موضوع مقاله: مجازی‌سازی عملکردهای شبکه | مخاطب: عمومی | لحن: دانشنامه‌ای | ساختار: عنوان، مقدمه، 3 بخش، جمع‌بندی | مقاله: | # مجازی‌سازی عملکردهای شبکه | مقدمه: مجازی‌سازی عملکردهای شبکه (NFV) یک مفهوم معماری شبکه است که از فناوری‌های مجازی‌سازی IT استفاده می‌کند تا دسته‌های کامل از توابع گره شبکه را به بلوک‌های ساختمانی مجازی تبدیل کند. | ## بخش 1: مجازی‌سازی عملکردهای شبکه | این بلوک‌ها می‌توانند به هم متصل شوند یا زنجیره‌ای ایجاد کنند تا خدمات ارتباطی را ایجاد و ارائه دهند. NFV بر تکنیک‌های سنتی مجازی‌سازی سرور تکیه دارد، مانند آنچه در فناوری اطلاعات سازمانی استفاده می‌شود. یک تابع شبکه مجازی سازی (VNF) در یک یا چند ماشین مجازی یا کانتینر اجرا می‌شود که نرم‌افزارها و فرآیندهای مختلفی را بر روی سرورهای معمولی، سوئیچ‌ها و دستگاه‌های ذخیره‌سازی با حجم بالا یا حتی زیرساخت‌های رایانش ابری اجرا می‌کنند. این فرایند به جای استفاده از سخت‌افزارهای سفارشی برای هر تابع شبکه انجام می‌شود و از قفل شدن به یک فروشنده خاص جلوگیری می‌کند. برای مثال، می‌توان یک کنترل‌کننده مرزی مجازی برای محافظت از شبکه مستقر کرد، بدون نیاز به هزینه‌ها و پیچیدگی‌های معمول تهیه و نصب واحدهای فیزیکی حفاظت از شبکه. سایر مثال‌های NFV شامل متعادل‌کننده‌های بار مجازی، دیوارهای آتش، سامانه تشخیص نفوذ، و بهینه‌سازی شبکه گسترده هستند. جدا کردن نرم‌افزار توابع شبکه از پلتفرم سخت‌افزاری سفارشی، یک معماری شبکه انعطاف‌پذیر را ایجاد می‌کند. این معماری مدیریت شبکه چابک، راه‌اندازی سریع خدمات جدید، و کاهش قابل توجه در هزینه‌های سرمایه‌ای (CAPEX) و عملیاتی (OPEX) را ممکن می‌سازد. پس زمینه توسعه محصول در صنعت مخابرات به‌طور سنتی از استانداردهای دقیق برای پایداری، رعایت پروتکل‌ها و کیفیت پیروی می‌کرد، که این امر با استفاده از اصطلاح «درجه حمل‌کننده» برای توصیف تجهیزاتی که این سطح از اعتمادپذیری و عملکرد بالا را نشان می‌دهند، منعکس می‌شد. در حالی که این مدل در گذشته به خوبی کار می‌کرد، به‌طور اجتناب‌ناپذیری منجر به دوره‌های طولانی توسعه محصول، سرعت پایین پیشرفت و وابستگی به سخت‌افزار خاص یا اختصاصی می‌شد، مانند مدارهای مجتمع با کاربرد خاص (ASIC) برای برنامه‌های خاص. این مدل توسعه باعث تأخیرهای قابل توجه در زمان راه‌اندازی خدمات جدید، چالش‌های پیچیده در هم‌افزایی سیستم‌ها و افزایش قابل توجه هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی (CAPEX/OPEX) هنگام مقیاس‌دهی به سیستم‌های شبکه و زیرساخت‌ها و ارتقاء قابلیت‌های خدمات شبکه برای پاسخگویی به بار و تقاضاهای عملکردی رو به رشد می‌شد. تاریخچه در اکتبر ۲۰۱۲، گروهی از اپراتورهای مخابراتی یک اوراق سفید در یک کنفرانس در دارمشتات، آلمان، دربارهٔ شبکه های نرم‌افزارمحور (SDN) و اوپن فلو منتشر کردند. فراخوان اقدام در پایان این مقاله سفید منجر به ایجاد گروه مشخصات صنعتی مجازی‌سازی توابع شبکه (NFV) در داخل نهاد های استانداردهای مخابراتی اروپا (ETSI) شد. این گروه مشخصات صنعتی (ISG) متشکل از نمایندگان صنعت مخابرات از اروپا و سایر نقاط جهان