Qu'est-ce que le NFV ? Comment il accélère la performance du réseau

Les réseaux sont au cœur de chaque entreprise. Sans eux, les entreprises cesseraient de fonctionner.

Grâce au réseau, les employés peuvent se connecter aux serveurs, et les utilisateurs peuvent accéder aux logiciels et à Internet et se connecter avec d'autres entreprises. Mais à mesure que le nombre d'appareils connectés à Internet augmente, le trafic Internet explose encore plus rapidement.

Les entreprises ont externalisé la plupart des services vers le cloud, des appels de voix sur IP (VoIP) au streaming vidéo et aux services de sauvegarde en temps réel dans le cloud. Ce passage au cloud affecte également tout, de l'architecture réseau à la façon dont les centres de données sont construits et le matériel qu'ils contiennent. Les entreprises qui souhaitent tirer parti de ces opportunités ou de cette tendance doivent savoir ce que cela signifie pour elles.

Au cours des dernières années, les entreprises de télécommunications et de technologie ont réduit les dépenses d'exploitation (OpEx) en tirant parti de nouvelles technologies telles que les machines virtuelles (VM) et l'informatique en nuage. C'est là qu'interviennent les applications de virtualisation des fonctions réseau (NFV).

La technologie NFV existe depuis plusieurs années, mais elle n'a attiré l'attention du monde des affaires que récemment. Elle améliore considérablement l'efficacité opérationnelle et permet aux entreprises de réaliser d'énormes économies. En conséquence, elle reste très pertinente dans l'environnement actuel de réseaux définis par logiciel (SDN), où les entreprises se précipitent pour intégrer des logiciels de réseau étendu défini par logiciel (SD-WAN) pour gérer le trafic d'entreprise.

Ce découplage des appareils matériels aide les entreprises à fonctionner plus efficacement et à moindre coût sans compromettre les performances. Dans un environnement où les dépenses d'investissement (CapEx) sont strictement contrôlées, la NFV est une alternative moins coûteuse aux coûts initiaux importants de l'expansion du réseau.

La virtualisation des fonctions réseau brise la dépendance matérielle des équipements réseau. C'est une approche pour construire, déployer, gérer et tester des réseaux de communication où la plupart des tâches sont effectuées sur des serveurs x86 standard fonctionnant sur des logiciels de serveur couramment disponibles. La NFV est une architecture réseau alternative qui exécute la plupart des fonctions de mise en réseau sous forme de logiciel sur du matériel à usage général.

Les fournisseurs de services et les entreprises peuvent utiliser des commutateurs, des stockages et des serveurs peu coûteux pour exécuter des VM qui effectuent des fonctions réseau au lieu de matériel coûteux. Plusieurs services sont consolidés sur un seul serveur physique, réduisant les coûts et les déploiements d'infrastructure. Si une entreprise a besoin d'une nouvelle fonction réseau, elle peut créer une nouvelle machine virtuelle pour exécuter ce travail.

Applications NFV

Les applications NFV sont appliquées à un large éventail de fonctions réseau, y compris les réseaux mobiles. Certaines des applications de virtualisation des fonctions réseau les plus fréquemment utilisées sont :

• Systèmes de surveillance réseau
• Branche définie par logiciel et SD-WAN
• Cœur de paquet évolué (EPC)
• Système multimédia IP (IMS)
• Découpage de réseau
• Réseaux de diffusion de contenu (CDN) qui incluent des services de diffusion de contenu comme le streaming vidéo
• Équipement virtuel des locaux du client (vCPE)
• Pare-feu d'application Web
• Contrôle de la frontière de session (SBC)
• Systèmes de répartition de charge

Le besoin de virtualisation des fonctions réseau

Dans un réseau d'entreprise conventionnel, des appareils matériels dédiés effectuent la plupart des tâches liées au réseau. Chaque appareil accomplit une fonction particulière, telle que le routage du trafic réseau ou l'équilibrage des charges de données. Bien que largement utilisée et technologiquement stable, cette stratégie est coûteuse, gaspilleuse et inflexible, surtout avec les charges de travail dynamiques d'aujourd'hui et les quantités énormes de données hétérogènes. Le lancement fréquent de nouveaux services nécessite une reconfiguration du réseau et l'installation sur site de nouveaux équipements, ce qui prend plus d'espace au sol, d'électricité et de personnel de maintenance qualifié.

