, подключение новых сетевых интерфейсов. Поскольку VIM ведает «системой учёта» (inventory), он может определить, есть ли наличные ресурсы COTS для удовлетворения запроса, или система подошла к пределу их использования. В последнем случае могут предприниматься разнообразные меры, которые входят в функционал обеспечения гибкости системы.
VNFM управляет виртуальными сетевыми функциями VNF через виртуальные устройства управления EM (Element Management, см. рис. 4). Эти устройства нужны для того, чтобы обеспечить взаимодействие VNF также и с физическими сетевыми функциями PNF (Physical Network Functions) обычных физических устройств сети оператора, которые наследуются от традиционной сети. С целью упрощения PNF на рисунках не показаны.
Объем ответственности EM аналогичен традиционной системе управления и администрирования элементов EMS (Element Management System). В традиционной, физической сети оператора она является промежуточной между системой управления сети NMS (Network Management System) и физическими элементами сети, выполняющими сетевые функции. EM взаимодействует с VNF по специализированным протоколам, оставшимся от традиционной сети, а с VNFM – при помощи открытых протоколов, определённых ETSI. В полностью виртуализированный сети надобность в ЕМ, скорее всего, отпадёт, т.к. они будут интегрированы с VNF.
В эволюционирующей к NFV сети, которая содержит обе части – традиционную и виртуализированную, ЕМ нужны также и для универсального выполнения функций FCAPS (Fault, Configuration, Performance, Accounting, Security), то есть для управления при отказах (fault), конфигурирования (configuration), измерения параметров работы (performance), учёта (accounting) и безопасности (security).
В полностью виртуализированной сети функции FCAPS будут целиком входить в зону ответственности VNFM.
При переходе от физических сетевых элементов к виртуальным, операторы связи обычно не горят желанием менять или преобразовывать те инструменты управления сетью, к которым они привыкли, и которые хорошо работают с традиционными системами OSS/BSS. Структура ETSI это учитывает, и не требует от операторов, которые вступают на путь трансформации NFV, одномоментно менять всю сложившуюся систему управления сетью. То есть, существующие системы правления могут продолжать работать даже в том случае, когда физические сетевые элементы заменены на VNF. Однако, существующие системы OSS/BSS имеют свои недостатки, которые не позволяют им в полной мере использовать все преимущества NFV, а также они не могут напрямую коммуницировать с блоками управления NFV – VNFM и VIM. Конечно, существующие системы можно как-то приспособить для использования преимуществ NFV, таких как оперативность работы и эластичность. Но это не оптимальный подход, потому что такие системы, как правило, проектировались по принципу «проприетарности», который не позволяют управлять открытыми платформами.
Для решения этой проблемы в структуре MANO имеется ещё один функциональный блок под названием Оркестратор NFV, NFVO. Он позволяет традиционным OSS/BSS управлять операциями в NFVI и VNF через VNFM и VIM (См. рис. 4).
Роль NFVO не так очевидна, как VIM и VFNM, и, на первый взгляд, он выглядит просто как буфер между ними и традиционными OSS/BSS. Однако, оркестратор NFVO играет очень важную роль в структуре NFV ETSI. Он управляет комплексным развёртыванием услуг на сети, составляет глобальную картину виртуализации услуг и обменивается этой информацией с VIM и VNFM для развёртывания услуг. В частности, показанный на рис. 6 «Запрос на расширение производительности процессора от VNF1», поступает именно от NFVO.
NFVO также работает с VIM и обладает полной картиной наличности ресурсов, которыми он управляет. В одной системе NFV могут быть много VNFM и VIM, но координирует их работу именно NFVO.
Выше описана лишь упрощённая картина работы системы NFV, поскольку формат статьи не позволяет рассмотреть все аспекты более детально.
Преимущества NFV
В начале были кратко описаны ограничения традиционных методов развития сетей связи. Рассмотрим, как виртуализация сетевых функций NFV решает большинство этих ограничений, а также привносит дополнительны преимущества. Многое из того, что в традиционной сети оператора было невозможным, и поэтому такие возможности даже не рассматривались, становится возможным в NFV.
