Che cos'è NFV? Come accelera le prestazioni della rete

Le reti sono al cuore di ogni azienda. Senza di esse, le imprese smetterebbero di funzionare.

Grazie alla rete, i dipendenti possono connettersi ai server, gli utenti possono accedere al software e a Internet e connettersi con altre aziende. Ma man mano che cresce il numero di dispositivi connessi a Internet, il traffico Internet esplode ancora più velocemente.

Le aziende hanno esternalizzato la maggior parte dei servizi al cloud, dalle chiamate VoIP (voice over internet protocol) allo streaming video e ai servizi di backup in tempo reale nel cloud. Questo passaggio al cloud influisce anche su tutto, dall'architettura di rete a come vengono costruiti i data center e l'hardware che contengono. Le aziende che vogliono sfruttare queste opportunità o questa tendenza devono sapere cosa significa per loro.

Negli ultimi anni, le aziende di telecomunicazioni e tecnologia hanno ridotto le spese operative (OpEx) sfruttando nuove tecnologie come le macchine virtuali (VM) e il cloud computing. È qui che entrano in gioco le applicazioni di virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV).

La tecnologia NFV esiste da diversi anni, ma solo recentemente ha attirato abbastanza attenzione nel mondo degli affari. Migliora notevolmente l'efficienza operativa e consente alle imprese di risparmiare enormi costi. Di conseguenza, rimane altamente rilevante nell'attuale ambiente di networking definito dal software (SDN), dove le aziende si affrettano a incorporare software-defined wide area network (SD-WAN) software per gestire il traffico aziendale.

Questo disaccoppiamento degli apparecchi hardware aiuta le aziende a operare in modo più efficiente e conveniente senza compromettere le prestazioni. In un ambiente in cui le spese in conto capitale (CapEx) sono strettamente controllate, l'NFV è un'alternativa più economica ai significativi costi iniziali di espansione della rete.

La virtualizzazione delle funzioni di rete rompe la dipendenza hardware delle apparecchiature di rete. È un approccio alla costruzione, distribuzione, gestione e test delle reti di comunicazione in cui la maggior parte delle attività viene eseguita su server x86 standard che operano su software server comunemente disponibile. L'NFV è un'architettura di rete alternativa che esegue la maggior parte delle funzioni di rete come software su hardware generico.

I fornitori di servizi e le imprese possono utilizzare switch, storage e server economici per eseguire VM che svolgono funzioni di rete invece di hardware costoso. Molti servizi sono consolidati su un singolo server fisico, riducendo i costi e i rollout dell'infrastruttura. Se un'azienda ha bisogno di una nuova funzione di rete, può creare una nuova macchina virtuale per eseguire quel lavoro.

Applicazioni NFV

Le applicazioni NFV sono applicate a una vasta gamma di funzioni di rete, comprese le reti mobili. Alcune delle applicazioni di virtualizzazione delle funzioni di rete più frequentemente utilizzate sono:

• Sistemi di monitoraggio della rete
• Filiale definita dal software e SD-WAN
• Core di pacchetti evoluto (EPC)
• Sottosistema multimediale IP (IMS)
• Network slicing
• Reti di distribuzione dei contenuti (CDN) che includono servizi di distribuzione di contenuti come lo streaming video
• Apparecchiature virtuali presso il cliente (vCPE)
• Firewall per applicazioni web
• Controllo del bordo della sessione (SBC)
• Sistemi di bilanciamento del carico

La necessità della virtualizzazione delle funzioni di rete

In una rete aziendale convenzionale, la maggior parte delle attività legate alla rete viene eseguita da dispositivi hardware dedicati. Ogni dispositivo svolge una funzione particolare, come instradare il traffico di rete o bilanciare i carichi di dati. Sebbene ampiamente utilizzata e tecnologicamente stabile, questa strategia è costosa, inefficiente e rigida, specialmente con i carichi di lavoro dinamici di oggi e le enormi quantità di dati eterogenei. Il lancio frequente di nuovi servizi richiede la riconfigurazione della rete e l'installazione in loco di nuove apparecchiature, che richiedono più spazio, elettricità e personale di manutenzione qualificato.