À l'ère numérique, les cycles d'innovation sont accélérés, nécessitant plus de flexibilité et de dynamisme que les appareils basés sur le matériel ne peuvent fournir. Un réseau câblé avec des boîtes à fonction unique est chronophage, lent et empêche les fournisseurs de services de proposer des services dynamiques.

Étant donné la transformation considérable que les centres de données hyperscale ont subie, passant d'une infrastructure purement physique à presque entièrement virtualisée, il n'est pas surprenant que l'industrie des télécommunications commence à suivre une voie similaire.

Les fournisseurs de services publics et de communications dont les activités tournent autour de l'utilisation et de l'investissement à long terme dans le réseau ont historiquement été empêchés de tirer parti des avantages économiques et opérationnels de l'informatique en nuage – en raison d'un manque de normes – mais ont maintenant la possibilité d'adopter cette technologie.

En le faisant, ils peuvent accélérer leurs cycles de développement, réduire la quantité d'infrastructure nécessaire pour de nouveaux services et tirer parti des économies d'échelle avec les principaux opérateurs de centres de données.

Les fonctions réseau virtualisées rendent les réseaux agiles et capables de répondre automatiquement aux demandes du trafic et des services qui y fonctionnent. Les deux technologies clés qui permettent cela sont les réseaux définis par logiciel (SDN) et la virtualisation des fonctions réseau (NFV).

Les SDN et la NFV sont complémentaires mais de plus en plus interdépendants. Alors que le premier permet un contrôle dynamique du réseau et une fourniture de réseau en tant que service (NaaS), le second permet de gérer et d'orchestrer les ressources virtuelles pour la livraison et la compilation des fonctions réseau en services réseau de couche supérieure.

La NFV sépare les services de communication du matériel sous-jacent, tel que les routeurs et les pare-feu. Cette nouvelle segmentation permet aux opérations réseau de fournir des services supplémentaires de manière dynamique et sans nouveau matériel. Dans la NFV, les composants réseau sont déployés en quelques heures au lieu de mois. De plus, les services virtualisés peuvent fonctionner sur des serveurs génériques moins chers plutôt que sur du matériel propriétaire.

Histoire de la virtualisation des fonctions réseau

La NFV est apparue lorsque les fournisseurs de services voulaient faciliter et accélérer l'ajout de nouvelles fonctions ou applications réseau. Lors du Congrès mondial OpenFlow en 2012, l'Institut européen des normes de télécommunications (ETSI), une coalition de fournisseurs de services télécoms, dont AT&T, China Mobile, BT Group, Deutsche Telekom et d'autres, a initialement présenté le concept d'une norme de virtualisation des fonctions réseau.

L'ETSI ISG NFV est une agence de normalisation avec des normes et des protocoles pour la gestion et l'orchestration des réseaux NFV (MANO).

Les fournisseurs de services cherchaient un moyen d'accélérer le déploiement des services réseau. Le lancement de nouveaux services réseau était une opération chronophage qui comprenait l'installation de composants matériels supplémentaires. Alors que le coût de l'énergie, de l'espace et des ingénieurs en matériel réseau qualifiés augmentait, le comité de l'ETSI a décidé de virtualiser les fonctions réseau pour résoudre ces problèmes. La NFV élimine l'espace physique pour les appareils matériels et ne nécessite pas de connaissances avancées en réseau pour être déployée et administrée.

Plusieurs initiatives open-source, y compris l'ETSI, la plateforme ouverte pour la NFV, la plateforme d'automatisation des réseaux ouverts, Open Source MANO et le MEF (anciennement le Forum Ethernet Métropolitain), définissent actuellement les normes NFV. Il existe tellement de groupes différents avec des propositions de normes contradictoires qu'il est difficile pour les fournisseurs de services de se familiariser avec la NFV. Malgré tous les obstacles, elle gagne en popularité en raison de la complexité et des besoins croissants des réseaux d'entreprise d'aujourd'hui.

Comment fonctionne la virtualisation des fonctions réseau ?

