Виртуализация на мрежови функции: Подробен преглед на виртуалните устройства

Виртуализацията на мрежови функции (NFV) революционизира телекомуникационната и мрежовата индустрия, като отделя мрежовите функции от специализирани хардуерни устройства и ги изпълнява като софтуер на стандартна, виртуализирана инфраструктура. Тази промяна носи гъвкавост, мащабируемост и икономии на разходи, позволявайки на доставчиците на услуги и предприятията да внедряват и управляват мрежови услуги по-ефективно. В основата на NFV лежи концепцията за виртуални устройства, известни още като виртуализирани мрежови функции (VNFs).

Какво представляват виртуалните устройства (VNFs)?

Виртуалното устройство, в контекста на NFV, е софтуерна реализация на мрежова функция, която традиционно се е изпълнявала на специализиран хардуер. Тези функции сега се пакетират като виртуални машини (VMs) или контейнери, което им позволява да бъдат внедрени на стандартни сървъри и управлявани с помощта на технологии за виртуализация. Примери за VNFs включват защитни стени, балансьори на натоварване, рутери, системи за откриване на прониквания (IDS), контролери на гранични сесии (SBCs) и много други. Представете си го като да вземете специализирано хардуерно устройство и да превърнете неговата функция в софтуер, който може да работи на сървър.

Ключови характеристики на виртуалните устройства:

• Базирани на софтуер: VNFs са изцяло софтуерни реализации, премахващи нуждата от специализиран хардуер.
• Виртуализирани: Те работят във виртуални машини или контейнери, осигурявайки изолация и управление на ресурсите.
• Стандартна инфраструктура: VNFs се внедряват на стандартни сървъри, използвайки съществуващата инфраструктура на центровете за данни.
• Мащабируеми: Ресурсите могат да се разпределят динамично към VNFs в зависимост от търсенето, осигурявайки оптимална производителност.
• Гъвкави: VNFs могат бързо да се внедряват, актуализират и извеждат от експлоатация, което позволява по-бързи иновации в услугите.

Архитектура на NFV с виртуални устройства

Архитектурата на NFV, както е дефинирана от Европейския институт за телекомуникационни стандарти (ETSI), предоставя рамка за внедряване и управление на VNFs. Тя се състои от три основни компонента:

• Виртуализирана инфраструктура (NFVI): Това е основата на NFV архитектурата, предоставяща изчислителните, съхранителните и мрежовите ресурси, необходими за работата на VNFs. Тя обикновено включва стандартни сървъри, дискови масиви и мрежови комутатори. Примери за NFVI технологии включват VMware vSphere, OpenStack и Kubernetes.
• Виртуални мрежови функции (VNFs): Това са самите виртуални устройства, представляващи софтуерните реализации на мрежови функции. Те се внедряват и управляват върху NFVI.
• Управление и оркестрация на NFV (MANO): Този компонент предоставя инструментите и процесите за управление и оркестрация на VNFs и NFVI. Той включва функции като внедряване, мащабиране, наблюдение и възстановяване на VNFs. Примери за MANO решения включват ONAP (Open Network Automation Platform) и ETSI NFV MANO.

Пример: Представете си телекомуникационен доставчик, който пуска нова услуга, като например предложение за виртуализирано оборудване в помещенията на клиента (vCPE) за малкия бизнес. Използвайки NFV, те могат да внедрят набор от VNFs, включително виртуален рутер, защитна стена и VPN шлюз, на стандартни сървъри, разположени в техния център за данни. Системата MANO автоматизира внедряването и конфигурацията на тези VNFs, позволявайки на доставчика бързо и лесно да предостави новата услуга на своите клиенти. Това избягва необходимостта от изпращане и инсталиране на физически CPE устройства на всяко клиентско място.

