Εικονικοποίηση δικτυακών λειτουργιών

Στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών η Εικονικοποίηση δικτυακών λειτουργιών (Network Function Virtualization, NFV) είναι αρχιτεκτονική δικτύου που χρησιμοποιεί τις τεχνολογίες εικονικοποίησης για να εξομοιώσει λειτουργίες κόμβων δικτύων σε δομικά στοιχεία που μπορούν να συνδεθούν μαζί για να δημιουργήσουν υπηρεσίες τηλεπικοινωνιών.
Η NFV βασίζεται σε παραδοσιακές τεχνικές εικονικοποίησης υπολογιστών, όπως αυτές χρησιμοποιούνται στην πληροφορική, αλλά εμφανίζει και διαφορές. Μια εικονική λειτουργία δικτύου, ή VNF, μπορεί να αποτελείται από μία ή περισσότερες εικονικές μηχανές που τρέχουν διαφορετικό λογισμικό και διεργασίες, πάνω σε κοινούς εξυπηρετητές, μεταγωγείς και συσκευές αποθήκευσης, ή ακόμα και σε υπολογιστικά νέφη, αντί να χρειάζεται εξειδικευμένες συσκευές για κάθε λειτουργία του δικτύου.
Παραδείγματα δικτυακών λειτουργιών που εικονικοποιούνται είναι εξισορροπητές φόρτου, τείχη προστασίας, συστήματα ανίχνευσης εισβολής και επιταχυντές διαδικτύου.

Λεπτομέρειες

Η ανάπτυξη προϊόντων στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών παραδοσιακά ακολουθούσε αυστηρά πρότυπα σταθερότητας, συμβατότητας με πρωτόκολλα και ποιότητας. Παρ' όλο που αυτό το μοντέλο κατασκευής λειτούργησε καλά στο παρελθόν, αναμφίβολα οδηγούσε σε μεγάλους κύκλους ανάπτυξης, αργούς ρυθμούς προόδου και εξάρτηση από ιδιόκτητο ή εξειδικευμένο υλικό, π.χ. ολοκληρωμένα κυκλώματα. Ο ανταγωνισμός στο χώρο των επικοινωνιών από ευέλικτους οργανισμούς που δραστηριοποιούνται σε μεγάλη κλίμακα στο διαδίκτυο (όπως το Google Talk, το Skype, το Netflix) ανάγκασε τους παρόχους υπηρεσιών να αναζητήσουν τρόπους να αλλάξουν αυτή την κατάσταση.

Ιστορικά στοιχεία

Τον Οκτώβριο του 2012, η ομάδα προδιαγραφών "Network Function Virtualization", δημοσίευσε μια λευκή βίβλο σε ένα συνέδριο στο Ντάρμστατ της Γερμανία σχετικά με τη δικτύωση ορισμένη με λογισμικό (SND) και το πρωτόκολλο OpenFlow. Η ομάδα αυτή, μέλος του Ευρωπαϊκού Τηλεπικοινωνιακού Ινστιτούτου Προτύπων, αποτελείτο από εκπροσώπους οργανισμών τηλεπικοινωνιών από την Ευρώπη και άλλα μέρη του κόσμου.

Από τη δημοσίευση της λευκής βίβλου, η ομάδα έχει δημιουργήσει αρκετό υλικό με μεγαλύτερες λεπτομέρειες συμπεριλαμβανομένου και ενός πρότυπου ορισμού ορολογίας καθώς και περιπτώσεις χρήσεων που αποτελούν αναφορά για κατασκευαστές και παρόχους υπηρεσιών.

