Что было раньше

Сеть любого оператора связи традиционно состояла из множества разнообразных аппаратных устройств. Запуск любого нового сетевого сервиса предполагал добавление все новых устройств, требующих места, источников питания и охлаждения. Это приводило к росту потребляемой энергии, капитальных и операционных затрат, а также необходимости найма персонала, обладающего всё более разнообразной квалификацией и специализацией[1].

Кроме того, аппаратные сетевые устройства быстро устаревают, не столько физически, сколько «морально», что требует все более частых повторений цикла «закупка – проектирование – интеграция – развертывание». К повышению доходов операторов это, как привило, не приводит. Наоборот, чаще всего приводит это к тому, что затраты на развитие сети начинают опережать рост доходов, на которые направлены эти затраты.

И как теперь

Именно поэтому, в настоящее время многие операторы выбрали путь цифровой трансформации на базе технологий виртуализации сетевых функций NFV (Network Function Virtualization).

Концепция NFV основана на том, что сетевые функции реализуются программно на стандартном коммерческом оборудовании COTS (Commercial Off-The-Shelf), которое представляет собой серверы, оборудование хранения и сетевой коммутации для общего, а не специализированного, применения.

Системы 5G/6G будут строиться на полностью виртуализированных решениях. Основные преимущества виртуализации состоят в следующем.

Преимущества VNF

1. Легкое выстраивание цепочек сервисов (Service Chaining)

Функции 5G реализуются в виде виртуальных сетевых функций VNF (Virtual Network Function)[2] по методу «цепочек сервисов» (Service Chaining), каждая из которых представляет собой несколько VNF выстроенных в определённом порядке и выполняющих единый алгоритм. Каждая VNF, в свою очередь, может являться частью алгоритма более высокого уровня[3].

Цепочка VNF (источник: TechTarget).



Традиционно, новые сервисы и сетевые функции устанавливаются на проприетарное («фирменное») оборудование и конфигурируются вручную на каждом устройстве, предназначенном именно для этой функции. Если нужно создать цепочку сервисов для какой-то конечной услуги, то приходилось соединять кабелями аппаратные устройства. Такие физические сетевые функциональные устройства носят наименование PNF (Physical Network Functions).

Виртуальные сетевые функции VNF могут развёртываться как виртуальные машины VM (Virtual Machines)[4] или контейнеры (Containers)[5].

Такая виртуальная инфраструктура устраняет надобность в дорогом специализированном оборудовании, поскольку виртуальные машины можно развёртывать на стандартных недорогих серверах в дата-центрах разного масштаба и уровня. Подобный подход даёт следующие преимущества:

• Общее снижение энергопотребления и требуемого охлаждения;
• Снижение требуемого пространства в дата-центре при замещении физического оборудования на VNF;
• Снижение как операционных, так и капитальных расходов в долгосрочной перспективе и при больших объёмах виртуализации.
• 

2.        Повышение эффективности использования серверов в дата-центрах



В традиционных дата центрах, где на физическом оборудовании сервера без виртуализации работают приложения, средняя загрузка процессоров серверов обычно довольно низкая.  Например, в 2012 году (до массового перехода на решения виртуализации) сообщалось, что в дата-центрах компании Google средняя величина использования процессорной мощности не превышала 20%, а объёма оперативной памяти – 40%[6]. В то же время, в дата-центрах крупнейшего облачного провайдера Amazon AWS средняя загрузка процессоров составляла от 7% to 17%[7].

Фактически, это означало, что более трёх четвертей оборудования дата-центров работало вхолостую, тем не менее, тратя при работе ресурсы питания, управления и охлаждения. Это происходило потому, что в традиционном физическом сервере приложение (Application) редко когда занимает более 15-20% мощности процессора CPU (Central Processor Unit).

Решения виртуализации позволяет значительно (теоретически до 100%) повысить коэффициент использования вычислительной мощности дата-центров за счёт того, что каждый сервер может быть разбит на несколько (более двух) виртуальных машин с своей операционной системой (OS), поверх которых может работать гораздо столько же приложений.

Виртуализация физического сервера.

Для этого, поверх физического оборудования сервера развёртывается уровень виртуализации (Virtualization Layer) в виде системной программы, называемой гипервизором (Hypervisor). Гипервизор может быть установлен как поверх физического оборудования сервера без операционной системы (т.н. «Bare Metal», «голое железо»), так и поверх операционной системы сервера.

3.         Эффективность развёртывания новых сетевых функций и приложений

В традиционной сети каждый из аппаратных сетевых элементов выполняет собственную функцию (левая часть рисунка ниже), развёртывание сетевых функций и приложений технически сложно, занимает много времени (закупка, поставка, пуско-наладки оборудования) и требует высоких инвестиций.

При разделении функций управления и пересылке данных по сети задача развёртывания новых функций и сетевых приложений значительно упрощается и удешевляется.

Виртуализации на сети оператора связи (источник: NTT DoCoMo).

