مجازی سازی کارکردهای شبکه Network Functions Virtualization بهروز فرکیانی behrooz.farkiani@aut.ac.ir بهار 96

فهرست شبکه های سنتی NFV چیست؟ تخصیص منابع در NFV Chain Composition Embedding ابعاد مسئله Embedding بیان ریاضی

شبکه های سنتی یک سرویس شبکه به صورت تعدادی کارکرد مشخص که ترافیک با ترتیب مشخصی از آن ها عبور میکند، تعریف می شود. کارکردهای شبکه به صورت سخت افزار و نرم افزار اختصاصی تهیه شده از سازندگان مختلف استفاده می شوند. کارکردها باید در مکان مناسب در شبکه قرار گیرند و ترافیک به سمت آن ها هدایت شود.

شبکه های سنتی انواع کارکردهای رایج:

شبکه های سنتی مشکلات استفاده از کارکردهای مختلف به صورت اختصاصی عبارتند از: پرهزینه بودن کارکردها به واسطه قیمت سخت افزار و نرم افزار، هزینه آموزش کارکنان و هزینه نگهداری سخت افزار اختصاصی محدود بودن قابلیت های تجهیزات به انتخاب سازنده تجهیزات مصرف بالای انرژی به دلیل عدم تجمیع شدن کارکردها طول عمر کوتاه و وابستگی به طول عمر سخت افزار اختصاصی نیاز به فضای کافی برای استقرار تجهیزات نیاز به جابجایی و استقرار دوباره تجهیزات در صورت تغییر همبندی شبکه

Network Functions Virtualization تشکیل کارگروه NFV در ETSI در سال 2012 توسط 7 شرکت در حال حاضر 250 شرکت استاندارد سازی جزییات و ارائه PoC اولیه

فهرست شبکه های سنتی NFV چیست؟ تخصیص منابع در NFV Chain Composition Embedding ابعاد مسئله Embedding بیان ریاضی

Network Functions Virtualization NFV یک مفهوم در معماری شبکه است که با استفاده از مجازی سازی منابع، امکان پیاده سازی و تجمیع کارکردها بر روی سرورهای استاندارد و قابل دسترس را فراهم می کند. کارکردها به صورت نرم افزار(VNF) سخت افزار های استاندارد و عمومی اجرا در محیط مجازی شده در معماری NFV نیازی به مجازی سازی همه کارکردها نیست و کارکردهای سنتی هم می توانند وجود داشته باشند به شرطی که قابلیت تعامل با کارکردهای مجازی شده را داشته باشند.

Network Functions Virtualization مزایا: تجمیع VNF ها بر روی یک سخت افزار: کاهش هزینه ها، کاهش انرژی مجازی سازی: جداسازیVNF از سخت افزار، توانایی مقابله با خرابی، مقیاس پذیری افقی(کپی کردن کارکردها) و عمودی(افزایش منابع سخت افزاری)، قابلیت به اشتراک گذاری منابع بین VNF ها و مشتریان مختلف استفاده از سخت افزار استاندارد و عمومی: کاهش نیاز به آموزش کارکنان، کاهش هزینه ها، افزایش دسترسی پذیری به سخت افزار و کاهش زمان بازیابی از خرابی سخت افزار جداسازی کارکردها از سخت افزار: کاهش زمان رفع باگ، کاهش زمان توسعه محصولات

Network Functions Virtualization کاربردها: مجازی سازی کارکردهای شبکه در:

Network Functions Virtualization معماری:

Network Functions Virtualization Services: سرویس: مجموعه از یک یا چند VNF VNF: کارکردهای مجازی شده مانند دیواره‌آتش مجازی، کش، پروکسی OSS/BSS: پورتال مشتری، صدور صورت‌حساب NFVI: منابع زیرساخت: منابع سخت افزار و نرم افزاری شامل منابع محاسباتی، ذخیره‌سازی و شبکه (سخت افزارهای استاندارد و عمومی) مجازی‌ساز: مجازی‌سازی و ایزوله کردن منابع زیرساخت منابع مجازی‌شده: منابع مجازی شده محاسباتی، ذخیره سازی و شبکه MANO: VIM: مدیریت و نظارت بر ارتباط VNF با منابع مجازی شده VNFM: ایجاد نمونه و نظارت بر عملکرد، کارایی و مقیاس پذیری نمونه ها از VNFها NFV Orchestrator: تخصیص منابع و مدیریت چرخه حیات سرویس ها

Network Functions Virtualization نمونه(Instance) نمونه یک کارکرد خاص است که در یک ماشین مجازی قرار داده شده و منابع به آن اختصاص پیدا می کنند.

