Introdução

Uma das grandes dificuldades das operadoras de telecomunicações tem sido sua dependência de hardware proprietário para o provisionamento de serviços. O custo destes dispositivos, a logística necessária para sua instalação, espaço, energia e pessoal especializado para o desenvolvimento, integração e operação desses equipamentos, tornam o lançamento de um novo serviço algo extremamente complicado por parte das operadoras, limitando sua capacidade de acompanhar o avanço da tecnologia, que encurta significativamente o ciclo de vida dos equipamentos.

Primeiramente apresentada no SDN and OpenFlow World Congress em Darmstadt, Alemanha, a Virtualização de Funções de Rede (NFV - Network Functions Virtualization) consolida os serviços de telecomunicações de equipamentos proprietários em equipamentos genéricos, que poderiam ser instalados em datacenters ou PoPs (Points of Presence), se preocupando apenas com o desenvolvimento dos serviços por software.

O que é NFV (Network Functions Virtualization)?

NFV é a sigla para virtualização de funções de rede. Trata-se de um processo de arquitetura de rede que permite virtualizar nós da rede, como roteadores, firewalls e balanceadores de carga, executados tradicionalmente em hardware proprietário, de modo que eles possam se conectar para criar serviços de comunicação. Assim, transfere funções de rede de um hardware físico para máquinas virtuais.

Com a NFV, você não precisa ter um hardware dedicado para cada função de rede. Ela aumenta a escalabilidade e a agilidade porque possibilita que os provedores forneçam novas aplicações e serviços de rede sob demanda, sem exigir recursos de hardware adicionais.



Network Functions Virtualization


Arquitetura

VNFs

Funções de Rede Virtual

São serviços que eram previamente executados em hardware, como por exemplo, roteadores. Esses serviços podem ser interligados no encadeamento de serviços, quando são virtualizados. Esse encadeamento ajuda operadores de rede a automatizar o provisionamento de recursos para cada serviço, gerando uma visão mais centralizada das funções, proporcionando aos operadores um controle aprimorado da rede.

As VNF's são funções de rede que podem ser definidas por uma ou mais VM. Ou seja, um bloco dentro da NFVI que tem um comportamento funcional bem definido e com saídas bem definidas de modo a virtualizar serviços de rede é uma VNF.

NFVi

Infraestrutura de Virtualização de Funções de Rede

Consiste nos servidores, armazenamento, switches e recursos de computação necessários para criar ambientes NFV. Para abstrair as funções de rede do hardware físico, os operadores de rede criam uma camada de virtualização.

A NFVI é a camada de base para as VNF's. Ela possui três componentes, os recursos físicos, que são hardwares disponíveis para a virtualização de NF's, como CPU, memória e rede; os recursos virtuais, que definem as VM's (Virtual Machines) como abstrações da sub-camada de recursos físicos; por fim, o hypervisor, que coordena a alocação dos recursos físicos para a implementação das VM's.

MANO

Orquestração de Rede, Automação e Gerenciamento

MANO (Management and Orchestration) é uma parte essencial no gerenciamento e orquestramento de VNFs. Ele consiste de 3 componentes principais: NFVO (Network Functions Virtualization Orchestrator), que orquestra recursos de rede e gerencia o ciclo de vida dos serviços de rede; VNFM (Virtual Network Function Manager), responsável pelo ciclo de vida individual das VNFs e pela realização de operações sobre elas, além de se comunicar com o VIM para garantir a disponibilidade dos recursos necessários; e VIM (Virtualized Infrastructure Manager), que gerencia recursos de infraestrutura virtualizada, como computação, armazenamento e rede, interagindo diretamente com o hardware subjacente e tecnologias de virtualização para alocar e liberar recursos conforme necessário pelas VNFs. Juntos, esses componentes automatizam processos, melhoram a eficiência, permitem escalabilidade dinâmica e flexibilizam a implantação de serviços de rede.

Outra função dessa camada é fazer a conexão do ambiente virtual com OSS (Operations Support System) e BSS (Business Support System) para manter equipamentos legado que dão suporte a processos internos da operadora de serviço.


Diagrama da Arquitetura das NFVs


Vantagens

Redução de Custos

As VNFs (Virtual Network Functions) reduzem custos ao substituir hardware especializado por servidores padrão, diminuindo investimentos em equipamentos caros. Por exemplo, em vez de comprar roteadores físicos para cada local, uma operadora pode usar VNFs para executar funções de roteamento em servidores virtuais, economizando dinheiro em hardware e manutenção.


Flexibilidade e Elasticidade dos Recursos

Flexibilidade e escalabilidade são garantidas pelas VNFs ao virtualizarem funções de rede tradicionalmente baseadas em hardware. Isso permite que o ajuste rápido dos recursos seja realizado conforme a demanda, com a capacidade de rede sendo escalada sem a necessidade de novos equipamentos físicos, resultando em maior eficiência e agilidade na adaptação às necessidades dos usuários.


