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ネットワーク機能仮想化（NFV）[1]は、IT仮想化技術を活用して、ネットワークノード機能のクラス全体を、接続または連鎖して通信サービスを作成および提供できるビルディングブロックに仮想化するネットワークアーキテクチャの概念です。
NFV は、エンタープライズ IT で使用されるような従来のサーバー仮想化技術に依存しています。仮想化ネットワーク機能( VNF )は、ネットワーク機能ごとにカスタム ハードウェアアプライアンスを用意するのではなく、市販の (COTS) 大容量サーバー、スイッチ、ストレージ デバイス、さらにはクラウド コンピューティングインフラストラクチャ上で、さまざまなソフトウェアとプロセスを実行する 1 つ以上の仮想マシンまたはコンテナー内に実装され、ベンダー ロックインを回避します。
たとえば、仮想セッションボーダーコントローラを導入すれば、物理的なネットワーク保護ユニットを入手してインストールする際のコストや複雑さを回避しながら、ネットワークを保護できます。NFVの他の例としては、仮想化ロードバランサ、ファイアウォール、侵入検知デバイス、WANアクセラレータなどが挙げられます。[2]
ネットワーク機能ソフトウェアをカスタマイズされたハードウェア プラットフォームから分離することで、柔軟なネットワーク アーキテクチャが実現され、俊敏なネットワーク管理、新しいサービスの迅速な展開が可能になり、CAPEX と OPEX が大幅に削減されます。
背景
通信業界における製品開発は、伝統的に安定性、プロトコル準拠、品質に関する厳格な基準に従っており、このことは、高い信頼性とパフォーマンス要因を示す機器を指定するためにキャリアグレードという用語が使用されていることに反映されています。 [3] このモデルは過去にはうまく機能していましたが、必然的に製品サイクルが長くなり、開発ペースが遅くなり、特注の特定用途向け集積回路（ASIC）などの独自または特定のハードウェアへの依存につながりました。この開発モデルでは、新しいサービスの展開に大幅な遅れが生じ、相互運用性が複雑になり、ネットワークシステムとインフラストラクチャを拡張し、ネットワークサービス機能を強化してネットワーク負荷とパフォーマンスの要求の増加に対応する際に、CAPEX / OPEXが大幅に増加しました。さらに、パブリックインターネット上で大規模に運営されているアジャイル組織（Google Talk、Skype、Netflixなど）による通信サービス提供の激しい競争の高まりにより、サービスプロバイダーは現状を打破し収益源を増やす革新的な方法を模索するようになりました。
歴史
2012年10月、ドイツのダルムシュタットで開催された会議で、通信事業者のグループがソフトウェア定義ネットワーク（SDN）とOpenFlowに関するホワイトペーパー[4]を発表しました。ホワイトペーパーの結論である行動呼びかけにより、欧州電気通信標準化機構（ETSI）内にネットワーク機能仮想化（NFV）業界仕様グループ（ISG） [5]が設立されました。ISGは、ヨーロッパ内外の通信業界の代表者で構成されていました。[6] [7] ETSI ISG NFVは、機能アーキテクチャ、情報モデル、データモデル、プロトコル、API、テスト、信頼性、セキュリティ、将来の進化など、多くの側面に対処しています。
ETSI ISG NFV は、新しい機能と拡張機能に基づいて新しい仕様を作成し、すでに公開されている仕様を拡張することを目的として、2021 年 5 月から仕様のリリース 5 を発表しました。
ホワイトペーパーの発行以来、同グループは100を超える出版物[8]を制作しており、これらは業界で広く受け入れられ、OpenStack、ONAP、Open Source MANO (OSM)などの主要なオープンソースプロジェクトに実装されています。活発な相互連携活動により、ETSI NFV仕様は3GPP、IETF、ETSI MECなどの他のSDOでも参照されています。
フレームワーク
NFVフレームワークは3つの主要コンポーネントで構成されています。[9]
- 仮想化ネットワーク機能（VNF）は、ネットワーク機能仮想化インフラストラクチャ（NFVI）上に展開できるネットワーク機能のソフトウェア実装です。[10]
- ネットワーク機能仮想化インフラストラクチャ (NFVI) は、NFV が展開される環境を構築するすべてのハードウェアおよびソフトウェア コンポーネントの全体です。NFV インフラストラクチャは複数の場所にまたがることができます。これらの場所間の接続を提供するネットワークは、NFV インフラストラクチャの一部と見なされます。
