Архитектура и функциональные возможности технологий SDN/NFV

Построение ГИИ предусматривает объединение возможностей использования мировых информационных ресурсов и развитой инфраструктуры телекоммуникации в целях обеспечения получения пользователем любого вида информации в любое время, в любом месте и в движении, на основе высокоскоростных сетей передачи данных (СПД) [4, 14, 15]. Учитывая, что в рыночных условиях операторы телекоммуникации являются коммерческими компаниями, их товаром являются разнообразные услуги, а сетевые технологии являются лишь инструментом для предоставления новых услуг на их сетях. Поэтому уровень внедрения и развития новых технологий и услуг должен определяться не только общемировыми тенденциями, но и, в первую очередь, экономическими соображениями. [1, 4, 15].
Как показывает практика существующие сетевые технологии, используемые в СПД с коммутацией пакетов на основе протоколов IP, уже не отвечают в полной мере современным требованиям по [1, 15, 17]:

пропускной способности и гибкости используемых методов;
номенклатуре и качеству предоставляемых услуг, а также времени внедрения новых услуг;
затратам на дальнейшее развитие и поддержание сложной существующей инфраструктуры

К основным факторам, которые выявили ограниченность существующей сетевой архитектуры относятся [1, 3,17]:

быстрый рост числа подключенных к сети пользователей и различных устройств;
лавинообразный рост объема трафика, изменение его структуры и характера;
недостаточная гибкость системы управления сетевыми ресурсами и услугами;
развитие облачных технологий, больших данных и др.

Одним из крупнейших достижений в области сетевых технологий стала разработанная в 2006 году концепция программно-конфигурируемых сетей (SDN) [2 – 4, 16].
В своей основе концепция SDN является принципиально новой концепцией проектирования, строительства и эксплуатации сетей передачи данных и центров обработки данных, путь к автоматизации и открытости сетей.
Предпосылками для появления и развития технологии SDN являются нижеследующее [2 – 4, 16]:

В традиционных сетях ПД с КП значительно увеличиваются затраты на дальнейшее развитие и поддержку сложной инфраструктуры;
Недостаточный уровень гибкости и автоматизации существующих методов и средств управления сетью и услугами;
В виду серьезных ограничений технологических возможностей, вывод на рынок новых услуг занимает слишком большое время.


Рисунок 1. Архитектура SDN (согласно ITU – T) [18]
Архитектура SDN (рис. 1) делиться на три уровня [18]:

инфраструктурный уровень , включает в себя сетевое оборудование, такие как коммутаторы и каналы передачи данных и др;
уровень управления , включает в себя сетевую операционную систему и программный интерфейс;
уровень приложений, отвечает за гибкое и эффективное управление сетью.

Такой подход к технологии ПКС позволяет значительно автоматизировать и упростить управление сетями за счет возможности их «программирования», позволяя строить гибкие масштабируемые сети, которые могут легко адаптироваться к изменяющимся условиям функционирования и потребностям пользователей. Внедрение этого подхода, прежде всего, должно оказать значительное влияние на управление сетевой инфраструктурой в центрах обработки данных (ЦОД), корпоративными сетями, WAN, сотовыми и домашними сетями.
В многочисленных маркетинговых исследованиях рынка SDN, 2016 год назвали годом массового внедрения SDN. Однако международная практика и первоначальный опыт использования технологии SDN показывает, что почти десятилетний энтузиазм по поводу широкомасштабного внедрения этой технологии и полной замены технологии TCP/IP на сетях операторов прошел. Сейчас уже сложилось достаточно объективное понимание возможностей и ограничений технологии SDN как с точки зрения технологических характеристик нового оборудования, так и создания, и предоставления новых услуг. В настоящее время многие операторы связи проводят соответствующее тестирование и использование технологии SDN на своих сетях.
Среди сдерживающих факторов внедрения SDN на сетях операторов указываются [3, 4, 16, 17]:

Отсутствие единой платформы и общего подхода к реализации SDN;
Малое число примеров успешного использования SDN среди операторов;
Недостаточное информирование операторов об технологии SDN;
Отсутствие единых стандартов и алгоритмов внедрения SDN/NFV
Реальные технологические возможности, связанные с быстрым ростом SDN, не соответствуют ранее заявленным характеристикам.
Отсутствие точной оценки экономической эффективности SDN;
Незаконченность сроков эксплуатации большого парка существующих технологий и оборудования на сетях ПД с КП.

