CC BY
62
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНЫХ ОБЛАСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ РЕШЕНИЙ
НА БАЗЕ КОНЦЕПЦИИ NFV
DOI 10.24411/2072-8735-2018-10150
Володин Владислав Евгеньевич,
МТУСИ, Москва, Россия, [email protected]
Шевелёв Сергей Владимирович, Ключевые слова: Network function virtualization,
МТУСИ Москва Россия облачная сеть радиодоступа, ядро опорной сети
[email protected] ' оператора с облачной архитекщрой,
виртуализации домашней сети.
Концепция виртуализации сетевых функций (Network Function Virtualization, NFV) наряду с технологиями программно-определяемых сетей (Software Defined Networking, SDN) и облачными вычислениями позволяет телекоммуникационным операторам строить инфраструктуру своих сетей с использованием идеологии виртуализации, отделяя программное обеспечение от аппаратной платформы. Это способствует сокращению времени вывода на рынок новых телекоммуникационных услуг, повышая тем самым экономическую эффективность бизнеса оператора.
Вместе с тем сферы применения NFV не ограничиваются оптимизацией инфраструктуры операторских сетей. Концепцию NFV можно также использовать для виртуализации функций базовой станции сотовой связи, опорной сети операторов, а также для виртуализации домашней сети.
Показано, что использование облачной сети радиодоступа, благодаря централизации и виртуализации функций отдельных блоков базовых станций, позволяет сократить не только вычислительные ресурсы, перераспределяя вычислительную нагрузку между базовыми станциями, но и снизить эксплуатационные затраты сотовых операторов. Виртуализация сетевых функций ядра опорной сети оператора позволяет освободить распределенные сетевые ресурсы от их географической привязки и связанных с этим ограничений, обеспечивая надежность и непрерывность обслуживания в случае сбоя локального ресурса.
Виртуализированная архитектура домашней сети позволяет использовать более простое абонентское оборудование, уменьшить нагрузку на call-центр обслуживающего оператора, предложить клиенту почти неограниченную емкость хранилища, обеспечить доступ к значительному числу сервисов и контенту, тем самым повысив степень удовлетворенности клиента качеством обслуживания.
Информация об авторах:
Володин Владислав Евгеньевич, магистр, МТУСИ, Москва, Россия,
Шевелёв Сергей Владимирович, к.т.н., доцент кафедры МСиУС, МТУСИ, Москва, Россия
Для цитирования:
Володин В.Е., Шевелёв С.В. Анализ возможных областей применения решений на базе концепции NFV // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2018. Том 12. №10. С. 10-14
For citation:
Volodin V.E., Shevelev S.V. (2018). Analysis of possible application areas to NFV-based solutions. T-Comm, vol. 12, no.10, рр. 10-14.
(in Russian)
Концепция виртуализации сетевых функций (Network Function Virtualization, NFV) была предложена относительно недавно, но уже успела пройти путь от стадии лабораторных исследований к практическому применению телекоммуникационными компаниями [lj. Данная концепция неразрывно связана с технологиями программно-определяемых сетей (Software Defined Networking, SDN) и облачными вычислениями [2].
NFV позволяет операторам строить инфраструктуру своих сетей, используя полномасштабную технологию виртуализации, отделяя программное обеспечение от аппаратной платформы [3]. При этом данная концепция успела получить в свои ряды многочисленных сторонников, прежде всего благодаря вновь открывшимся возможностям по сокращению времени вывода на рынок новых услуг и повышению экономической эффективности бизнеса.
По сути, NFV реализует сетевые функции с помощью технологий виртуализации программного обеспечения и запускает их на стандартном операторском оборудовании (то есть на стандартных серверах, хранилищах и коммутаторах), как показано на рис. 1, где обозначены Content Delivery Network (CDN), Network Address Translation (NAT), Deep Packet Inspection (DPi), Virtual Private Network (VPN), Packet Data Network Gateway (PDN-GW или PGW) и IP Multimedia Subsystem (IMS). Эти виртуальные устройства могут развёртываться по мере надобности без установки нового оборудования. Например, операторы могут запускать брандмауэр с открытым исходным кодом на виртуальной машине (Virtual Machine, VM) на платформе х86 [4].