بود. گروه ISG NFV در ETSI بسیاری از جنبه‌ها را پوشش می‌دهد، از جمله معماری عملکردی، مدل اطلاعات، مدل داده، پروتکل‌ها، APIها، تست، قابلیت اطمینان، امنیت، تکامل‌های آینده و غیره. گروه ISG NFV ETSI از می ۲۰۲۱ نسخه ۵ مشخصات خود را منتشر کرده است که هدف آن تولید مشخصات جدید و گسترش مشخصات قبلی بر اساس ویژگی‌ها و بهبودهای جدید است. توابع شبکه مجازی‌شده (VNFs): این توابع، پیاده‌سازی‌های نرم‌افزاری از توابع شبکه هستند که می‌توانند بر روی زیرساخت مجازی‌سازی توابع شبکه (NFVI) مستقر شوند. زیرساخت مجازی‌سازی توابع شبکه (NFVI): این عبارت به مجموع تمام اجزای سخت‌افزاری و نرم‌افزاری اطلاق می‌شود که محیطی را برای استقرار VNFs فراهم می‌آورد. شبکه‌ای که اتصال بین این موقعیت‌ها را فراهم می‌کند، به‌عنوان بخشی از زیرساخت NFVI در نظر گرفته می‌شود. جنبه علمی یک ارائه‌دهنده خدمات که از طراحی NFV پیروی می‌کند، یک یا چند تابع شبکه مجازی‌شده (VNF) را پیاده‌سازی می‌کند. | ## بخش 2: مجازی‌سازی عملکردهای شبکه | به‌طور مستقل، یک VNF به‌طور خودکار محصول یا خدمات قابل استفاده‌ای برای مشتریان ارائه‌دهنده فراهم نمی‌کند. برای ساخت خدمات پیچیده‌تر، از مفهوم زنجیره‌سازی خدمات استفاده می‌شود، جایی که چندین VNF به‌صورت توالی‌وار برای ارائه یک خدمت استفاده می‌شوند. برای ساخت خدمات با قابلیت اطمینان و مقیاس‌پذیری بالا، NFV نیاز دارد که شبکه بتواند نمونه‌های VNF را ایجاد کند، آن‌ها را نظارت کند، تعمیر کند و (مهم‌تر از همه برای کسب‌وکار یک ارائه‌دهنده خدمات) هزینه خدمات ارائه‌شده را محاسبه کند. این ویژگی‌ها، که به عنوان ویژگی‌های carrier-grade شناخته می‌شوند، به لایه ارکستراسیون اختصاص داده می‌شوند تا قابلیت دسترسی بالا، امنیت و هزینه‌های پایین عملیات و نگهداری را فراهم کنند. نکته مهم این است که لایه ارکستراسیون باید بتواند VNFs را صرف‌نظر از فناوری زیرساختی داخل VNF مدیریت کند. NFV توزیع‌شده برداشت اولیه از NFV این بود که قابلیت‌های مجازی‌شده باید در مراکز داده پیاده‌سازی شوند. بنابراین، به‌طور ایده‌آل، توابع مجازی‌شده باید در جایی قرار گیرند که مؤثرترین و کم‌هزینه‌ترین باشد. این بدان معناست که ارائه‌دهنده خدمات باید آزادی داشته باشد تا NFV را در تمام مکان‌های ممکن، از مرکز داده گرفته تا گره شبکه و محل استقرار مشتری مستقر کند. این رویکرد که به آن NFV توزیع‌شده گفته می‌شود، از همان ابتدا که NFV در حال توسعه و استانداردسازی بود، مورد تأکید قرار گرفت و در اسناد منتشرشده اخیر NFV ISG برجسته است. در برخی موارد، برای یک ارائه‌دهنده خدمات، واضح است که قرار دادن این عملکردهای مجازی‌شده در محل مشتری مزایای مشخصی دارد. این مزایا از جنبه‌های اقتصادی، عملکردی و قابلیت مجازی‌سازی توابع مختلف متغیر است. راه‌حل D-NFV RAD، یک واحد ترمینال شبکه لایه ۲/لایه ۳ (NTU) بود که با یک ماژول سرور X86 D-NFV مجهز شده بود و به‌عنوان یک موتور مجازی‌سازی در لبه مشتری عمل می‌کرد و در انتهای همان ماه تجاری شد. در طول سال ۲۰۱۴، RAD همچنین یک اتحادیه D-NFV را سازماندهی کرد که یک اکوسیستم از فروشندگان و یکپارچه‌سازان