- ネットワーク機能仮想化管理およびオーケストレーションアーキテクチャ フレームワーク (NFV-MANO アーキテクチャ フレームワーク) は、すべての機能ブロック、これらのブロックで使用されるデータ リポジトリ、およびこれらの機能ブロックが NFVI および VNF を管理およびオーケストレーションする目的で情報を交換するための参照ポイントとインターフェイスのコレクションです。
NFVI と NFV-MANO の両方の構成要素は、NFV プラットフォームです。NFVI の役割では、仮想および物理処理とストレージ リソース、および仮想化ソフトウェアで構成されます。NFV-MANO の役割では、VNF および NFVI マネージャーと、ハードウェア コントローラー上で動作する仮想化ソフトウェアで構成されます。NFV プラットフォームは、プラットフォーム コンポーネントの管理と監視、障害からの回復、効果的なセキュリティの提供に使用されるキャリア グレードの機能を実装します。これらはすべて、パブリック キャリア ネットワークに必要です。
実用的な側面
NFV 設計に従うサービス プロバイダーは、1 つ以上の仮想化ネットワーク機能 ( VNF)を実装します。VNF だけでは、プロバイダーの顧客に使用可能な製品やサービスが自動的に提供されるわけではありません。より複雑なサービスを構築するには、サービス チェーンの概念が使用されます。サービス チェーンでは、複数の VNF が順番に使用され、サービスが提供されます。
NFV 実装のもう 1 つの側面は、オーケストレーションプロセスです。NFV では、信頼性と拡張性に優れたサービスを構築するために、ネットワークが VNF インスタンスをインスタンス化し、監視、修復し、(サービス プロバイダー ビジネスにとって最も重要な) 提供されたサービスに対して課金できることが必要です。キャリア グレード[11]機能と呼ばれるこれらの属性は、高可用性とセキュリティ、および低い運用および保守コストを実現するために、オーケストレーション レイヤーに割り当てられます。重要なのは、オーケストレーション レイヤーが、VNF 内の基盤となるテクノロジに関係なく、VNF を管理できることです。たとえば、オーケストレーション レイヤーは、VMware vSphere上で実行されているベンダー X のSBC VNF と、KVM 上で実行されているベンダー Y のIMS VNF の両方を管理できる必要があります。
分散NFV
NFV の当初の認識は、仮想化機能はデータ センターに実装する必要があるというものでした。このアプローチは多くの場合機能しますが、すべてのケースに当てはまるわけではありません。NFV は、仮想化機能の物理的な場所に関して可能な限り幅広い柔軟性を前提とし、それを重視しています。
したがって、理想的には、仮想化された機能は、最も効果的かつ最も安価な場所に配置する必要があります。つまり、サービスプロバイダーは、データセンターからネットワークノード、顧客の敷地まで、あらゆる場所にNFVを自由に配置できる必要があります。分散NFVと呼ばれるこのアプローチは、NFVの開発と標準化が始まった当初から強調されており、最近リリースされたNFV ISGドキュメントでも強調されています。[12]
場合によっては、サービスプロバイダーにとって、この仮想化された機能を顧客の敷地内に配置することには明らかな利点があります。これらの利点は、経済性からパフォーマンス、仮想化される機能の実現可能性まで多岐にわたります。[13]
D-NFVの最初のETSI NFV ISG承認の公開マルチベンダー概念実証（PoC）は、 2014年6月にシカゴでCyan、Inc.、RAD、Fortinet、Certes Networksによって実施され、CenturyLinkがスポンサーとなった。これは、RADの専用カスタマーエッジD-NFV機器をベースにしたもので、Fortinetの次世代ファイアウォール（NGFW）とCertes Networksの仮想暗号化/復号化エンジンを仮想ネットワーク機能（VNF）として実行し、CyanのBlue Planetシステムがエコシステム全体をオーケストレーションしていた。[14] RADのD-NFVソリューションは、カスタマーエッジで仮想化エンジンとして機能するD-NFV X86サーバーモジュールを搭載したレイヤー2 /レイヤー3ネットワーク終端ユニット（NTU）であり、その月の末までに市販された。[15] 2014年にRADは、新しいNFVアプリケーションに特化したベンダーと国際システムインテグレーターのエコシステムであるD-NFVアライアンスも組織しました。[16]
NFVモジュール化の利点
VNF を提供するソフトウェアを設計および開発する場合、ベンダーはそのソフトウェアをソフトウェア コンポーネントに構造化し (ソフトウェア アーキテクチャの実装ビュー)、それらのコンポーネントを 1 つ以上のイメージにパッケージ化します (ソフトウェア アーキテクチャの展開ビュー)。これらのベンダー定義のソフトウェア コンポーネントは、VNF コンポーネント (VNFC) と呼ばれます。VNF は 1 つ以上の VNFC を使用して実装され、一般性を失うことなく、VNFC インスタンスが VM イメージに 1:1 でマッピングされることが想定されます。