مثال

مثال

مثال

مثال With the packaging just described, NFVIS extends a standard Linux distribution with a KVM hypervisor.

مثال

مثال

فهرست شبکه های سنتی NFV چیست؟ تخصیص منابع در NFV Chain Composition Embedding ابعاد مسئله Embedding بیان ریاضی

تخصیص منابع در NFV یک کاربر درخواست یک سرویس شبکه را کرده است. تعدادی کارکرد که نحوه عبور ترافیک از این کارکردها می تواند به صورت کامل یا جزئی مشخص شده باشد (Network Functions Request). فراهم کننده سرویس کارکردهای درخواست شده کاربر را به صورت VNFدر اختیار دارد. Network Function Request Virtual Network Function Request(VNFR) فراهم کننده سرویس، یک یا چند زنجیره کارکرد(SFC یا VNF-FG) با ترتیب دقیق کارکردها ایجاد می کند(Chain Composition). فراهم کننده سرویس از VNF ها نمونه می سازد و سرویس را به کاربر تحویل می دهد.

تخصیص منابع در NFV فراهم کننده سرویس از VNF ها نمونه می سازد و سرویس را به کاربر تحویل می‌دهد. ایجاد نمونه به معنی ایجاد یک کارکرد با منابع پردازشی، ذخیره سازی و شبکه معین است که ممکن است با یک نمونه دیگر از همان کارکرد متفاوت باشد. فراهم کننده می تواند از هر VNFیک یا چند نمونه ایجاد کند. تعداد نمونه های ایجاد شده و منابع اختصاص یافته وابسته به: زنجیره کارکرد تشکیل شده نیازمندی های کیفیت سرویس نیازمندی های اقتصادی و سود حاصله انرژی مصرفی پس از ساخت نمونه ها: مشخص کردن ارتباط نمونه ها با یکدیگر(ایجاد NFP یا SFP) مشخص کردن محل قرار گیری نمونه ها و ارتباطات آن ها در زیرساخت فیزیکی و تخصیص منابع مورد نیاز آن ها (Embedding)

تخصیص منابع در NFV 1 2 3 کاربر درخواست VNFR می دهد: نیازمندی های کیفیت سرویس و اقتصادی کاربر فراهم کننده، VNF-FG را می‌سازد که ترتیب دقیق کارکردها را مشخص میکند 1 Chain Composition Problem 2 فراهم کننده، از هر VNF یک یا چند نمونه ایجاد کرده و ارتباطات بین آن‌ها را نیز مشخص می‌کند. ایجاد NFP Embedding Problem فراهم کننده، مکان قرار گیری VNF ها بر روی منابع زیرساخت و نحوه نگاشت ارتباطات VNFها به لینک‌های زیرساخت را مشخص میکند. 3

تخصیص منابع در NFV دو بخش اصلی در تخصیص منابع: مشخص کردن ترکیب و ترتیب دقیق VNFها در سرویس درخواستی Chain Composition Problem نگاشت زنجیره کارکرد ساخته شده(VNF-FG) به منابع زیرساخت Embedding Problem

فهرست شبکه های سنتی NFV چیست؟ تخصیص منابع در NFV Chain Composition Embedding ابعاد مسئله Embedding بیان ریاضی

Chain Composition Problem ورودی: درخواست سرویس شامل ترتیب جزیی یا دقیق VNFها: VNFR خروجی: زنجیره یا زنجیره های شامل VNFهای درخواست شده با ترتیب دقیق: VNF-FG کاربر اینجا البته نود شروع پایان کی زنجیره ازش شروع میشه رو هم کرده. ترافیک از 1 که رد میشه دو بخش میشه. مثلا اینجا طرف میگه دو تا نمونه از 4 میخام. میتونه هم بگه یک نمونه میزارم که مشترک باشه بین اینها. مرحله ساخت زنجیره معمولا نادیده گرفته می شود و فرض می شود زنجیره به صورت دقیق مشخص شده است. عموما این مرحله نادیده گرفته می شود.