Πρακτικά θέματα

Ένας πάροχος υπηρεσιών που ακολουθεί την NFV αρχιτεκτονική υλοποιεί μια ή περισσότερες εικονικές δικτυακές λειτουργίες, ή VNFs. Μια VNF από μόνη της δεν προσφέρει υποχρεωτικά κάποιο προϊόν ή υπηρεσία στους πελάτες του παρόχου. Για να δημιουργηθούν πιο περίπλοκες υπηρεσίες, χρησιμοποιείται η έννοια της αλυσίδας υπηρεσιών, όπου πολλαπλά VNFs χρησιμοποιούνται στη σειρά για να δώσουν μια υπηρεσία.
Μια άλλη πτυχή της εφαρμογής της NFV είναι η ενορχήστρωση. Για την κατασκευή αξιόπιστων και ολοκληρωμένων υπηρεσίες, η NFV απαιτεί ότι το δίκτυο είναι σε θέση να ξεκινήσει VNFs, να τις παρακολουθεί, να τις επισκευάζει, και (το πιο σημαντικό για έναν πάροχο υπηρεσιών) να χρεώνει για τις υπηρεσίες που παρέχονται. Αυτά τα χαρακτηριστικά, που αναφέρονται ως "επιπέδου-παρόχου" (carrier-grade) χαρακτηριστικά, ανατίθενται σε ένα επίπεδο ενορχήστρωση, ώστε να παρέχει υψηλή διαθεσιμότητα και ασφάλεια, και χαμηλό κόστος λειτουργίας και συντήρησης. Το σημαντικότερο, η ενορχήστρωση του στρώματος πρέπει να είναι σε θέση να διαχειριστεί VNFs ανεξάρτητα από την υποκείμενη τεχνολογία που υλοποιεί η VNF. Για παράδειγμα, ένα σύστημα ενορχήστρωσης πρέπει να είναι σε θέση να διαχειριστεί ένα Firewall VNF από τον κατασκευαστή Χ που τρέχει σε VMware vSphere εξίσου καλά όπως και ένα IMS VNF από τον κατασκευαστή Ψ το οποίο τρέχει στο KVM.

Κατανεμημένη NFV

Η αρχική αντίληψη για την NFV ήταν ότι η ικανότητα εικονικοποίησης θα πρέπει να εφαρμόζεται σε κέντρα δεδομένων. Αυτή η προσέγγιση λειτουργεί σε πολλές, αλλά όχι σε όλες τις – περιπτώσεις. Η NFV προϋποθέτει και τονίζει την ευρύτερη δυνατή ευελιξία ως προς τη φυσική θέση του εικονικοποιημένων λειτουργιών.
Ιδανικά, ως εκ τούτου, εικονικοποιημένες λειτουργίες θα πρέπει να βρίσκεται στο σημείο που είναι η πιο αποτελεσματικές και λιγότερο δαπανηρήές. Αυτό σημαίνει ότι ένας πάροχος υπηρεσιών θα πρέπει να είναι ελεύθερος να αναπτύξει NFV σε όλες τις πιθανές τοποθεσίες, από το κέντρο δεδομένων, στους κόμβους του δικτύου έως και στις εγκαταστάσεις του καταναλωτή. Η προσέγγιση αυτή, που είναι γνωστή ως κατανεμημένη NFV, έχει τονιστεί από την αρχή καθώς η NFV αναπτυσσόταν, και κατέχει εξέχουσα θέση στα τελευταία έγγραφα της ομάδας NFV.
Για ορισμένες περιπτώσεις, υπάρχουν σαφή πλεονεκτήματα για ένα πάροχο υπηρεσιών αν αναπτύξει εικονικοποιημένες λειτουργίες στις εγκαταστάσεις του πελάτη. Τα πλεονεκτήματα αυτά κυμαίνονται από οικονομικά έως και την απόδοση.

