Plataforma NFVIaaS para el operador de telecomunicaciones ETECSA

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(1)UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Plataforma NFVIaaS para el operador de telecomunicaciones ETECSA Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Maestría en Telemática. Autor: Ing. Abel Alfonso López Carbonell. Tutor: Dr. C. Ing. Héctor Cruz Enríquez. Santa Clara, Cuba, 2016.

(2) UNIVERSIDAD CENTRAL “MARTA ABREU” DE LAS VILLAS FACULTAD DE INGENIERIA ELECTRICA DEPARTAMENTO DE ELECTRÓNICA Y TELECOMUNICACIONES. Plataforma NFVIaaS para el operador de telecomunicaciones ETECSA Tesis presentada en opción al Título Académico de Máster en Telemática. Maestría en Telemática. Autor: Ing. Abel Alfonso López Carbonell ETECSA, abel.lopez@etecsa.cu. Tutor: Dr. C. Ing. Héctor Cruz Enríquez FIE, UCLV, hcruz@uclv.edu.cu. Santa Clara, Cuba, 2016.

(3) AGRADECIMIENTOS A mi familia y amigos, en especial a mi mamá. A mi papá, sé que estarás orgulloso. A Yami, apoyo incondicional. Al tutor Dr. Héctor Cruz, gracias por aceptar la propuesta y dedicar su valioso tiempo a este empeño y MSc. Lilian Rosa por trazarme el camino. Al colega de causa Yanko Marín, por su trabajo especial como colaborador. Al equipo de trabajo del proyecto Centro de Datos DPI que me ha acompañado en esta tarea, en especial a su proyectista general Armando Lecour por su profesionalidad. A mi directora Lidia E. Hidalgo por siempre confiar en mi propuesta y ayudar en hacerla realidad. Al equipo de trabajo, comercial y técnico de Huawei por su apoyo incondicional en especial a Li Yinlei, Maykel Suarez, Javier Baldevila y Eduardo Rodríguez. A mis colegas y amigos de grupo 5ta edición de la Maestría de Telemática, por estar juntos siempre, a mi equipo “Los 4” (Rolando Góngora, Miguel Fabregat y Yanko Marín). A los colegas del Centro de Capacitación de Villa Clara, en especial a Ana María y Rubersy. A mi grupo de trabajo, en especial a Anibal Febles por asumir mí tiempo de trabajo en la red de telecomunicaciones y a Aileen Forte y Sybel Alonso por su preocupación y ocupación. A los que me ayudaron en el escenario de pruebas, Reinier Consuegra y Ana Caridad. Al. equipo. de. trabajo,. comercial. -. y. técnico. de. ZTE..

(4) RESUMEN Debido a la necesidad del operador de telecomunicaciones ETECSA de un centro de datos diseñado para implementar las nuevas soluciones basadas en NFV y SDN se realiza un estudio del estado actual de las soluciones NFV en el mercado mundial para operadores de redes de telecomunicaciones y proveedores TIC. Mediante el análisis de los diferentes criterios de selección en el mercado para la definición de la infraestructura se seleccionan los elementos primarios para la solución NFVI y VIM. El diseño de la infraestructura para la virtualización de las funciones de red que se propone se evalúa analizando la efectividad de la propuesta en un laboratorio experimental. Como resultado de estudio se dimensionan aplicaciones de telecomunicaciones soportadas sobre NFVIaaS. El presente proyecto ofrece una solución de infraestructura para centro de datos consolidado que garantiza mediante la aplicación del modelo IaaS el soporte para la aplicación de soluciones NFV. Los resultados obtenidos demuestran la compatibilidad de la solución NFVI y VIM, lo cual contribuye al futuro desarrollo tecnológico de la infraestructura y su integración con la arquitectura MANO.. PALABRAS CLAVES Cloud Computing, NFV (Network Function Virtualization), NFVI (Network Function Virtualization Infrastructure),. VIM. (Virtualized. Infrastructure),. MANO..

(5) INDICE. INDICE. CAPITULO 1.. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones _________ 9. 1.1.. Introducción _______________________________________________________ 9. 1.2.. Nube de cómputo (Cloud Computing) como la base de NFV _______________ 13. 1.2.1.. 1.3.. Características esenciales y clasificación de la computación en la nube ____________ 13. Arquitectura de NFV definida por el ESTI _______________________________ 14. 1.3.1.. NFV como la directriz de las arquitecturas virtualizadas de red ___________________ 15. 1.3.2.. Arquitectura de Red Funcional para las NFV __________________________________ 15. 1.3.3.. Plataformas de código abierto para la conmutación en la nube __________________ 19. 1.3.4.. La orquestación en las NFV _______________________________________________ 20. 1.3.5.. La capa MANO en la NFV y su interacción con el OSS, BSS y las VNF _______________ 24. 1.4.. Elementos de red a virtualizar en los operadores ________________________ 25. 1.4.1.. 1.5.. Aplicaciones formalizadas como elementos de telecomunicaciones en NFV ________ 25. Análisis de las soluciones NFV presentada por los principales operadores /. proveedores. Casos de usos _________________________________________________ 28 1.5.1.. Los operadores en el desarrollo de las NFV___________________________________ 29. 1.5.2.. Soluciones NFV. Proveedores de soluciones TI tradicionales _____________________ 31. 1.5.2.1. El caso de VMware. Características generales de NFV en vCloud Director ________ 32. 1.5.2.2. El caso de CISCO. Características generales de NFV en la solución Cisco ESP ______ 33. 1.5.2.3. El caso de Dell. Características generales de NFV en la solución CloudNFV ________ 33. 1.5.2.4. El caso de HP. Características generales de NFV en la solución HP NFV System ____ 34. 1.5.2.5. Soluciones NFV. Proveedores de Telecomunicaciones ________________________ 35. 1.5.2.6. El caso de ZTE. Características generales de NFV en ZTE. ______________________ 35. 1.5.2.7. El caso de Nokia (previo Alcatel-Lucent). Características generales de NFV en. CloudBand ___________________________________________________________________ 36 1.5.2.8. 1.6.. El caso de Huawei. Características generales de NFV para FusionSphere _________ 37. Procedimiento de selección aplicable a proveedores para solución NFVIaaS. Caso. de Implementación ________________________________________________________ 38 1.6.1.. Procedimiento de selección propuesto ______________________________________ 38. 1.6.2.. Criterio de selección 1. Análisis de pruebas en laboratorios o casos de estudio. internacionales _________________________________________________________________ 39. i.