- Свобода выбора оборудования
Поскольку NFV использует обычное, коммерчески доступное компьютерное оборудование COTS, операторы могут выбирать наиболее подходящее по ценам и поддержке оборудование от многочисленных производителей, и таким образом, наиболее оптимально строить свои сети, как по затратам, так и функционалу.
Можно сказать, что все разнообразие традиционного сетевого оборудования, поставляемого вендорами, в NFV сводится лишь к трём его видам: сервер, система хранения, сетевые устройства. Однако, число поставщиков такого стандартного оборудования гораздо больше, чем специализированного телекомовского. Весь функционал при этом обеспечивается программными функциями, которые работают на этой ограниченной номенклатуре оборудования.
Процесс модификации традиционного оборудования на сети оператора связи обычно бывает очень долгим и затратным. С NFV, операторы могут вводить новые функции за несколько кликов с панели управления администратора, а не развёртывать на сети новые устройства с привлечением высококвалифицированного технического персонала.
Например, при необходимости расширения ёмкости Интернет-шлюза, вместо установки новых плат в корзину блейд-сервера, конфигурации, модификации таблиц и пр., оператор просто может назначить новые виртуальные машины из имеющегося пула ресурсов, на которых будут запущены соответствующие VNF.
- Быстрота и оперативность
В противоположность физическому оборудованию, сетевые функции VNF могут создаваться и удаляться «на лету», по большей части автоматизированно, без необходимости привлечения работы технического персонала.
Такое свойство носит название «эджайл» (agile – гибкий, оперативный, проворный, эффективный), термин, который укоренился в технической литературе в английской транскрипции, поскольку его невозможно перевести на русский язык одним словом.
- Масштабируемость и эластичность
Ввод новых услуг и приложений, которые требуют значительной полосы пропускания сети, в сегодняшних условиях часто заставляют операторов работать в постоянном стрессе, чтобы удовлетворить всё растущие потребности абонентов и пользователей в новых услугах так, чтобы они нормально работали на существующих ресурсах. Традиционные ресурсы часто представляют собой «бутылочное горлышко» (bottleneck), когда все другие ресурсы сети позволяют предоставить новый сервис без проблем, но физические сетевые элементы одного-двух ресурсов являются недостаточными, а расширять их – долго и накладно.
Эта проблема решается в NFV, которая позволяет получать нужные ресурсы очень быстро, развёртывая новые VNF на виртуальных машинах VM из имеющегося пула ресурсов.
Поскольку эти VNF не ограничены параметрами специализированного физического оборудования, они могут обеспечить свойство «эластичности», то есть, они могут быть развёрнуты, когда они нужны, и свёрнуты, когда они не нужны.
Кроме того, это позволяет избежать обычной ситуации в традиционной сети, когда одни сетевые элементы перегружены, а другие недогружены. Быстрое развёртывание VNF позволяет равномерно распределить имеющуюся в данный момент нагрузку.
- Использование стандартных ИТ-средств
Поскольку NFV использует ту же инфраструктуру, что и стандартные дата-центры, она может использовать все наработанные в них приёмы развёртывания и управления. Это даёт возможность использовать существующие методы и средства ИТ для телекоммуникационных сетей.
- Быстрое развёртывание и избавление от вендорозависимости
Вследствие того, что NFV обеспечивает средства быстрого развёртывания стандартных решений без чрезмерных затрат, связанных с «моновендорскими» решениями, операторы могут избавиться от т.н. «вендорозависимости», т.е., чрезмерной привязанности к специализированным решениям небольшого количества вендоров на сети.
Новые решения могут быть развёрнуты на сети быстро, без необходимости ожидания разработки новых функций от традиционных вендоров, что часто занимает длительное время.
