Почему идет смена технологических концепций в среде сетей передачи данных, какие у этого причины и как изменится жизнь сервис-провайдеров через реализацию современных трендов?
Развитие технологий сетей передачи с 1969 года (ARPANET) было направлено на то, чтобы каждый аппаратный компонент был независим от других компонентов. Протоколы взаимодействия работали по принципу обмена контрольной информацией, которая использовалась алгоритмами для анализа топологии и построении моделей взаимодействия между устройствами.
Есть версия, что такой подход был специально спроектирован для повышения шанса выживания сетей передачи данных в условиях военного конфликта, при котором часть устройств либо линий связи может выйти из строя, и оставшимся компонентам сети необходимо будет самостоятельно принять решение о том, какая топология осталась целостной и работоспособной. То есть децентрализация работы сети была заложена как цель.
Все разработанные протоколы динамической маршрутизации (RIP, OSPF, IGRP, BGP) и протокол ветвящегося дерева (STP) были построены на этом принципе – устройства как равноправные обмениваются имеющейся информацией о своих соединения с соседями и самоорганизуются в общую топологию, которая работает как единая сеть.
Достигнув актуальной на тот момент цели — автономности, со временем, когда нагрузка на сеть выросла, стало очевидно, как неэффективно используются текущие соединения. Работа сети на втором уровне OSI стала приводить к отключению избыточных соединений, тем самым снижая общую утилизацию сети передачи данных. Работа сети на третьем уровне OSI стала приводить к асимметричной маршрутизации, что могло вызвать непоследовательную доставку пакетов, что приводило к росту занятого объема буфера на принимающих устройствах.
Другой проблемой стал тот факт, что сетевые функции (Firewall, Load Balancing, Mirroring), которые реализовывались в определенном физическом месте сети передачи данных могли находится далеко в топологии от того места, где трафик генерировался. Так как трафик должен был быть доставлен до аппаратного устройства и только там быть, например, отфильтрованным, то это приводило к большей утилизации и снижению эффективности, чем если бы трафик был отфильтрован в месте генерации трафика.
С тех пор прошло немало времени и хоть угроза военных конфликтов осталась, технологическими лидерами было принято решение, что теперь цель централизации отвечает современным потребностям. Такой подход привел к необходимости пересмотра модели работы сети передачи данных в сторону разделения функций управления и функций передачи данных. Было принято решение все функции управления сконцентрировать в единой точке — контроллере, который собирал бы информацию с устройств передачи трафика и принимал решение о том, как этим трафиком управлять.
Централизация позволяет повысить эффективность загруженности всех соединений и утилизировать по максимуму ресурсы аппаратных устройств. Разработанный протокол Openflow решал задачу управления плоскостью передачи трафика, программируя коммутаторы действиями, которые должны быть совершены с трафиком. При этом модель принятия решения о том каким образом должен быть передан трафик внутри контроллера плоскости управления могла быть реализована совершенно по другим математическим моделям, чем те, на которых основаны известные протоколы динамической маршрутизации. Разница в том, что современные протоколы маршрутизации исходят из принципа обмена информацией между точками о топологии. Но если вся топология хранится в одном месте, то нет необходимости в алгоритмах обмена информацией. Есть лишь необходимость использовать информацию о топологии для того, чтобы направить трафик из точки А в точку Б. При централизованном подходе решения о передаче трафика могут быть не универсальны. То есть нет необходимости в передачи всего трафика между двумя точками по одному и тому же пути. Одна часть трафика может идти по одному пути, а другая использовать альтернативный путь в той же самой топологии. Такой подход повышает эффективность за счет максимальной утилизации имеющейся сетевой инфраструктуры.
Другое преимущество в том, что, обладая информацией о том, какие политики должны быть применены к различным типам трафика в различных точках входа трафика в сеть, есть возможность применить сетевую функцию непосредственно в этой точке сети. Если представить, что сотни сетевых функций можно отделить от аппаратной платформы и реализовать в виде программы, в которую в качестве входных данных поступает управляющая информация (какие политики необходимо применить к трафику) и задать входящий и исходящий интерфейс для трафика, то тогда эту сетевую функцию можно запускать на стандартных операционных системах на x86-серверах. Запуская эти программы в точках генерации либо обмена трафиком, центральный контроллер может программировать коммутаторы для передачи необходимого типа трафика внутрь сетевой функции. Трафик, после обработки сетевой функцией, возвращается в плоскость передачи данных и передается до конечного получателя.