(6) INDICE 1.6.3.. Criterio de selección 2. Evaluación de soluciones con alcance extremo a extremo (E2E) 40. 1.6.4.. Criterio de selección 3. Estudio de los miembros en organizaciones que rigen los. estándares internacionales y cumplen con el mismo ____________________________________ 40 1.6.5.. Criterio de selección 4. Liderazgo en el mercado ______________________________ 41. 1.6.6.. Criterio de selección 5. Análisis de procesos de pruebas o casos de estudio. internacionales _________________________________________________________________ 41 1.6.7.. Criterio de selección 6. Comparaciones online realizados por expertos agrupados en. organizaciones sin fines de lucro (Free) ______________________________________________ 42 1.6.8.. Criterio de selección 7. Análisis sobre productos implementados en operadores. conocidos en previas implementaciones _____________________________________________ 43 1.6.9.. Criterio de selección 8. Estrategias internas del operador TELCO de acuerdo a su. experiencia con proveedores de tecnologías __________________________________________ 43. 1.7.. Conclusiones______________________________________________________ 46. CAPITULO 2. 2.1. Diseño de la NFVI en el operador de telecomunicaciones ETECSA __ 47. Introducción ______________________________________________________ 47. 2.1.1. Diseño lógico del proyecto. Alcance del proyecto y limitantes del laboratorio. experimental ___________________________________________________________________ 47 2.1.2. FusionSphere. Sistema de gestión en la nube _________________________________ 48. 2.1.3. Gestor de de Cómputo (GC). FusionCompute y vCenter _________________________ 50. 2.1.3.1. Tecnología de integración de FusionCompute con Nova ______________________ 55. 2.1.3.2. Tecnología de integración de FusionCompute y FusionStorage con Cinder _______ 56. 2.1.3.3. Tecnología de integración de FusionCompute con Neutron ___________________ 57. 2.1.3.4. Tecnología de integración de FusionCompute con Glance _____________________ 57. 2.1.3.5. Tecnología de integración de FusionCompute con Ceilometer _________________ 58. 2.2. Plataforma de software. Propuesta de Sistema Operativo para la nube ______ 59. 2.3. Componentes principales de la infraestructura de CD ____________________ 62. 2.3.1. Análisis de diseño para un CD _____________________________________________ 62. 2.3.2. Tipo de Centro de datos de la solución propuesta _____________________________ 63. 2.3.3. Análisis de la solución para equipamiento de Energía. UPS ______________________ 64. 2.3.4. Análisis de la solución para la climatización __________________________________ 66. 2.3.5. Análisis de la solución de red ______________________________________________ 66. 2.3.5.1. Análisis de la solución para equipamiento de red. ___________________________ 69. ii.

(7) INDICE 2.3.6. Análisis de la solución de almacenamiento ___________________________________ 71. 2.3.7. Análisis de la solución de servidores ________________________________________ 72. 2.4. Propuesta de hardware del servidor para soluciones NFV. Propuesta________ 73. 2.4.1. Características técnicas __________________________________________________ 73. 2.4.1.1. Descripción del módulo de red CX310 ____________________________________ 76. 2.4.1.2. Descripción del módulo de procesamiento CH121 ___________________________ 77. 2.5. Conclusiones______________________________________________________ 77. CAPITULO 3.. Evaluación experimental y dimensionamiento de aplicaciones. soportadas sobre la plataforma NFVIaaS __________________________________ 78 3.1. Introducción ______________________________________________________ 78. 3.2. Diseño propuesto para Centro de Datos. Componentes seleccionados _______ 78. 3.3. Laboratorio de pruebas para NFVI + VIM. Resultados. Testlab DPI-ETECSA ___ 79. 3.4. Dimensionamiento para casos en análisis sobre aplicaciones VNF en ETECSA _ 85. 3.4.1. Dimensionamiento para la solución FusionSphere _____________________________ 86. 3.4.2. Dimensionamiento para la solución vIMS Huawei _____________________________ 86. 3.4.3. Dimensionamiento para la solución vSBC Huawei _____________________________ 89. 3.4.4. Dimensionamiento para la solución vU2000 Huawei. Sistema de Gestión de elementos y. MANO. 90. 3.4.5. Cálculo total de recursos en vIMS Huawei y distribución en FusionCube ___________ 91. 3.4.6. Estudio económico. Análisis de la factibilidad _________________________________ 93. 3.5. Conclusiones______________________________________________________ 94. CONCLUSIONES GENERALES ____________________________________________________________ 95 RECOMENDACIONES _________________________________________________________________ 96 BIBLIOGRAFIA _______________________________________________________________________ 97 ANEXOS ___________________________________________________________________________ 100 ACRONIMOS _______________________________________________________________________ 113. iii.

(8) INTRODUCCION. INTRODUCCION Los fabricantes de equipos de telecomunicaciones desarrollan tradicionalmente sus productos sobre hardware propietario, optimizado para cada tipo de aplicación. Estos dispositivos no son capaces de soportar eficientemente otras funciones que no fueron incluidas en su diseño inicial. Actualmente las plataformas propietarias son las más efectivas para ciertas aplicaciones, sin embargo, muchos de los nodos de la red, específicamente su plano de control, pueden ser manejados con mayor eficiencia por el hardware de propósito general (COTS, Commercial Off-The-Shelf). En las redes tradicionales los proveedores de servicio (PS) se ven obligados a incorporar frecuentemente dispositivos de propósito particular para cumplir con las altas exigencias de los servicios avanzados que requieren sus clientes, estos dispositivos cumplen funciones de cortafuegos, balanceadores de carga, sistemas de detección de intrusos, inspección de paquetes, traductores de direcciones de red, control de sesiones de borde, control de sesiones multimedia, entre otros. De esta manera, se agrega mayor complejidad a la operación y el mantenimiento (O&M) de la red, el gasto asociado a la O&M (OPEX, Operating Expenditure) y a la inversión (CAPEX, Capital Expenditure) de los operadores se incrementa debido a que estos dispositivos de propósito específico son poco flexibles, energéticamente menos eficientes y costosos de gestionar. Uno de los procesos más importantes dentro la actual evolución tecnológica lo posibilita el hecho de la virtualización de los recursos de cómputo. El concepto de virtualización nace con la idea de mejorar la utilización de recursos tecnológicos mediante una agrupación común de éstos, que se pueden llegar a compartir de forma múltiple y centralizada. Estos recursos tecnológicos podrían incluir los servidores, servicios de almacenamiento y redes. Mediante la virtualización, los recursos pueden ser ubicados dinámicamente a través de las aplicaciones y procesos de una organización, siendo así una técnica que es utilizada para ocultar las características físicas de los recursos de una computadora, con relación a la forma en que otros sistemas, aplicaciones y/o usuarios interactúan con los recursos. La virtualización está permitiendo a los operadores de telecomunicaciones ser más competitivos frente a los operadores en la nube (OTT, Over-The-Top). La nube interna del operador, puede ser utilizada para ofrecer nuevas aplicaciones a los clientes como Infraestructura como Servicio (IaaS, Infrastructure as a Service), Software como Servicio (SaaS, Software as a Service) y Plataforma como Servicio (PaaS, Platform as a Service), ampliando la cantera de estos y entrando a competir directamente con proveedores de servicio de internet (ISP, Internet Service Provider).. 1.

