Virtualización de funciones de red

“NFV es básicamente, la famosa tecnología “cloud” del mundo de las tecnologías de la información (IT), aplicada al mundo de los operadores de telecomunicaciones”.​

Como su propio nombre indica Virtualización de las Funciones de la Red (NFV por el inglés “Network Functions Virtualization”), consiste en “virtualizar” (véase virtualización) componentes esenciales de la red, como cortafuegos, routers, conmutadores, almacenamiento, balanceadores de carga etc. De manera que no es necesario tener los equipos físicos, y se puedan realizar las mismas funciones, desplegando así funciones y servicios de red basadas en software, que pueden ser alojados en hardware (servidores) de forma centralizada o distribuida.

Este hardware normalmente consiste en uno o varios servidores preparados, y con la suficiente capacidad física (Intel y ARM Holdings​ están desarrollando unos procesadores específicos para ello) para poder soportar varias máquinas virtuales. Estas máquinas virtuales representarán a los equipos físicos nombrados anteriormente, de manera que, todas sus funciones e inteligencia, queda plasmada en una máquina virtual (o varias), que será ejecutada por el servidor.

De esta manera, podemos tener en un solo equipo físico, toda una arquitectura de red desplegada virtualmente. Esto es un gran avance en materia de redes de comunicaciones ya que tiene la clara ventaja de la disminución de costes, al no tener que comprar el equipamiento físico, pero también permite una mejor gestión y administración de red, además de aportar simplicidad a la hora de configurarla, reducción de espacio de los CPD o Data Center, y un nuevo campo en la innovación frente a la arquitectura convencional, entre muchas otras. Es necesario comentar que aunque NFV se planteó para redes de operadores, es perfectamente implementable en los Data Center de las empresas, de hecho hay autores que piensan que se aplicará a nivel empresarial más que a nivel de operador (por las dificultades que presenta el segundo caso). NFV también puede aplicarse dentro de startups, o dentro de los domicilios.

Esta red virtual es equivalente y funcional en la misma medida que una arquitectura física, y los elementos virtualizados también se pueden conectar o ensamblar (virtualmente) para crear servicios de comunicación.

Historia

NFV se reveló en octubre de 2012, cuando AT & T, BT, China Mobile, Deutsche Telekom y muchas otras empresas de telecomunicaciones presentaron el NFV. Esto causó un gran impacto en la arquitectura de la red y su administración, tal fue el impacto que muchos fabricantes están investigando y desarrollando sus propias soluciones, ya que ven una tecnología pionera que en pocos años va a implantada tanto en pequeñas y medianas como en grandes empresas. Actualmente el ETSI (European Telecommunications Standards Institute) es la organización encargada de crear un estándar para NFV.​​

SDN y NFV, conceptos claves

Antes de nada, es necesario explicar un poco de SDN para evitar confusiones y aclarar conceptos. SDN (Sotfware Defined Networking) es una arquitectura de red donde los planos de control y datos están desasociados, la inteligencia y los estados de red están centralizados y la infraestructura de red subyacente se abstrae de las aplicaciones y servicios. La separación del plano de control con el plano de datos permite la virtualización, de manera que NFV es altamente compatible y complementario a SDN.

SDN además es un concepto que se asocia a las interfaces de programación para permitir que sistemas “externos” puedan influir en la provisión, control y operación de red. Está impactando la forma de diseñar, implantar y operar la red, además de proveer nuevos métodos de interactuar con los equipos vía controladores y APIs. También está normalizando la interfaz con los equipos/servicios y permite una provisión rápida (y a gran escala) de la red/servicios. Esto ha llamado mucho la atención del mercado, y por eso los fabricantes están investigando y trabajando para ser el primero en aportar soluciones innovadoras y competentes.

SDN se basa en la nube, pero está orientado a redes programables (como servicios de información de red, control de flujo y solicitudes de servicio). NFV, también está basado en la nube, pero se centra más en la virtualización de toda una arquitectura de red, incluyendo a todos sus elementos, como los firewall o balanceadores, es por esto que en muchas ocasiones el concepto se confunde o se usa equivocadamente.