Одним из аргументов принятия такой модели является снижение стоимости сети передачи данных по причине того, что конкретные сетевые функции, реализованные на специализированной аппаратной платформе, предлагаются по более высокой цене, чем реализация тех же функций на универсальной вычислительной платформе. Производительность специализированных платформ всегда была выше и это имело значение в эпоху не очень производительных универсальных процессоров, но современные тренды нивелировали это различие и теперь даже на общих CPU, за счет увеличивающегося быстродействия, стало возможно выполнение указанных сетевых функций при необходимой производительности.
Еще одним преимуществом стало то, что при наличии возможности выполнить сетевую функцию в любом месте сети передачи данных отпала необходимость в гигантской производительности в одном устройстве, ведь можно распределить требуемую производительность по всем точкам генерации или обмена трафиком. Данный факт позволяет очень быстро масштабировать производительность сетевой функции при резком увеличении объема трафика. Такое регулярно наблюдается во время значимых событий в жизни всего человечества, например, чемпионат по футболу, проведение Олимпиады или трансляция свадьбы английского принца. В такие моменты люди записывают видео и делают фотографии, заливают всё в «облако» и обмениваются ссылками. Всё это приводит к взрывному росту объемов трафика, которые нужно уметь перенаправить в нужные точки.
Сетевые функции сжатия трафика в режиме реального времени (Real-Time Compression, WAN Optimization), перенаправления запросов на ближайшие точки (CDN), балансировки нагрузки между фермой серверов (Load Balancing) требуется развернуть в автоматическом режиме и в нужном масштабе и предоставить к определенному виду трафика. Определить данный тип трафика, запустить виртуальные машины с требуемой функцией и перенаправить в них трафик помогают системы MANO с функциями auto-provisioning, auto-scaling, автоматической настройкой перенаправления трафика.
Оркестраторы (management and operation) данного процесса должны обладать целым набором способностей:
1) Управлять физической инфраструктурой: сетями передачи, хранилищами данных, серверами;
2) Используя платформы виртуализации создавать на основе физической инфраструктуры необходимые инстансы: виртуальные машины, виртуальные LUN, виртуальные сети;
3) Принимать телеметрию от текущих сетевых устройств для проведения анализа и принятия решения о предоставлении дополнительных сетевых функций;
4) Запустить из шаблонов требуемые сетевые функции и загрузить в них конфигурацию, соответствующую требуемой задаче;
5) Анализировать состояние запущенных сетевых функций для принятия оперативных решений в случае отказов, аварий либо перегрузок;
6) Ликвидировать запущенные сетевые функции в случае, когда необходимости в их работе больше нет и делать это на основе автоматических данным из телеметрии либо по запросу администратора;
7) Передать в бизнес ИТ-системы информацию об используемых ресурсах для проведения расчетов биллинга.
Реализация данного функционала позволит резко ускорит время предоставления услуг от сервисных операторов к клиентам и потребителям. Сокращение времени выхода услуги на рынок повысит монетизацию инфраструктуры и приведет к дополнительной прибыли. Пользовательский опыт от более плавного и быстрого потребления контента улучшит эмоциональное восприятие потребителями сервиса, что, в конечном итоге, повысит привлекательность операторов связи как клиентоориентированных провайдеров.
Изменение работы провайдеров с предоставления обычных каналов связи («трубы») к созданию набора услуг с добавленной стоимостью позволит продолжать предоставлять высокорентабельный сервис, и в долгосрочной перспективе не приведет к снижению выручки за счет повышения конкуренции на рынке инфраструктурных провайдеров.
Еще одной возможностью для повышения прибыли для сервис-провайдеров является модель перехода к умным оконечным точкам (CPE). Переход от цифровых модемов к управляемым роутерам позволяет достичь нескольких целей. В данный момент для подключения удаленного филиала заказчика услуг сервис-провайдера требуется устройство подключающее локальную сеть филиала к сети оператора в нужную выделенную сеть, организованную либо посредством технологии MPLS либо в случае legacy провайдеров посредством технологии ATM. В таком случае необходимость совершать различные операции с трафиком заказчика (предоставлять дополнительные сетевые функции) приводила к необходимости доставлять этот трафик от клиента до ядра сети оператора, в котором располагаются устройства, реализующие такую сетевую функцию, и уже на ядре сети обрабатывать трафик по заданным политикам. Это приводило к повышенной утилизации «последней мили» и магистрали оператора тем трафиком, который можно было бы обработать ближе к источнику генерации. С другой стороны устройства оконечных точек являлись всего лишь либо аналогово-цифровыми преобразователями либо достаточно простыми IP-устройствами, без возможности проактивного мониторинга или удаленной настройки.