VNFC は、一般的にスケールアップおよび/またはスケールアウトできる必要があります。柔軟な (仮想) CPU を各 VNFC インスタンスに割り当てることができるため、ネットワーク管理レイヤーは VNFC をスケールアップ (つまり、垂直方向にスケールアップ) して、単一のシステムまたは単一のプラットフォームでスループット/パフォーマンスとスケーラビリティの期待に応えることができます。同様に、ネットワーク管理レイヤーは、複数のプラットフォームでそのような VNFC の複数のインスタンスをアクティブ化することで VNFC をスケールアウト (つまり、水平方向にスケールアップ) できるため、他の VNFC 機能の安定性を損なうことなく、パフォーマンスとアーキテクチャの仕様を満たすことができます。
このようなアーキテクチャブループリントの早期導入者は、すでにNFVのモジュール化の原則を実装しています。[17]
SDNとの関係
ネットワーク機能仮想化は、SDN と非常に補完的です。[4]本質的に、SDN は、データ ネットワーキング機器とソフトウェアを構築するためのアプローチであり、これらのシステムの要素を分離して抽象化します。これは、制御プレーンとデータ プレーンを互いに分離することによって実現され、制御プレーンは中央に配置され、転送コンポーネントは分散されたままになります。制御プレーンは、ノースバウンドとサウスバウンドの両方と対話します。ノースバウンド方向では、制御プレーンは、高レベル API とインテント ベース ネットワーキングなどの新しい管理パラダイムを使用して、ネットワークの共通の抽象化されたビューを高レベル アプリケーションとプログラムに提供します。サウスバウンド方向では、制御プレーンは、ネットワーク全体に分散された物理ネットワーク機器のデバイス レベル API を使用して、データ プレーンの転送動作をプログラムします。
したがって、NFV は SDN や SDN の概念に依存しませんが、NFV と SDN は連携して NFV インフラストラクチャの管理を強化し、より動的なネットワーク環境を作成できます。既存のネットワークおよびオーケストレーション パラダイムを使用して、仮想化ネットワーク機能 (VNF) をスタンドアロン エンティティとして実装することは完全に可能です。ただし、SDN の概念を活用して NFV インフラストラクチャを実装および管理することには、固有の利点があります。特に、物理ネットワーク機能 (PNF) や VNF などの異なるタイプのネットワーク機能 (NF) で構成され、異なる地理的位置にある NFV インフラストラクチャ間に配置されたネットワーク サービス (NS) の管理とオーケストレーションに注目すると、SDN と NFV を協調エコシステムに組み込んだマルチベンダー プラットフォームが定義されている理由です。[18]
NFVシステムには、NSまたはVNFに関連するオペレータの要求を受け取り、それらをNSまたはVNFを運用するために必要な適切な処理、ストレージ、およびネットワーク構成に変換する中央オーケストレーションおよび管理システムが必要です。運用が開始されると、VNFとそれが接続されているネットワークの容量と使用率を監視し、必要に応じて調整する必要があります。[19]
NFV インフラストラクチャのすべてのネットワーク制御機能は、SDN の概念を使用して実現でき、NFV はサービス プロバイダー環境における主要な SDN ユース ケースの 1 つと見なすことができます。[20]たとえば、各 NFV インフラストラクチャ サイト内で、VIM は SDN コントローラーに依存して、NS を構成する VNF と PNF を相互接続する (VXLAN など) オーバーレイ ネットワークをセットアップおよび構成できます。次に、SDN コントローラーは、必要に応じて、NFV インフラストラクチャ スイッチとルーター、およびネットワーク ゲートウェイを構成します。同様に、広域インフラストラクチャ マネージャー (WIM) は、SDN コントローラーに依存して、地理的に異なる NFV インフラストラクチャに展開されている NS を相互接続するオーバーレイ ネットワークをセットアップできます。多くの SDN ユース ケースに、NFV イニシアチブで導入された概念を組み込むことができることも明らかです。例としては、集中型コントローラーが分散転送機能を制御している場合が挙げられますが、これは実際には既存の処理またはルーティング機器上で仮想化することもできます。
業界への影響