Кроме того, это позволяет быстро развёртывать новые решения на испытательных доменах, протестировать их, и в случае успешности испытаний, также быстро развёртывать их на живой сети. В случае неудачи, их стоимость минимальна, поскольку такие испытания связаны только с установкой и запуском программного обеспечения, а не с приобретением и запуском нового дорогостоящего оборудования.
- Упрощение обслуживания и технической эксплуатации
Обслуживание и поддержка операций на при помощи NFV позволяет снизить возможные периоды недоступности услуг. Например, выход из строя виртуальной машины, на которой работает сетевая функция, немедленно повлечёт за собой запуск резервной виртуальной машины, которая будет выполнять VNF точно с того же места, на котором произошёл сбой активной VM.
Это позволяет также достигать также модификации программного обеспечения в процессе работы ISSU (In-Service-Software-Upgrade) в режиме 24/7. Всё это значительно снижает и даже полностью устраняет потери, связанные с неисправностями на сети.
- Сокращение капитальных и операционных затрат
Поскольку оборудование COTS – недорогое, по сравнению со специализированными решениями традиционных телеком-вендоров, и NFV позволяет достичь более оптимальной загрузки оборудования, то капитальные затраты операторов на создание и развитие сетей могут быть значительно сокращены.
Сокращения операционных затрат в NFV удаётся достичь за счёт автоматизации операций, повышения соотношения количества единиц оборудования на одного технического специалиста, а также устранения необходимости содержания в штате специально обученного персонала для обслуживания того или иного проприетарного решения традиционных вендоров.
***
Это лишь некоторые из преимуществ применения NFV на телекоммуникационных сетях. Многие преимущества являются следствием из перечисленных, а также из их синергии.
Методы виртуализации сетевых функций по состоянию на 2019 год восприняты ведущими операторами связи мира, таким как AT&T, Verizon, Nelefonca, Vodafone, China Mobile и многими другими.
Например, AT&T, с успехом реализует масштабный проект цифровой трансформации бизнеса, основой которого является NFV. Компания AT&T поставила цель виртуализовать 75% сетевых функций к 2020 году и успешно движется к этой цели.
Объем и динамика рынка NFV
2017: данные IDC
В августе 2018 года аналитическая компания International Data Corporation (IDC) представила результаты исследования мирового рынка инфраструктуры для виртуализации сетевых функций (NFVI). Расходы на соответствующие оборудование и программное обеспечение в 2017 году достигли $564 млн. Ожидается, что к 2022 году выручка на рынке будет расти на 58,1% ежегодно и составит $5,6 млрд.
По словам экспертов, телекоммуникационным оператором непросто трансформировать инфраструктуру своих сетей, чтобы создавать новые сервисы, получать дополнительные источники доходов и улучшать операционную эффективность. В этих условиях операторы используют программно-определяемые сети (SDN) и развертывают сетевые функции в виртуализированных форм-факторах. Современные телекоммуникационные сети содержат как физическую, так и виртуальную инфраструктуру, используя решения NFV и SDN. Однако к августу 2018 года рынок инфраструктуры для виртуализации сетевых функций только зарождается и готовится к стремительному росту, говорится в докладе.
В IDC, используя предложенные Европейским институтом стандартов телекоммуникаций (ETSI) определения сетевой архитектуры, выделяют на рынке NFVI пять основных сегментов: программно-определяемые вычисления, сетевое взаимодействие, системы хранения данных, управление и оркестрация.
По прогнозам аналитиков, оркестрация будет самым быстрорастущим сегментом благодаря тому, что спрос на такие сервисы растет для организации огромного многообразия сетевых функций — как физических, так и виртуальных — в нескольких вертикальных доменах.
Беспроводная инфраструктура вносит самый большой вклад на рынке NFVI. Следом идет маршрутизация, а 5G-сети стали главным драйвером роста расходов в беспроводную инфраструктуру NFVI.[1]
Читайте также
- Программно-определяемые сети (Software-Defined Network, SDN) и программно-определяемые ЦОД (Software-Defined Data Center, SDDC)
- СRAN - Cloud RAN, Centralized RAN, cloud-based RAN
Примечания