Οφέλη σπονδυλωτής NFV

Κατά το σχεδιασμό και την ανάπτυξη του λογισμικού που παρέχουν οι VNFs, οι κατασκευαστές μπορούν να δομήσουν το λογισμικό σε υποσυστήματα και τα υποσυστήματα αυτά να τα παρέχουν εικονικές μηχανές. Αυτά τα υποσυστήματα ονομάζονται VNF Υποσυστήματα (VNFCs). Μια VNF υλοποιείται με ένα ή περισσότερα VNFCs.
Τα VNFCs θα πρέπει γενικά να είναι σε θέση να κλιμακοθούν οριζόντιως και καθέτως. Με το να είναι σε θέση να διαθέσει εύκαμπτο (virtual) Επεξεργαστές σε κάθε VNFC περιπτώσεις, η διαχείριση του δικτύου στρώμα μπορεί κλίμακας (δηλαδή, την κλίμακα κάθετα) το VNFC για να παρέχει την απόδοση/την απόδοση και επεκτασιμότητα προσδοκίες για ένα ενιαίο σύστημα ή μια ενιαία πλατφόρμα. Ομοίως, η διαχείριση του δικτύου στρώμα μπορεί κλίμακας (δηλαδή, κλίμακα οριζόντια) VNFC ενεργοποιώντας πολλές περιπτώσεις τέτοιων VNFC σε πολλαπλές πλατφόρμες και ως εκ τούτου να φτάσει τις επιδόσεις και την αρχιτεκτονική προδιαγραφές, ενώ δεν θέτει σε κίνδυνο την άλλη VNFC λειτουργία σταθερότητες.