Nell'era digitale, i cicli di innovazione sono accelerati, richiedendo maggiore flessibilità e dinamismo rispetto a quanto fornito dagli apparecchi basati su hardware. Una rete cablata con scatole a funzione singola è dispendiosa in termini di tempo, lenta e impedisce ai fornitori di servizi di offrire servizi dinamici.

Data la straordinaria trasformazione che i data center iperscalabili hanno subito, da una volta puramente fisici a quasi completamente virtualizzati, non sorprende che l'industria delle telecomunicazioni stia iniziando a seguire un percorso simile.

Le utility e i fornitori di comunicazioni le cui attività ruotano attorno all'uso e all'investimento a lungo termine della rete sono stati storicamente frenati dal trarre vantaggio dai benefici economici e operativi del cloud computing – a causa della mancanza di standard – ma ora hanno la possibilità di abbracciare questa tecnologia.

Facendo ciò, possono accelerare i loro cicli di sviluppo, ridurre la quantità di infrastruttura necessaria per nuovi servizi e sfruttare le economie di scala con i principali operatori di data center.

Le funzioni di rete virtualizzate rendono le reti agili e capaci di rispondere automaticamente alle richieste del traffico e dei servizi che operano su di esse. Le due tecnologie abilitanti critiche per questo sono networking definito dal software (SDN) e virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV).

SDN e NFV sono complementari ma sempre più interdipendenti. Mentre il primo consente il controllo dinamico della rete e la fornitura di rete come servizio (NaaS), il secondo consente di gestire e orchestrare le risorse virtuali per la consegna delle funzioni di rete e la compilazione in servizi di rete di livello superiore.

NFV separa i servizi di comunicazione dall'hardware sottostante, come router e firewall. Questa nuova segmentazione consente alle operazioni di rete di fornire servizi aggiuntivi in modo dinamico e senza nuovo hardware. Nell'NFV, i componenti di rete vengono distribuiti in ore anziché in mesi. Inoltre, i servizi virtualizzati possono operare su server generici più economici piuttosto che su hardware proprietario.

Storia della virtualizzazione delle funzioni di rete

L'NFV è entrato in scena quando i fornitori di servizi volevano rendere più facile e veloce l'aggiunta di nuove funzioni o applicazioni di rete. Al OpenFlow World Congress nel 2012, l'Istituto Europeo per le Norme di Telecomunicazione (ETSI), una coalizione di fornitori di servizi di telecomunicazione tra cui AT&T, China Mobile, BT Group, Deutsche Telekom e altri, ha presentato originariamente il concetto di uno standard di virtualizzazione delle funzioni di rete.

L'ETSI ISG NFV è un'agenzia di standard con standard e protocolli per la gestione e l'orchestrazione della rete NFV (MANO).

I fornitori di servizi cercavano un mezzo per accelerare il lancio dei servizi di rete. Il lancio di nuovi servizi di rete era un'operazione che richiedeva tempo e includeva l'installazione di componenti hardware aggiuntivi. Poiché il costo dell'energia, dello spazio e degli ingegneri hardware di rete qualificati aumentava, il comitato ETSI ha deciso di virtualizzare le funzioni di rete per affrontare questi problemi. L'NFV elimina lo spazio fisico per gli apparecchi hardware e non richiede conoscenze avanzate di networking per essere distribuito e amministrato.

Diversi iniziative open-source, tra cui ETSI, Open Platform for NFV, Open Network Automation Platform, Open Source MANO e MEF (precedentemente il Metro Ethernet Forum), stanno attualmente definendo gli standard NFV. Ci sono così tanti gruppi diversi con proposte di standard contrastanti, quindi è difficile per i fornitori di servizi familiarizzare con l'NFV. Nonostante tutte le difficoltà, sta guadagnando popolarità a causa della complessità e delle esigenze in rapida crescita delle reti aziendali di oggi.