Замена таких устройств на CPE нового поколения позволит решить несколько задач. Дистанционное управление новыми CPE позволит производить zero-touch provisioning с помощью двухфакторного метода, используя активирующие URL. Таким образом, можно будет напрямую с завода-производителя отправлять устройства конечным клиентам, и уже на месте активировать их с нужной конфигурацией, в том числе неквалифицированным персоналом. Помимо этого, реализация на CPE с помощью слоя виртуализации контейнеров или виртуальных машин с нетребовательными к аппаратной платформе сетевыми функциями, позволяющими непосредственно на оконечной точке предоставлять услуги с добавленной стоимостью, даст возможностью клиентам в магазине приложений активировать для своей точки подключения тот функционал, который им требуется: антивирусная защита, фильтрация спама, родительский контроль и так далее. Оператор, взимая дополнительную плату за эти функции, получит широкую возможность наращивать выручку за счет быстрого и бесшовного внедрения новых SDN-приложений.
Для корпоративных заказчиков оперативное развертывание новых офисов в точках присутствия Интернета станет реальностью – не потребуется перенастраивать множество IPSec VPN туннелей на новую адресацию, в том случае если CPE будет автоматически строить наложенные туннели посредством технологий VXLAN или MPLSoGRE между множеством CPE и центральным центром обработки данных. Централизованное управление удаленными офисами позволит оперативно менять программное обеспечение на CPE и централизованно хранить конфигурационные данные. Средства информационной безопасности можно будет активировать из единой консоли управления сразу для всей организации. Администратор информационной безопасности по достоинству оценит отсутствие возможности сотрудников в филиале иметь доступ к консоли роутера, потому как политики могут быть настроены только на SDN-контроллере либо оркестраторе.
Используя упомянутые тренды – переход на централизованный control plane, замена специализированных устройств с сетевыми функциями на x86-сервера с программными NF, создание системы управления виртуальными ресурсами с передачей управляющих сигналов в различные компоненты системы OSS\BSS, а также автоматизация и виртуализация устройств оконечных подключений приведет к повышению скорости вывода услуг на рынок, создаст экосистему для предоставления сервисов с высокой добавленной стоимостью и повысит привлекательность провайдера для конечных клиентов.
Исторический экскурс
Развитие технологий сетей передачи с 1969 года (ARPANET) было направлено на то, чтобы каждый аппаратный компонент был независим от других компонентов. Протоколы взаимодействия работали по принципу обмена контрольной информацией, которая использовалась алгоритмами для анализа топологии и построении моделей взаимодействия между устройствами.
Есть версия, что такой подход был специально спроектирован для повышения шанса выживания сетей передачи данных в условиях военного конфликта, при котором часть устройств либо линий связи может выйти из строя, и оставшимся компонентам сети необходимо будет самостоятельно принять решение о том, какая топология осталась целостной и работоспособной. То есть децентрализация работы сети была заложена как цель.
Все разработанные протоколы динамической маршрутизации (RIP, OSPF, IGRP, BGP) и протокол ветвящегося дерева (STP) были построены на этом принципе – устройства как равноправные обмениваются имеющейся информацией о своих соединения с соседями и самоорганизуются в общую топологию, которая работает как единая сеть.
Достигнув актуальной на тот момент цели — автономности, со временем, когда нагрузка на сеть выросла, стало очевидно, как неэффективно используются текущие соединения. Работа сети на втором уровне OSI стала приводить к отключению избыточных соединений, тем самым снижая общую утилизацию сети передачи данных. Работа сети на третьем уровне OSI стала приводить к асимметричной маршрутизации, что могло вызвать непоследовательную доставку пакетов, что приводило к росту занятого объема буфера на принимающих устройствах.
Другой проблемой стал тот факт, что сетевые функции (Firewall, Load Balancing, Mirroring), которые реализовывались в определенном физическом месте сети передачи данных могли находится далеко в топологии от того места, где трафик генерировался. Так как трафик должен был быть доставлен до аппаратного устройства и только там быть, например, отфильтрованным, то это приводило к большей утилизации и снижению эффективности, чем если бы трафик был отфильтрован в месте генерации трафика.
SDN
С тех пор прошло немало времени и хоть угроза военных конфликтов осталась, технологическими лидерами было принято решение, что теперь цель централизации отвечает современным потребностям. Такой подход привел к необходимости пересмотра модели работы сети передачи данных в сторону разделения функций управления и функций передачи данных. Было принято решение все функции управления сконцентрировать в единой точке — контроллере, который собирал бы информацию с устройств передачи трафика и принимал решение о том, как этим трафиком управлять.