La naturaleza cambiante de los servicios NFV / SDN y los despliegues comerciales hacen que sea un reto para definir razonablemente estos servicios, por lo que vamos a analizar estas dos tecnologías:

Combinación de NFV, SDN y Ethernets

NFV, SDN y Ethernet son tres componentes qué combinados crean unas funcionalidades totalmente revolucionarias e interesantes desde el punto de vista del mercado laboral:

• Ethernet y SDN actualmente coexisten en el centro de datos, sobre todo en el interior conmutadores virtuales (conmutadores virtuales). Los VSwitch (switches virtuales) de hoy son controlables por OpenFlow (OpenFlow es un protocolo de comunicación de Capa 2 que da acceso al plano de forwarding de un conmutador o de un router sobre la red) para proporcionar interconexión de máquinas virtuales.

• SDN y NFV actualmente se cruzan en la Central Office (CO), y se estima que esta combinación será la próxima generación de Data Center. De hecho en algunos artículos se les llama como Central Office Re-architected as Data Center (CORD). Como tal, el objetivo para primeros despliegues de NFV con SDN es utilizarlos para el plano de control.

• NFV y Carrier Ethernet (ver nota al final de línea) pueden combinarse para proporcionar algunas aplicaciones interesantes, como Virtual Sercive Edge (VSE). VSE es la sustitución de equipamiento físico ubicado en las instalaciones del cliente (por ejemplo, routers y firewalls) por aplicaciones basadas en software, que se ejecutan en una plataforma como por ejemplo un servidor, y que están conectados a través de Carrier Ethernet a la red.

NOTA:​Carrier Ethernet es un concepto que consiste en el uso y gestión de un gran ancho de banda Ethernet para el acceso y la comunicación entre redes área metropolitana (MAN) también es conocido como Metro Ethernet (area local, redes de negocios, académicas y gubernamentales). Carrier Ethernet tiene tres posibilidades despliegue:

*Convencional o "puro" Ethernet

*Ethernet sobre jerarquía digital síncrona (SDH)

*Ethernet sobre Multiprotocol Label Switching (MPLS)

Es necesario comentar que Carrier Ethernet evita que se produzca el famoso "cuello de botella" en la red.

La combinación de las tres tecnologías nos llevará a la zona de acción para la innovación futura. Sin embargo, esto requerirá la evolución continua de Carrier Ethernet, que ha ido constantemente creciendo y cambiando para satisfacer las necesidades caprichosas de sus usuarios. Para ello se necesita alcanzar los siguientes requisitos:

• Acoplamiento con SDN más eficiente: Los VSwitch, son switches virtuales que conectan la red bajo el protocolo anteriormente mencionado OpenFlow. OpenFlow a menudo realiza identificación de flujo y no es necesario (define el flujo basándose en parámetros como las marcas de calidad de servicio o la MAC). Para que el acoplamiento con SDN fuese más eficiente, se necesitaría un modelo de reenvío simple y estandarizado, centrado en conexiones virtuales Carrier Ethernet. Concluida esta etapa, se llegaría a la siguiente fase de crecimiento.

• Interfaces simples estandarizadas: como OpenFlow se puede utilizar para controlar flujos arbitrarios, el protocolo de control también debe ser flexible, por tanto es necesario desarrollar un modelo más simple de control, de acuerdo con las capacidades actuales, para una estructura de activos y datos.

• Implementación de nuevos servicios de apoyo a la nube: aunque Carrier Ethernet es potente, tiene limitaciones, sobre todo en lo que se refiere a las VLAN y MAC, por eso actualmente se está trabajando en nuevos protocolos de virtualización de red como VXLAN (Virtual Extensible LAN) y NVGRE (Network Virtualization using Generic Routing Encapsulation). Estos protocolos nuevos permiten la construcción de redes superpuestas que puedan desacoplar las VLAN que necesitan las máquinas virtuales para obtener conexiones subyacentes. Aunque a día de hoy, no se ha llegado a ningún acuerdo de cómo y qué servicios hay que definir, para satisfacer las capacidades de la virtualización.