La virtualisation des fonctions réseau utilise des composants réseau virtualisés pour fournir une infrastructure indépendante du matériel. L'architecture de virtualisation des fonctions réseau dépend des technologies de virtualisation des serveurs pour permettre la machine virtuelle nécessaire à l'hébergement des opérations réseau.

La virtualisation permet aux entreprises d'allouer des ressources à la demande pour répondre aux besoins des charges de travail dynamiques et en développement, tout en bénéficiant des réductions de coûts associées au matériel commercial standard (COTS).

Les ressources informatiques, de stockage et de réseau quotidiennes sont virtualisées et déployées sur du matériel COTS tel que des serveurs x86. L'équilibrage de charge, le routage et la sécurité des pare-feu sont tous gérés par logiciel, et non par matériel. Un hyperviseur permet aux ingénieurs réseau de programmer tous les différents composants du réseau virtuel et même d'automatiser le déploiement du réseau. Les responsables informatiques peuvent personnaliser de nombreux aspects des opérations réseau en quelques minutes via un point de contrôle unique.

Étant donné que les ressources virtualisées sont accessibles, les VM se voient attribuer des portions des ressources disponibles sur le serveur x86. En conséquence, de nombreuses VM peuvent fonctionner sur un seul serveur et évoluer pour utiliser les ressources libres restantes. Cela implique également que les ressources sont moins susceptibles d'être inactives et que les centres de données avec une architecture virtualisée sont utilisés plus efficacement. Le plan de données et le plan de contrôle fonctionnent au sein du centre de données et sur les réseaux externes.

Architecture NFV

La virtualisation des fonctions réseau permet une architecture flexible et ouverte avec plusieurs choix de déploiement et de logiciels NFV. Un cadre d'architecture NFV typique se compose de trois couches principales.

1. Fonctions réseau virtuelles (VNF)

Les fonctions réseau virtuelles sont des versions logicielles de services réseau tels que l'équilibrage de charge, les pare-feu, les sous-systèmes multimédias IP, le routage et la sécurité. Les VNF sont souvent déployées sous forme de VM utilisant des hyperviseurs fonctionnant sur du matériel COTS. La fonction réseau cloud-native (CNF) est une VNF conçue pour l'environnement cloud. La CNF, contrairement aux VM, fonctionne dans des conteneurs et est une VNF pour l'environnement cloud en développement.

2. Infrastructure de virtualisation des fonctions réseau (NFVi)

La combinaison de tous les composants logiciels et matériels qui composent l'environnement de déploiement pour la NFV est appelée infrastructure NFV (NFVi). L'infrastructure NFV peut s'étendre sur plusieurs sites, et le matériel réseau qui relie ces sites est inclus dans la NFVi.

La NFVi se compose de trois éléments d'infrastructure : calcul, stockage et mise en réseau. Le gestionnaire d'infrastructure NFV (VIM) supervise la distribution des ressources pour les VNF. OpenStack est un VIM open-source qui gère à la fois les ressources physiques et virtuelles.

3. Cadre d'architecture de gestion et d'orchestration de la virtualisation des fonctions réseau (NFV MANO)

La NFV MANO administre et orchestre les VNF dans l'architecture NFV. MANO crée des services réseau en automatisant, en fournissant et en coordonnant les opérations pour les gestionnaires VIM et VNF, en créant des VNF et en superposant des chaînes de services réseau. La NFV MANO est responsable des éléments suivants :

• Interagir avec les systèmes de support opérationnel et commercial (OSS/BSS) pour fournir des avantages tels que l'innovation rapide des services, le déploiement flexible des fonctions réseau, une utilisation améliorée des ressources et des dépenses CapEx et OpEx réduites
• Orchestrer les VNF en services réseau (NS)
• Déployer et exécuter des instances VNF et NS sur des ressources virtualisées
• Contrôler le cycle de vie des instances VNF et NS
• Interagir avec la gestion des éléments (EM) pour contrôler la fonction logique et garantir les niveaux de service VNF englobant les défauts, la configuration, la comptabilité, les performances et la sécurité (FCAPS) des VNF
• Interagir avec la NFVI pour allouer, contrôler et orchestrer les ressources virtualisées

NFV vs. SDN

Bien que beaucoup de choses soient dites sur les avantages de l'introduction de la virtualisation dans le réseau, il y a une certaine confusion entre deux méthodologies liées mais distinctes : les réseaux définis par logiciel (SDN) et la virtualisation des fonctions réseau (NFV).

