Абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями

Полезная модель относится к системам передачи данных, в частности, к системам с использованием виртуализации абонентских сетевых устройств (vCPE).
Операторы связи ищут новые пути генерации потоков прибыли, более гибкой организации предоставления услуг, сокращения затрат на обслуживание инфраструктуры и автоматизации управления. Ответом на подобные потребности является концепция NFV (Network Function Virtualization) - виртуализация сетевых функций. Разработчики решений пытаются предложить операторам новые бизнес-кейсы, которые бы сделали применение технологии экономически эффективным. Среди потенциально привлекательных кейсов выделяется vCPE (virtual Customer Premises Equipment или «виртуализация абонентских сетевых устройств»).
Одним из основных подходов к внедрению vCPE является Edge модель, где все виртуальные функции размещаются на стороне клиента на недорогом устройстве (микро-сервере с достаточным количеством Ethernet-портов), который является локальной NFV инфраструктурой (NFVI) для конкретного заказчика. При использовании подхода с созданием небольшой виртуальной инфраструктуры на клиентских устройствах не нужно огромного пула ресурсов и затраты появляются только в тот момент, когда клиент заказывает услугу.
Наиболее близким техническим решением, отвечающим требованиям виртуализации абонентских сетевых устройств, является устройство, описанное в статье «Оценка эффективности архитектур сетевых процессоров» (Грищенко В.И., Ладыженский Ю.В., Юнис М. Основные направления развития современных сетевых процессоров / Д.Д. Моргайлов, Ю.В. Ладыженский, М. Юнис // Науковi працi ДонНТУ. - Донецк, 2011. - (Серия «Iнформатика, кiбернетика та обчислювальна технiка»). - №14 (188). - с. 123-127.) - прототип.
Данное устройство содержит микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, связанные шиной с микроконтроллером, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером.
Цель полезной модели - обеспечение аппаратного резервирования системы хранения, что наиболее критично для приложений виртуализации, когда для работы нескольких виртуальных функций требуется достаточная производительность системы хранения и при этом высокая надежность.
Поставленная цель достигается тем, что в устройство, содержащее микроконтроллер, постоянное запоминающее устройство, оперативное запоминающее устройство, связанные шиной адреса и данных с микроконтроллером, порты ввода информации, соединенные шиной адреса и данных с микроконтроллером, дополнительно введены блок Wi-Fi, блок индикации, RAID контроллер, связанный шиной адреса и данных с микроконтроллером, и накопителями HDD/SSD; модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA), первый вход/выход которого связан шиной с микроконтроллером; приемо-передающие модули Ethernet, первые входы/выходы которых соединены шиной со вторыми входами/выходами модуля высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA); порты ввода/вывода информации, первые входы которых соединены с вторыми входами/выходами приемо-передающих модулей Ethernet, а вторые входы/выходы являются входами/выходами устройства.
Сравнение с прототипом показывает, что заявляемое устройство отличается наличием новых блоков и их связями между ними. Таким образом, заявляемая система соответствует критерию «новизна».
Сравнение заявляемого решения с другими техническими решениями показывает, что перечисленные элементы, используемые в блоках, являются известными, однако их введение в указанной связи с остальными элементами приводит к расширению функциональных возможностей устройства. Это подтверждает соответствие технического решения критерию «существенные отличия».
На фиг. 1 представлена блок-схема предлагаемого устройства.
Устройство включает: микроконтроллер 1, модуль высокоскоростной обработки пакетных данных с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) 3, оперативное запоминающее устройство (ОЗУ) 4, порты ввода информации 5, блок Wi-Fi 6, шину адреса и данных 7, блок индикации 8, RAID контроллер 9, накопители HHD/SSD 15; датчик температуры окружающей среды 10, датчик температуры системы охлаждения 11, приемо-передающего модуля Ethernet 12, 13; порты ввода/вывода информации 14.
Предлагаемое устройство работает следующим образом.
Для подключения удаленных офисов, подразделений и т.п., имеющих собственную локальную сеть, с применением сервисов точка-точка, точка-многоточка и многоточка-многоточка необходима установка специального оборудования, размещаемого на стороне заказчика, однако обслуживаемого централизованно (например, поставщиком услуги или центральным офисом). В этом случае наиболее современным подходом является внедрение концепции SDN/SD-WAN и поддержка сервисов NFV, внедряемых централизованно (например, в дата-центре оператора) или распределено (как на vCPE, так и на опорной сети, и в дата-центре).
Внедрение NFV позволит операторам и крупным корпоративным заказчикам трансформировать сетевую инфраструктуру за счет отказа от использования специализированного сетевого оборудования в пользу полностью программных и виртуализированных решений.