Следующим крупным достижением в области сетевых технологий стала разработанная в 2012 году концепция виртуализации сетевых функций (NFV) [2, 5, 12].
NFV – это концепция сетевой архитектуры, предлагающая использовать технологии виртуализации для виртуализации целых классов функций сетевых узлов в виде составных элементов, которые могут быть соединены вместе или связаны в цепочку для создания телекоммуникационных услуг.
Термин NFV впервые был введён ведущими операторами связи мира на конгрессе SDN OpenFlow World Congress. Проанализировав ограничения традиционного метода развития сети, было принято решение о создании рабочей группы по разработке спецификаций NFV — ISG (Industry Specification Group) под руководством Европейского института по разработке стандартов для телекоммуникаций ETSI (European Telecommunications Standards Institute) [19].
Рабочая группа ISG выдвинула три основных критерия, которые должны быть реализованы в стандартах (рекомендациях) для NFV [5, 8]:

Отделение (Decoupling): полное разделение оборудования и программного обеспечения;
Гибкость (Flexibility): автоматизированное и масштабируемое развёртывание сетевых функций;
Динамические операции (Dynamic operations): контроль за операционными параметрами сети при помощи точного (гранулярного) управления и мониторинга состояния сети.

На основе этих критериев была разработана обобщённая архитектура NFV (рис. 2).

Рисунок 2. Обобщённая архитектура NFV (Источник: ETS I ) [19].
Архитектура NFV состоит из трёх основных подсистем:

Виртуализированные сетевые функции NFV (Virtualized Network Function)
Инфраструктура виртуализации NFVI (NFV Infrastructure)
Подсистема управления и оркестрации MANO (Management and Orchestration)

Суть идеи виртуализация сетевых функций – NFV – в новом подходе к построению сетевой архитектуры, при котором на унифицированной физической среде работают программные приложения, реализующие всевозможные сетевые функции.
Согласно этой идее, NFV позволяет операторам разворачивать сетевые решения (DPI, NAT, Firewall и т.д.) как программные приложения, а не как отдельные сетевые устройства. Работа приложений NFV и сама реализация виртуальных функций возможна на высокопроизводительных сетевых платформах и серверах, расположенных в центрах обработки данных, сетевых узлах и оборудовании клиентов. Важным положительным фактором развития NFV является снижение зависимости оператора от узкоспециализированных сетевых устройств в пользу программных инструментов, что в конечном счете радикально снижает операционные затраты на поддержание всего жизненного цикла сетевых услуг [5].
Таким образом, главными драйверами внедрения NFV являются [6]:

Автоматизация предоставления услуг.
Ускоренное внедрение новых услуг.
Быстрое масштабирование услуг.
Возможность путем гибкого программирования создавать новые услуги, в отличие от аппаратных решений.
Автоматическая настройка сети и др.
Позволяет формировать услуги необходимые в том месте, в том количестве и в то время, когда эти услуги востребованы
Использование стандартизированных средств и виртуальных машин.

Общим трендом SDN/NFV является направление на виртуализацию сети и использование новых концепций, в сути которых лежит программное управление. Лидирующей концепцией создания новой сети пост-NGN является концепция программно-конфигурируемых сетей SDN. Самым важным отличием NFV от SDN является конечная цель концепции. Если в NFV планируется взять конкретные сетевые функции и реализовать их программно, а затем управлять ими как программными объектами, то SDN – это идеология работы всей сети, где все управление и ответственность за принятие решений (маршрутизация, коммутация и т.д.) вынесены на отдельный централизованный уровень. То есть NFV – это конкретные программные компоненты, реализующие конкретные сетевые функции, а SDN – идеология работы всей сети и взаимодействия ее функциональных уровней. NFV и SDN могут внедряться как независимо друг от друга, так и совместно, взаимно дополняя друг друга. Для эффективного использования виртуализированных серверных ресурсов необходима виртуализация сети, которая может быть обеспечена системами SDN, а также виртуализация сетевых сервисов, то есть NFV. Именно виртуализация обеспечивает необходимую оперативность и гибкость получения сервисов [4, 6].
Необходимо особо отметить, что исторически технологии SDN и NFV возникли и развивались независимо друг от друга. Однако, в настоящее время на основе интеграции технологий SDN и NFV происходит смена подходов к построению сетей передачи данных. Интеграция технологий SDN и NFV позволяет уменьшить сложность сети, обеспечить масштабируемость и автоматизацию управления, осуществить виртуализацию инфраструктуры, снизить CAPEX и OPE [6, 7].

