Виртуализация сетевых функций: Глубокое погружение в виртуальные устройства

Виртуализация сетевых функций (NFV) революционизирует телекоммуникационную и сетевую индустрии, отделяя сетевые функции от выделенных аппаратных устройств и запуская их в виде программного обеспечения на стандартной виртуализированной инфраструктуре. Этот переход обеспечивает гибкость, масштабируемость и экономию затрат, позволяя поставщикам услуг и предприятиям более эффективно развертывать сетевые сервисы и управлять ими. В основе NFV лежит концепция виртуальных устройств, также известных как виртуализированные сетевые функции (VNF).

Что такое виртуальные устройства (VNF)?

Виртуальное устройство в контексте NFV — это программная реализация сетевой функции, которая традиционно выполнялась на выделенном оборудовании. Эти функции теперь упаковываются в виде виртуальных машин (ВМ) или контейнеров, что позволяет развертывать их на стандартных серверах и управлять ими с помощью технологий виртуализации. Примерами VNF являются межсетевые экраны, балансировщики нагрузки, маршрутизаторы, системы обнаружения вторжений (IDS), пограничные контроллеры сессий (SBC) и многие другие. Представьте, что вы берете специализированное аппаратное устройство и превращаете его функцию в программное обеспечение, которое может работать на сервере.

Ключевые характеристики виртуальных устройств:

• Программная основа: VNF являются исключительно программными реализациями, что устраняет необходимость в специализированном оборудовании.
• Виртуализированные: Они работают в виртуальных машинах или контейнерах, обеспечивая изоляцию и управление ресурсами.
• Стандартная инфраструктура: VNF развертываются на стандартных серверах, используя существующую инфраструктуру центров обработки данных.
• Масштабируемые: Ресурсы могут динамически выделяться для VNF в зависимости от нагрузки, обеспечивая оптимальную производительность.
• Гибкие: VNF можно быстро развертывать, обновлять и выводить из эксплуатации, что способствует более быстрой разработке новых услуг.

Архитектура NFV с использованием виртуальных устройств

Архитектура NFV, определенная Европейским институтом телекоммуникационных стандартов (ETSI), представляет собой основу для развертывания VNF и управления ими. Она состоит из трех основных компонентов:

• Инфраструктура виртуализации сетевых функций (NFVI): Это основа архитектуры NFV, предоставляющая вычислительные ресурсы, ресурсы хранения и сетевые ресурсы, необходимые для работы VNF. Обычно она включает стандартные серверы, системы хранения данных и сетевые коммутаторы. Примерами технологий NFVI являются VMware vSphere, OpenStack и Kubernetes.
• Виртуализированные сетевые функции (VNF): Это сами виртуальные устройства, представляющие собой программные реализации сетевых функций. Они развертываются на NFVI и управляются ею.
• Управление и оркестрация NFV (MANO): Этот компонент предоставляет инструменты и процессы для управления и оркестрации VNF и NFVI. Он включает такие функции, как развертывание, масштабирование, мониторинг и восстановление VNF. Примерами решений MANO являются ONAP (Open Network Automation Platform) и ETSI NFV MANO.

Пример: Представьте, что телеком-провайдер запускает новую услугу, например, виртуализированное оборудование в помещении клиента (vCPE) для малого бизнеса. Используя NFV, он может развернуть набор VNF, включая виртуальный маршрутизатор, межсетевой экран и VPN-шлюз, на стандартных серверах в своем центре обработки данных. Система MANO автоматизирует развертывание и настройку этих VNF, позволяя провайдеру быстро и легко предоставлять новую услугу своим клиентам. Это избавляет от необходимости доставлять и устанавливать физические устройства CPE у каждого клиента.