Будучи инновационной технологией, предполагающей переход к более дешевой и гибкой сетевой инфраструктуре, NFV может потенциально принести множество преимуществ инфокоммуникационным операторам, преобразив рынок телекоммуникационной отрасли. Помимо сокращения времени выхода на рынок новых услуг и быстрого ввода в эксплуатацию специализированных сервисов, основанных на потребностях клиентов, также возможно, например, сокращение капиталовложений и потребления электроэнергии за счет объединения сетевых устройств [5]. Вместе с тем, технологии NFV сопутствует определённый набор проблем, включая вопросы обеспечения гарантированной производительности сети для виртуальных устройств, их динамической реализации и миграции, а также эффективного размещения.
Типовые сетевые устройства
NFV решение
m
Firewall CDN NAT
m A Ж
DPI VPN IPTV
ш A Ш
Flouter pew IMS
Рис. 1. От традиционных сетевых устройств до
Проведём анализ нескольких возможных областей применения концепции NFV помимо использования её для пост-поения опепатопами ин<Ьпаствуктупы своих сетей.
Вначале рассмотрим возможные решения по виртуализации функций базовой станции сотовой связи.
Сеть радиодоступа (Radio Access Network, RAN) традиционных сотовых сетей обычно состоит из автономных базовых станций, которые передают и обрабатывают сигнал от мобильных телефонов, направляя данные в опорную сеть через транзитные соединения. Такая архитектура сети имеет несколько ограничений.
Во-первых, операторы сотовой связи рассчитывают свои базовые станции на работу с некой максимально ожидаемой сетевой нагрузкой. При этом трафик базовой станции изменяется со временем в зависимости от интенсивности использования и мобильности пользователей, поэтому вычислительная мощность базовых станций обычно используется не полностью. Однако разделить между ними вычислительные ресурсы затруднительно в силу их географической распределенности.
Во-вторых, учитывая ограниченный ресурс спектра радиосигнала, базовым станциям необходимо повторно использовать радиочастоты, что затрудняет планирование и оптимизацию развертывания базовой станции, особенно в городских районах.
В-третьих, базовые станции требуют установки специального оборудования для организации транспортной сети, систем охлаждения и резервного электропитания, которые, в свою очередь, нуждаются в площадях для их размещения.
На протяжении многих лет архитектура RAN эволюционировала от базовых станций типа «все-в-одпом» до распределенных базовых станций, в которых функциональный блок радиосвязи (так называемый, удаленный или выносной радиоприемник, Remote Radio Head, RRH) отделён от цифрового функционального блока (BaseBand Unit, BBU). Радиосигнал базовой полосы передаётся по оптоволоконным каналам между RRII и BBU, что также делает возможным их физическое разнесение (например, на несколько километров). В такой архитектуре BBU реализует функциональные возможности антенной решетки, в то время как RRH получает и преобразует беспроводной сигнал, а также усиливает его мощность.
Распределенные базовые станции стали первым шагом к дальнейшему развитию архитектуры в направлении облачных решений сетей радиодоступа (Cloud RAN или C-RAN) путем виртуализации функций BBU в центрах обработки данных и, таким образом, обеспечения динамического перераспределения функций. Облачная сеть радиодоступа использует множество современных технологий, включая общий ради о интерфейс беспроводной связи, технологию спектрального уплотнения (dense wavelength-division multiplexing, DWDM) в оптической связи и виртуализацию облачных вычислений в режиме реального времени, как показано на рис. 2.