سیستم بین‌المللی بود که به‌طور تخصصی بر روی کاربردهای جدید NFV تمرکز داشتند. مزایای مدولاریتهٔ NFV هنگام طراحی و توسعه نرم‌افزاری که توابع VNFs را فراهم می‌کند، فروشندگان ممکن است آن نرم‌افزار را به اجزای نرم‌افزاری تقسیم کنند (نمای پیاده‌سازی معماری نرم‌افزار) و این اجزا را در یک یا چند تصویر (نمای استقرار معماری نرم‌افزار) بسته‌بندی کنند. این اجزای نرم‌افزاری تعریف‌شده توسط فروشنده، به‌عنوان اجزای تابع شبکه مجازی‌شده (VNFCs) شناخته می‌شوند. با تخصیص CPUهای مجازی منعطف به هر یک از نمونه‌های VNFC، لایه مدیریت شبکه می‌تواند VNFC را برای تأمین نیازهای عملکردی و مقیاس‌پذیری بر روی یک سیستم یا پلتفرم واحد مقیاس عمودی دهد. به‌طور مشابه، لایه مدیریت شبکه می‌تواند یک VNFC را با فعال‌سازی چندین نمونه از آن VNFC بر روی چندین پلتفرم گسترش دهد و بنابراین به مشخصات عملکردی و معماری دست یابد بدون اینکه به پایداری عملکرد سایر VNFCها آسیب بزند. در واقع، SDN رویکردی برای ساخت تجهیزات و نرم‌افزار شبکه داده است که اجزای این سیستم‌ها را از هم جدا و抽象 می‌کند. در جهت جنوبی، Plane کنترل رفتار ارسال داده را از طریق APIهای سطح دستگاه تجهیزات شبکه فیزیکی توزیع‌شده در شبکه برنامه‌ریزی می‌کند. کاملاً ممکن است که یک تابع شبکه مجازی‌شده (VNF) به‌عنوان یک نهاد مستقل با استفاده از پارادایم‌های موجود شبکه‌سازی و ارکستراسیون پیاده‌سازی شود. | ## بخش 3: مجازی‌سازی عملکردهای شبکه | با این حال، مزایای ذاتی در بهره‌برداری از مفاهیم SDN برای پیاده‌سازی و مدیریت زیرساخت NFV وجود دارد، به‌ویژه زمانی که به مدیریت و ارکستراسیون خدمات شبکه (NS) نگاه می‌کنیم که از توابع مختلف شبکه (NF) شامل توابع شبکه فیزیکی (PNF) و VNFs تشکیل‌شده است و در بین زیرساخت‌های NFV جغرافیایی مختلف توزیع می‌شود، و به همین دلیل پلتفرم‌های چندفروشنده تعریف می‌شوند که SDN و NFV را در اکوسیستم‌های هماهنگ ترکیب می‌کنند. یک سیستم NFV به یک سیستم ارکستراسیون و مدیریت مرکزی نیاز دارد که درخواست‌های اپراتور را برای یک NS یا VNF دریافت کرده و آن‌ها را به پردازش، ذخیره‌سازی و پیکربندی شبکه مناسب برای به‌کارگیری NS یا VNF تبدیل کند. پس از شروع به کار، VNF و شبکه‌های مرتبط باید برای ظرفیت و استفاده نظارت شوند و در صورت نیاز تغییراتی اعمال گردد.[۱۹] تمامی عملکردهای کنترل شبکه در زیرساخت NFV می‌توانند با استفاده از مفاهیم SDN انجام شوند و بنابراین می‌توان NFV را یکی از اصلی‌ترین کاربردهای SDN در محیط‌های ارائه‌دهنده خدمات در نظر گرفت. کاربردهای فوری آن بسیار زیاد است، از جمله مجازی‌سازی ایستگاه‌های پایه موبایل، پلتفرم به عنوان سرویس (PaaS)، شبکه‌های تحویل محتوا (CDN)، دسترسی ثابت و محیط‌های خانگی. مجازی‌سازی توابع شبکه که بر روی سخت‌افزارهای عمومی و استاندارد شده پیاده‌سازی می‌شود، انتظار می‌رود که هزینه‌های سرمایه‌ای و عملیاتی را کاهش دهد و زمان‌های معرفی سرویس و محصول را کوتاه‌تر کند. این موضوع با اعلام پشتیبانی از NFV توسط تأمین‌کنندگان نرم‌افزار بزرگ همزمان شده است، که پلتفرم‌های NFV مورد استفاده توسط