Преимущества использования виртуальных устройств в NFV

Внедрение виртуальных устройств в NFV предлагает многочисленные преимущества поставщикам услуг и предприятиям:

• Снижение затрат: Устраняя необходимость в выделенных аппаратных устройствах, NFV снижает капитальные (CAPEX) и операционные (OPEX) расходы. Стандартные серверы обычно дешевле специализированного оборудования, а технологии виртуализации позволяют лучше использовать ресурсы. Снижение энергопотребления и затрат на охлаждение также способствует экономии.
• Повышенная гибкость и масштабируемость: VNF можно развертывать и масштабировать по требованию, что обеспечивает более быструю разработку услуг и реакцию на меняющиеся потребности бизнеса. Поставщики услуг могут быстро запускать новые сервисы и адаптироваться к изменяющимся нагрузкам на сеть.
• Улучшенное использование ресурсов: Технологии виртуализации позволяют лучше использовать вычислительные ресурсы. VNF могут совместно использовать ресурсы, снижая необходимость в их избыточном выделении.
• Упрощенное управление: Системы NFV MANO обеспечивают централизованное управление VNF и базовой инфраструктурой, упрощая эксплуатацию сети. Автоматизированное развертывание, масштабирование и восстановление сокращают ручное вмешательство и повышают эффективность.
• Большая гибкость и выбор: NFV позволяет поставщикам услуг выбирать лучшие в своем классе VNF от разных производителей, избегая привязки к одному поставщику. Открытые стандарты и совместимость способствуют инновациям и конкуренции.
• Сокращение времени вывода на рынок: Возможность быстрого развертывания и настройки VNF сокращает время вывода на рынок новых услуг. Поставщики услуг могут быстрее реагировать на рыночные запросы и получать конкурентное преимущество.
• Повышенная безопасность: VNF могут включать функции безопасности, такие как межсетевые экраны, системы обнаружения вторжений и VPN-шлюзы, обеспечивая комплексную защиту сети. Технологии виртуализации также предлагают возможности изоляции и сдерживания, снижая риск нарушений безопасности.

Модели развертывания виртуальных устройств

Существует несколько моделей развертывания виртуальных устройств в NFV, каждая из которых имеет свои преимущества и недостатки:

• Централизованное развертывание: VNF развертываются в центральном центре обработки данных, а пользователи получают к ним удаленный доступ. Эта модель обеспечивает экономию за счет масштаба и упрощенное управление, но может вызывать проблемы с задержкой для пользователей, находящихся далеко от центра обработки данных.
• Распределенное развертывание: VNF развертываются на границе сети, ближе к пользователям. Эта модель уменьшает задержку и улучшает пользовательский опыт, но требует более распределенной инфраструктуры и управления.
• Гибридное развертывание: Комбинация централизованного и распределенного развертывания, при которой некоторые VNF развертываются в центральном центре обработки данных, а другие — на границе сети. Эта модель позволяет оптимизировать производительность и затраты в зависимости от конкретных требований каждой услуги.

Глобальный пример: Многонациональная корпорация с офисами по всему миру может использовать гибридную модель развертывания. Основные сетевые функции, такие как централизованная аутентификация и авторизация, могут быть размещены в главном центре обработки данных в Европе. Граничные VNF, такие как локальные межсетевые экраны и кэши контента, могут быть развернуты в региональных офисах в Северной Америке, Азии и Африке для повышения производительности и безопасности для местных пользователей.

Проблемы внедрения виртуальных устройств

Хотя NFV предлагает значительные преимущества, внедрение виртуальных устройств также сопряжено с рядом проблем:

• Производительность: VNF не всегда могут достичь той же производительности, что и выделенные аппаратные устройства, особенно для приложений с высокой пропускной способностью. Оптимизация производительности VNF требует тщательного проектирования, распределения ресурсов и настройки.
• Сложность: Управление виртуализированной сетевой инфраструктурой может быть сложным и требовать специальных навыков и инструментов. Системы NFV MANO могут помочь упростить управление, но требуют тщательного планирования и настройки.
• Безопасность: Обеспечение безопасности VNF и базовой инфраструктуры имеет решающее значение. Технологии виртуализации вводят новые соображения безопасности, которые необходимо учитывать.
• Совместимость: Обеспечение совместимости между VNF от разных поставщиков может быть сложной задачей. Важны открытые стандарты и тестирование на совместимость.
• Дефицит кадров: Внедрение и управление NFV требует квалифицированной рабочей силы с опытом в области виртуализации, сетевых технологий и разработки программного обеспечения. Обучение и образование имеют решающее значение для устранения дефицита кадров.
• Интеграция с унаследованными системами: Интеграция VNF с существующей унаследованной сетевой инфраструктурой может быть сложной. Требуются тщательное планирование и стратегии миграции.