Предимства от използването на виртуални устройства в NFV

Възприемането на виртуални устройства в NFV предлага множество предимства за доставчиците на услуги и предприятията:

• Намалени разходи: Чрез премахване на нуждата от специализирани хардуерни устройства, NFV намалява капиталовите разходи (CAPEX) и оперативните разходи (OPEX). Стандартните сървъри обикновено са по-евтини от специализирания хардуер, а технологиите за виртуализация позволяват по-добро използване на ресурсите. Намалената консумация на енергия и разходите за охлаждане допълнително допринасят за икономиите.
• Повишена гъвкавост и мащабируемост: VNFs могат да бъдат внедрявани и мащабирани при поискване, което позволява по-бързи иновации в услугите и реакция на променящите се бизнес нужди. Доставчиците на услуги могат бързо да пускат нови услуги и да се адаптират към променящите се модели на трафик.
• Подобрено използване на ресурсите: Технологиите за виртуализация позволяват по-добро използване на изчислителните ресурси. VNFs могат да споделят ресурси, намалявайки необходимостта от прекомерно осигуряване.
• Опростено управление: Системите NFV MANO осигуряват централизирано управление на VNFs и подлежащата инфраструктура, опростявайки мрежовите операции. Автоматизираните възможности за внедряване, мащабиране и възстановяване намаляват ръчната намеса и подобряват ефективността.
• По-голяма гъвкавост и избор: NFV позволява на доставчиците на услуги да избират най-добрите в класа си VNFs от различни доставчици, избягвайки обвързването с един доставчик. Отворените стандарти и оперативната съвместимост насърчават иновациите и конкуренцията.
• По-бързо време за пускане на пазара: Възможността за бързо внедряване и конфигуриране на VNFs позволява по-бързо време за пускане на пазара на нови услуги. Доставчиците на услуги могат да отговорят по-бързо на пазарните изисквания и да придобият конкурентно предимство.
• Подобрена сигурност: VNFs могат да включват функции за сигурност като защитни стени, системи за откриване на прониквания и VPN шлюзове, осигурявайки цялостна защита на мрежата. Технологиите за виртуализация също предлагат възможности за изолация и ограничаване, намалявайки риска от пробиви в сигурността.

Модели на внедряване на виртуални устройства

Съществуват няколко модела за внедряване на виртуални устройства в NFV, всеки със своите предимства и недостатъци:

• Централизирано внедряване: VNFs се внедряват в централен център за данни и се достъпват дистанционно от потребителите. Този модел предлага икономии от мащаба и опростено управление, но може да въведе проблеми със закъснението за потребители, разположени далеч от центъра за данни.
• Разпределено внедряване: VNFs се внедряват в периферията на мрежата, по-близо до потребителите. Този модел намалява закъснението и подобрява потребителското изживяване, но изисква по-разпределена инфраструктура и управление.
• Хибридно внедряване: Комбинация от централизирано и разпределено внедряване, при която някои VNFs се внедряват в централен център за данни, а други се внедряват в периферията. Този модел позволява оптимизиране на производителността и разходите въз основа на специфичните изисквания на всяка услуга.

Глобален пример: Мултинационална корпорация с офиси по целия свят може да използва хибриден модел на внедряване. Основни мрежови функции, като централизирано удостоверяване и оторизация, могат да се хостват в главен център за данни в Европа. Периферни VNFs, като локални защитни стени и кешове за съдържание, могат да бъдат внедрени в регионални офиси в Северна Америка, Азия и Африка, за да се подобри производителността и сигурността за местните потребители.

Предизвикателства при внедряването на виртуални устройства

Въпреки че NFV предлага значителни предимства, внедряването на виртуални устройства също представлява няколко предизвикателства:

• Производителност: VNFs не винаги могат да постигнат същата производителност като специализираните хардуерни устройства, особено за приложения с висока пропускателна способност. Оптимизирането на производителността на VNF изисква внимателно проектиране, разпределение на ресурси и настройка.
• Сложност: Управлението на виртуализирана мрежова инфраструктура може да бъде сложно, изисквайки специализирани умения и инструменти. Системите NFV MANO могат да помогнат за опростяване на управлението, но изискват внимателно планиране и конфигуриране.
• Сигурност: Осигуряването на сигурността на VNFs и подлежащата инфраструктура е от решаващо значение. Технологиите за виртуализация въвеждат нови съображения за сигурност, които трябва да бъдат адресирани.
• Оперативна съвместимост: Осигуряването на оперативна съвместимост между VNFs от различни доставчици може да бъде предизвикателство. Отворените стандарти и тестването за оперативна съвместимост са от съществено значение.
• Липса на умения: Внедряването и управлението на NFV изисква квалифицирана работна сила с опит във виртуализацията, мрежите и разработката на софтуер. Обучението и образованието са от решаващо значение за справяне с липсата на умения.
• Интеграция с наследени системи: Интегрирането на VNFs със съществуващата наследена мрежова инфраструктура може да бъде сложно. Изискват се внимателно планиране и стратегии за миграция.