(9) INTRODUCCION. Los servicios antes referidos se describen en el modelo de la computación en la nube (Cloud Computing), definido por el Instituto Nacional de Estándares y Tecnología en E.U (NIST). El mismo permite el acceso conveniente a través de la red y en cualquier lugar a un conjunto de recursos computacionales configurables (Ej. Redes, servidores, almacenamiento, aplicaciones y/o servicios) que pueden adicionarse o liberarse fácilmente con un mínimo esfuerzo por parte del proveedor de servicio. El modelo de nube posee características esenciales (Provisión de servicios bajo demanda, amplia red de acceso, agrupación de recursos, independencia de la ubicación, elasticidad y servicio ajustable) tres modelos de servicio (Infraestructura como Servicio, Plataforma como Servicio y Software como Servicio) y tres modelos de despliegue (Nube Pública, Privada e Híbrida). En la actualidad existen aportes por parte de operadores o proveedores de servicio que amplían estos conceptos. La aparición de paradigmas emergentes como la computación en la nube[1], virtualización de red (NV, Network Virtualization), redes definidas por software (SDN, Software Defined Network)[2],[3] y últimamente la virtualización de las funciones de la red (NFV, Network Function Virtualization)[4],[5], plantean nuevas posibilidades para la gestión de los recursos físicos y lógicos de las infraestructuras de red, con un impacto positivo en términos de agilidad y costo. Desde el punto de vista de los operadores de red, estas tecnologías pueden ayudar a reducir los costos de operación (OPEX) y costos de capital (CAPEX) [6]; además, facilitan la innovación en la red y abren la puerta a nuevas oportunidades de negocio. De acuerdo con el Grupo Industrial de Especificaciones de NFV (NFV-ISG, Industrial Specification Group) del Instituto Europeo de estandarización para las Telecomunicaciones (ETSI), conformado por fabricantes, vendedores de equipos, proveedores de tecnología y los principales operadores de redes de telecomunicaciones a nivel mundial; NFV explota las técnicas de la virtualización para convertir a los dispositivos de red en módulos virtuales [7]. Esta tecnología, virtualiza las funciones de red de los equipos de red tradicionales, convirtiéndolas en aplicaciones de software que pueden ejecutarse en un hardware de propósito general (Servidores COTS); permitiendo así que estas puedan intercambiarse entre diferentes lugares en la red en tiempo real, dependiendo de los requerimientos de los servicios y atendiendo a los acuerdos de niveles de servicio (SLA, Service Level Agreement). Por tanto, NFV evita utilizar nuevos equipos propietarios cuando se desee implementar un nuevo servicio de red.. 2.

(10) INTRODUCCION. El paradigma NFV está complementado por otras tecnologías como la virtualización de red y las redes definidas por software, las mismas no son dependientes pero sí conforman un grupo que se convierte en el camino a seguir de los actuales operadores de telecomunicaciones. Al igual que NFV, SDN supone una transformación en la arquitectura de red tradicional de los operadores de telecomunicaciones. En la arquitectura SDN, los planos de control y de datos son desacoplados, de forma que, la inteligencia de red es centralizada y la infraestructura de red subyacente se abstrae de las aplicaciones y servicios. La aplicación de estas soluciones reviste beneficios para las empresas y operadoras porque logran un mayor nivel de programación, automatización y control de la red, permitiendo una mayor escalabilidad, flexibilidad y adaptación a cambios. La separación de los planos de control y datos que ofrece SDN facilita, además, la virtualización de la red. Para NFV, la computación en la nube (Cloud Computing) es un facilitador. La aplicación coordinada de la nube y las redes para empresas, permite desarrollar servicios bajo demanda que ofrecerán alta disponibilidad y eficiencia en el capital para los clientes empresariales y operadores de red, identificados también como parte del campo de las aplicaciones en NFV. La computación en la nube soporta una variedad de aplicaciones en una infraestructura común [8]. La Infraestructura de Funciones de Red Virtualizada (NFVI, Network Function Virtualization Infrastructure) proporciona una infraestructura de recursos de cómputo común, que puede soportar una variedad de campos de aplicación formalizadas por ETSI y en vías de desarrollo mediante laboratorios de prueba o proyectos conjuntos en fase de implementación. Los operadores enfrentan grandes retos y requieren responder ante la demanda de sus clientes y la competencia de los OTT. El apilamiento de elementos de red no reutilizables (dedicados) conlleva inevitablemente a redes complejas y de alto costo. Las aplicaciones de software y plataformas de hardware están altamente acoplados, son elementos privados o propietarios, y esto implica que por la diversidad impliquen demoras para la entrega del servicio. En la actualidad el tiempo de implementación de las inversiones en los proveedores de servicio toma más de 1 año para su despliegue, debido a la necesidad de su desarrollo, período de pruebas de aceptación y luego la interconexión y pruebas de compatibilidad. La red se encuentra planificada para las horas promedios y no para los horarios de alta demanda por su característica de ser estática, el crecimiento del tráfico no es directamente proporcional al incremento de ingresos y la caída de los márgenes de ganancia. En las infraestructuras actuales hay poca inteligencia. 3.

(11) INTRODUCCION. adaptativa, el tráfico se tiene que adaptar manualmente por los especialistas, el aumento del tráfico indicará que el rendimiento de la red no siempre es el adecuado y la red no es autoajustable. Los operadores están trabajando en los métodos de cómo gestionar y operar de la mejor manera estas nuevas funciones dentro de la Arquitectura de Gestión y Orquestación (MANO, Management Architecture Network Orchestration) de NFV, además de la interrelación de éstas con sus actuales redes y sus sistemas de gestión. El objetivo final es administrar y gestionar estas nuevas funciones de red virtuales (VNF, Virtual Network Function) y su infraestructura, así como modificar los modelos de operación de la red actuales cuando se desplieguen estas VNF. El marco arquitectural NFV de ETSI, en conjunto con el sistema de gestión, deberá soportar la misma capacidad de servicio e impacto sobre el rendimiento, dentro de un acuerdo de nivel de servicio (SLA) cuando ocurre la transición desde la función de redes físicas (PNF, Physical Network Function) a las VNF y viceversa. Además, deberá ser capaz de inter-operar con sistemas de gestión heredados con un mínimo impacto en las interfaces y nodos de red existentes, ejemplos de sistemas de gestión son los OSS (Operations Support Systems), BSS (Bussines Support Systems), Sistema de Gestión de la Nube o Sistemas de Control de Balance de Carga, que podrían existir actualmente en las redes de los operadores. Con el fin de habilitar los SLA en las TELCO (referido a operadores de telecomunicaciones), es esencial que los recursos de infraestructura estén correctamente asignados a las VNF. El aprovechamiento de la capacidad de asignación interna de la memoria del servidor, los procesadores (CPU) y sus interfaces de entrada/salida (I/O, Input/Output) para las máquinas virtuales (VM), la utilización de la memoria para las búsquedas eficientes de la información, así como, la asignación directa de las interfaces de red a la máquina virtual; se convierten en temas esenciales para el aseguramiento de los SLA en términos de rendimiento, escalabilidad y elasticidad para las VNF; aportes heredados de la nube. ETECSA como operador de telecomunicaciones, está enfocada en la implementación de nuevos servicios basados en tecnologías novedosas. Se analizan en estos momentos las estrategias de implementación de centros de datos consolidados, de tal forma que garantice una infraestructura confiable y escalable para implementaciones a corto, mediano y largo plazo. Los servicios que hoy son soportados en la red del operador, no cuentan con una solución sólida que permita el despliegue de las nuevas tendencias para el desarrollo en las telecomunicaciones como lo son, las NFV y las SDN, por lo cual, crear las condiciones para ello reviste uno de los pilares para la introducción de nuevas tecnologías. 4.