Come funziona la virtualizzazione delle funzioni di rete

La virtualizzazione delle funzioni di rete impiega componenti di rete virtualizzati per fornire un'infrastruttura indipendente dall'hardware. L'architettura della virtualizzazione delle funzioni di rete dipende dalle tecnologie di virtualizzazione dei server per abilitare la macchina virtuale necessaria per ospitare le operazioni di rete.

La virtualizzazione consente alle aziende di allocare risorse su richiesta per affrontare le esigenze di carichi di lavoro dinamici e in evoluzione, il tutto beneficiando delle riduzioni dei costi che derivano dall'hardware commerciale disponibile sul mercato (COTS).

Le risorse di calcolo, archiviazione e rete quotidiane sono virtualizzate e distribuite su hardware COTS come i server x86. Il bilanciamento del carico, l'instradamento e la sicurezza del firewall sono gestiti dal software, non dall'hardware. Un hypervisor consente agli ingegneri di rete di programmare tutti i diversi componenti della rete virtuale e persino di automatizzare la distribuzione della rete. I responsabili IT possono personalizzare molti aspetti delle operazioni di rete in pochi minuti attraverso un unico punto di controllo.

Poiché le risorse virtualizzate sono accessibili, le VM sono assegnate a porzioni delle risorse disponibili sul server x86. Di conseguenza, numerose VM possono operare su un singolo server e scalare per utilizzare le risorse libere rimanenti. Questo implica anche che le risorse sono meno probabilmente inattive e i data center con architettura virtualizzata sono utilizzati in modo più efficiente. Il piano dati e il piano di controllo operano all'interno del data center e sulle reti esterne.

Architettura NFV

La virtualizzazione delle funzioni di rete consente un'architettura flessibile e aperta con diverse opzioni di distribuzione e software NFV. Un tipico framework di architettura NFV è composto da tre livelli principali.

1. Funzioni di rete virtuali (VNF)

Funzioni di rete virtuali sono versioni software di servizi di rete come bilanciamento del carico, firewall, sottosistemi multimediali IP, instradamento e sicurezza. Le VNF sono spesso distribuite come VM utilizzando hypervisor che funzionano su hardware COTS. Funzione di rete cloud-native (CNF) è una VNF progettata per l'ambiente cloud. CNF, a differenza delle VM, funziona in container ed è una VNF per l'ambiente cloud in evoluzione.

2. Infrastruttura di virtualizzazione delle funzioni di rete (NFVi)

La combinazione di tutti i componenti software e hardware che costituiscono l'ambiente di distribuzione per l'NFV è denominata infrastruttura NFV (NFVi). L'infrastruttura NFV può coprire molte località e l'hardware di rete che collega questi siti è incluso nell'NFVi.

NFVi è composto da tre elementi infrastrutturali: calcolo, archiviazione e networking. Il gestore dell'infrastruttura NFV (VIM) supervisiona la distribuzione delle risorse per le VNF. OpenStack è un VIM open-source che gestisce sia le risorse fisiche che virtuali.

3. Gestione e orchestrazione della virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV MANO)

NFV MANO amministra e orchestra le VNF nell'architettura NFV. MANO crea servizi di rete automatizzando, fornendo e coordinando le operazioni per i gestori VIM e VNF, creando VNF e sovrapponendo catene di servizi di rete. NFV MANO è responsabile di quanto segue:

• Interagire con i sistemi di supporto operativo e aziendale (OSS/BSS) per fornire vantaggi come l'innovazione rapida dei servizi, la distribuzione flessibile delle funzioni di rete, l'utilizzo migliorato delle risorse e la riduzione delle spese CapEx e OpEx
• Orchestrare le VNF in servizi di rete (NS)
• Distribuire ed eseguire istanze VNF e NS su risorse virtualizzate
• Controllare il ciclo di vita delle istanze VNF e NS
• Interagire con la gestione degli elementi (EM) per controllare la funzione logica e garantire i livelli di servizio VNF che comprendono guasti VNF, configurazione, contabilità, prestazioni e sicurezza (FCAPS)
• Interagire con NFVI per allocare, controllare e orchestrare le risorse virtualizzate

NFV vs. SDN

Sebbene si parli molto dei vantaggi dell'introduzione della virtualizzazione nella rete, c'è una certa confusione tra due metodologie correlate ma distinte: networking definito dal software (SDN) e virtualizzazione delle funzioni di rete (NFV).