Как было отмечено выше, целью виртуализации обычно является BBU, устанавливаемый в центрах обработки данных, Кроме того для традиционной архитектуры RAN целью виртуализации может быть также NodeB с расширенными функциями - eNodeB — в сети 4G, NodeB в сети 3G или базовая станция в сети 2G (когда, например, какая-то часть eNodeB работает на виртуальных машинах).
Использование облачной сети радиодоступа, благодаря централизации и виртуализации функций BBU, способству-
и
Т-Сотт Том 12. #10-2018
В такой архитектуре передача услуг IPTV, как известно, достаточно сложна из-за необходимости реализации интерактивных функций управления потоком (например, перемотки назад и перемотки вперед) [6|. Развивающаяся технология NFV наряду с возможностью обеспечения высокоскоростного широкополосного доступа на последней миле облегчает виртуализацию домашней сети и снижает сложность реализации услуг IPTV.
Архитектура одного из возможных решений по виртуализации домашних сетей изображена на рис. 4.
Целями виртуализации являются STB и ряд компонентов RG, таких как брандмауэр, DI 1СР-сервер, VPN-шлюз и NAT-маршрутнзатор. Перемещая их в центры обработки данных, операторы могут предоставлять пользователям простые и недорогие устройства с пониженными требованиями к эксплуатационным характеристикам и обслуживанию с точки зрения физического подключения к операторским сетям и возможности управления ими. Эти устройства должны обеспечивать только функциональность уровня 2 для доступа к Интернету, так как функции RG уровня 3 и выше перемещаются в сеть операторов.
Также, с данной виртуальной архитектурой можно разделить некоторые функции RG и STB между пользователями. Концепция виртуализации домашней сети на самом деле не является новой. Крупные телекоммуникационные операторы уже несколько лет поддерживают решения Cloud Digital Video Recorder {DVR) или Network DVR. Cloud DVR позволяет хранить записанные видеопр01раммы на серверах оператора вместо клиентского оборудования, и тем самым снижает требования к характеристикам STB, обеспечивающим данную функцию.
Рис, 4. Виртуализация домашней сети
Такая виртуализированпая архитектура позволяет обеспечить множество преимуществ телекоммуникационным операторам и конечным пользователям.
Во-первых, за счёт уменьшения эксплуатационных расходов на обслуживание клиентского оборудования и обновления устройств СРЕ, а также уменьшения нагрузки на eall-центр, поскольку более простое оборудование с несложным функционалом меньше подвержено отказам. Во-вторых, улучшается качество обслуживания клиентов путём предложения почти неограниченной емкости файлового хранилища и обеспечения доступа ко всем сервисам и контенту из разных мест, а также с использованием дополнительных устройств, таких, например, как смартфоны и планшеты. Это позволяет повысить степень удовлетворенности клиентом сервисом оператора. В-третьих, обеспечивается динамическое управление качеством обслуживания и контролируемый обмен между потоками пользовательских приложений, что позволяет поставщикам контента предоставлять услуги конечным пользователям программно через открытый интерфейс прикладных программ (Application Programming Interface, API) [7]. Наконец, новые услуги вводятся более плавно и прозрачно, минимизируя зависимость от функций СРЕ.
Проведённый анализ возможных областей применения решений на базе концепции NFV показал эффективность новой технологии виртуализации сетевых функций, позволяющей отвязать функциональность от специализированных устройств и реплицировать их в виртуальной форме. Предполагается, что NFV, наряду с облачными вычислениями и SDN, станет критически важной технологией, позволяющей радикально упростить сетевую инфраструктуру большинства операторов связи и изменить способ её монетизации. Таким образом технология NFV открывает для операторов новые возможности получения прибыли в цепочке создания стоимости услуг.
Литература
1. Агапов И. Виртуальность на старте // Стандарт. Цифровая трансформация, ИТ, коммуникации, контент - 2017. № 10 (177). С. 48-52.
2. Jim Dohertv. A Visual Guide to Understanding Software Defined Networks and Network Function Virtual izat ion. Pearson Education, 2016.