(12) INTRODUCCION. En la actualidad el operador debe crear la infraestructura de centros de datos que soporte los nuevos modos y métodos para alcanzar altos despliegues de servicio, atendiendo a la topología, integración de redes, así como la relación entre los sistemas OSS / BSS y las NFV / SDN. Esto constituye un buen momento para tomar decisiones precisas basadas en estrategias que permitan el despliegue las nuevas implementaciones. El diseño de la red y su equipamiento debe ser más ágil y capaz de responder a la demanda de las necesidades dinámicas del tráfico y los servicios. Las soluciones SDN (Software Defined Networking) y NFV (Network Function Virtualization) transforman la red convencional y el funcionamiento actual con poca automaticidad, en una red que responde a servicios centralizados soportados sobre recursos de cómputo, red y almacenamiento que se virtualizan utilizando servidores de propósito general. Con tal propósito los operadores desarrollan centros de datos con la infraestructura necesaria para asumir el reto de estas nuevas tendencias y no sólo las tradicionales soluciones de TI (Tecnología de la Información). La situación problémica actual es que el operador de telecomunicaciones no dispone de un centro de datos diseñado para implementar las nuevas soluciones basadas en NFV y SDN. No se cuenta con una infraestructura virtualizada de funciones de red (NFVI) que garantice la virtualización de cómputo, red y almacenamiento para despliegue de aplicaciones NFV futuras. Relacionado con esta problemática, el problema científico de esta investigación es: ¿Cómo implementar. soluciones. NFV. que. respondan. a. los. requerimientos. del. operador. de. telecomunicaciones ETECSA? Precisamente la propuesta de este trabajo pretende definir elementos claves para la toma de decisiones, proponiendo soluciones concretas de infraestructura de centro de datos, NFVI y VIM, garantizando así que ETECSA esté preparada para asumir la demanda de las nuevas prestaciones evidentes en el mundo de las TI y TC (Tecnología de comunicaciones). Objetivo de la investigación: Proponer una plataforma NFVIaaS para el operador de telecomunicaciones ETECSA. Objetivos específicos: Seleccionar la solución NFVI para el operador de telecomunicaciones ETECSA. Diseñar la infraestructura para la virtualización de las funciones de red (NFVI) en el operador de telecomunicaciones ETECSA. 5.

(13) INTRODUCCION. Evaluar de forma experimental la efectividad de la propuesta NFVIaaS. Dimensionar aplicaciones de telecomunicaciones soportadas sobre NFVIaaS. Como resultado final del proyecto se pretende ofrecer una propuesta de infraestructura para un centro de datos que garantice el soporte para una plataforma virtualizada en el operador de telecomunicaciones ETECSA, con un gestor de infraestructura virtualizada (VIM) en un escenario de laboratorio, así como el dimensionamiento de aplicaciones para las telecomunicaciones como: vIMS, vSBC y v2000. La máxima de la propuesta es proveer recursos computacionales como infraestructura para las telecomunicaciones con diversidad de proveedores para el hardware de cómputo, NFVI y VIM. Objeto de estudio: Modelo macro de ETSI para NFVl, análisis para la virtualización de infraestructura de cómputo y aplicaciones de software para implementar una solución VIM en el operador de telecomunicaciones. Campo de acción: Centro de Datos del operador de telecomunicaciones y su infraestructura NFV. Tareas de investigación: Estudio del estado actual de las soluciones NFV en el mercado mundial para operadores de redes de telecomunicaciones y proveedores TIC (ICT, Information and Communication Technologies). Análisis los diferentes criterios de selección en el mercado para la definición de la infraestructura necesaria. Selección de los elementos de diseño lógicos y físicos para el centro de datos del operador, su plataforma de hardware y software para NFV. Implementación de un escenario de pruebas para la evaluación de la solución NFVIaaS propuesta. Dimensionamiento de aplicaciones de telecomunicaciones para la propuesta NFVIaaS. Con el objetivo de garantizar la implementación de centro de datos para soluciones NFV y su gestión, se pretende como novedad científica realizar una propuesta de los elementos necesarios para el diseño de un centro de datos que soporte la utilización de una solución NFVI y VIM para la implementación de soluciones NFV y SDN en el operador de telecomunicaciones. Las soluciones 6.

(14) INTRODUCCION. tradicionalmente empleadas en los operadores no conciben la aplicación de este tipo de soluciones. Crear las condiciones de infraestructura necesaria, con un centro de datos consolidado, novedoso y con aplicaciones de virtualización reconocidas mundialmente, es el punto de partida para un operador. con. visión. en. las. actuales. y. próximas. generaciones. tecnológicas. en. las. telecomunicaciones. Como aportes de la investigación se conocerá el estado actual de las soluciones para centro de datos en los operadores de telecomunicaciones, así como la tendencia y desarrollos de las herramientas de software para la implementación de soluciones NFV y las aplicaciones que se sustentan en este tipo de infraestructura. En la práctica, el desarrollo de este proyecto permite realizar en un laboratorio, la instalación de hipervisores, gestores de cómputo, así como el gestor de infraestructura virtualizada para cumplimentar la solución VIM, contribuyendo a la experiencia de los especialistas para asumir la operación de estas herramientas. La investigación se desarrolló utilizando los siguientes métodos y técnicas: Método histórico-lógico el cual permite visualizar la evolución de los centros de datos y las tecnologías de virtualización. Método analítico-sintético debido a la necesidad de trabajar sobre recursos de cómputo, almacenamiento y red (servidores) para la implementación en centro de datos. Método deductivo dado que se admiten los requerimientos y exigencias definidos por estándares internacionales y se aplican en las pruebas de laboratorio con especificaciones determinadas. Para responder los objetivos planteados se estructura el trabajo en: introducción, tres capítulos, conclusiones, recomendaciones y anexos. En la introducción se define la necesidad, actualidad e importancia del tema que se aborda. En el capítulo uno se realiza una descripción de los requerimientos de referencia funcional para soluciones NFV, se analiza el contexto actual, las tendencias, se caracterizan las soluciones NFV, se definen métodos de selección y se estudian las soluciones aplicadas por los operadores de telecomunicaciones y los proveedores de tecnologías arribando a conclusiones sobre la definición de los criterios de selección y tecnologías. En el segundo capítulo se definen, valoran y detallan las herramientas de virtualización empleadas para la solución NFVI atendiendo al modelo de referencia macro de ETSI descrito para NFV; así como la propuesta de un diseño lógico y físico de una infraestructura virtualizada de red para el operador de telecomunicaciones ETECSA en un centro de datos.. 7.