Réseaux définis par logiciel

Les réseaux définis par logiciel sont un paradigme qui permet une configuration réseau dynamique et programmatiquement efficace pour améliorer les performances globales du réseau. Essentiellement, les SDN rendent les réseaux programmables en séparant le système qui décide où acheminer le trafic (le plan de contrôle) du système sous-jacent qui envoie les paquets de données vers des destinations spécifiques (le plan de données). Cette séparation permet une fourniture plus automatisée et une gestion des ressources réseau basée sur des politiques.

Les architectes et administrateurs réseau configurent et gèrent les services réseau à l'aide de logiciels à partir d'un point de contrôle unique. Cette approche construit des réseaux dynamiques, flexibles et évolutifs qui s'adaptent rapidement aux exigences commerciales changeantes en utilisant l'architecture virtualisée des centres de données actuels.

Virtualisation des fonctions réseau

La virtualisation des fonctions réseau est une architecture réseau qui vise à accélérer le déploiement des services et à réduire les coûts pour les opérateurs de réseau. La NFV isole des fonctions telles que les routeurs et le cryptage du matériel et les déplace vers des serveurs virtuels, consolidant diverses fonctions sur un serveur physique et réduisant finalement les coûts globaux. La NFV permet aux opérateurs de réseau de mettre en œuvre des politiques réseau sans se soucier de l'emplacement des fonctions dans le réseau ou de la manière dont le trafic doit être acheminé via ces fonctions.

La NFV est une méthode de virtualisation des fonctions réseau généralement exécutées sur du matériel et de les héberger sur des machines virtuelles. Un hyperviseur, également connu sous le nom de gestionnaire de machines virtuelles, est utilisé dans les VM afin que plusieurs systèmes d'exploitation puissent utiliser un seul processeur matériel. Cela garantit des réseaux avec une évolutivité, une flexibilité et une adaptabilité plus élevées à un coût inférieur à celui des réseaux traditionnels.

La similitude clé entre les SDN et la NFV est l'utilisation de l'abstraction réseau. Les SDN tentent d'isoler les fonctions de contrôle du réseau des services de transfert de réseau, tandis que la NFV abstrait le transfert de réseau et d'autres fonctions de mise en réseau de leur matériel. En conséquence, les deux reposent fortement sur la virtualisation pour abstraire l'architecture et l'infrastructure réseau dans le logiciel, qui est ensuite déployé par le logiciel sous-jacent sur les plateformes et appareils matériels.

Lorsque les SDN fonctionnent sur une architecture NFV, ils transfèrent les paquets de données d'un appareil réseau à un autre. Simultanément, les fonctions de contrôle réseau des SDN pour le routage, la formulation de politiques et les applications s'exécutent dans une VM sur le réseau. Ainsi, la NFV offre des opérations de mise en réseau de base, mais les SDN les régulent et les orchestrent pour des applications individuelles. Les SDN spécifient également et mettent à jour la configuration et le comportement de manière programmatique.

Cas d'utilisation de la NFV

La virtualisation des fonctions réseau a gagné en popularité en tant que solution à de nombreuses difficultés de mise en réseau pour de nombreuses entreprises dans divers secteurs industriels et commerciaux. Avec la croissance de l'Internet des objets (IoT) et la demande croissante de services toujours plus avancés, la NFV permet aux entreprises de concevoir, de fournir et de simplifier des services et des opérations beaucoup plus avancés tout en réduisant les dépenses grâce à des économies de coûts.

Voici quelques cas d'utilisation de la manière dont la NFV est employée pour gérer divers obstacles et fournir des résultats supérieurs pour améliorer les services et réduire les coûts.

Virtualisation du réseau

Les entreprises de télécommunications du monde entier utilisent principalement des solutions NFV pour la virtualisation du réseau (NV). La NV construit un réseau virtuel au-dessus du réseau physique, permettant aux fournisseurs de services d'étendre et d'accélérer le développement des services. Elle améliore également les exigences réseau critiques telles que l'approvisionnement.