• Carrier Class Orquestación: En el Data Center, la orquestación se refiere a la coordinación, aprovisionamiento automatizado y gestión de los recursos físicos y virtuales. Ya que en el Data Denter, los recursos son homogéneos y las conexiones costosas. Con SDN y NFV, estas limitaciones desaparecerían usando Carrier Ethernet. Se necesita aplicar una orquestación donde se pueda tener en cuenta los parámetros de latencia, ancho de banda, disponibilidad de recursos, coste y ubicación.

Por tanto al combinar estas tres tecnologías (NFV, SDN y Carrier Ethernet), los proveedores de servicios modernizaran sus redes, además de cumplir otros objetivos como la reducción de costes, escalabilidad, maleabilidad, innovación, y despliegue de nuevos servicios.​

Ventajas e inconvenientes

NFV al funcionar bajo la nube, permite que el cliente pueda tener su Data Center dentro de la empresa o de forma remota, funcionará igual. Esto va a revolucionar la forma de dimensionar las redes, tanto para pequeñas como para grandes empresas, además de permitir la consolidación de servicios de red, concentradores y sistemas de almacenamiento estándar. ​​​

Otros beneficios que tiene NFV son los siguientes:

• Reducir costes: al disponer de toda una infraestructura de red virtual, no es necesario adquirir el equipamiento físico, ni transportarlo e instalarlo físicamente en la empresa, el mantenimiento y la operación es inmensamente más sencillo, y por lo tanto más barato, además no ocupa espacio. El consumo energético también se reduce, ya que no se tiene que alimentar a todo el equipamiento. La redundancia física, deja de tener sentido, aunque se tiene que implementar una redundancia “virtual”. Con NFV también se acabó la renovación de hardware debido a mejoras de procesamiento y memoria. Las migraciones son más sencillas, apostando por actualizaciones de software, que podrían ejecutarse en paralelo. No teniendo así la necesidad de apagar un CPD para instalar un nuevo dispositivo (ni perder el tiempo en conectarlo y peinar el cableado).Tampoco es necesario tener una gran cantidad de personal pendiente de la infraestructura de red, por tanto se reduce la necesidad de formación y personal especializado.

• Simplifica el despliegue de los servicios: cuando se implanta una arquitectura de red, se inicia un proceso lento y costoso, que requiere una buena planificación para evitar problemas o adelantarnos a ellos. Aun así, aunque se haga una planificación excelente y que se ajusta a la realidad, siempre hay imprevistos con el hardware, como una mala conexión o una mala pre-configuración, y esto supone costes para la empresa. Hay que tener en cuenta que cuando se hacen crecimientos vegetativos en las empresas, suele haber pequeños imprevistos como incompatibilidades del hardware, debido sobre todo a una mala comunicación por parte de la empresa y el cliente. Con NFV nos evitamos todos estos engorrosos procesos, tan solo se necesita la instalación (y verificación) del software y analizarlo. Esto permite agilizar mucho el proceso de inversión, ya que las instalaciones (o parte de ellas) pueden hacerse en remoto, (esto reduce o anula los costes de desplazamiento), tampoco hay que enrackar equipos, conectarlos, o peinar los servidores. El impacto de la instalación o de la migración está mucho más controlado, y si los clientes sufren incidencias importantes, siempre se puede dar de baja el servicio de red, sin tener que asumir pérdidas importantes por la compra (si un cliente ha comprado un equipamiento físico, es muy difícil que pueda reembolsarse el coste de los equipos).

• Fomenta la innovación: es una nueva tecnología, que abre las puertas a nuevas ideas y posibilidades de comunicación. Fomenta la investigación de las empresas, que se preocupan por avanzar y ofrecer la mejor solución de mercado. Al ser una tecnología que se basa en el software, es accesible tanto a grandes como pequeños proveedores, esto no era posible en el mundo de hardware, ya que para ofrecer y distribuir hardware se necesitan muchos más recursos (como por ejemplo, almacenes donde guardar el equipamiento y furgones para trasladarlo).