(15) INTRODUCCION. En el tercer capítulo se desarrolla cómo se analizan los resultados obtenidos de la implementación de los elementos propuestos sobre los servidores disponibles, así como los resultados del laboratorio para la compatibilización de la solución NFVI y VIM.. 8.

(16) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. CAPITULO 1. 1.1.. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Introducción. Las redes de telecomunicaciones modernas contienen una variedad de hardware propietario. El lanzamiento de nuevos servicios o reconfiguración de la red, exige la instalación de más equipos que a su vez requieren un espacio adicional, energía y recursos humanos capacitados. A medida que los ciclos de innovación siguen acelerándose, los equipos basados en hardware presentan ciclos de vida reducidos. Basta con tener una red cableada con equipos dedicados a funciones individuales para no conseguir ofertas de servicios dinámicos. El diseño de la red debe ser más ágil y capaz de responder a la demanda de las necesidades dinámicas del tráfico y los servicios de funcionamiento del mismo. SDN / NFV transforman la red convencional y el funcionamiento actual con poca automaticidad, en una red que responde a servicios centralizados basado en políticas de inteligencia y operaciones automáticas. Las tecnologías fundamentales para esto incluyen NFV (Network Function Virtualización) y SDN (Software Defined Networking), dos conceptos complementarios que se están desarrollando por las industrias de telecomunicaciones y TI. Conocer el estado actual de NFV, SDN y sus implementaciones, son la base de la realización de este trabajo de diploma. Según criterios de Ignacio Aldama Pérez, Arquitecto líder de ¨HP NFV Director¨,. en. la. industria. actual. ocurre. una. convergencia. entre. las. tecnologías. de. telecomunicaciones y de TI. Antes se necesitaba un edificio con servidores para necesidades IT y un edificio (o al menos otro piso del mismo) con conmutadores y enrutadores para las necesidades TELCO (referido a operadores de telecomunicaciones). El cambio es que ahora se puede utilizar el primero para el 90% de los servicios (consolidación de la infraestructura). Este cambio implica cambios organizativos, determinar quién es el responsable del CD, de los equipos tecnológicos, de las aplicaciones y su gestión, dado que la gestión de las VM necesita de la capa MANO en el caso TELCO y cambios físicos porque la infraestructura y la red cambian. Los avances en las tecnologías de desarrollo de hardware, software y de computación en la nube han dado lugar al desarrollo de software versátil en las industrias de TI y aplicaciones web. Estas metodologías se pueden utilizar para permitir la transformación de la red de telecomunicaciones para simplificar las operaciones, la administración, el mantenimiento y el aprovisionamiento y también para sentar las bases de la red en las nuevas tecnologías de acceso desde los diferentes elementos controladores (Ej. IMS y 5G).. 9.

(17) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Organismos de la industria están trabajando en aspectos y definiciones sobre las redes definidas por software (SDN) y la virtualización de las funciones de red (NFV). Sin embargo, la transformación de la red del operador ha empezado recientemente en comparación con las tecnologías de infraestructura. Esta arquitectura se consolida y mejora la existente por lo que SDN, NFV y su orquestación son ya alcanzables y operables. Este proyecto analiza dentro de sus contenidos las estructuras en la industria, desarrolladas para hacer frente a varios escenarios de operación que son críticos para la evolución de la red [9]. NFV transforma radicalmente la forma en que los operadores de servicio diseñan y dimensionan sus redes, permitiendo la consolidación de servicios de red en servidores, concentradores y sistemas de almacenamiento estándar que pueden ubicarse en centros de datos, nodos de red o en las zonas cercanas a los clientes finales. Sin lugar a dudas, NFV puede proporcionar beneficios significativos para los operadores de red y sus clientes, entre los que cabe destacar, la reducción de costos, la simplificación en el despliegue de nuevos servicios y la innovación. NFV permite reducir el CAPEX y OPEX a través de la reducción de los costos de equipamiento, consumo energético, logísticos y operaciones, entre otros. Facilita su operación y mantenimiento mediante la simplificación y automatización, reduciendo la necesidad de formación y personal especializado. NFV permite una utilización más eficiente de los recursos de hardware y licencias de software, mejorando la eficiencia, robustez y escalabilidad de la red y reduciendo drásticamente el tiempo y recursos dedicados a la planificación y su dimensionamiento. Si es necesaria más capacidad para una determinada aplicación, basta con generar dinámicamente copias adicionales de ella; mientras que si se necesita más capacidad de procesamiento agregada, basta con desplegar más servidores en el centro de datos. Los servidores que dejan de ser utilizados por una aplicación de red virtualizada, están disponibles para ser utilizadas por otras aplicaciones, lo cual no ocurre en el caso de utilizar hardware dedicado o propietario. La introducción de nuevos servicios en las redes de los operadores es muy lenta y costosa, enfrentándose en muchas ocasiones al creciente número y complejidad de equipos en sus redes. Esto supone un largo proceso de certificación con empleados especializados en cada uno de ellos. NFV permite acelerar el despliegue de nuevos servicios o modificaciones de los existentes, agilizando el retorno de la inversión. La compartición de recursos entre distintos servicios, aplicaciones y usuarios proporciona una mejor utilización de los recursos y una mayor flexibilidad para escalar. Los nuevos servicios se pueden introducir de forma más controlada y con menos 10.