Les clients se tournent vers la virtualisation du réseau pour supprimer les opérations réseau telles que le DNS, la mise en cache, le routage et le pare-feu du matériel propriétaire qui était auparavant l'option principale et améliorer leurs services réseau. Cette méthode leur permet également de fonctionner sur des logiciels au lieu de matériel.

Lors du lancement de nouveaux services réseau, la virtualisation du réseau offre aux fournisseurs l'agilité et la flexibilité dont ils ont besoin. Elle leur permet d'économiser de l'argent sur le matériel physique encombrant et les coûts d'exploitation, de gestion et parfois de réparation.

Sécurité

En raison des innovations technologiques, les outils que nous utilisons pour sécuriser nos outils physiques et virtuels ont évolué au cours de la dernière décennie. De nombreux fournisseurs de sécurité proposent désormais des pare-feu virtuels pour protéger les VM. Cependant, les pare-feu ne sont qu'un des nombreux dispositifs ou composants de sécurité que la NFV et les SDN finiront par virtualiser.

Le concept de mécanismes gérés de manière centralisée et d'application uniformément distribuée est l'un des principaux avantages de la sécurité virtualisée. Ces deux avantages à eux seuls ont conduit les entreprises à renforcer leur sécurité et à envisager ces solutions de sécurité.

Analyse vidéo

Les systèmes et logiciels d'analyse vidéo sont un autre secteur technologique dont le potentiel a considérablement augmenté depuis l'avènement de l'IoT. Les entreprises peuvent désormais utiliser l'IoT et les appareils intelligents pour collecter d'énormes quantités de données provenant de leurs usines, magasins et fermes.

La latence du réseau de bout en bout est l'un des plus grands défis de la mise en réseau moderne, posant un obstacle substantiel aux applications et services réseau sensibles aux retards réseau, tels que l'analyse vidéo.

Les entreprises utilisent les cadres NFV et SDN pour résoudre ce problème et réduire l'utilisation des ressources réseau et améliorer la latence. Avec l'IoT et les appareils de périphérie rendant possible la création, la collecte et l'analyse de plus en plus de données, les systèmes logiciels d'analyse vidéo deviennent de plus en plus importants pour exploiter les big data.

Informatique en périphérie mobile

L'informatique en périphérie mobile est une autre avancée technologique populaire. Les appareils de périphérie peuvent effectuer des services de calcul et offrir des fonctions réseau en produisant et en déployant une ou même plusieurs VM lors de l'utilisation de la NFV.

L'informatique en périphérie multi-accès (MEC) est un exemple parfait de l'une de ces technologies. Le MEC utilise l'informatique en périphérie mobile pour atteindre des latences ultra-faibles. Ici, l'informatique en périphérie fait référence à des composants tels que les tours radio, les mini-données et les centres de données locaux. Certaines de ces fonctions de service de réseau mobile sont traduites du matériel au logiciel à l'aide de la NFV.

L'expansion continue des réseaux 5G a créé cette technologie. Le MEC utilise des composants discrets identiques à l'infrastructure NFV dans son architecture.

Avantages de la NFV

En réduisant les contraintes des méthodes manuelles et en fournissant des services à la demande, la virtualisation des fonctions réseau augmente l'agilité dans la fourniture des services réseau tout en augmentant l'efficacité du capital. La NFV permet aux fournisseurs de services d'offrir des services plus rapidement et à moindre coût et exploite l'automatisation pour répondre aux demandes des clients en matière d'évolutivité et d'agilité.

Voici quelques-uns des avantages les plus critiques de la virtualisation des fonctions réseau.

Efficacité accrue

La virtualisation des fonctions réseau dans l'IoT ou d'autres infrastructures virtualisées permet une meilleure performance des charges de travail avec une consommation d'énergie réduite, une empreinte de centre de données plus petite et des besoins de refroidissement réduits. Étant donné qu'un seul serveur peut exécuter plusieurs VNF simultanément, moins de serveurs effectuent la même quantité de travail. À mesure que la demande réseau varie, le logiciel met à jour l'infrastructure commerciale plutôt que les mises à niveau des appareils physiques dans les centres de données et les nœuds réseau.