• Agilización: el mantenimiento, administración, monitorización o gestión de los dispositivos, es centralizada, y puede diseñarse de forma más sencilla y rápida. Esto supone un ahorro grande en tiempo dedicado al diseño, y un ahorro muy grande en precio, al reducirse el número de personas que tienen que estar administrando o monitorizando la red.

• Reducción de la dependencia del hardware: es una consecuencia inmediata de la virtualización, esto además de reducir los costes y demás ventajas ya mencionada, permite aumentar la escalabilidad y la personalización de los servicios (algo muy deseable y muy costoso en hardware, con NFV puede plantearse una solución “a la carta” al cliente, sin embargo, con un diseño hardware el cliente tiene que conformarse con lo que viene “de serie”. Esto permite una maleabilidad de la red casi total, ya que la red es dinámica.

• Dinamismo y capacidad de ampliación: Es requisito fundamental (y al cumplirse una ventaja) que las infraestructuras sean dinámicas, ya que NFV está diseñado para que sus aplicaciones se adecuen a entornos cambiantes, sin que esto suponga una coste de cómputo y se colapse el sistema. Se deben seguir respondiendo a un entorno de servicios, aunque se amplíe una funcionalidad o se traslade a una localización distinta.

• Conectividad en un entorno distribuido: NFV permite proporcionar conectividad entre componentes virtuales. Muchas de las aplicaciones de NFV requieren una conectividad de capa 2 o capa 3. Sin embargo algunas redes de transporte de SDN operan el control de red en capa 1 o capa 0. Sin embargo, SDN y NFV son perfectamente compatibles, gracias a la capacidad de conectividad que se implementa en NFV.

• Conexión con las redes tradicionales: La conexión con las redes físicas actuales es una gran ventaja en el comienzo de la primera fase de implantación de NFV, ya que se la implantación será gradual y los servicios no deben quedar interrumpidos, también habrá empresas u organizaciones que puedan permitirse instalar una red NFV de forma inmediata, y otras que necesitarán años para poder migrar su estructura a una red NFV con totalidad, estás empresas u organizaciones no deben quedarse sin comunicación entre ellas.

Desventajas que tiene esta tecnología:

• Seguridad: Al ser una tecnología embrionaria, basada total y absolutamente en la virtualización y al estar aún en proceso de investigación, hay muchas posibilidades de que sufra ataques exitosos por parte de atacantes maliciosos. Aún no está definida una estructura clara, y es una tecnología por descubrir, pero los crackers llevan años de experiencia atacando software, y es fácil que al ser una nueva tecnología, al principio haya muchos agujeros de seguridad o vulnerabilidades, que sean aprovechados para comprometer la seguridad de la red.

• Actualizaciones constantes: sobre todo cuando se debe parchear una vulnerabilidad, estas actualizaciones pueden ser complejas y continuas. Si las empresas cuantifican además cada una de las actualizaciones, puede suponer un precio elevado para pequeñas empresas, que quizás no garanticen la seguridad de sus Data Center.

• Necesidad de mayor capacidad de cómputo y memoria: los fabricantes de microprocesadores, ven una oportunidad de negocio multimillonaria e intentan adelantarse a la competencia, investigando e invirtiendo sumas millonarias, con el fin de ser una referencia de mercado. ARM sacó en 2014 un nuevo microprocesador dedicado a NVF: SoC AMD Embedded Serie R, llamado “Hierofalcon”​, que incluye hasta ocho CPUs ARM Cortex-A57. Además el SoC integrado incluye 10Gb KR Ethernet y PCI-Express® Gen 3 para conectividad de red de alta velocidad, siendo ideal para aplicaciones de plano de control, como es el caso. AMD incluye en el Hierofalcon un coprocesador de seguridad criptográfica dedicado, satisfaciendo una necesidad creciente de seguridad en redes. Así mismo, se necesita una mayor memoria de acceso rápido, ya que sobre todo lo que prima es la ejecución de las máquinas virtuales, y por tanto el acceso a memoria debe ser rápido y eficiente. Esto es una desventaja de cara al coste, ya que al necesitar microprocesadores especiales, y una gran memoria que aún están en proceso de desarrollo y no hay nada en el mercado que pueda ser reaprovechado, el precio inicial de este equipamiento tendrá un precio muy alto.