Networking definito dal software

Networking definito dal software è un paradigma che consente la configurazione dinamica e programmabile della rete per migliorare le prestazioni complessive della rete. Essenzialmente, l'SDN rende le reti programmabili separando il sistema che decide dove instradare il traffico (il piano di controllo) dal sistema sottostante che invia i pacchetti di dati a destinazioni specifiche (il piano dati). Questa separazione consente una fornitura più automatizzata e una gestione delle risorse di rete basata su politiche.

Gli architetti e gli amministratori di rete configurano e gestiscono i servizi di rete utilizzando software da un unico punto di controllo. Questo approccio costruisce reti dinamiche, flessibili e scalabili che si adattano rapidamente ai requisiti aziendali in evoluzione utilizzando l'architettura virtualizzata dei data center attuali.

Virtualizzazione delle funzioni di rete

Virtualizzazione delle funzioni di rete è un'architettura di rete che mira ad accelerare la distribuzione dei servizi e ridurre i costi per gli operatori di rete. L'NFV isola funzioni come router e crittografia dall'hardware e le sposta su server virtuali, consolidando varie funzioni su un server fisico e riducendo infine i costi complessivi. L'NFV consente agli operatori di rete di implementare politiche di rete senza preoccuparsi di dove dovrebbero essere posizionate le funzioni nella rete o di come il traffico dovrebbe essere instradato attraverso queste funzioni.

L'NFV è un metodo di virtualizzazione delle funzioni di rete che normalmente funzionano su hardware e le ospita su macchine virtuali. Un hypervisor, noto anche come gestore di macchine virtuali, viene utilizzato nelle VM in modo che diversi sistemi operativi possano utilizzare un singolo processore hardware. Questo garantisce reti con maggiore scalabilità, flessibilità e adattabilità a un costo inferiore rispetto alle reti tradizionali.

La somiglianza chiave tra SDN e NFV è l'uso dell'astrazione della rete. L'SDN tenta di isolare le funzioni di controllo della rete dai servizi di inoltro della rete, mentre l'NFV astrae l'inoltro della rete e altre funzioni di networking dal loro hardware. Di conseguenza, entrambi si basano notevolmente sulla virtualizzazione per astrarre l'architettura e l'infrastruttura di rete nel software, che viene successivamente distribuito dal software sottostante su piattaforme e dispositivi hardware.

Quando l'SDN funziona su un'architettura NFV, trasferisce i pacchetti di dati da un dispositivo di rete a un altro. Contemporaneamente, le funzioni di controllo della rete dell'SDN per l'instradamento, la formulazione delle politiche e le applicazioni vengono eseguite in una VM sulla rete. Pertanto, l'NFV offre operazioni di networking di base, ma l'SDN le regola e le orchestra per applicazioni individuali. L'SDN specifica e aggiorna anche la configurazione e il comportamento in modo programmabile.

Casi d'uso dell'NFV

La virtualizzazione delle funzioni di rete è cresciuta in popolarità come soluzione a numerose difficoltà di networking per molte imprese in vari settori industriali e commerciali. Con la crescita dell'Internet delle cose (IoT) e la crescente domanda di servizi sempre più avanzati, l'NFV consente alle imprese di progettare, fornire e semplificare servizi e operazioni molto più avanzati riducendo al contempo le spese attraverso risparmi sui costi.

Ecco alcuni casi d'uso di come l'NFV viene impiegato per affrontare vari ostacoli e fornire risultati superiori per migliorare i servizi e ridurre i costi.

Virtualizzazione della rete

Le aziende di telecomunicazioni in tutto il mondo impiegano principalmente soluzioni NFV per virtualizzazione della rete (NV). NV costruisce una rete virtuale sopra la rete fisica, consentendo ai fornitori di servizi di estendere e accelerare lo sviluppo dei servizi. Migliora anche i requisiti di rete critici come il provisioning.