Meilleure gestion des ressources

Lorsqu'un centre de données ou une infrastructure équivalente est virtualisé, il peut accomplir plus avec des ressources limitées, car un seul serveur peut exécuter plusieurs VNF simultanément pour effectuer la même quantité de travail. Cela permet une capacité de charge de travail plus élevée tout en réduisant l'empreinte du centre de données, la consommation d'énergie et les besoins de refroidissement. Cela élimine les équipements physiques propriétaires de l'infrastructure, consolide les ressources et réduit les coûts.

Réduction de la dépendance aux fournisseurs

Parce que le matériel COTS est nécessaire pour faire fonctionner les VNF, les entreprises peuvent éviter la dépendance aux fournisseurs et aux équipements propriétaires coûteux à configurer et à installer. Le matériel propriétaire des fournisseurs peut rapidement devenir obsolète. La NFV permet au matériel standard d'effectuer des opérations réseau au lieu de dispositifs dédiés. Un réseau virtualisé rend la configuration du réseau et la gestion considérablement plus faciles.

Évolutivité accrue

Étant donné que les VM contiennent des services virtualisés, elles reçoivent des sections de ressources virtuelles sur des serveurs x86, permettant à de nombreuses VM de fonctionner à partir d'un seul serveur et de s'adapter plus efficacement en fonction des ressources restantes. Cela dirige les ressources inactives là où elles sont nécessaires et augmente l'efficacité dans les centres de données avec des infrastructures virtualisées.

La NFV permet également aux réseaux d'étendre rapidement et efficacement leurs ressources en réponse au trafic entrant et aux besoins en ressources. Le logiciel SDN permet également aux VM de s'adapter automatiquement à la hausse et à la baisse.

Défis de la NFV

La NFV améliore la réactivité, la flexibilité et l'évolutivité d'un réseau. Elle réduit le temps de mise sur le marché et réduit considérablement les coûts d'infrastructure. Cependant, il existe des risques de sécurité et des préoccupations en matière de sécurité de la virtualisation des fonctions réseau qui agissent comme des obstacles à une adoption généralisée parmi les fournisseurs de services.

Voici quelques-uns des inconvénients les plus critiques de la virtualisation des fonctions réseau.

Problèmes de sécurité

Comparé à l'équipement physique sécurisé dans un centre de données, la virtualisation des composants réseau augmente leur exposition à de nouveaux types d'attaques. Les logiciels malveillants se déplacent plus facilement entre les composants virtuels fonctionnant sur la même VM que entre des composants matériels séparés ou physiquement séparés.

Complexité de l'infrastructure

De nombreux fournisseurs de services trouvent difficile d'adopter la NFV à grande échelle en raison de sa complexité. L'étendue et les divers composants de l'architecture rendent son développement, sa mise en œuvre et sa gestion difficiles. Le manque de normes stables pour les implémentations NFV continue de freiner les déploiements. Il a fallu des années pour développer des implémentations NFV à partir de laboratoires, d'essais de preuve de concept, de tests sur le terrain et de solutions à grande échelle dans les réseaux de production.

Rendez vos réseaux agiles pour le succès commercial

Un réseau basé sur la NFV présente plusieurs avantages par rapport à un réseau traditionnel, notamment une flexibilité accrue, un temps de mise sur le marché plus rapide, une meilleure évolutivité et des coûts réduits. La NFV est encore une technologie en développement avec peu de normes bien définies et son propre ensemble de défis.

De plus, si les équipes informatiques doivent mettre à jour le matériel pour répondre aux besoins des charges de travail basées sur la NFV, les économies de coûts peuvent ne pas être aussi significatives. Néanmoins, la NFV a beaucoup de potentiel et sera très probablement présente pendant longtemps. Avec les réseaux 5G à l'horizon, le secteur des télécommunications, en particulier, s'intéresse grandement à la NFV.

Les fonctions réseau virtuelles (VNF) sont un composant critique d'une infrastructure NFV et un incontournable pour les organisations construisant des architectures de services de nouvelle génération.