(18) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. riesgos y costo, por ejemplo, se podrán probar sin tener que comprar nuevo hardware, sobre determinadas zonas geográficas o un grupo restringido de clientes y escalar rápidamente cuando se crea necesario. En caso de que el servicio no sea exitoso comercialmente o si los clientes sufren incidencias importantes, se podrá rápidamente dar de baja el servicio de la red, sin tener que asumir pérdidas importantes por la compra de infraestructura o un impacto mayor por haberlo lanzado a un grupo mayor de clientes. NFV permite acelerar la velocidad de innovación y la diferenciación de servicios, pues favorece el hecho que funciona sobre un ecosistema abierto con la ausencia del hardware propietario, de esta forma se reducen las barreras de entrada a nuevos proveedores de software.[10]. La computación en la nube soporta una variedad de aplicaciones en una infraestructura común, y la NFVI provee una infraestructura que puede soportar diferentes campos de aplicación para ofrecer los servicios de red extremo a extremo. El núcleo de estas tecnologías en la nube se basa en mecanismos de virtualización como la virtualización de hardware a través de hipervisores, el uso de conmutadores ethernet virtuales (por ejemplo vSwitch) para conectar el tráfico entre las máquinas virtuales y las interfaces físicas, además de almacenamiento desagregado, es decir, no asociado físicamente a las instancias virtualizadas. Las infraestructuras NFV proporcionan métodos para mejorar la disponibilidad de recursos y su uso por medio de mecanismos de orquestación y gestión aplicables a la creación de instancias automáticas de las VNF en la red, a la gestión de las VNF mediante la asignación de los recursos (CPU, memoria e interfaces), a la re-inicialización de máquinas virtuales fallidas, a la creación de las instantáneas (Snapshot, instancias en ejecución que pueden ser obtenidas creando una nueva imagen) de los estados correspondientes a las VM y al proceso de migración de máquinas virtuales[11]. La definición del NIST de computación en la nube (Cloud Computing), se emplea como base para el análisis de NFV de acuerdo a los términos y sus características esenciales, modelos de servicios y despliegue. A través de este estudio, NFV puede ser vista como un tipo de nube privada IaaS, donde las VNF se ejecutan como los servicios que un operador de red provee. El entorno de ejecución para las VNF se proporciona por el tipo de NFVI desplegada en varios puntos de presencia (POP, Point of Presence). La centralización de la gestión y el control de los datos resulta un beneficio para la nube, donde NFV ofrece los servicios de extremo a extremo en una NFVI distribuida geográficamente (Fig. 1.1).. 11.

(19) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. NFVI PoP #2 Extremo A. NFVI PoP #5. Extremo B. NFVI PoP #1 NFVI PoP #3. NFVI PoP #4. Fig. 1.1 Servicios extremo a extremo en una NFVI distribuida geográficamente.. Un servicio en NFV puede ser visto como un conjunto de funciones de red (NF, Network Function) organizadas dentro de un grafo ordenado (VNF-FG, Forwarding Graphs) el cual describe un servicio de extremo a extremo desplegado sobre redes virtuales. Por ejemplo, en un servicio de red específico los paquetes podrían enviarse a través de diferentes dispositivos de red como cortafuegos, inspector de paquetes, servidor de cifrado o monitor de red; los cuales serían los elementos del grafo de una cadena de servicio. El VNF-FG provee a un operador de red, el nivel de abstracción requerido para la composición dinámica, elástica y simplificada de los servicios (Fig. 1.2).. Fig. 1.2 Arquitectura de la infraestructura digital para servicios E2E. Fuente: ETSI [12].. En las topologías actuales y futuras, la coexistencia y compatibilidad de NFV con redes tradicionales son determinantes para su implementación. NFV deberá coexistir con equipos de red heredados siendo capaz de operar con redes híbridas, funciones de red física (PNF) y de red virtual (VNF). El proceso debe ser transicional, desde las actuales soluciones basadas en las PNF, hasta soluciones estándares más abiertas basadas en las VNF. La migración a NFV podría permitir la integración de múltiples PNF y VNF de diferentes proveedores, sin incurrir en una alta complejidad de integración; lo cual facilitará un ecosistema de múltiples proveedores[13]. 12.

(20) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. 1.2.. Nube de cómputo (Cloud Computing) como la base de NFV. Según la recomendación SP.800-145 del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST, National Institute of Standards and Technology), Cloud Computing es un modelo para habilitar el acceso conveniente por demanda a un conjunto compartido de recursos computacionales configurables, por ejemplo, redes, servidores, almacenamiento, aplicaciones y servicios que pueden ser rápidamente aprovisionados y liberados con un esfuerzo mínimo de administración o de interacción con el proveedor de servicios [10]. 1.2.1. Características esenciales y clasificación de la computación en la nube Existen necesidades que deben ser cubiertas con la implementación de la computación en la nube y de esta forma solidificar el desarrollo de NFV. Los modelos de servicio definidos como patrones en la nube se fundamentan en tres tipos: Software como Servicio (SaaS – Software as a Service). Esta es una capacidad que se refiere a que el consumidor utiliza las aplicaciones del proveedor en una infraestructura de nube. Un ejemplo lo constituye Microsoft Online Services con sus ofertas de correo electrónico, portales y mensajería instantánea. El cliente no administra ni controla la infraestructura que soporta estos servicios, pero sí algunos parámetros de configuración. Plataforma como servicio (PaaS – Platform as a Service). Esta capacidad le permite al cliente desplegar en la infraestructura del proveedor, aplicaciones creadas por sí mismo o adquiridas empleando lenguajes de programación y herramientas del proveedor. Un ejemplo los constituye la plataforma Windows Azure con aplicaciones como Windows Azure, SQL Azure y AppFabric. De igual forma, el consumidor no controla la infraestructura que soporta estos servicios, pero controla las aplicaciones o servicios desplegados que pueden permitir, en algunas situaciones, aprovisionar un servidor Web para ofrecer mejores tiempos de respuesta a sus clientes. Infraestructura como Servicio (IaaS – Infrastructure as a Service). Esta. capacidad. permite. al. consumidor. aprovisionar. recursos. computacionales. como. almacenamiento, procesamiento, redes y otros elementos fundamentales en donde el cliente puede desplegar y operar aplicaciones de software de cualquier fuente, incluyendo sistemas operacionales y aplicaciones como Amazon EC2 ubicada entre las más destacadas [14].. 13.

(21) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Los modelos de despliegue que se proponen para la nube son: Nube privada. La infraestructura de esta nube es operada únicamente para una organización. Puede ser administrada por la organización o por un tercero y puede existir dentro de la misma, dentro de la instalación (“on premises”) o fuera de la misma (off premises”). Nube comunitaria. La infraestructura de esta nube es compartida por varias organizaciones y soporta las necesidades de una comunidad particular sobre un tema específico, por ejemplo, seguridad, investigación, políticas o cumplimientos. Puede ser administrada por la organización o por un tercero y puede existir dentro de la misma, dentro de la instalación (“on premises”) o fuera de la misma (off premises”). Nube pública. La infraestructura de esta nube está disponible para el público en general o para un gran grupo de industrias y dicha infraestructura la provee una organización que vende servicios en la nube. Nube híbrida. Es la composición de dos o más nubes, por ejemplo privada y pública, que permanecen como entidades únicas pero que coexisten por tener tecnología que permite compartir datos o aplicaciones entre las mismas. Un escenario de despliegue podría ser una aplicación que se desarrolla y se prueba en una nube privada y luego se despliega en una nube pública. El proyecto actual NFVI + VIM como caso de estudio NFVIaaS contempla como base la utilización de una infraestructura basada en el modelo de servicio IaaS para el tipo de nube privada por la condición. de. estar. disponible. para. garantizar. las. aplicaciones. de. un. operador. de. telecomunicaciones al introducir en su infraestructura funciones de red virtualizadas.. 1.3.. Arquitectura de NFV definida por el ESTI. La estandarización de NFV es organizada por el ETSI (European Telecommunications Standards Institute). El ETSI NFV-ISG (Industry Specification Group) fue creado formalmente en Noviembre de 2012 por siete operadoras de telecomunicaciones (AT&T, BT, Deutsche Telekom, Orange, Telecom Italia, Telefónica y Verizon). El grupo está abierto tanto a organizaciones miembros o no de la ETSI y, hoy en día, está formada por más de 150 compañías, entre ellas las principales operadoras de. 14.