Най-добри практики за внедряване на виртуални устройства

За да се преодолеят предизвикателствата и да се увеличат максимално ползите от NFV, е важно да се следват най-добрите практики за внедряване на виртуални устройства:

• Внимателно планиране: Разработете цялостна NFV стратегия, която съответства на бизнес целите и техническите изисквания.
• Изберете правилните VNFs: Изберете VNFs, които отговарят на изискванията за производителност, сигурност и оперативна съвместимост.
• Оптимизирайте производителността: Настройте VNFs и подлежащата инфраструктура за оптимална производителност. Помислете за използването на технологии за хардуерно ускорение като DPDK (Data Plane Development Kit).
• Внедрете надеждна сигурност: Внедрете надеждни мерки за сигурност, за да защитите VNFs и подлежащата инфраструктура.
• Автоматизирайте управлението: Използвайте системи NFV MANO за автоматизиране на внедряването, мащабирането и наблюдението на VNF.
• Наблюдавайте производителността: Непрекъснато наблюдавайте производителността на VNF и идентифицирайте области за подобрение.
• Обучете персонала: Осигурете обучение и образование на персонала относно NFV технологиите и най-добрите практики.
• Тествайте щателно: Проведете щателно тестване преди внедряване на VNFs в производствена среда.

Бъдещи тенденции при виртуалните устройства

Областта на NFV и виртуалните устройства непрекъснато се развива. Някои от ключовите тенденции, оформящи бъдещето, включват:

• Облачно-ориентирани VNFs: Преминаване към контейнеризирани VNFs, които са проектирани за облачно-ориентирани среди, използвайки технологии като Kubernetes. Това позволява по-голяма гъвкавост, мащабируемост и преносимост.
• Периферни изчисления (Edge Computing): Внедряване на VNFs в периферията на мрежата, за да се поддържат приложения с ниска латентност като добавена реалност, виртуална реалност и автономни превозни средства.
• Изкуствен интелект (AI) и машинно обучение (ML): Използване на AI и ML за автоматизиране на управлението на мрежата, оптимизиране на производителността на VNF и подобряване на сигурността.
• 5G и след това: NFV е ключов фактор за 5G мрежите, позволяващ виртуализацията на основни мрежови функции и внедряването на нови услуги.
• Отворен код: Повишено приемане на NFV решения с отворен код като ONAP и OpenStack.
• Сегментиране на мрежата (Network Slicing): Възможността за създаване на виртуализирани мрежови сегменти, пригодени за специфични изисквания на приложенията.

Пример за глобална тенденция: Възходът на 5G мрежите в световен мащаб разчита в голяма степен на NFV. Оператори в различни страни (напр. Южна Корея, САЩ, Германия) използват NFV, за да виртуализират своите 5G основни мрежи, което им позволява да предоставят нови услуги с по-голяма гъвкавост и ефективност.

Заключение

Виртуалните устройства са основен компонент на виртуализацията на мрежови функции, предлагайки значителни ползи по отношение на икономии на разходи, гъвкавост и мащабируемост. Въпреки че внедряването на VNFs представлява предизвикателства, следването на най-добрите практики и информираността за нововъзникващите тенденции могат да помогнат на организациите да отключат пълния потенциал на NFV. Тъй като мрежовият пейзаж продължава да се развива, виртуалните устройства ще играят все по-важна роля в осигуряването на следващото поколение мрежови услуги и приложения. Успешното внедряване на NFV разчита на холистичен подход, който отчита технологичните, организационните и свързаните с уменията аспекти на трансформацията.