Επιπτώσεις στον κλάδο των τηλεπικοινωνιών

Η NFV έχει αποδειχθεί δημοφιλές πρότυπο από πολύ νωρίς. Οι άμεσες εφαρμογές της είναι πολλές, όπως οι εικονικοποίηση των σταθμών βάσης κινητής τηλεφωνίας, των πλατφόρμων ως υπηρεσία (PaaS), των δικτύων διανομής περιεχομένου (CDN), της σταθερής τηλεφωνίας και του οικιακού εξοπλισμού. Τα πιθανά οφέλη της NFV αναμένεται να είναι σημαντικά. Η εικονικοποίηση των λειτουργιών δικτύου πάνω σε υλικό γενικού σκοπού αναμένεται να μειώσει τα έξοδα κτίσης και τις λειτουργικές δαπάνες, καθώς και το χρόνο δημιουργίας υπηρεσιών και προϊόντων. Πολλά σημαντικοί κατασκευαστές εξοπλισμού δικτύου έχουν ανακοίνωσε την υποστήριξη της NFV. Αυτό συνέπεσε με ανακοινώσεις σχετικά με την NFV από μεγάλους προμηθευτές λογισμικού που παρέχουν τις NFV πλατφόρμες που χρησιμοποιούνται από τους προμηθευτές εξοπλισμού για την κατασκευή των δικών τους NFV προϊόντων.
Ωστόσο, για να υλοποιηθούν τα προσδοκώμενα οφέλη της εικονικοποίησης, οι κατασκευαστές δικτυακού εξοπλισμού βελτίωνουν τις τεχνολογίες εικονικοίησης για να ενσωματώσουν τα χαρακτηριστικά "επιπέδου-παρόχου" που απαιτούνται για να επιτευχθεί η υψηλή διαθεσιμότητα, η επεκτασιμότητα, η απόδοση και η αποτελεσματική διαχείριση του δικτύου. Για να ελαχιστοποιήθει το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας (TCO), τα χαρακτηριστικά "επιπέδου-παρόχου" πρέπει να υλοποιηθούν όσο το δυνατόν πιο αποτελεσματικά. Αυτό απαιτεί από τις NFV λύσεις να κάνουν αποδοτική χρήση των πλεονάζοντων πόρων για την επίτευξη διαθεσιμότητας 99.999%, χωρίς συμβιβασμούς στις συνεπείς επιδόσεις.
Η NFV πλατφόρμα είναι η βάση για την επίτευξη αποτελεσματικών NFV λύσεων "επιπέδου-παρόχου". Είναι μια πλατφόρμα λογισμικού που εκτελείται σε τυπικό υλικό πολλαπλών πυρήνων και κατασκευάστηκε με τη χρήση λογισμικού ανοιχτού κώδικα που ενσωματώνει χαρακτηριστικά "επιπέδου-παρόχου". Η NFV πλατφόρμα είναι υπεύθυνη για τη δυναμική ανακατανομή VNFs λόγω σφαλμάτων και αλλαγών στην κίνηση του δικτύου, και ως εκ τούτου, διαδραματίζει σημαντικό ρόλο στην επίτευξη υψηλής διαθεσιμότητας. Υπάρχουν πολλές πρωτοβουλίες σε εξέλιξη για να καθορίσουν, να ευθυγραμμίσουν και να προωθήσουν NFV δυνατότητες "επιπέδου-παρόχου" όπως τα ETSI NFV Proof of Concept, ATIS, Open Platform for NFV, το Carrier Network Virtualization Awards και διάφορα οικοσυστήματα κατασκευαστών.
Ο εικονικός μεταγωγέας (vSwitch), ένα βασικό συστατικό των NFV πλατφορμών, είναι υπεύθυνος για την παροχή συνδεσιμότητας μεταξύ των εικονικών μηχανών αλλά και μεταξύ των εικονικών μηχανών και του εξωτερικό δίκτυο. Η απόδοση του καθορίζει τόσο το εύρος ζώνης των VNFs όσο και το κόστος και την αποτελεσματικότητα των NFV λύσεων. Η τυπική απόδοση του Open vSwitchs (OVS) έχει αδυναμίες που πρέπει να επιλυθούν για να καλύψει τις ανάγκες της υποδομής NFV. Σημαντικές βελτιώσεις στην απόδοση έχουν αναφέρθεί από κατασκευαστές NFV τόσο για το OVS όσο και για την Επιταχυνόμενη Open vSwitch (AVS) έκδοση.
Επίσης η εικονικοποίηση αλλάζει τον τρόπο που η διαθεσιμότητα καθορίζεται, μετράται και επιτυγχάνεται σε NFV λύσεις. Καθώς VNFs αντικαθιστούν τις παραδοσιακές λειτουργίες, υπάρχει μια μετατόπιση από διαθεσιμότητα που βασίζεται σε πλεονάζοντα εξοπλισμό σε διαθεσιμότητα βασισμένη σε πλαονάζουσες υπηρεσίες και λογισμικό. Η εικονικοποίηση λειτουργιών δικτύου σπάει τη σύζευξη με ειδικό εξοπλισμό, ως εκ τούτου, η διαθεσιμότητα ορίζεται από τη διαθεσιμότητα των υπηρεσιών που προσφέρουν οι VNFs. Επειδή η NFV τεχνολογία μπορεί να εικονικοποιήσει ένα ευρύ φάσμα λειτουργιών δικτύων, το καθένα με τη δική του απίτηση διαθεσιμότητας, οι NFV πλατφόρμες θα πρέπει να υποστηρίζουν ένα ευρύ φάσμα επιλογών σε ανοχή ελαττωμάτων. Αυτή η ευελιξία επιτρέπει στους παρόχους τηλεπικοινωνιών για να βελτιστοποιήσουν τις NFV λύσεις για να καλύψουν κάθε απαίτηση διαθεσιμότητας.

Διαχείριση και ενορχήστρωση (MANO)

Ο ETSI έχει ήδη προτείνει ένα σημαντικό μέρος του ελέγχου των NFV να γίνεται μέσω αυτοματοποίησης και ενορχήστρωσης. Έχει δημιουργηθεί μια ξεχωριστή ομάδα για την διαχείρηση και την ενορχήστρωση εντός της ομάδας NFV η οποία περιγράφει πώς θα πρέπει να ελέγχεται η μεγάλη ευελιξία που προσφέρει η αρχιτεκτονική αυτή.