(22) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. telecomunicaciones, proveedores de infraestructura de telecomunicaciones y proveedores de tecnología de la información. 1.3.1. NFV como la directriz de las arquitecturas virtualizadas de red Aunque ETSI es una organización para el desarrollo de estándares, el objetivo de la NFV-ISG no es la producción de estándares, sino conseguir el consenso de la industria en los requerimientos técnicos y de negocio de NFV, acordando enfoques comunes para alcanzar una arquitectura única. Los resultados son publicados de forma pública y compartidos con los principales grupos de estandarización, foros industriales y consorcios como IETF, NGMN Alliance, ONF (Open Networing Fundation), TM Forum; con el fin de conseguir un esfuerzo de colaboración más amplio. Además de la dirección del ISG, el NOC (Network Operators Council) y el TSC (Technical Steering Committee), el NFV ISG se compone de varios grupos de trabajo (WG, Working Groups). En concreto, existen cuatro grupos de trabajo centrados en áreas específicas de NFV: INF (infraestructura), SWA (arquitectura software), MANO (gestión y orquestación) y REL (fiabilidad y disponibilidad). También hay dos grupos de expertos (EG, Expert Group) de carácter transversal: PER (rendimiento y portabilidad) y SEC (seguridad). Dentro de las organizaciones implicadas en la organización de NFV, ETSI y ONF han mantenido una fuerte colaboración desde la creación de la NFV-ISG en 2012. En marzo de 2014 firmaron un acuerdo estratégico de colaboración para impulsar el desarrollo conjunto de las especificaciones de NFV, lo cual sin duda acelerará la adopción además de las SDN, garantizando su desarrollo coordinado. Las dos organizaciones muestran su compromiso en soportar los requerimientos de los operadores y un enfoque complementario en el desarrollo de estándares, metodologías y compartición del conocimiento. ETSI NFV-ISG promoverá las pruebas de concepto que empleen tanto NFV como SDN para demostrar los beneficios de emplear conjuntamente ambas tecnologías[15]. 1.3.2. Arquitectura de Red Funcional para las NFV El objetivo de NFV es transformar la manera en que los operadores de red diseñan sus redes mediante la evolución de la tecnología de virtualización de servidores, con el fin de consolidar los diferentes tipos de funciones de red en equipos estándar de propósito general (servidores, conmutadores y dispositivos de almacenamiento); pueden estar ubicados en los centros de datos (CD), la red o cerca del usuario final. La tecnología NFV virtualiza las funciones de red de los equipos tradicionales, convirtiéndolas en aplicaciones software que puedan ejecutarse sobre el hardware de propósito general; permitiendo así, que estas puedan moverse entre diferentes 15.

(23) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. ubicaciones geográficas de la red, dependiendo de los requisitos de los servicios y en tiempo real. Por lo tanto, NFV evita utilizar nuevos equipos propietarios cada vez que se desee implementar un nuevo servicio de red y utiliza como paradigma otras tecnologías como la virtualización de red y las redes definidas por software[10]. En general, existen tres componentes principales en una arquitectura NFV de alto nivel, entre ellos están: las VNF, la infraestructura NFV (NFVI), la orquestación y gestión de NFV (NFV-MANO) (Fig. 1.3). Las VNF son instancias de funciones de red virtualizadas que colectivamente se conocen como servicio de red, se pueden instalar en una o múltiples máquinas virtuales (VM). En algunas situaciones las VNF pueden operar en las VM instaladas en sistemas operativos o directamente sobre el hardware y ser gestionadas por medio de hipervisores nativos. La VNF es administrada generalmente por un sistema de gestión de elementos (EMS, Elements Managment System) responsable de su creación, configuración, monitoreo, rendimiento y seguridad. El EMS se conecta con los sistemas de gestión de la red (NMS, Network Managment System) y las VNF, y proporciona la información fundamental requerida por los sistemas de soporte de operaciones (OSS) en el entorno de un proveedor de servicios. El OSS es un sistema de gestión que junto con los sistemas de soporte de negocio (BSS), ayudan a los proveedores a desplegar y gestionar diversos servicios de telecomunicaciones de extremo a extremo tales como: solicitudes de servicios, facturación, renovaciones, solución de problemas, entre otros. Las especificaciones de NFV se centran en la integración con soluciones OSS/BSS existentes o en fase de implementación.. 16.

(24) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Fig. 1.3 Arquitectura NFV de alto nivel.. La infraestructura de NFV, contiene todos los recursos de hardware y software que componen el ambiente NFV. NFVI incluye la conectividad de red entre diferentes ubicaciones por ejemplo entre los CD físicos o virtuales, así como entre las nubes híbridas, públicas o privadas. Los recursos físicos típicamente incluyen computación, almacenamiento y hardware de red que proporcionan el procesamiento, almacenamiento y la conectividad para las VNF, a través de la capa de virtualización que se encuentra por encima del hardware. NFVI abstrae los recursos físicos que pueden ser lógicamente particionados y asignados a las VNF para que realicen sus tareas determinadas por las aplicaciones implementadas. No existe una solución específica para un despliegue de NFV, más bien la arquitectura NFV puede aprovechar una capa de virtualización existente, tal como un hipervisor que simplemente sea capaz de extraer los recursos de hardware y asignarlos a las VNF. Cuando no está disponible el soporte del hipervisor, puede darse el caso que se alcance la capa de virtualización a través de un sistema operativo que añade software en la parte superior de un servidor no virtualizado o mediante la implementación de una VNF como una aplicación (Fig. 1.4).. 17.