I clienti si rivolgono alla virtualizzazione della rete per rimuovere le operazioni di rete come DNS, caching, instradamento e firewalling dall'hardware proprietario che era in precedenza l'opzione principale e migliorare i loro servizi di rete. Questo metodo consente anche loro di funzionare su software anziché su hardware.

Quando si lanciano nuovi servizi di rete, la virtualizzazione della rete fornisce ai fornitori l'agilità e la flessibilità di cui hanno bisogno. Consente loro di risparmiare denaro su hardware fisico ingombrante e sui costi di gestione, gestione e occasionalmente riparazione.

Sicurezza

A causa delle innovazioni tecnologiche, gli strumenti che utilizziamo per proteggere i nostri strumenti fisici e virtuali si sono evoluti nell'ultimo decennio. Molti fornitori di sicurezza ora forniscono firewall virtuali per proteggere le VM. Tuttavia, i firewall sono solo uno dei dispositivi o componenti di sicurezza che l'NFV e l'SDN virtualizzeranno alla fine.

Il concetto di meccanismi gestiti centralmente e applicazione distribuita uniformemente è uno dei principali vantaggi della sicurezza virtualizzata. Questi due vantaggi da soli hanno portato le aziende a rafforzare la loro sicurezza e a considerare queste soluzioni di sicurezza.

Analisi video

I sistemi e il software di analisi video sono un altro settore tecnologico il cui potenziale è cresciuto notevolmente dall'avvento dell'IoT. Le aziende possono ora utilizzare IoT e dispositivi intelligenti per raccogliere enormi quantità di dati dalle loro fabbriche, negozi e fattorie.

La latenza della rete end-to-end è una delle maggiori sfide del networking moderno, rappresentando una barriera sostanziale per le applicazioni e i servizi di rete sensibili ai ritardi di rete, come l'analisi video.

Le aziende utilizzano framework NFV e SDN per affrontare questo problema e ridurre l'utilizzo delle risorse di rete e migliorare la latenza. Con IoT e dispositivi edge che rendono possibile creare, raccogliere e analizzare sempre più dati, i sistemi software di analisi video stanno diventando sempre più importanti per sfruttare i big data.

Calcolo edge mobile

Il calcolo edge mobile è un altro avanzamento tecnologico popolare. I dispositivi edge possono eseguire servizi computazionali e offrire funzioni di rete producendo e distribuendo una o anche più VM quando si utilizza l'NFV.

Il calcolo edge multi-accesso (MEC) è un esempio principale di una di queste tecnologie. Il MEC impiega il calcolo edge mobile per ottenere latenze ultra-basse. Qui, il calcolo edge si riferisce a componenti come torri radio, mini-data e data center locali. Alcune di queste funzioni di servizio di rete mobile sono tradotte dall'hardware al software utilizzando l'NFV.

L'espansione continua delle reti 5G ha creato questa tecnologia. Il MEC utilizza componenti discreti identici all'infrastruttura NFV nella sua architettura.

Vantaggi dell'NFV

Riducendo i vincoli dei metodi manuali e fornendo servizi su richiesta, la virtualizzazione delle funzioni di rete aumenta l'agilità nella fornitura di servizi di rete aumentando anche l'efficienza del capitale. L'NFV consente ai fornitori di servizi di offrire servizi più rapidamente e in modo più conveniente e sfrutta l'automazione per rispondere alle richieste dei clienti per scalabilità e agilità.

Ecco alcuni dei vantaggi più critici della virtualizzazione delle funzioni di rete.

Aumento dell'efficienza

La virtualizzazione delle funzioni di rete nell'IoT o in altre infrastrutture virtualizzate consente migliori prestazioni dei carichi di lavoro con un minore consumo di energia, un'impronta del data center più piccola e requisiti di raffreddamento ridotti. Poiché un singolo server può eseguire più VNF contemporaneamente, meno server svolgono la stessa quantità di lavoro. Poiché la domanda di rete varia, il software aggiorna l'infrastruttura aziendale piuttosto che gli aggiornamenti fisici degli apparecchi nei data center e nei nodi di rete.

