Переход сетевых технологий передачи данных к SDN/NFV



В статье рассматривается эволюция сетевых моделей и самих технологий передачи данных с коммутацией пакетов. Изучены основные факторы, ограничивающие существующую сетевую архитектуру. Проанализированы архитектуры, функциональные возможности современных технологий. Приведены сдерживающие факторы для успешного внедрения новых сетевых технологий.

Ключевые слова: сетевые модели OSI и TCP/IP, сети передачи данных с коммутацией пакетов, виртуальный режим, дейтаграммный режим, SDN/NFV.

Международный опыт развитых стран показывает, что стратегической задачей является кардинальная перестройка национальных информационных инфраструктур на основе новых сетевых технологий передачи данных. Это связано с тем, что информационная инфраструктура становится одной из важнейших инфраструктур страны, ей принадлежит особая роль во многих сферах деятельности общества и она является катализатором её экономического роста [1, 2].

Существующие технологии передачи данных (ПД) с коммутацией пакетов (КП), являющиеся основой национальной информационной инфраструктуры имеют высокую наукоёмкость и постоянно снижающийся жизненный цикл, а сама отрасль телекоммуникации становится высокоэффективной сферой услуг. При это, каждый вид телекоммуникаций, постепенно вбирая в себя самые последние достижения научно-технического прогресса (растущая производительность микропроцессоров, появление мощных цифровых сигнальных процессоров, создание высокоэффективных методов компрессии информации, прогресс в области волоконно-оптических систем связи, появление высокоскоростных технологий передачи данных), выходит на качественно новый уровень, становясь, в плане реализуемых технических принципов, однородными, что обеспечивает техническую возможность и экономическую целесообразность их интеграции в единую систему.

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, следующими факторами: экономическими, техническими, организационными, кадровыми.

В рыночных условиях операторы связи задумываются о будущем развитии сетевых технологий, о том как они будут меняться и какие будут использоваться на практике. Однако, делать прогнозы будущего развития сетевых технологий невозможно, без знания эволюции самих сетевых технологий, поэтому необходимо иметь четкое представление об основных закономерностях, характеризующих эволюцию и основные этапы в развитии сетевых моделей и сетевых технологий передачи данных с КП. Ответы на такие вопросы имеют большое практическое значение, поскольку определяют будущие доходы телекоммуникационных компаний [3].

С появлением первых компьютеров была осознана необходимость развития стандартов [2, 3], определяющих принципы взаимодействия внешних пользователей с сетями, а также сетей между собой, таким образом были предложены две модели сетей, основанных на пакетной коммутации, модели OSI и TCP/IP.

В конце 70-х годов, были разработаны две модели: OSI (рис. 1 (а)) и TCP/IP (рис. 1 (б)) [1].

Рис. 1. Модели OSI (а) и TCP/IP (б)

Переход на коммутацию пакетов был неизбежен, поэтому в 1976 году CCITT (ныне ITU-T) публикует стандарт предложенный IBM и телефонными компаниями о коммутации пакетов, с использованием виртуального режима.

В 1977 году создается комитет по сетевой модели при международной организации по стандартизации ISO. Уже в 1978 году была разработана базовая эталонная модель взаимодействия открытых систем которая получила название OSI — Open Systems Interconnection, она же — сетевая модель стека сетевых протоколов OSI/ISO (ГОСТ Р ИСО/МЭК 7498–1–99) и переименованным CCITT — как стандарт X.200.

Стандарт ISO определяет:

— Эталонную модель взаимодействия открытых систем;

— Конкретный набор услуг, удовлетворяющий эталонной модели;

— Набор протоколов, обеспечивающий удовлетворение услуг, для реализации которых они разработаны.

В то время, как CCITT занимались разработкой стандартов, в 1972 году, Роберт Каном и Винт Серфом, был разработан стек протоколов TCP/IP, а в 1974 году они публикуют основные принципы работы стека протоколов TCP/IP, а также модель соединения сетей между собой посредством шлюзов и маршрутизаторов, получившая название дейтаграммной модели соединении.