Для применения технологии NFV необходима виртуализация абонентского оборудования путем использования vCPE. При подключении нового клиента, помимо установки демаркационного устройства, которое разделяет сеть клиента и сеть оператора, перед сервис-провайдером часто возникает задача реализации дополнительных функций - например, для контроля и управления соединениями и трафиком, решения бизнес-задач клиента и т.д. Так, многим корпоративным заказчикам требуются такие дополнительные функции, как межсетевой экран (Firewall), поддержка VPN и защита от DDoS.
Для того, чтобы реализовать такие сервисы сегодня, нужно доставить, установить, настроить, а затем еще и обслуживать соответствующее оборудование на стороне клиента. NFV помогает решить эту задачу гораздо более эффективным образом, а именно за счет виртуализации сетевых функций в программных приложениях, которые можно запустить как на обычных серверах, так и на виртуальных машинах, работающих на этих серверах. В этом случае оператор может, используя лишь одно сетевое интерфейсное устройство для разграничения трафика, «разместить» все остальные функции, такие как межсетевой экран, на своей территории, а для упрощения сети и управления ею, в частности для построения цепочек сервисов, внедрить SDN.
Основное назначение предлагаемого устройства - построение сети архитектуры SD-WAN операторами связи и для корпоративных сетей. Для этого используются устройства vCPE, устанавливаемые на стороне сети заказчика и позволяющие реализовывать SDN подход к управлению сетями и внедрению сервисов согласно идеологии NFV.
Для реализации абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) взята известная структура построения сетевых процессоров (прототип) с центральным процессором (CPU) 1, связанным шиной адреса и данных 7 с портами ввода информации 5, и шинами с постоянным запоминающим устройством (ПЗУ) 3 и оперативным запоминающим устройством (ОЗУ) 4. CPU 1 также связан шиной с неблокируемой высокоскоростной матрицей коммутации на базе ПЛИС (FPGA) 2. Использование микросхем FPGA 2 дает необходимую гибкость при разработке аппаратной логики обработки сетевого трафика, а также возможность реализации дополнительного функционала при изменении конкурентной среды без изменения архитектуры устройства.
Входы портов ввода информации 5 (фиг. 1) соединены с датчиками температуры окружающей среды 10 и температуры системы охлаждения vCPE 11, что позволяет контролировать через CPU 1 температурный режим работы устройства. Кроме этого, шина адреса и данных 7 соединена с блоком Wi-Fi 6, обеспечивающим беспроводный мониторинг состояния устройства, с блоком индикации 8. Работу этой части устройства контролирует CPU 1.
Приемо-передающие модули Ethernet (PHY) 12, 13 - интегральная схема, предназначенная для выполнения функций физического уровня сетевой модели OSI.
Микросхемы PHY позволяют другим микросхемам канального уровня, называемыми MAC, подключиться к физической среде передачи, такой как оптическое волокно или медный кабель. Стандартный микрочип PHY включает в себя модули подуровня физического кодирования (PCS, Physical Coding Sublayer) и подуровня среды передачи (PMD, Physical Medium Dependent). Модуль подуровня физического кодирования выполняет функции кодирования и декодирования передаваемого и принимаемого потока данных. Целью кодирования является упрощение процесса восстановления потока данных приемником.
Работа RAID контроллера 9.
Аппаратный RAID контроллер 9 монтируется в абонентский коммутатор. Модуль 9 предлагаемого абонентского сетевого устройства с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) работает как самостоятельный микрокомпьютер, поскольку имеет свой собственный вычислительный процессор и память. За счет этого координация массивов происходит с минимальными задержками и без лишних обращений к центральному процессору vCPE. Данная реализация дает больший прирост производительности по сравнению с интегрированными решениями при создании массивов из SSD-накопителей или при создании RAID-массивов высоких уровней из более чем шести традиционных дисков. Кроме того, аппаратные RAID-контроллеры совместимы с профессиональными скоростными жесткими дисками с интерфейсом SAS и могут иметь дополнительные средства для повышения отказоустойчивости: собственную кэш-память на плате, возможность работы от аккумулятора для сохранения содержимого кэш-памяти в случае сбоя электропитания и средства аппаратной коррекции ошибок налету. Аппаратные контроллеры, в отличие от программных и интегрированных, поддерживают гораздо больше схем RAID, некоторые даже предоставляют возможность использовать нестандартные уровни, а также позволяют строить сложные гибридные массивы из разных уровней RAID с одновременным задействованием жестких и твердотельных дисков.
Таким образом, предлагаемое абонентское сетевое устройство с виртуализированными сетевыми функциями (vCPE) обеспечит более высокую производительность подсистемы хранения данных (ПЗУ) и гарантированную отказоустойчивость.