Nätverksfunktionsvirtualisering: En fördjupad analys av virtuella apparater

Nätverksfunktionsvirtualisering (NFV) revolutionerar telekom- och nätverksindustrin genom att frikoppla nätverksfunktioner från dedikerade hårdvaruapparater och köra dem som mjukvara på standardiserad, virtualiserad infrastruktur. Denna förändring ger agilitet, skalbarhet och kostnadsbesparingar, vilket gör det möjligt för tjänsteleverantörer och företag att driftsätta och hantera nätverkstjänster mer effektivt. I hjärtat av NFV ligger konceptet virtuella apparater, även kända som Virtualiserade Nätverksfunktioner (VNF).

Vad är virtuella apparater (VNF)?

En virtuell apparat, i NFV-sammanhang, är en mjukvaruimplementation av en nätverksfunktion som traditionellt kördes på dedikerad hårdvara. Dessa funktioner är nu paketerade som virtuella maskiner (VM) eller containrar, vilket gör att de kan driftsättas på standardiserade servrar och hanteras med hjälp av virtualiseringstekniker. Exempel på VNF inkluderar brandväggar, lastbalanserare, routrar, intrångsdetekteringssystem (IDS), sessionsgränsskottrollanter (SBC) och många fler. Se det som att ta en specialiserad hårdvarubox och omvandla dess funktion till mjukvara som kan köras på en server.

Viktiga egenskaper hos virtuella apparater:

• Mjukvarubaserad: VNF är rena mjukvaruimplementationer, vilket eliminerar behovet av specialiserad hårdvara.
• Virtualiserad: De körs inom virtuella maskiner eller containrar, vilket ger isolering och resurshantering.
• Standardinfrastruktur: VNF driftsätts på standardiserade servrar och utnyttjar befintlig datacenterinfrastruktur.
• Skalbar: Resurser kan dynamiskt allokeras till VNF baserat på efterfrågan, vilket säkerställer optimal prestanda.
• Agil: VNF kan snabbt driftsättas, uppdateras och avvecklas, vilket möjliggör snabbare innovation av tjänster.

Arkitekturen för NFV med virtuella apparater

NFV-arkitekturen, som definierats av European Telecommunications Standards Institute (ETSI), ger ett ramverk för att driftsätta och hantera VNF. Den består av tre huvudkomponenter:

• Virtualiserad Infrastruktur (NFVI): Detta är grunden för NFV-arkitekturen och tillhandahåller beräknings-, lagrings- och nätverksresurser som behövs för att köra VNF. Den inkluderar vanligtvis standardiserade servrar, lagringsmatriser och nätverksswitchar. Exempel på NFVI-tekniker inkluderar VMware vSphere, OpenStack och Kubernetes.
• Virtualiserade Nätverksfunktioner (VNF): Detta är själva de virtuella apparaterna, som representerar mjukvaruimplementationer av nätverksfunktioner. De driftsätts och hanteras på NFVI.
• NFV Management och Orkestrering (MANO): Denna komponent tillhandahåller verktyg och processer för att hantera och orkestrera VNF och NFVI. Den inkluderar funktioner som VNF-driftsättning, skalning, övervakning och återhämtning. Exempel på MANO-lösningar inkluderar ONAP (Open Network Automation Platform) och ETSI NFV MANO.

Exempel: Föreställ dig en telekomleverantör som lanserar en ny tjänst, som en virtualiserad kundutrustning (vCPE) för småföretag. Genom att använda NFV kan de driftsätta en uppsättning VNF, inklusive en virtuell router, brandvägg och VPN-gateway, på standardiserade servrar i sitt datacenter. MANO-systemet automatiserar driftsättningen och konfigurationen av dessa VNF, vilket gör att leverantören snabbt och enkelt kan provisionera den nya tjänsten till sina kunder. Detta eliminerar behovet av att skicka och installera fysiska CPE-enheter hos varje kund.