Agilidade na Implementação

Como não utiliza hardware dedicado, o tempo de provisionamento e configuração é bem reduzido, facilitando a adaptação rápida às mudanças de demanda e novos serviços. Com NFV, os provedores podem lançar novos serviços e expandir a infraestrutura de rede de maneira mais eficiente e flexível, acelerando o tempo de entrada no mercado.


Atualização Dinâmica

A virtualização de funções de rede (NFV) acelera o lançamento de novos serviços, aplicativos e atualizações em uma rede virtualizada. As redes virtuais permitem que operadores automatizem a implementação de funcionalidades e aplicativos por meio da implantação contínua. Após a aprovação em testes pré definidos, as atualizações são disponibilizadas aos usuários.

Aplicações

Encadeamento de Serviços: Os provedores de serviços de comunicação podem encadear e vincular serviços ou aplicativos e oferecê-los como um serviço sob-demanda, como por exemplo, firewall e otimização de rede SD-WAN.

Filial Definida por Software e SD-WAN: As NFVs (Funções de Rede Virtualizadas) podem definir a otimização da rede SD-WAN e a funcionalidade de segurança da SD-Branch, permitindo que essas funções sejam totalmente virtualizadas e oferecidas como um serviço.

Monitoramento e Segurança de Rede: Um firewall pode ser implementado utilizando NFV, permitindo o monitoramento dos fluxos de rede e aplicação de políticas de segurança para o tráfego roteado através de firewalls de modo virtualizado.

Telecomunicações: A NFV permite que operadoras virtualizem funções de rede como firewalls, roteadores e balanceadores de carga, resultando em maior flexibilidade e eficiência no gerenciamento da infraestrutura de rede.

Computação em Nuvem: A NFV se integra a soluções de orquestração como Kubernetes e OpenStack, permitindo a criação de redes dinâmicas que se adaptam rapidamente às mudanças nas demandas de serviço.

IoT: A NFV facilita a implementação e gerenciamento de redes que conectam milhões de dispositivos, garantindo a escalabilidade necessária para lidar com grandes volumes de dados.

Desafios e Contrapontos

Complexidade da Integração

A integração de soluções NFV com a infraestrutura existente pode ser complexa, exigindo tempo e recursos significativos para a adaptação.


Interoperabilidade

A necessidade de garantir que diferentes funções de rede virtualizadas (VNFs) de diversos fornecedores funcionem bem em conjunto pode ser desafiadora, especialmente em ambientes heterogêneos.


Gerenciamento e Orquestração

A orquestração eficiente de múltiplas VNFs e a gestão da infraestrutura virtualizada exigem ferramentas robustas e uma estratégia clara, o que pode ser desafiador de implementar. Para isso, é evidente a necessidade de abstrações consistentes na elaboração das funções de rede, utilizando protocolos de descoberta de serviços (Service Discovery Protocols - SDPs) e interfaces nas APIs. Essas interfaces, ajudam a abstrair os serviços para os clientes, facilitando a integração e a comunicação entre os diferentes componentes da rede virtualizada.


Segurança

A virtualização pode introduzir novas vulnerabilidades de segurança, exigindo medidas adicionais para proteger as funções de rede e a infraestrutura virtualizada. Assim como a virtualização de servidores, a aplicação de funções de rede sobre um conjunto de switches ou servidores pode resultar em falhas de segurança em sistemas operacionais de rede, nas interfaces entre funções de rede (NFs) e nas cadeias de serviços de VNFs. Em um data center com múltiplos servidores que possuem infraestrutura NFVi, diversos serviços e operações de rede compartilham recursos, tornando essencial garantir o isolamento dos locatários para preservar os contratos de SLA. Além disso, os clientes frequentemente precisam gerenciar os serviços contratados em diferentes níveis de operação. Portanto, a NFV deve oferecer uma exposição segura de suas APIs, garantindo que cada uma funcione de maneira independente, de modo que o gerenciamento de um cliente não interfira nas funções de rede de outro.


Desempenho

A performance das VNFs pode não ser igual à das soluções baseadas em hardware, especialmente em situações de alta demanda, exigindo otimizações e ajustes.

Tecnologias Relacionadas

SDN (Software Defined Networking)

A tecnologia SDN possui diversas características em comum com a tecnologia NFV, pois ambas se baseiam no conceito de virtualização de funções de rede. A arquitetura SDN é composta por três camadas principais: Camada de Infraestrutura, Camada de Controle e Camada de Aplicação. Ao contrário das redes tradicionais, o controle e gerenciamento da rede em SDN tornam-se programáveis, uma vez que estão desvinculados das funções de encaminhamento de dados (forwarding functions).