Централизация позволяет повысить эффективность загруженности всех соединений и утилизировать по максимуму ресурсы аппаратных устройств. Разработанный протокол Openflow решал задачу управления плоскостью передачи трафика, программируя коммутаторы действиями, которые должны быть совершены с трафиком. При этом модель принятия решения о том каким образом должен быть передан трафик внутри контроллера плоскости управления могла быть реализована совершенно по другим математическим моделям, чем те, на которых основаны известные протоколы динамической маршрутизации. Разница в том, что современные протоколы маршрутизации исходят из принципа обмена информацией между точками о топологии. Но если вся топология хранится в одном месте, то нет необходимости в алгоритмах обмена информацией. Есть лишь необходимость использовать информацию о топологии для того, чтобы направить трафик из точки А в точку Б. При централизованном подходе решения о передаче трафика могут быть не универсальны. То есть нет необходимости в передачи всего трафика между двумя точками по одному и тому же пути. Одна часть трафика может идти по одному пути, а другая использовать альтернативный путь в той же самой топологии. Такой подход повышает эффективность за счет максимальной утилизации имеющейся сетевой инфраструктуры.
NFV
Другое преимущество в том, что, обладая информацией о том, какие политики должны быть применены к различным типам трафика в различных точках входа трафика в сеть, есть возможность применить сетевую функцию непосредственно в этой точке сети. Если представить, что сотни сетевых функций можно отделить от аппаратной платформы и реализовать в виде программы, в которую в качестве входных данных поступает управляющая информация (какие политики необходимо применить к трафику) и задать входящий и исходящий интерфейс для трафика, то тогда эту сетевую функцию можно запускать на стандартных операционных системах на x86-серверах. Запуская эти программы в точках генерации либо обмена трафиком, центральный контроллер может программировать коммутаторы для передачи необходимого типа трафика внутрь сетевой функции. Трафик, после обработки сетевой функцией, возвращается в плоскость передачи данных и передается до конечного получателя.
Одним из аргументов принятия такой модели является снижение стоимости сети передачи данных по причине того, что конкретные сетевые функции, реализованные на специализированной аппаратной платформе, предлагаются по более высокой цене, чем реализация тех же функций на универсальной вычислительной платформе. Производительность специализированных платформ всегда была выше и это имело значение в эпоху не очень производительных универсальных процессоров, но современные тренды нивелировали это различие и теперь даже на общих CPU, за счет увеличивающегося быстродействия, стало возможно выполнение указанных сетевых функций при необходимой производительности.
Еще одним преимуществом стало то, что при наличии возможности выполнить сетевую функцию в любом месте сети передачи данных отпала необходимость в гигантской производительности в одном устройстве, ведь можно распределить требуемую производительность по всем точкам генерации или обмена трафиком. Данный факт позволяет очень быстро масштабировать производительность сетевой функции при резком увеличении объема трафика. Такое регулярно наблюдается во время значимых событий в жизни всего человечества, например, чемпионат по футболу, проведение Олимпиады или трансляция свадьбы английского принца. В такие моменты люди записывают видео и делают фотографии, заливают всё в «облако» и обмениваются ссылками. Всё это приводит к взрывному росту объемов трафика, которые нужно уметь перенаправить в нужные точки.
Сетевые функции сжатия трафика в режиме реального времени (Real-Time Compression, WAN Optimization), перенаправления запросов на ближайшие точки (CDN), балансировки нагрузки между фермой серверов (Load Balancing) требуется развернуть в автоматическом режиме и в нужном масштабе и предоставить к определенному виду трафика. Определить данный тип трафика, запустить виртуальные машины с требуемой функцией и перенаправить в них трафик помогают системы MANO с функциями auto-provisioning, auto-scaling, автоматической настройкой перенаправления трафика.
MANO
Оркестраторы (management and operation) данного процесса должны обладать целым набором способностей:
1) Управлять физической инфраструктурой: сетями передачи, хранилищами данных, серверами;
2) Используя платформы виртуализации создавать на основе физической инфраструктуры необходимые инстансы: виртуальные машины, виртуальные LUN, виртуальные сети;
3) Принимать телеметрию от текущих сетевых устройств для проведения анализа и принятия решения о предоставлении дополнительных сетевых функций;
4) Запустить из шаблонов требуемые сетевые функции и загрузить в них конфигурацию, соответствующую требуемой задаче;
5) Анализировать состояние запущенных сетевых функций для принятия оперативных решений в случае отказов, аварий либо перегрузок;
6) Ликвидировать запущенные сетевые функции в случае, когда необходимости в их работе больше нет и делать это на основе автоматических данным из телеметрии либо по запросу администратора;
7) Передать в бизнес ИТ-системы информацию об используемых ресурсах для проведения расчетов биллинга.