Fördelar med att använda virtuella apparater i NFV

Införandet av virtuella apparater i NFV erbjuder många fördelar för tjänsteleverantörer och företag:

• Minskade kostnader: Genom att eliminera behovet av dedikerade hårdvaruapparater minskar NFV kapitalutgifter (CAPEX) och driftsutgifter (OPEX). Standardiserade servrar är vanligtvis billigare än specialiserad hårdvara, och virtualiseringstekniker möjliggör bättre resursutnyttjande. Minskad energiförbrukning och kylkostnader bidrar ytterligare till besparingar.
• Ökad agilitet och skalbarhet: VNF kan driftsättas och skalas vid behov, vilket möjliggör snabbare innovation av tjänster och respons på förändrade affärsbehov. Tjänsteleverantörer kan snabbt lansera nya tjänster och anpassa sig till varierande trafikmönster.
• Förbättrat resursutnyttjande: Virtualiseringstekniker möjliggör bättre utnyttjande av beräkningsresurser. VNF kan dela resurser, vilket minskar behovet av överprovisionering.
• Förenklad hantering: NFV MANO-system ger centraliserad hantering av VNF och den underliggande infrastrukturen, vilket förenklar nätverksdrift. Automatiserad driftsättning, skalning och återhämtningsfunktioner minskar manuellt ingripande och förbättrar effektiviteten.
• Större flexibilitet och valmöjligheter: NFV gör det möjligt för tjänsteleverantörer att välja de bästa VNF från olika leverantörer, vilket undviker leverantörslåsning. Öppna standarder och interoperabilitet främjar innovation och konkurrens.
• Snabbare tid till marknaden: Möjligheten att snabbt driftsätta och konfigurera VNF möjliggör snabbare tid till marknaden för nya tjänster. Tjänsteleverantörer kan agera snabbare på marknadens krav och få en konkurrensfördel.
• Förbättrad säkerhet: VNF kan integrera säkerhetsfunktioner som brandväggar, intrångsdetekteringssystem och VPN-gateways, vilket ger ett omfattande nätverksskydd. Virtualiseringstekniker erbjuder också isolerings- och begränsningsfunktioner, vilket minskar risken för säkerhetsintrång.

Driftsättningsmodeller för virtuella apparater

Det finns flera driftsättningsmodeller för virtuella apparater i NFV, var och en med sina egna fördelar och nackdelar:

• Centraliserad driftsättning: VNF driftsätts i ett centralt datacenter och nås externt av användare. Denna modell erbjuder stordriftsfördelar och förenklad hantering, men kan introducera latensproblem för användare som är långt ifrån datacentret.
• Distribuerad driftsättning: VNF driftsätts i nätverkets utkanter, närmare användarna. Denna modell minskar latensen och förbättrar användarupplevelsen, men kräver mer distribuerad infrastruktur och hantering.
• Hybrid driftsättning: En kombination av centraliserad och distribuerad driftsättning, där vissa VNF driftsätts i ett centralt datacenter och andra driftsätts i utkanterna. Denna modell möjliggör optimering av prestanda och kostnad baserat på de specifika kraven för varje tjänst.

Globalt exempel: Ett multinationellt företag med kontor världen över kan använda en hybrid driftsättningsmodell. Centrala nätverksfunktioner, som centraliserad autentisering och auktorisering, kan köras i ett huvuddatacenter i Europa. Kantbaserade VNF, som lokala brandväggar och innehållscachar, kan driftsättas på regionala kontor i Nordamerika, Asien och Afrika för att förbättra prestanda och säkerhet för lokala användare.

Utmaningar med att implementera virtuella apparater

Även om NFV erbjuder betydande fördelar, medför implementeringen av virtuella apparater också flera utmaningar:

• Prestanda: VNF uppnår kanske inte alltid samma prestanda som dedikerade hårdvaruapparater, särskilt för applikationer med hög genomströmning. Att optimera VNF-prestanda kräver noggrann design, resursallokering och finjustering.
• Komplexitet: Att hantera en virtualiserad nätverksinfrastruktur kan vara komplext och kräva specialiserade färdigheter och verktyg. NFV MANO-system kan hjälpa till att förenkla hanteringen, men kräver noggrann planering och konfiguration.
• Säkerhet: Att säkerställa säkerheten för VNF och den underliggande infrastrukturen är avgörande. Virtualiseringstekniker introducerar nya säkerhetsaspekter som måste hanteras.
• Interoperabilitet: Att säkerställa interoperabilitet mellan VNF från olika leverantörer kan vara utmanande. Öppna standarder och interoperabilitetstester är avgörande.
• Kompetensgap: Implementering och hantering av NFV kräver en kompetent personal med expertis inom virtualisering, nätverk och mjukvaruutveckling. Utbildning och kompetensutveckling är avgörande för att hantera kompetensgapet.
• Integration med äldre system: Att integrera VNF med befintlig äldre nätverksinfrastruktur kan vara komplext. Noggrann planering och migrationsstrategier krävs.