SDN e NFV podem ser vistas como tecnologias complementares, oferecendo uma solução integrada para redes. Por exemplo, aplicações de gerenciamento em um controlador SDN, como balanceamento de carga, monitoramento e análise de tráfego, podem ser tratadas como VNFs (Virtual Network Functions), aproveitando a flexibilidade e confiabilidade da tecnologia NFV. Por outro lado, a NFV pode se beneficiar da SDN, acelerando sua implementação ao possibilitar o encadeamento automático de funções, provisionamento e configuração da rede, entre outras vantagens.

Apesar das semelhanças, SDN e NFV são conceitos distintos, com objetivos diferentes. Enquanto a NFV busca desvincular as funções de rede dos dispositivos de hardware especializados, o SDN propõe a separação completa entre o controle e o gerenciamento da rede. Além disso, a NFV pode ser implementada em redes existentes, pois funciona em servidores e interage com o tráfego que lhes é direcionado. Já o SDN exige a construção de uma nova rede onde os planos de controle e dados estão separados.


Esquema de complementariedade entre NFV e SDN


Cloud Computing

Cloud Computing consiste no compartilhamento de recursos computacionais (redes, servidores, armazenamento, aplicações e serviços) que pode ser rapidamente disponibilizado com o mínimo de esforço operacional ou interação do provedor do serviço. Uma das principais características do modelo de computação em nuvem é a capacidade de permitir acesso de clientes de uma variedade de plataformas (celulares, tablets e laptops) ao recursos computacionais do provedor de serviço. Esses recursos podem ainda ser disponibilizados ou liberados rapidamente, frente à necessidade de se adaptar à uma maior demanda pelos mesmos. Além disso, os sistemas em nuvem conseguem fazer o controle e otimização dos seus recursos automaticamente, medindo a capacidade para cada tipo de serviço.

Existe uma correspondência clara entre o modelo IaaS do Cloud Computing e a camada NFVI, relacionada com os recursos físicos e virtuais, bem como entre o modelo de serviço SaaS com a camada VNF do NFV. Dessa forma, o NFV pode se beneficiar de um serviço de virtualização já existente, com grande capacidade de armazenamento e processamento, cuja rapidez de disponiblidade de recursos, controle e otimização automáticos dos mesmos, são de grande valor para a virtualização de funções de rede.

Os primeiros testes do NFV foram realizados e implementados em máquinas virtuais na nuvem, se beneficiando da flexibilidade da Cloud e do baixo custo. Entretanto, a aplicação em larga escala de funções de rede na nuvem apresenta um grande desafio, já que as redes de telecomunicações podem requisitar uma alta performance da nuvem, além de confiabilidade e disponibilidade dos serviços. Algo que, atualmente, é provido pela infraestrutura das empresas de telecomunicações.


Cloud Computing


Tendências para o Futuro das NFVs

O futuro das NFVs (Virtualização de Funções de Rede) é promissor, especialmente com a sua evolução contínua e o impacto significativo da rede 5G. A evolução do NFV se concentra em aprimorar a orquestração e a automação, permitindo um gerenciamento mais eficiente e escalável das funções de rede virtualizadas. Isso inclui o desenvolvimento de ferramentas que integram inteligência artificial e machine learning, otimizando o desempenho e a segurança. Por outro lado, a implementação do 5G traz novas oportunidades para as NFVs, permitindo uma maior densidade de dispositivos e a demanda por serviços mais rápidos e confiáveis. Com a latência reduzida e a capacidade de conectar um número elevado de dispositivos simultaneamente, o 5G exige que as redes se tornem mais flexíveis e dinâmicas, impulsionando ainda mais a adoção e inovação em NFVs para atender a essas novas exigências do mercado.



A escolha crescente por NFVs


Conclusão

O uso da tecnologia de virtualização é uma excelente saída para a diminuição da dependência de equipamento dedicado a cada aplicação, hardwares especializados em funções limitadas com pouca integração entre si. Um hardware genérico pode realizar diversas dessas funções, e as mesmas podem ser modificadas de maneira rápida, a partir da automação dos procedimentos operacionais de manutenção. Dimensionando os requisitos de conexão de acordo com a demanda, é possível fornecer o conteúdo de maneira resiliente, mas isto depende da qualidade do hardware que receberá as funções virtualizadas. A aplicação das técnicas fica limitada a manusear os custos de produção dos recursos de hardware e suas funções

Referências

[1] GTA

[2] IBM

[3] Wikipedia

[4] Juniper

Perguntas

1) Quais as três camadas das NFVs?

2) Qual a relação entre NFV e SDN?

3) Quais os principais desafios da NFV?

4) Como a NFV impacta a velocidade de inovação nas redes?

5) Como a NFV ajuda a reduzir custos nas empresas que utilizam redes?



Carolina Franck Abdu - Pedro Glaser de Senna - Rafaella Lenzi