NFVは、初期段階からすでに人気の高い標準であることが証明されています。その直接的な用途は、モバイル基地局の仮想化、サービスとしてのプラットフォーム（PaaS）、コンテンツ配信ネットワーク（CDN）、固定アクセス、家庭環境など、数多くあります。[21] NFVの潜在的な利点は大きいと予想されています。汎用の標準化されたハードウェアに展開されたネットワーク機能を仮想化することで、資本支出と運用コスト、およびサービスと製品の導入時間が削減されると期待されています。[22] [23]多くの主要なネットワーク機器ベンダーがNFVのサポートを発表しました。[24]これは、機器サプライヤーがNFV製品を構築するために使用するNFVプラットフォームを提供する主要なソフトウェアサプライヤーからのNFV発表と一致しています。[25] [26]
しかし、仮想化の期待される利点を実現するために、ネットワーク機器ベンダーは、高可用性、スケーラビリティ、パフォーマンス、効果的なネットワーク管理機能を実現するために必要とされるキャリアグレードの属性を組み込むようにIT仮想化技術を改良しています。[27]総所有コスト（TCO）を最小限に抑えるには、キャリアグレードの機能を可能な限り効率的に実装する必要があります。そのためには、NFVソリューションが冗長リソースを効率的に使用してファイブナイン（99.999%）の可用性を実現し、[28]パフォーマンスの予測可能性を損なうことなくコンピューティングリソースを活用する必要があります。
NFVプラットフォームは、効率的なキャリアグレードのNFVソリューションを実現するための基盤です。[29]これは、標準のマルチコアハードウェア上で実行され、キャリアグレードの機能を組み込んだオープンソースソフトウェアを使用して構築されたソフトウェアプラットフォームです。NFVプラットフォームソフトウェアは、障害やトラフィック負荷の変化に応じてVNFを動的に再割り当てする役割を担っており、高可用性を実現する上で重要な役割を果たします。ETSI NFV Proof of Concept、[30] ATIS [31] Open Platform for NFV Project、[32] Carrier Network Virtualization Awards [33]やさまざまなサプライヤーエコシステムなど、NFVキャリアグレード機能を指定、調整、促進するための数多くの取り組みが進行中です。[34]
NFVプラットフォームの主要コンポーネントであるvSwitchは、VM間（VM間）およびVMと外部ネットワーク間の接続を提供する役割を担っています。そのパフォーマンスによって、VNFの帯域幅とNFVソリューションのコスト効率の両方が決まります。標準のOpen vSwitch（OVS）のパフォーマンスには欠点があり、NFVIソリューションのニーズを満たすためには解決する必要があります。[35] NFVサプライヤーは、OVSとAccelerated Open vSwitch（AVS）の両方のバージョンで大幅なパフォーマンス向上を報告しています。[36] [37]
仮想化は、NFV ソリューションで可用性を指定、測定、実現する方法も変えています。VNF が従来の機能専用機器に取って代わるにつれて、機器ベースの可用性からサービスベースのエンドツーエンドの階層化アプローチへと移行しています。 [38] [39]ネットワーク機能を仮想化すると、特定の機器との明示的な結合が解除されるため、可用性は VNF サービスの可用性によって定義されます。NFV テクノロジーは、それぞれ独自のサービス可用性の期待値を持つさまざまなネットワーク機能を仮想化できるため、NFV プラットフォームは幅広いフォールト トレランス オプションをサポートする必要があります。この柔軟性により、CSP は NFV ソリューションを最適化して、あらゆる VNF 可用性要件を満たすことができます。
管理とオーケストレーション (MANO)
ETSI は、NFV 環境の制御の重要な部分は自動オーケストレーションによって行われることをすでに示しています。NFV 管理およびオーケストレーション (NFV-MANO) とは、仮想インフラストラクチャ リソースの仮想化ネットワーク機能 (VNF) およびネットワーク サービス (NS) への割り当てを管理およびオーケストレーションするための、NFV システム内の一連の機能を指します。これらは NFV システムの頭脳であり、自動化を実現する重要な要素です。
NFV-MANO アーキテクチャ フレームワーク (ETSI GS NFV-006) 内の主な機能ブロックは次のとおりです。
- ネットワーク機能仮想化オーケストレーター (NFVO)
- 仮想化ネットワーク機能マネージャー (VNFM);
- 仮想化インフラストラクチャ マネージャー (VIM)。