Рисунок 3. Обобщённая архитектура SDN /NFV [11]
Архитектура, изображенная на рис. 3, реализуется программно (виртуально), за исключением OSS/BSS и PNF, которые являются унаследованными от традиционной физической инфраструктуры оператора. Физической средой для работы всей инфраструктуры (за исключением PNF) является NFVI (NFV Infrastructure). Следует отметить, что, хотя эти системы показаны внутри архитектуры SDN/NFV, это наиболее проблемная область при реализации проекта виртуализации сети оператора связи. Интерфейсы между OSS/BSS до сих пор не проработаны достаточно детально. Частично это объясняется разнообразием проприетарных решений OSS/BSS от различных вендоров [11].
По мнению международных экспертов и аналитиков интеграция SDN и NFV позволит [8, 10, 13]:

Полностью изменить физическую и виртуальную инфраструктуру сетей передачи данных;
Реализовать инновационный подход к представлению традиционных и новых услуг на основе открытых платформ;
Существенно сократить время между возникновением потребностей в соответствующей услуге и появлением этой услуги на рынке
Упростить конфигурацию, повысить масштабируемость и автоматизировать управление сетью;
Снизить капитальные (CAPEX) и операционные (OPEX) затраты

Оценка эффективности SDN и NFV от ведущих провайдеров и вендоров:

На 20-30% увеличивается эффективность использования ЦОДов;
На 20% повышается пропускная способность каналов за счет перераспределения нагрузки;
На 70% сокращается время ввода сети в эксплуатацию;
SDN снижает OPEX на 48% и CAPEX на 52% в год;
NFV снижает OPEX на 60% в течении трёх лет и CAPEX на 59% в течении пяти лет

Многие ведущие операторы связи осознали проблему, связанную с взрывным ростом сетевого трафика, вызванного значительным спросом на видео-услуги. Технологии программно-конфигурируемых сетей и виртуализации сетевых функций SDN/NFV, позволят перейти к совершенно новой архитектуре сети и адаптироваться к ожидаемому росту трафика.
Крупнейшей глобальной сетью, на данный момент, с поддержкой технологий SDN и NFV является сеть ЦОД Google, затраты на создание которой превысили 30 млрд долл. Эта сеть обеспечивает передачу 25% мирового интернет-трафика [20].
В телекоммуникациях же стали серьезно думать о технологии SDN в 2015 году, когда оператор связи AT&T объявил о переходе к использованию технологий SDN/NFV для полной замены существующего сетевого оборудования. К началу 2016 года виртуализировано 5% сетевых функций, а в 2020 году AT&T планировали перевести сетевые функции на технологию NFV и архитектуру SDN не менее 75% своей сети [10].
Основные барьеры в ходе проекта трансформации [6, 10]:

Недостаток финансирования – 56%
Дефицит компетентного персонала – 47%
Неочевидность выгодности проекта – 40%
Отсутствие заинтересованности руководства – 35%
Техническая неготовность – 38%
Отсутствие частных целей – 37%

Не смотря на все положительные стороны сдерживающими факторами для внедрения SDN/NFV являются [6, 8, 13]:

Консерватизм операторов, связанный с тем, что имеющиеся у них сетевые оборудования еще не выработали свой жизненный цикл, используемый на сетях ПД с КП;
Дорогостоящий процесс трансформации сетей оператора;
Для эксплуатационного обслуживания виртуализированных сетей, сотрудники должны обладать соответствующей квалификацией;
Проблемы, связанные с совместимостью решений от разных вендоров и малое количество приложений для SDN, NFV;
Отсутствие единых стандартов;
Network Function Virtualization не отрегулирована законодательно, это может повлиять на работу органов внутренней безопасности страны.