В 1983 году Штаб-квартира Минобороны США объявила, что все их компьютерные сети переведены на стек протоколов TCP/IP, однако в 1985 году, сторонники OSI, предприняли попытку перевода работы всех сетей с TCP/IP на OSI, но выявленные на тот момент недостатки модели OSI, которые были дополнены недостатками протоколов ISO не позволили достичь поставленной цели.

Анализ показал, что одним из основных недостатков OSI заключается в том, что наличие многочисленных уровней сделало эти протоколы медлительными и трудными для реализации. В отличие от семиуровневой модели OSI, в модели стека TCP/IP отсутствуют канальный, сеансовый и представительный уровни, но имеется межсетевой уровень, который отражает основную идею данной модели — направленность на обеспечение передач информации по сети, состоящей из множества разнородных сетей.

В 1991 году Тим Бернерс-Ли публикует описание приложения World Wide Web, а в 1992 году сторонниками TCP/IP был основан IETF (Internet Engineering Task Force) — некоммерческая организация, которая занимается стандартами для Интернет. В 1996 году специалисты пришли к выводу, что практическое применение модели OSI в построение сети невозможно и проект OSI закрылся, а один из главных идеологов Интернета, Эйнар Стефферуд, произнес: «OSI is a beautiful dream, and TCP/IP is living it!"(OSI это красивая мечта, а TCP/IP — уже реальность!).

Модель TCP/IP определила важнейшие черты современного Интернет, функционирование которого осуществляется на базе технологической инфраструктуры, включающей в себя телекоммуникационную составляющую, представляющая собой сети связи, построенные на базе технологии коммутации пакетов по протоколу IP и информационную составляющую, представляющая собой центры обработки данных и отдельные серверы, объединённые системой адресации и наименований

С развитием моделей OSI и TCP/IP, были разработаны следующие технологии, обеспечивающие передачу данных [8]:

1. Виртуальный режим — сторонники OSI (Х.25, Frame Relay, ATM).
2. Дейтаграммный режим — сторонники TCP/IP (IP).

Технология КП, с использованием виртуального канала (ВК), которую продвигали сторонники OSI, предполагает резервирование канала передачи данных на время сеанса связи. Наличие резервированного ресурса позволяет гарантировать определенное качество обслуживания и подходит для применения в сетях передачи данных общего пользования. Вместо достаточно длинного адреса узла назначения применялась локальная, то есть меняющаяся от узла к узлу метка, которой помечались все пакеты, перемещаемые по определенному виртуальному каналу (рис. 2 (а)).

Рис. 2. Принцип работы коммутации пакетов: а — виртуальный режим; б — дейтаграммный режим

При передаче в виртуальном режиме различают временное виртуальное соединение и постоянный виртуальный канал. В режиме временного виртуального соединения соединение устанавливается только на время передачи сообщения. Постоянный виртуальный канал между двумя пользователями организовался на определенное время, не связанное с длительностью сеанса связи.

Суть дейтаграммного режим, который реализовали сторонники TCP/IP, в том, что при установлении связи нет прямого соединения между отправителем и получателем. Данные просто отправляются пакетами один за другим, и нет никакой гарантии доставки конкретного пакета. Если пакет потерялся, его отправляют повторно. Главным достоинством метода дейтаграмм является простота механизма передачи пакетов.

Изначально IP протокол был ориентирован только на представление услуги ПД, но в результате доработки стал применим и для услуг реального времени, в том числе и мультимедийных приложений.

Таким образом, переход от централизованного управления в сетях с КК к распределенному (децентрализованному) в сетях с КП, обеспечивает ряд несомненных преимуществ, связанных с повышением надежности, живучести и масштабируемости сети ПД с КП, в связи с этим TCP/IP:

— способен фрагментировать пакеты;

— имеет гибкую систему адресации;

— экономно использует возможности широковещательных рассылок.