NFV-MANO における外部の運用サポート システム (OSS) およびビジネス サポート システム (BSS) のエントリ ポイントは、NS インスタンスのライフサイクル管理を担当する NFVO です。NS インスタンスを構成する VNF インスタンスのライフサイクル管理は、NFVO によって 1 つ以上の VNFM に委任されます。NFVO と VNFM はどちらも、1 つ以上の VIM によって公開されるサービスを使用して、管理するオブジェクトに仮想インフラストラクチャ リソースを割り当てます。コンテナ化された VNF の管理には、コンテナ インフラストラクチャ サービス管理 (CISM) 機能とコンテナ イメージ レジストリ (CIR) 機能という追加機能が使用されます。CISM はコンテナ化されたワークロードの保守を担当し、CIR は OS コンテナ ソフトウェア イメージの情報の保存と保守を担当します。NFVO と VNFM の動作は、ネットワーク サービス記述子 (NSD) や VNF 記述子 (VNFD) などのデプロイメント テンプレート (別名 NFV 記述子) の内容によって決まります。
ETSIは、仮想化ネットワーク機能（VNF）が独自に開発された管理およびオーケストレーションシステムと相互運用可能であり、管理およびオーケストレーションシステムのコンポーネント自体が相互運用可能なオープンエコシステムを可能にする標準の完全なセットを提供します。これには、 Restful API仕様のセット[40]、サービスプロバイダーにVNFを提供するためのパッケージ形式の仕様、およびVNFのライフサイクル管理を可能にするためにソフトウェアイメージにパッケージ化されるデプロイメントテンプレートの仕様が含まれます。デプロイメントテンプレートは、TOSCAまたはYANGに基づくことができます。[41] [42]
API 仕様のOpenAPI (別名 Swagger) 表現は、デプロイメント テンプレートの作成時に使用される TOSCA および YANG 定義ファイルとともに、ETSI Forge サーバー上で利用可能および管理されています。
公開されている仕様の全セットは、以下の表にまとめられています。
NFV-MANO API の OpenAPI 表現のさまざまなバージョンの概要は、ETSI NFV wiki で参照できます。
OpenAPI ファイル、TOSCA YAML 定義ファイル、NFV 記述子に適用可能な YANG モジュールは、ETSI Forge で入手できます。
ETSIでは、NFV-MANOフレームワークの自動化機能を改善し、自律的な管理メカニズムを導入するための機能強化に関する追加研究が進行中です（ETSI GR NFV-IFA 041を参照）。
パフォーマンス研究
NFVに関する最近のパフォーマンス研究では、仮想ネットワーク機能（VNF）のスループット、レイテンシ、ジッター、および単一の物理サーバーがサポートできるVNFの数の観点から見たNFVのスケーラビリティに焦点が当てられました。[43] オープンソースのNFVプラットフォームが利用可能であり、その代表的なものの1つがopenNetVMです。[44] openNetVMは、DPDKとDockerコンテナに基づく高性能NFVプラットフォームです。openNetVMは、ネットワーク機能を展開し、それらを相互接続してサービスチェーンを構築するための柔軟なフレームワークを提供します。openNetVMは、NSDI 2014およびHotMiddlebox 2016の論文で説明されているNetVMプラットフォームのオープンソースバージョンであり、BSDライセンスでリリースされています。ソースコードはGitHub：openNetVMにあります。[45]
クラウドネイティブネットワーク機能
2018年から、多くのVNFプロバイダーが、多くのVNFをコンテナベースのアーキテクチャに移行し始めました。クラウドネイティブネットワーク機能（CNF）としても知られるこのようなVNFは、インターネットインフラストラクチャに一般的に導入されている多くのイノベーションを活用しています。これには、自動スケーリング、継続的デリバリー/ DevOps展開モデルのサポート、プラットフォーム間での共通サービスの共有による効率性の向上などが含まれます。サービス検出とオーケストレーションにより、CNFに基づくネットワークはインフラストラクチャリソースの障害に対する耐性が高まります。コンテナを活用し、ゲストOSを排除することで従来の仮想化に固有のオーバーヘッドをなくすことで、インフラストラクチャリソースの効率を大幅に向上させることができます。[46]
参照
参考文献
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外部リンク
- NFVの基礎
- NFV 向けオープン プラットフォーム (OPNFV)
- ETSI NFV FAQ
- NFV の利点は何ですか?