3. Bhaumik S., Chandrahose S.P., Jataprolu M K.. Kumar G.. Muralidhar A., Polakos P.. Srinivasan V., Woo. T. CioudlQ: A Framework for Processing Base Stations in a Data Center. In Proceedings of MOBICOM 2012, Aug. 2012.
4. Paul Goransson. Chuck Black. Software Defined Networks A Comprehensive Approach. Elsevier, 2016.
5. Chiosi M et al. Network Functions Virtualisalion: An Introduction, Benefits, Enablcrs, Challenges & Call for Action, ETSI White Paper, Oct. 2012.
6. William Stalling. Foundations of Modern Networking SDN, NFV, QoE, loT, and Cloud. Pearson Education, 2016.
7. Stvaraman V,, Moors Т.. Gharakheili H.H., Ong D„ Matthews J., Russell C. Virtualizing the Access Network via Open APIs. In Proceedings ofCoNEXT20l3, Dec, 2013.
ANALYSIS OF POSSIBLE APPLICATION AREAS TO NFV-BASED SOLUTIONS
Vladislav E. Volodin, MTUCI, Moscow, Russia, [email protected] Sergey V. Shevelev, MTUCI, Moscow, Russia, [email protected]
Abstract
The Network Function Virtualization (NFV) concept along with the technologies of Software Defined Networking (SDN) and cloud computing allows telecommunications operators to build their network infrastructure using the virtualization ideology, separating the software from the hardware platform. This helps to reduce the time to market new telecommunications services, thereby increasing the economic efficiency of the operator's business. At the same time, the scope of NFV applications is not limited to the operator's network infrastructure optimization. The concept of NFV can also be used to virtualize the functions of the cellular base station, carrier backbone network, and also to virtualize the home network. It is shown that the use of the cloud radio access network, due to the centralization and virtualization of the individual base station blocks functions, allows to reduce not only the computing resources, redistributing the computational load between the base stations, but also to reduce the operating costs of cellular operators. Virtualization of network functions of the operator's backbone core network allows to release distributed network resources from their geographical limitations, providing reliability and stability of the service in case of local resource failure.
The virtualized architecture of the home network makes it possible to use simpler subscriber equipment, reduce the load on the call center of the serving operator, offer to customer almost unlimited storage capacity and providing access to a significant number of services and content, thereby increasing the client's satisfaction with quality of service.
Keywords: Network function virtualization, cloud RAN, cloud EPC, virtualization of home network. References
1. Igor Agapov. (2017). Virtuality is starting. Standart. No. 10 (177), pp. 48-52.
2. Jim Doherty. (2016). A Visual Guide to Understanding Software Defined Networks and Network Function Virtualization. Pearson Education.
3. Bhaumik S., Chandrabos S. P., Jataprolu M.K., Kumar G., Muralidhar A., Polakos P., Srinivasan V., Woo T. (2012). CloudIQ: A Framework for Processing Base Stations in a Data Center. Proceedings of MOBICOM 2012, Aug. 2012.
4. Paul Goransson, Chuck Black. (2016). Software Defined Networks A Comprehensive Approach. Elsevier, 2016.
5. Chiosi M. et al. (2012). Network Functions Visualisation: An Introduction, Benefits, Enablers, Challenges & Call for Action. ETSI White Paper, Oct. 2012.
6. William Stallings. (2016). Foundations of Modern Networking SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud. Pearson Education.
7. Sivaraman V., Moors T., Gharakheili H.H., Ong D., Matthews J., Russell C. (2013). Virtualizing the Access Network via Open APIs. Proceedings of CoNEXT 2013, Dec. 2013.
Information about authors:
Vladislav E. Volodin, Master student, MTUCI, Moscow, Russia
Sergey V. Shevelev, Candidate of Engineering Sciences, associate professor of the Department of "Multimedia Communication and Communication Services", MTUCI, Moscow, Russia