• Capacidad y prestaciones fiables: Las soluciones virtualizables, soportan un tráfico de datos y de conexiones de medios muy elevado. Por tanto es absoluta y totalmente indispensable que tengan a su alcance un gran ancho de banda. La demanda constante de ancho de banda en las redes actuales es un problema al que ya se enfrentan los operadores a día de hoy, pero con la llegada de NFV, el consumo de ancho de banda se disparará, ya que al ser un entorno 100% virtualizado, es necesario que se garantice la disponibilidad total del servicio en caso de fallo, o las consecuencias para la empresa/organización pueden ser catastróficas. Aunque bien es cierto, que si una máquina virtual demanda más ancho de banda que las demás, el administrador de red, siempre puede mover esta máquina a otra sede (que tenga otro ancho de banda asociado, o cuyas máquinas virtuales no demanden apenas ancho de banda).

• Único punto de fallo: Todas las funcionalidades de la red dependen de la capacidad del servidor en donde estén instaladas las máquinas virtuales. Si el servidor se colapsa, contrae un virus, o simplemente sufre un sobrecalentamiento por falta de ventilación, toda la red puede caer. Esto no ocurre cuando tenemos varios equipos distribuidos en varias salas.

Estandarización de NFV

La estandarización de NFV está siendo liderada por la ETSI (European Telecommunications Standards Institute) tal y se ha mencionado antes. Después de muchas reuniones desde Abril del 2012, finalmente se creó la ETSI NFV ISG (Industry Specification Group) en noviembre de 2012. Está compuesta por siete operadoras de telecomunicaciones: AT&T, BT, Deutsche Telekom, Orange, Telecom Italia, Telefónica y Verizon.

La NFV ISG no es una organización de la ETSI cerrada, abre sus puertas tanto a organizaciones o miembros que estén o no asociados a la ETSI, de tal forma que actualmente está formado por 150 compañías, cada una aportando su granito de arena a la estandarización de esta tecnología. Entre estas empresas se encuentran las principales operadores de telecomunicaciones, proveedores de infraestructuras (como por ejemplo Cisco) y de tecnologías de la información.

Aunque ETSI es una organización dedicada al desarrollo de estándares, el objetivo de NFV ISG es conseguir el consenso de la industria sobre la base de requerimientos técnicos y de negocio. También se acuerdan enfoques comunes o se plantean ideas que permitan implementar de la mejor manera posible NFV. Los resultados son públicos, y se comparten con los principales grupos de estandarización, foros y consorcios como IETF, NGMN Alliance, ONF, TM Forum etc.; Con el fin de compartir conocimientos, ver posibles fallos o problemas que hayan sido pasados por alto y avanzar lo más rápidamente hacia el éxito.

Además de la dirección del ISG, el TSC (Technical Steering Committee) y el NOC (Network Operators Council), el NFV ISG se compone de varios Working Groups (WG). Estos cuatro WG se reparten en cuatro áreas de NFV: INF (infraestructura), REL (fiabilidad y disponibilidad), MANO (gestionar y orquestar), y SWA (arquitectura software). También hay dos EGs (Expert Group): PER (rendimiento y portabilidad) y SEC (seguridad).

El trabajo conjunto de estas organizaciones ya está dando sus frutos, las primeras especificaciones de la ETSI ISG fueron publicadas en octubre de 2013, y son las siguientes:

-GS NFV 001 “Use Cases”,

-GS NFV 002 “Architectural Framework”,

-GS NFV 003 “Terminology for Main Concepts in NFV”,

-GS NFV 004 “Virtualisation Requirements”

-GS NFV-PER 002 “Proofs of Concepts Framework”.