Замена аппаратно-реализованных функций сети на программно-реализованные даёт много преимуществ в эффективности развёртывания:

• Если раньше требовалось несколько недель и даже месяцев, чтобы внедрить новую функцию на сети, то разработать и запустить виртуальную реализацию новой функции (Virtual Appliance) можно за несколько часов.
• Если раньше для запуска новой услуги или приложения для пользователей оператору нужен был длительный период оценки окупаемости, маркетинговые исследования, то виртуализированные приложения можно быстро развернуть в тестовой среде («песочнице»), и в случае положительных результатов, быстро вывести приложение в коммерческую эксплуатацию, а в случае негативных – быстро свернуть с минимальными затратами. Таким образом, снижается «порог» вывода новых функций, и исключается ситуация, когда потенциально выгодная функция неверно оценивается на этапе предварительной оценки и не реализуется.
• Даже в том случае, если приложение «не пойдёт» на реальной сети, его всегда можно быстро свернуть, а высвободившиеся ресурсы передать под другие функции. Потери при этом будут минимальны, в отличие от аппаратных функций, где нужно было решать вопрос, что делать со списанным, в случае неудачи, оборудованием.

По данным глобального оператора Vodafone[8], после внедрения инфраструктуры операторского облака Telco Cloud на базе платформы NFV в двадцати одной стране Европы в 2021 году время внедрения новых функций в опорной сети сократилось на 40%, а стоимость развёртывания новых сетей и их обслуживания – на 55%.

Рост трафика данных, по оценкам GSMA, до 2025 г. будет составлять 20-50% ежегодно. При этом, стоимость владения RAN может снизиться на 25%.

Виртуализация опорной сети (5G Core) может снизить капитальные затраты на 40% за счёт рационализации инфраструктуры и использования более дешевого стандартного оборудования COTS (Commercial Off The Shelf)[9] в массовых масштабах.

В частности, операционные расходы могут быть снижены за счёт автоматизации конфигурирования RAN и опорной сети.

Играет свою роль также снижение стоимости лицензий на оборудование и ПО, что даёт ещё большее увеличение скорости и гибкости введения новых сетевых функций и приложений. 

Если в традиционной сети развёртывание новых функций и приложений оператора часто требовало закупки нового оборудования, ПО и лицензий, долгого периода развёртывания и тестирования, то в новой инфраструктуре NFV операторской сети для этого требуется лишь загрузка вновь разработанного ПО из репозитория, краткое время тестирования и отладки, после чего приложение готово к коммерческому развёртыванию. И даже в том случае, если коммерциализация не увенчается успехом, деактивация новой функции не приведет к решению проблемы утилизации оборудования, а высвободившиеся после этого ресурсы COTS можно будет использовать для других целей.

4.        Гибкость модификаций и апгрейдов

Апгрейды и модификации новых виртуальных приложений и сетевых функций можно также проводить очень быстро и с минимальными затратами, в отличие от аппаратной реализации, когда нужно было неделями и месяцами ждать выхода новых версий ПО от поставщика оборудования.

5.        Возможность использования единой инфраструктуры опорной сети для разных приложений (Network Slicing)

Концепция Network Slicing показана на рисунке ниже[10].

Концепция Network Slicing (источник: IEEE Access. 2018).

Каждый сетевой слайс в 5G, при помощи технологии SDN, можно разбить на дополнительные слайсы, которые будут использовать ресурсы единой инфраструктуры опорной сети 5GC независимо друг от друга. Например, решение цифровой медицины может иметь несколько независимых слайсов (см. рисунок ниже)[11].

Сетевые слайсы для цифровой медицины (Журнал «Московская медицина», февраль 2022).

---

[1] Докучаев В.А., Иевлев О.П., Маклачкова В.В., Шалагинов А.В. Программно-конфигурируемая архитектура приложений и инфраструктуры. Обобщенная архитектура концепции SDN и NFV: учебное пособие МТУСИ. – М., 2020. — 24 с.

[2] https://www.redhat.com/en/topics/cloud-native-apps/vnf-and-cnf-whats-the-difference

[3] https://www.techtarget.com/searchnetworking/definition/virtual-network-functions-VNF

[4] https://habr.com/ru/company/timeweb/blog/665786/

[5] https://azure.microsoft.com/ru-ru/resources/cloud-computing-dictionary/what-is-a-container/

[6] Charles Reiss, Alexey Tumanov, Gregory R Ganger, Randy H Katz, and Michael A Kozuch. 2012. Heterogeneity and dynamicity of clouds at scale: Google trace analysis. In Proceedings of the Third ACM Symposium on Cloud Computing. ACM, 7.

[7] Huan Liu. 2011. A measurement study of server utilization in public clouds. In 2011 IEEE Ninth International Conference on Dependable, Autonomic and Secure Computing. IEEE, 435–442.

[8] https://www.businesswire.com/news/home/20211111005270/en/Vodafone-Selects-VMware-for-Automation-and-Orchestration-of-All-Workloads-Running-on-Core-Networks-Across-Europe

[9] https://csrc.nist.gov/glossary/term/commercial_off_the_shelf

[10] Guan, Wanqing & Wen, Xiangming & Wang, Luhan & Lu, Zhaoming & Shen, Yidi. (2018). A Service-Oriented Deployment Policy of End-to-End Network Slicing Based on Complex Network Theory. IEEE Access. PP. 1-1. 10.1109/ACCESS.2018.2822398.

[11] Журнал «Московская медицина», февраль 2022 (https://niioz.ru/moskovskaya-meditsina/zhurnal-moskovskaya-meditsina/zhurnal-moskovskaya-meditsina-1-47-2022-tsifrovaya-platforma-zdravookhraneniya-upravlenie-dannymi/)