Реализация данного функционала позволит резко ускорит время предоставления услуг от сервисных операторов к клиентам и потребителям. Сокращение времени выхода услуги на рынок повысит монетизацию инфраструктуры и приведет к дополнительной прибыли. Пользовательский опыт от более плавного и быстрого потребления контента улучшит эмоциональное восприятие потребителями сервиса, что, в конечном итоге, повысит привлекательность операторов связи как клиентоориентированных провайдеров.
Enterprise CPE virtualization
Изменение работы провайдеров с предоставления обычных каналов связи («трубы») к созданию набора услуг с добавленной стоимостью позволит продолжать предоставлять высокорентабельный сервис, и в долгосрочной перспективе не приведет к снижению выручки за счет повышения конкуренции на рынке инфраструктурных провайдеров.
Еще одной возможностью для повышения прибыли для сервис-провайдеров является модель перехода к умным оконечным точкам (CPE). Переход от цифровых модемов к управляемым роутерам позволяет достичь нескольких целей. В данный момент для подключения удаленного филиала заказчика услуг сервис-провайдера требуется устройство подключающее локальную сеть филиала к сети оператора в нужную выделенную сеть, организованную либо посредством технологии MPLS либо в случае legacy провайдеров посредством технологии ATM. В таком случае необходимость совершать различные операции с трафиком заказчика (предоставлять дополнительные сетевые функции) приводила к необходимости доставлять этот трафик от клиента до ядра сети оператора, в котором располагаются устройства, реализующие такую сетевую функцию, и уже на ядре сети обрабатывать трафик по заданным политикам. Это приводило к повышенной утилизации «последней мили» и магистрали оператора тем трафиком, который можно было бы обработать ближе к источнику генерации. С другой стороны устройства оконечных точек являлись всего лишь либо аналогово-цифровыми преобразователями либо достаточно простыми IP-устройствами, без возможности проактивного мониторинга или удаленной настройки.
Замена таких устройств на CPE нового поколения позволит решить несколько задач. Дистанционное управление новыми CPE позволит производить zero-touch provisioning с помощью двухфакторного метода, используя активирующие URL. Таким образом, можно будет напрямую с завода-производителя отправлять устройства конечным клиентам, и уже на месте активировать их с нужной конфигурацией, в том числе неквалифицированным персоналом. Помимо этого, реализация на CPE с помощью слоя виртуализации контейнеров или виртуальных машин с нетребовательными к аппаратной платформе сетевыми функциями, позволяющими непосредственно на оконечной точке предоставлять услуги с добавленной стоимостью, даст возможностью клиентам в магазине приложений активировать для своей точки подключения тот функционал, который им требуется: антивирусная защита, фильтрация спама, родительский контроль и так далее. Оператор, взимая дополнительную плату за эти функции, получит широкую возможность наращивать выручку за счет быстрого и бесшовного внедрения новых SDN-приложений.
Для корпоративных заказчиков оперативное развертывание новых офисов в точках присутствия Интернета станет реальностью – не потребуется перенастраивать множество IPSec VPN туннелей на новую адресацию, в том случае если CPE будет автоматически строить наложенные туннели посредством технологий VXLAN или MPLSoGRE между множеством CPE и центральным центром обработки данных. Централизованное управление удаленными офисами позволит оперативно менять программное обеспечение на CPE и централизованно хранить конфигурационные данные. Средства информационной безопасности можно будет активировать из единой консоли управления сразу для всей организации. Администратор информационной безопасности по достоинству оценит отсутствие возможности сотрудников в филиале иметь доступ к консоли роутера, потому как политики могут быть настроены только на SDN-контроллере либо оркестраторе.
Выводы
Используя упомянутые тренды – переход на централизованный control plane, замена специализированных устройств с сетевыми функциями на x86-сервера с программными NF, создание системы управления виртуальными ресурсами с передачей управляющих сигналов в различные компоненты системы OSS\BSS, а также автоматизация и виртуализация устройств оконечных подключений приведет к повышению скорости вывода услуг на рынок, создаст экосистему для предоставления сервисов с высокой добавленной стоимостью и повысит привлекательность провайдера для конечных клиентов.