Chain Composition Problem کاربر درخواست VNFR می دهد: VNFها و ترتیب جزیی یا کامل آن ها نیازمندی های کیفیت سرویس و اقتصادی کاربر فراهم کننده، VNF-FG را می‌سازد که ترتیب دقیق کارکردها را مشخص میکند 1 Chain Composition Problem فراهم کننده، از هر VNF یک یا چند نمونه ایجاد کرده و ارتباطات بین آن‌ها را نیز مشخص می‌کند. ایجاد NFP 2 Embedding Problem فراهم کننده، مکان قرار گیری VNF ها بر روی منابع زیرساخت و نحوه نگاشت ارتباطات VNFها به لینک‌های زیرساخت را مشخص میکند. 3

فهرست شبکه های سنتی NFV چیست؟ تخصیص منابع در NFV Chain Composition Embedding ابعاد مسئله Embedding بیان ریاضی

Embedding Problem دو بخش: ایجاد نمونه/نمونه ها از VNFو مشخص کردن ارتباط بین آن‌ها: ایجاد NFP نگاشت NFP به منابع زیرساخت شامل سرورها و لینک‌ها:Embedding

Embedding Problem ایجاد نمونه/نمونه ها از VNFو مشخص کردن ارتباط بین آن‌ها تصمیم گیری درباره تعداد نمونه های مورد نیاز ایجاد نمونه ها و تخصیص منابع ورودی: VNF-FG خروجی: NFP

Embedding Problem نگاشت NFP ساخته شده به منابع زیرساخت

کاربر درخواست VNFR می دهد: VNFها و ترتیب جزیی یا کامل آن ها نیازمندی های کیفیت سرویس و اقتصادی کاربر فراهم کننده، VNF-FG را می‌سازد که ترتیب دقیق کارکردها را مشخص میکند ورودی:VNFR خروجی:VNF-FG Chain Composition Problem فراهم کننده، از هر VNF یک یا چند نمونه ایجاد کرده و ارتباطات بین آن‌ها را نیز مشخص می‌کند. ایجاد NFP ورودی:VNF-FG خروجی:NFP Embedding Problem فراهم کننده، مکان قرار گیری VNF ها بر روی منابع زیرساخت و نحوه نگاشت ارتباطات VNFها به لینک‌های زیرساخت را مشخص میکند. ورودی:NFP خروجی: نگاشت تحویل سرویس به کاربر

فهرست شبکه های سنتی NFV چیست؟ تخصیص منابع در NFV Chain Composition Embedding ابعاد مسئله Embedding بیان ریاضی

Embedding Problem ابعاد مختلف مسئله Embedding: تفاوت در فرضیات مسئله تفاوت در هدف حل مسئله تفاوت در منابع اختصاص یافته

Embedding Problem تفاوت در فرضیات مسئله: ورودی مسئله: در زنجیره ای که باید برمنابع زیرساخت نگاشت شود، VNF-FG است یا NFP؟ ابتدا و انتهای زنجیره درخواست شده مشخص است؟ آنلاین یا آفلاین بودن مسئله: صرفا یک زنجیره به منابع زیرساخت نگاشته می شود یا همزمان چند زنجیره را می توان در نظر گرفت؟ نگاشت لینک ها: آیا نیازی به نگاشت لینک ها است یا صرفا VNF ها باید جایگذاری شوند؟ ایجاد نمونه از VNFها: آیا اصلا نیازی به ایجاد بیشتر از یک نمونه است؟ تعداد حداکثر نمونه های قابل ساخت داده شده اند؟ نمونه ها می توانند با یکدیگر فرق داشته باشند؟ اشتراک منابع بین زنجیره ها: آیا می توان دو VNF یکسان در یک زنجیره را به یک نمونه نگاشت کرد؟ آیا می توان یک نمونه را بین VNF های یکسان در زنجیره های متفاوت به اشتراک گذاشت؟ در نظر گرفتن تغییرات ترافیکی پس از عبور از VNFها، لینک های یک طرفه یا دو طرفه، نوع گره زیرساخت: دیتاسنتر، سرور، POD و ....

Embedding Problem تفاوت در هدف حل مسئله: اهداف اقتصادی: بیشینه کردن سود حاصل از نگاشت، حداکثر کردن تعداد درخواست نگاشت زنجیره قبول شده نمونه ها: کمینه کردن تعداد نمونه های ساخته شده، توزیع بار بین نمونه ها انرژی: کمینه کردن انرژی مصرفی زیرساخت در نگاشت منابع پایداری: تضمین تحویل سرویس در صورتی خرابی ماشین مجازی یا زیرساخت کیفیت سرویس: برآورده شدن نیازمندی تاخیر کاربر، کمینه کردن فاصله کردن با ورودی زنجیره(نیازمندی پهنای باند/نرخ ارسال در تعریف زنجیره وجود دارد) منابع شبکه: کمینه کردن استفاده از منابع، کمینه کردن ترافیک بین دیتاسنترهای مختلف

Embedding Problem تفاوت در منابع اختصاص یافته: سرورها و لینک ها پهنای باند منابع پردازشی منابع ذخیره سازی فرکانس