تأمین‌کنندگان تجهیزات برای ساخت محصولات NFV خود را فراهم می‌کنند. با این حال، برای تحقق مزایای پیش‌بینی‌شده مجازی‌سازی، تأمین‌کنندگان تجهیزات شبکه در حال بهبود فناوری مجازی‌سازی IT هستند تا ویژگی‌های کلاس Carrier مورد نیاز برای دستیابی به در دسترس‌بودن بالا، مقیاس‌پذیری، عملکرد و قابلیت‌های مدیریت مؤثر شبکه را گنجانده و پیاده‌سازی کنند. این پلتفرم نرم‌افزاری است که بر روی سخت‌افزارهای استاندارد چند هسته‌ای اجرا می‌شود و با استفاده از نرم‌افزارهای منبع باز ساخته شده است که ویژگی‌های کلاس Carrier را در خود گنجانده است. نرم‌افزار پلتفرم NFV مسئول تخصیص مجدد دینامیک VNFs به دلیل خرابی‌ها و تغییرات در بار ترافیکی است، و بنابراین نقش مهمی در دستیابی به در دسترس‌بودن بالا ایفا می‌کند. مجازی‌سازی همچنین روش مشخص‌کردن، اندازه‌گیری و دستیابی به دسترسی در راه‌حل‌های NFV را تغییر می‌دهد. به‌عنوان‌مثال، به‌عنوان‌جایگزین کردن VNFs با تجهیزات اختصاصی برای عملکردهای سنتی، شیفتی از دسترسی مبتنی بر تجهیزات به رویکرد مبتنی بر خدمات، به‌صورت انتها به انتها و لایه‌ای ایجاد می‌شود. مجازی‌سازی توابع شبکه باعث شکستن ارتباط صریح با تجهیزات خاص می‌شود، بنابراین دسترسی بر اساس دسترسی به خدمات VNF تعریف می‌شود. از آنجایی که فناوری NFV قادر است انواع مختلفی از توابع شبکه را مجازی‌سازی کند که هرکدام انتظارات خاص خود را در زمینه دسترسی خدمات دارند، پلتفرم‌های NFV باید از گزینه‌های تحمل خطای متنوعی پشتیبانی کنند. این انعطاف‌پذیری به CSP ها این امکان را می‌دهد که راه‌حل‌های NFV خود را به گونه‌ای بهینه‌سازی کنند که هرگونه نیاز به دسترسی به VNF را برآورده کنند. علاوه بر این، توابع اضافی برای مدیریت VNFهای کانتینری وجود دارند: این توابع شامل مدیریت زیرساخت خدمات کانتینر (CISM) و رجیستری تصویر کانتینر (CIR) هستند. CISM مسئول نگهداری بارهای کاری کانتینری است، در حالی که CIR مسئول ذخیره و نگهداری اطلاعات تصاویر نرم‌افزاری کانتینر سیستم‌عامل است. ETSI مجموعه کاملی از استانداردها را ارائه می‌دهد که یک اکوسیستم باز را امکان‌پذیر می‌سازد، جایی که توابع شبکه مجازی‌شده (VNFs) می‌توانند با سیستم‌های مدیریت و ارکستراسیون مستقل توسعه‌یافته، تعامل داشته باشند و اجزای سیستم‌های مدیریت و ارکستراسیون خود نیز قادر به تعامل با یکدیگر هستند. این شامل مجموعه‌ای از مشخصات APIهای Restful و همچنین مشخصات یک فرمت بسته‌بندی برای ارائه VNFs به ارائه‌دهندگان خدمات و قالب‌های استقرار است که با تصاویر نرم‌افزاری بسته‌بندی می‌شوند تا امکان مدیریت چرخه حیات VNFs را فراهم کنند. openNetVM یک چارچوب انعطاف‌پذیر برای استقرار توابع شبکه و اتصال آنها به یکدیگر جهت ساخت زنجیره‌های خدمات فراهم می‌آورد. این توابع شبکه که به توابع شبکه مبتنی بر ابر (CNF) شناخته می‌شوند، از بسیاری از نوآوری‌هایی که به‌طور معمول در زیرساخت اینترنتی پیاده‌سازی می‌شوند، استفاده می‌کنند. | ## جمع‌بندی | این نوآوری‌ها شامل اسکالینگ خودکار، پشتیبانی از مدل تحویل مداوم/ DevOps و افزایش کارایی با به اشتراک‌گذاری خدمات مشترک در پلتفرم‌ها است.