Лучшие практики внедрения виртуальных устройств

Чтобы преодолеть трудности и максимально использовать преимущества NFV, важно следовать лучшим практикам внедрения виртуальных устройств:

• Тщательное планирование: Разработайте комплексную стратегию NFV, которая соответствует бизнес-целям и техническим требованиям.
• Выбирайте правильные VNF: Выбирайте VNF, которые отвечают требованиям производительности, безопасности и совместимости.
• Оптимизируйте производительность: Настраивайте VNF и базовую инфраструктуру для оптимальной производительности. Рассмотрите возможность использования технологий аппаратного ускорения, таких как DPDK (Data Plane Development Kit).
• Внедряйте надежную безопасность: Внедряйте надежные меры безопасности для защиты VNF и базовой инфраструктуры.
• Автоматизируйте управление: Используйте системы NFV MANO для автоматизации развертывания, масштабирования и мониторинга VNF.
• Отслеживайте производительность: Постоянно отслеживайте производительность VNF и выявляйте области для улучшения.
• Обучайте персонал: Обеспечьте обучение и образование персонала по технологиям NFV и лучшим практикам.
• Тщательно тестируйте: Проводите тщательное тестирование перед развертыванием VNF в производственной среде.

Будущие тенденции в области виртуальных устройств

Область NFV и виртуальных устройств постоянно развивается. Некоторые из ключевых тенденций, формирующих будущее, включают:

• Облачно-ориентированные VNF (Cloud-Native): Переход к контейнеризированным VNF, разработанным для облачно-ориентированных сред с использованием таких технологий, как Kubernetes. Это обеспечивает большую гибкость, масштабируемость и портативность.
• Граничные вычисления (Edge Computing): Развертывание VNF на границе сети для поддержки приложений с низкой задержкой, таких как дополненная реальность, виртуальная реальность и автономные транспортные средства.
• Искусственный интеллект (ИИ) и машинное обучение (МО): Использование ИИ и МО для автоматизации управления сетью, оптимизации производительности VNF и повышения безопасности.
• 5G и последующие поколения: NFV является ключевым фактором для сетей 5G, позволяя виртуализировать функции ядра сети и развертывать новые услуги.
• Открытый исходный код: Растущее внедрение решений NFV с открытым исходным кодом, таких как ONAP и OpenStack.
• Сетевые срезы (Network Slicing): Возможность создавать виртуализированные сетевые срезы, адаптированные к требованиям конкретных приложений.

Пример глобальной тенденции: Рост сетей 5G во всем мире в значительной степени зависит от NFV. Операторы в разных странах (например, в Южной Корее, США, Германии) используют NFV для виртуализации своих сетей ядра 5G, что позволяет им предоставлять новые услуги с большей гибкостью и эффективностью.

Заключение

Виртуальные устройства являются фундаментальным компонентом виртуализации сетевых функций, предлагая значительные преимущества с точки зрения экономии затрат, гибкости и масштабируемости. Хотя внедрение VNF сопряжено с трудностями, следование лучшим практикам и отслеживание новых тенденций может помочь организациям полностью раскрыть потенциал NFV. По мере того как сетевой ландшафт продолжает развиваться, виртуальные устройства будут играть все более важную роль в обеспечении работы сетевых сервисов и приложений следующего поколения. Успешное внедрение NFV зависит от целостного подхода, который учитывает технологические, организационные и кадровые аспекты трансформации.