Bästa praxis för implementering av virtuella apparater

För att övervinna utmaningarna och maximera fördelarna med NFV är det viktigt att följa bästa praxis för implementering av virtuella apparater:

• Noggrann planering: Utveckla en omfattande NFV-strategi som överensstämmer med affärsmål och tekniska krav.
• Välj rätt VNF: Välj VNF som uppfyller kraven på prestanda, säkerhet och interoperabilitet.
• Optimera prestanda: Finjustera VNF och den underliggande infrastrukturen för optimal prestanda. Överväg att använda hårdvaruaccelereringstekniker som DPDK (Data Plane Development Kit).
• Implementera robust säkerhet: Implementera robusta säkerhetsåtgärder för att skydda VNF och den underliggande infrastrukturen.
• Automatisera hanteringen: Använd NFV MANO-system för att automatisera VNF-driftsättning, skalning och övervakning.
• Övervaka prestanda: Övervaka kontinuerligt VNF-prestanda och identifiera områden för förbättring.
• Utbilda personal: Erbjud utbildning och kompetensutveckling för personalen inom NFV-tekniker och bästa praxis.
• Testa noggrant: Genomför noggranna tester innan VNF driftsätts i en produktionsmiljö.

Framtida trender inom virtuella apparater

Området NFV och virtuella apparater utvecklas ständigt. Några av de viktigaste trenderna som formar framtiden inkluderar:

• Molnbaserade VNF: Övergång till containeriserade VNF som är designade för molnbaserade miligheter med hjälp av tekniker som Kubernetes. Detta ger större agilitet, skalbarhet och portabilitet.
• Edge Computing: Driftsättning av VNF i nätverkets utkanter för att stödja applikationer med låg latens som förstärkt verklighet, virtuell verklighet och autonoma fordon.
• Artificiell Intelligens (AI) och Maskininlärning (ML): Användning av AI och ML för att automatisera nätverkshantering, optimera VNF-prestanda och förbättra säkerheten.
• 5G och framåt: NFV är en nyckelfaktor för 5G-nätverk, vilket möjliggör virtualisering av kärnnätverksfunktioner och driftsättning av nya tjänster.
• Öppen källkod: Ökad användning av öppen källkods-NFV-lösningar som ONAP och OpenStack.
• Nätverksslicing: Möjligheten att skapa virtualiserade nätverkssegment anpassade för specifika applikationskrav.

Exempel på global trend: Framväxten av 5G-nätverk globalt är starkt beroende av NFV. Operatörer i olika länder (t.ex. Sydkorea, USA, Tyskland) utnyttjar NFV för att virtualisera sina 5G-kärnnätverk, vilket gör det möjligt för dem att leverera nya tjänster med större flexibilitet och effektivitet.

Slutsats

Virtuella apparater är en grundläggande komponent i Nätverksfunktionsvirtualisering och erbjuder betydande fördelar när det gäller kostnadsbesparingar, agilitet och skalbarhet. Även om implementering av VNF medför utmaningar, kan följa bästa praxis och hålla sig uppdaterad om nya trender hjälpa organisationer att låsa upp NFV:s fulla potential. I takt med att nätverkslandskapet fortsätter att utvecklas kommer virtuella apparater att spela en allt viktigare roll för att möjliggöra nästa generation av nätverkstjänster och applikationer. En framgångsrik implementering av NFV bygger på ett holistiskt angreppssätt som tar hänsyn till de teknologiska, organisatoriska och kompetensrelaterade aspekterna av omvandlingen.