Но несмотря на все преимущества, в современных сетях ПД с КП из-за сложности сети, использующей большое количество маршрутизаторов, коммутаторов и большого количества другого сетевого оборудования, а также, стремительный рост количества и разнородности контента, рост объемов трафика и его изменение, необходимость обслуживания, увеличивающегося количества пользователей, серьезно изменило требование к сетевым технологиям.

Тенденция к увеличению количества передаваемой по сети телекоммуникаций мультимедийной информации неизбежно привел к возрастанию информационных потоков, а резкий рост потребностей в обмене мультимедийной информацией, стали причиной создания современных телекоммуникационных технологий. К основным факторам, которые вызвали необходимость изменения существующей архитектуры сетей ПД с КП на основе стека протоколов TCP/IP относятся:

— широкое внедрение облачных технологий, больших данных, технологий Интернет вещей и др.;

— стремительный рост объемов и изменение структуры трафика (прежде всего мультимедийного трафика, за счет широкого распространения смартфонов, планшетов и других устройств);

— сложность масштабирования существующих сетей, недостаточная гибкость их системы управления услугами, сетевыми ресурсами и сетью в целом

С развитием технологий передачи данных и изменением трафика передаваемого по современным сетям телекоммуникаций, предложенные решения потеряли свою актуальность и для дальнейшего развития сетей передачи данных, а также услуг предоставляемых провайдерами, предлагаются новые технологии.

Одним из крупнейших достижений в области сетевых технологий передачи данных стала, разработанная в 2006 году концепция SDN (Software-defined networking) [8], в 2007 году Мартин Касадо, Ник МакКеон и Скотт Шенкер разработали протокол OpenFlow, который стал основой новой технологии. В 2012 году стали выходить многообещающие маркетинговые исследования рынка SDN, 2016 год назвали годом массового внедрения SDN.

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 нижеследующие факторы:

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

Рис. 3. Архитектура SDN (согласно ITU — T)

Архитектура SDN (рис. 3) делится на три уровня:

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

Такой подход технологии SDN 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.

Однако десятилетний энтузиазм по поводу широкомасштабного внедрения технологии SDN и полной замены технологии TCP/IP на сетях операторов прошел и сложилось достаточно объективное понимание возможностей и ограничений технологии SDN.

Следующим крупным достижением в области сетевых технологий передачи данных стала разработанная в 2012 году концепция виртуализации сетевых функций (NFV).

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).

Рабочая группа ISG выдвинула три основных критерия, которые должны быть реализованы в стандартах (рекомендациях) для NFV [6]:

— 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. 4).

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)

Рис. 4. Обобщённая архитектура NFV (Источник: ETSI) [7]

Суть идеи NFV — в новом подходе к построению сетевой архитектуры, при котором на унифицированной физической среде работают программные приложения, реализующие всевозможные сетевые функции.

Таким образом основными драйверами внедрения NFV являются:

— Автоматизация предоставления услуг;

— Ускоренное внедрения новых услуг;

— Быстрое масштабирование услуг;

— Возможность создания новых услуг, путем гибкого программирования;

— Автоматическая настройка сети и др.

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 [4, 9].

На сегодняшний день, общим трендом SDN/NFV является направление на виртуализацию сети и использование новых концепций, в сути которых лежит программное управление. 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 вынесены на отдельный централизованный уровень.

Архитектура, изображенная на рис. 5, 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.

Рис. 5. Обобщённая архитектура SDN/NFV [7]

По мнению международных экспертов и аналитиков интеграция SDN и NFV позволит [6]:

— Упростить конфигурацию, повысить масштабируемость и автоматизировать управление сетью;

— Увеличивается эффективность использования ЦОДов;

— Повышается пропускная способность каналов за счет перераспределения нагрузки;

— Сокращается время ввода сети в эксплуатацию;

— SDN снижает OPEX и CAPEX;

— NFV снижает OPEX и CAPEX.