Estas cinco especificaciones son las bases de NFV, detallando campos como los casos de uso, requisitos y requerimientos necesarios, arquitectura marco y terminología. También se intenta facilitar pruebas de demostraciones de las capacidades de NFV para que los operadores de red y proveedores puedan seguir trabajando juntos, demostrando con la colaboración conjunta y el desarrollo de ideas puede mejorar la interoperabilidad.

Aplicaciones de NFV tras el estándar

Las aplicaciones a las que se orienta el estándar de NFV son fundamentalmente dos:

• Cloud computing: NFV usa tres principios para conseguir su virtualización; 1º Hipervisors, que consiste en virtualizar hardware mediante una plataforma, para conseguir las máquinas virtuales, 2º VSwitches, switches virtuales que se usan para conectar el tráfico entre máquinas virtuales e interfaces físicos. Y 3º una potente capacidad de procesamiento de paquetes, usando procesadores multinúcleo de alta velocidad, especialmente diseñados para ello. También se necesita gestionar altos anchos de banda (tanto de entra como de salida) para ello se utilizando tarjetas de red Ethernet inteligentes (la compartición de carga la hacen con TCP “offloading”). Estas tarjetas también se encargan del encaminamiento de paquetes que van dirigidos a la memoria virtual.

• Hardware estándar: Es importante disponer de un gran volumen en el mercado de servidores estándar (arquitectura x86) que tengan bajo precio, ya que el gran atractivo de NFV para su implementación en las empresas, son los bajos costes. La arquitectura x86 actualmente cuenta con un gran número de proveedores en el mercado, lo que fomenta precios competitivos.

El informe “SDN and NFV Strategy survery” de Infonetics , indica que las principales operadoras de telecomunicaciones líderes del mundo están evaluando NFV en un rango de tiempo actual, hasta dentro de 3 años. Además se indica que estas operadoras tienen pensando implantar la arquitectura NFV en su red, tanto a nivel de acceso, como a nivel de distribución (o agregación) y en su núcleo (core).

Muchos operadores comienzan a implantar en pequeñas partes de su red SDN y NFV, verificando que la tecnología y la inversión que implica, merecen la pena, además de comprobar “in-situ” si realmente funciona como debe. Tal y como está actualmente NFV planteado, no existe un límite en las funciones que NVF pueda realizar, se cree que cualquier función de red puede ser virtualizada, pero también se espera que la virtualización en las redes de las operadoras sea mucho más compleja que en el ámbito empresarial, debido al volumen de datos y al tipo de tráfico que manejan. Las principales aplicaciones para NFV son las redes de distribución de contenidos o CDNs (Content Delivery Networks), IMS (IP Multimedia Subsystem) y los “virtual routers” y “security gateways”.

IMS es donde más se ha avanzado en la virtualización, varios fabricantes han invertido en investigación para desarrollar software que será instalado en plataformas ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture). La siguiente fase ha sido instalar este software en servidores COTS (Commercial Off-The-Shelf) que junto con un gestor de recursos en la nube ha podido implementar flexibilidad a la hora de añadir y eliminar funcionalidad o capacidad en las aplicaciones que se gestionen.

Hay que ser consciente de que dentro de IMS no toda la infraestructura es sencilla o eficiente a la hora de virtualizarla, con los recursos actuales, por ejemplo manejar grandes volúmenes de flujos de datos bidireccionales en tiempo real, teniendo cuantiosos requisitos de disponibilidad, jitter, latencia, codecs o encriptación, cumpliendo además con las exigencias adicionales de los operadores, es difícil que pueda ser virtualizado a corto plazo.

Situación Actual de NFV

La NFV ISG de red tiene pensado celebrar una reunión de lanzamiento a mediados de enero de 2016, en Francia. Varios operadores de red, fabricantes de servidores y proveedores de equipos de red han sido invitados y además ha dado su aceptación para participar, prometiendo un debate constructivo sobre el estado actual de cada industria. El número de los vendedores que participan es muy elevado y la expectación va en aumento según se acerca la fecha. ​