Основные этапы развития трёх видов технологий — телекоммуникационных, информационных и медийных во многих чертах схожи. Все три отрасли в последнее время стали использовать единую технологическую основу [9]:

Центры обработки данных (ЦОД)
Облачные технологии
Технологии программно-конфигурируемых сетей (SDN) и виртуализация сетевых функций (NFV)

Международная практика развитых стран показывает, что в рыночных условиях причиной смены архитектуры сети должна быть экономическая эффективность новых сетевых технических решений. Учитывая, что в рыночных условиях операторы связи являются коммерческими компаниями, их товаром являются разнообразные услуги, а сетевые технологии являются лишь инструментом для экономически выгодного представления этих услуг на их сетях. Поэтому уровень внедрения новых сетевых технических решений должен осуществляться не только общемировыми тенденциями, но и на основе изучения и анализа потребительского спроса на услуги.
В виду бурного роста сетевого трафика, развития облачных технологий, больших данных, интернет вещей [21] и трудности масштабирования существующих сетей, переход на технологии SDN/NFV неизбежен. Однако, учитывая сроки эксплуатации существующих сетевых технологий, используемых операторами связи, недостаточность практического опыта внедрения и использования среди операторов связи и сервис-провайдеров технологий SDN/NFV, переход будет производится постепенно. На процесс перехода могут помешать различные риски, в ходе интеграции технологий в существующие сети операторов, поэтому телекоммуникационные компании, будет переходить в зависимости от технических, организационных и финансовых возможностей.
Авторы: Джураев Р.Х., Ботиров С.Р.
Ташкентский университет информационных технологий имени Мухаммада ал-Хоразмий г. Ташкент
Список использованной литературы

Stallings W. Data and computer communications. Pearson Education, Inc. Pearson Prentice Hall, 2007.
Stallings W. Foundations of Modern Networking: SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud. Indianapolis, IN, USA: Pearson Educ., 2016.
Смелянский Р. Программно-конфигурируемые сети [Электронный ресурс] //Открытые системы Электрон. дан. – 2012.
Ефимов В.В., Соколов Н.А., Федоров А.В. Вероятные направления эволюции телекоммуникационной системы. — Труды ЦНИИС (Санкт-Петербургский филиал), 2016 год, Том 1
Гольдштейн А., Бакин С. Виртуализация функций оператора: NFV & OSS // Технологии и средства связи № 4 сентябрь 2014. 56 — 58 с.
Шалагинов А.В. SDN и NFV: как это работает на сети оператора связи // [Электронный ресурс] «shalaginov.com»27.12.2015
Шалагинов А.В. SDN и NFV: облачная виртуализация операторских сетей. – Вестник связи, №9, 2015.
Смелянский Р. Настоящее и будущее SDN&NFV // Первая миля № 3, 2016 год, 78 – 85 с.
Шалагинов А.В. О конвергенции технологий в эпоху “диджитал” на основе SDN/NFV // [Электронный ресурс] «shalaginov.com» 04.10.2016.
Шалагинов А. Цифровая трансформация в компании AT&T. Часть 1: Domain 2.0. // [Электронный ресурс] «shalaginov.com» 21.11.2016.
Шалагинов А. Руководство по SDN и NFV. Глава 2. Архитектура // [Электронный ресурс] «shalaginov.com» 17.01.2019.
Yan Z., Zhang P. and Vasilakos A. V. A security and trust framework for virtualized networks and software-defined networking // Security and communication networks. 2016. Vol. 9. No. 16. pp. 3059–3069.
Ефимушкин В. А. SDN/NFV: Вопросы стандартизации и регулирования // Центральный научно-исследовательский институт связи // Всемирная ассамблея по стандартизации электросвязи (ВАСЭ), Дубаи, 2012 г.
Джураев Р.Х., Ким А.А., Джураев О.Р. Изучение принципов коммутации пакетов методические указания к практическим занятиям /ТУИТ. 50 с. Ташкент 2005
Джураев Р.Х., Джаббаров Ш.Ю., Умирзаков Б.М. Технологии передачи данных. Учебное пособие. 2008
Джураев Р.Х., Умирзаков Б.М., Ботиров С.Р. Переход к технологии программно-конфигурируемых сетей. [Электронный журнал] «Infocom.uz», 24.07.2019
Джураев Р.Х., Ботиров С.Р., Умирзаков Б.М. Современное состояние и тенденции развития технологии передачи данных [Электронный журнал] «Infocom.uz», 18.06.2020
Рекомендация МСТ-T Y.3300 (06/2014).
ETSI — Европейский институт по разработке стандартов для телекоммуникаций [Электронный ресурс] www.etsi.org
Sloss B. T. Expanding our global infrastructure with new regions and subsea cables // [Электронный ресурс] «blog.google» Jan 16, 2018
Джураев Р.Х., Ботиров С.Р., Ким К.Р. Особенности развития технологии IoT [Электронный журнал] «Infocom.uz», 10.03.2020

Batafsil | Подробно | Read more... InfoCOM