Embedding Problem چالش‌ها: در نظر گرفتن همزمان ایجاد NFP از VNF-FGو نگاشت آن بازنگاشت VNF-FG مطابق با تغییر نیازمندی های کاربر در نظر گرفتن پایداری در سرویس دهی و خرابی در زیرساخت شناسایی منابع مورد در دسترس در زیرساخت چالش های امنیتی ناشی از اشتراک منابع و مجازی سازی چالش های مدیریت منابع و شبکه های مجازی شده حل توزیع شده مسئله

فهرست شبکه های سنتی NFV چیست؟ تخصیص منابع در NFV Chain Composition Embedding ابعاد مسئله Embedding بیان ریاضی

با تشکر از توجه شما

مراجع [1]“What is Network Service Chaining or Service Function Chaining,” SDxCentral, 11-Feb-2016. [Online]. Available: https://www.sdxcentral.com/sdn/network-virtualization/definitions/what-is-network-service-chaining/. [Accessed: 06-Mar-2017] [2]“Network Functions Virtualisation-An Introduction, Benefits, Enablers, Challenges & Call for Action.” [Online]. Available: https://portal.etsi.org/NFV/NFV_White_Paper.pdf. [Accessed: 06-Mar-2017]. [3]“Service Function Chaining Use Cases in Mobile Networks-draft-ietf-sfc-use-case-mobility-07.” [Online]. Available: https://www.ietf.org/id/draft-ietf-sfc-use-case-mobility-07.txt. [Accessed: 06-Mar-2017]. [4]“Network Functions Virtualisation (NFV)-Network Operator Perspectives on Industry Progress.” [Online]. Available: https://portal.etsi.org/Portals/0/TBpages/NFV/Docs/NFV_White_Paper3.pdf. [Accessed: 06-Mar-2017]. [5]J. G. Herrera and J. F. Botero, “Resource Allocation in NFV: A Comprehensive Survey,” IEEE Transactions on Network and Service Management, vol. 13, no. 3, pp. 518–532, Sep. 2016. [6]M. T. Beck and J. F. Botero, “Scalable and coordinated allocation of service function chains,” Computer Communications. [7]M. Mechtri, C. Ghribi, and D. Zeghlache, “A Scalable Algorithm for the Placement of Service Function Chains,” IEEE Transactions on Network and Service Management, vol. 13, no. 3, pp. 533–546, Sep. 2016.

مراجع [8]F. Wang, R. Ling, J. Zhu, and D. Li, “Bandwidth guaranteed virtual network function placement and scaling in datacenter networks,” in 2015 IEEE 34th International Performance Computing and Communications Conference (IPCCC), 2015, pp. 1–8. [9]T. W. Kuo, B. H. Liou, K. C. J. Lin, and M. J. Tsai, “Deploying chains of virtual network functions: On the relation between link and server usage,” in IEEE INFOCOM 2016 - The 35th Annual IEEE International Conference on Computer Communications, 2016, pp. 1–9. [10]A. Gupta, M. F. Habib, P. Chowdhury, M. Tornatore, and B. Mukherjee, “Joint virtual network function placement and routing of traffic in operator networks,” UC Davis, Davis, CA, USA, Tech. Rep, 2015. [11]R. Cohen, L. Lewin-Eytan, J. S. Naor, and D. Raz, “Near optimal placement of virtual network functions,” in 2015 IEEE Conference on Computer Communications (INFOCOM), 2015, pp. 1346–1354. [12]M. F. Bari, S. R. Chowdhury, R. Ahmed, and R. Boutaba, “On orchestrating virtual network functions,” in 2015 11th International Conference on Network and Service Management (CNSM), 2015, pp. 50–56. [13]T. Lukovszki and S. Schmid, “Online Admission Control and Embedding of Service Chains,” in Structural Information and Communication Complexity, 2014, pp. 104–118. [14]I. Jang, S. Choo, M. Kim, S. Pack, and M. K. Shin, “Optimal network resource utilization in service function chaining,” in 2016 IEEE NetSoft Conference and Workshops (NetSoft), 2016, pp. 11–14. [15]M. C. Luizelli, L. R. Bays, L. S. Buriol, M. P. Barcellos, and L. P. Gaspary, “Piecing together the NFV provisioning puzzle: Efficient placement and chaining of virtual network functions,” in 2015 IFIP/IEEE International Symposium on Integrated Network Management (IM), 2015, pp. 98–106. [16]B. Addis, D. Belabed, M. Bouet, and S. Secci, “Virtual network functions placement and routing optimization,” in 2015 IEEE 4th International Conference on Cloud Networking (CloudNet), 2015, pp. 171–177. [17]H. Moens and F. D. Turck, “VNF-P: A model for efficient placement of virtualized network functions,” in 10th International Conference on Network and Service Management (CNSM) and Workshop, 2014, pp. 418–423.