Migliore gestione delle risorse

Quando un data center o un'infrastruttura equivalente è virtualizzata, può fare di più con risorse limitate poiché un singolo server può eseguire più VNF contemporaneamente per fare la stessa quantità di lavoro. Consente una maggiore capacità di carico di lavoro riducendo l'impronta del data center, il consumo di energia e i requisiti di raffreddamento. Questo rimuove l'apparecchiatura fisica proprietaria dall'infrastruttura, consolida le risorse e riduce i costi.

Riduzione del lock-in del fornitore

Poiché l'hardware COTS è richiesto per operare le VNF, le aziende possono evitare il lock-in del fornitore e le apparecchiature proprietarie che sono costose da configurare e installare. L'hardware proprietario dei fornitori può rapidamente diventare obsoleto. L'NFV consente all'hardware standard di eseguire operazioni di rete anziché dispositivi dedicati. Una rete virtualizzata rende la configurazione della rete e la gestione notevolmente più facili.

Aumento della scalabilità

Poiché le VM contengono servizi virtualizzati, ricevono sezioni di risorse virtuali sui server x86, consentendo a numerose VM di operare da un singolo server e scalare più efficacemente in base alle risorse rimanenti. Questo dirige le risorse inattive dove necessario e aumenta l'efficienza nei data center con infrastrutture virtualizzate.

L'NFV consente anche alle reti di espandere rapidamente ed efficacemente le loro risorse in risposta al traffico in arrivo e ai requisiti di risorse. Il software SDN consente anche alle VM di scalare automaticamente verso l'alto e verso il basso.

Le sfide dell'NFV

L'NFV migliora la reattività, la flessibilità e la scalabilità di una rete. Riduce il tempo di immissione sul mercato e riduce drasticamente i costi dell'infrastruttura. Tuttavia, ci sono rischi di sicurezza e preoccupazioni sulla sicurezza della virtualizzazione delle funzioni di rete che agiscono come barriere all'adozione diffusa tra i fornitori di servizi.

Ecco alcuni dei principali svantaggi della virtualizzazione delle funzioni di rete.

Problemi di sicurezza

Rispetto alle apparecchiature fisiche protette in un data center, la virtualizzazione dei componenti di rete aumenta la loro esposizione a nuovi tipi di attacchi. Il malware si sposta tra i componenti virtuali che operano sulla stessa VM più facilmente che tra componenti hardware segregati o fisicamente separati.

Complessità dell'infrastruttura

Molti fornitori di servizi trovano difficile adottare l'NFV su larga scala a causa della sua complessità. L'ampiezza e i componenti diversi dell'architettura rendono difficile sviluppare, implementare e gestire. La mancanza di standard stabili per le implementazioni NFV continua a ostacolare le distribuzioni. Ci sono voluti anni per sviluppare implementazioni NFV dai laboratori, prove di concetto, test sul campo e soluzioni su larga scala nelle reti di produzione.

Rendi le tue reti agili per il successo aziendale

Una rete basata su NFV ha diversi vantaggi rispetto a una rete tradizionale, tra cui maggiore flessibilità, tempi di immissione sul mercato più rapidi, migliore scalabilità e costi inferiori. L'NFV è ancora una tecnologia in via di sviluppo con pochi standard ben definiti e le sue sfide.

Inoltre, se i team IT devono aggiornare l'hardware per soddisfare le esigenze dei carichi di lavoro basati su NFV, i risparmi sui costi potrebbero non essere così significativi. Tuttavia, l'NFV ha molto potenziale e sarà sicuramente presente per molto tempo. Con le reti 5G all'orizzonte, il settore delle telecomunicazioni, in particolare, è molto interessato all'NFV.

Le funzioni di rete virtuali (VNF) sono un componente critico di un'infrastruttura NFV e un must-have per le organizzazioni che costruiscono architetture di servizio di nuova generazione.