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 [9].

Крупнейшей глобальной сетью, на данный момент, с поддержкой технологий SDN и NFV является сеть ЦОД Google, затраты на создание которой превысили 30 млрд долларов. Эта сеть обеспечивает передачу 25 % мирового интернет-трафика.

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 перевели не менее 75 % сетевых функций на технологию NFV и архитектуру SDN, затраты на создание которой превысили 20 млрд долларов [10].

Основные сдерживающие факторы в ходе внедрения SDN/NFV:

— Недостаток финансирования. К внедрению и развитию сетей SDN/NFV компании должны подходить осторожно, анализируя их возможность и окупаемость. Одной из причин медленного внедрения технологий SDN/NFV является неопределенность их экономической эффективности. Важной является обоснованная финансовая оценка стоимостных затрат на внедрение технологий SDN/NFV.

— Техническая неготовность. Технологии SDN/NFV находятся на стадии пилотных испытаний и стандартизации, мало практически готовых решений. Для применения технологий SDN/NFV необходимо проведение соответствующих испытаний на выделенных пилотных зонах а сетях конкретных операторов / провайдеров;

— Дефицит компетентного персонала. Недостаточная информированных операторов / провайдеров о практических возможностях, опыте внедрения и использовании технологии SDN/NFV, кроме того существует нехватка специалистов по сетевым технологиям, сетевым решениям, сетевых интеграторов и сетевых администраторов сетей SDN/NFV. Для сравнения, американский оператор AT&T объявил о начале обучения основам SDN/NFNV своих 130 тысяч сотрудников;

— Организационные факторы. Из за ограниченных технологических возможностей существующих сетевых технологий ПД на основе IP протокола, вывод на рынок новых сервисов занимает слишком много времени. При внедрении технологий SDN/NFV срок ввода новых услуг на рынок значительно упрощается и сокращается во времени. Таким образом осуществляется быстрый запуск новых услуг и вывод старых услуг из эксплуатации.

В виду бурного роста сетевого трафика, развития облачных технологий, больших данных, интернет вещей 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, будут переходить в зависимости от финансовых, технических, организационных, и кадровых возможностей.

Литература:

1. Stallings W. Data and computer communications. Pearson Education, Inc. Pearson Prentice Hall, 2007.
2. Stallings W. Foundations of Modern Networking: SDN, NFV, QoE, IoT, and Cloud. Indianapolis, IN, USA: Pearson Educ., 2016.
3. Смелянский Р. Программно-конфигурируемые сети [Электронный ресурс] //Открытые системы Электрон. дан. — 2012.
4. Смелянский Р. Настоящее и будущее SDN&NFV // Первая миля, 2016 год.
5. Ефимушкин В. А. SDN/NFV: Вопросы стандартизации и регулирования // Центральный научно-исследовательский институт связи // Всемирная ассамблея по стандартизации электросвязи (ВАСЭ), Дубаи, 2012 г.
6. Шалагинов А. В. SDN и NFV: как это работает на сети оператора связи // [Электронный ресурс] «shalaginov.com»27.12.2015
7. ETSI — Европейский институт по разработке стандартов для телекоммуникаций [Электронный ресурс] www.etsi.org
8. Джураев Р. Х., Ботиров С. Р., Умирзаков Б. М. Современное состояние и тенденции развития технологии передачи данных [Электронный журнал] «Infocom.uz», 18.06.2020
9. Джураев Р. Х., Ботиров С. Р., Туляганова Г. М. Современное состояние и тенденции развития технологий NDN, SDN/NFV, Cloud Computing, IoT // Молодой ученый. — 2021. — № 53 (395). — С. 7–13.
10. AT&T on target for virtualizing 75 % of its network by 2020 By Mike Robuck Jan 4, 2020