(25) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Fig. 1.4 Marco del Modelo de Referencia ETSI.. El bloque de Orquestación y Gestión de NFV se compone por: orquestador, gestores de VNF y gestores de la infraestructura virtualizada (VIM, Virtualized Infrastructure Manager). Este bloque es responsable de la gestión y el mantenimiento de los repositorios de datos, puntos de referencia e interfaces que se utilizan para el intercambio de información entre todos los componentes que conforman un servicio, con el fin de garantizar la correcta operación de las VNF en la NFVI. El orquestador es el encargado de dirigir, gestionar y automatizar el servicio de red de extremo a extremo que es proporcionado por las VNF. Normalmente hay un solo Orquestador que supervisa la creación de un servicio de red. Los gestores de VNF, son responsables del ciclo de vida de tales funciones, incluyendo instancias, actualizaciones, consultas, escalamiento y terminación [16]. Múltiples gestores de VNF se pueden implementar. Según el entorno, un gestor puede ser requerido para cada VNF o puede estar a cargo de varias VNF. Los gestores de la infraestructura virtualizada son utilizados para controlar y gestionar la interacción de una VNF con la computación subyacente, almacenamiento y recursos de la red bajo su autoridad, proporcionar la visibilidad dentro de la gestión de la infraestructura y manejar la administración de recursos, incluyendo:. 18.

(26) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Supervisión de los recursos a disposición de la NFVI. Asignación de los facilitadores de virtualización. Gestión continua y cambios de asignación para optimizar la infraestructura. En el marco de la arquitectura NFV también se observan las interfaces que conectan los componentes de los bloques funcionales del marco arquitectural NFV. Al desplegar un servicio de red que despliegue un firewall y un DPI, entonces NFV-MANO se encargará de determinar dónde se ubicarán las VNF en la red física. Las VNF serán controladas tanto por los gestores de elementos (EMS) como por NFV-MANO, y la capa de virtualización ofrecerá los recursos físicos de las ubicaciones elegidas por NFV-MANO a las VNF. La adopción de NFV impone desafíos sobre los actuales modelos de despliegue implementados por los operadores de telecomunicaciones, de acuerdo a las revisiones realizadas se impone la colaboración entre las operaciones de TI y las TC. 1.3.3. Plataformas de código abierto para la conmutación en la nube Existen un conjunto de proyectos “Open-Source” o de código abierto distribuidos bajo los términos de la licencia Apache, con el objetivo de construir una plataforma de computación en la nube (CMP, Cloud Management Platform) para orquestar y gestionar distintos aspectos de una infraestructura para ofrecer los servicios. En la Tabla 1.1 se muestran varios proyectos que se orientan en función de alcanzar soluciones de software libre y que compiten en el mercado para poner a disposición sus productos. En la actualidad, a diferencia de soluciones anteriores en el mercado de las telecomunicaciones, la mayoría de las soluciones virtualizadas aunque poseen nombres comerciales que responden al proveedor final que las entrega en un alto porciento posee como núcleo la base de una de la versiones anteriormente expuestas. Uno de los casos más utilizado y ampliamente difundido es OpenStack. Tabla 1.1 Empresas desarrolladoras de plataformas virtualizadas basadas en software libre. OpenNebula. Eucalyptus. OpenStack. CloudStack. Tipo de Servicio. IaaS. IaaS. IaaS. IaaS. Escalabilidad. Escalable. Escalable. Escalable. Escalable. Interfaz. OCCI, EC2 Query, EBS, simple Sunstone cloud user view, UNIX-like CLI, Powerful Sunstone GUI, Ruby, Java, XML-. EC2, S3, EBS, Rest Interface. EC2, S3, RestFul API. Fácil uso con interfaz Web, CLI, Restful API, y compatible con EC2 y S3. 19.

(27) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones RPC API. Hipervisor. XEN, VMware. KVM,. VMware (ESX/ESXi), KVM, XEN. KVM, XEN, LXC, UML, VMware. VMware, KVM, XenServer, XEN, LXC. La comunidad OpenStack colabora en torno a un ciclo de lanzamiento con frecuencia semestral. Durante la fase de planificación de cada lanzamiento, la comunidad se reúne para la Cumbre de diseño con el objetivo de facilitar las sesiones de trabajo para desarrolladores y planificar los planes futuros. Más de 200 empresas están inmersas en el proyecto destacándose: AMD, Avaya, Brocade Communications Systems, Canonical, Cisco, Dell, Ericsson, Groupe Bull, HP, IBM, InkTank, Intel, NEC, Rackspace Hosting, Red Hat, SUSE Linux y VMware [17]. Finalmente, OpenStack es una plataforma de Cloud Computing o un conjunto de herramientas que orquestan diversas tecnologías como almacenamiento, redes y computación, incluyendo diferentes hipervisores como KVM, ESXi, Hyper-v, Xen entre otros [18]. 1.3.4. La orquestación en las NFV El proyecto MANO (Management and Orchestration) está actualmente en constante desarrollo. NFV MANO es un grupo de trabajo del ETSI ISG-NFV que propone una infraestructura para la administración, gestión y orquestación de los recursos en la nube de un centro de datos (Recursos de cómputo, red, almacenamiento, máquinas virtuales, funciones de redes virtuales y servicios de red). El grupo de la comunidad global Open Source MANO (OSM) está integrado por un total de 23 operadores y proveedores de equipamiento. Para la orquestación de las VNF se deben analizar los elementos del sistema que disponen los operadores de telecomunicaciones tradicionales atendiendo a la forma en que realizan la gestión de sus nodos. En una empresa operadora de servicio comúnmente se encuentran insertados los sistemas de gestión de red (NMS, Network Management System) y/o los sistemas de gestión de elementos (EMS, Element Management System). En el nivel superior de la empresa y garantizando la operación como un todo se debe disponer de una plataforma OSS (no es el caso de ETECSA), el mismo se interconecta a los elementos anteriores para poder recibir la información necesaria de los elementos de red y contribuir a la administración global de la red de telecomunicaciones (Fig. 1.5).. 20.

(28) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Fig. 1.5 Esquema relacional para los elementos de gestión y orquestación en NFV.. La arquitectura MANO incluye 3 funciones principales, cada una con sus funciones específicas las cuales se relacionan a continuación: Gestor de VNF (VNFM, VNF Manager). Un administrador de VNF es responsable de la gestión del ciclo de vida de cada VNF, durante la creación de instancias, actualización, consulta, escala y terminación. Los administradores de múltiples VNF, pueden ser desplegados en un sistema de gestión EMS, definiendo cada VNF y su API propietaria. Gestor de infraestructura virtualizada (VIM, Virtualized Infrastructure manager). Comúnmente son utilizados en las plataformas o sistemas como OpenStack o productos basados en este estándar o similares. Dentro de la solución NFV, el VIM comprende las funcionalidades que se utilizan para controlar y gestionar la interacción de una VNF con los recursos informáticos, de almacenamiento y de red bajo su autoridad, así como su virtualización. De acuerdo con la lista de los recursos de hardware especificados en la arquitectura, la infraestructura virtualizada realiza la gestión de recursos tales como: 1. El inventario de software por ejemplo hipervisores, la informática, los recursos de almacenamiento y de red dedicados a la infraestructura NFV. 2. La asignación de los facilitadores de virtualización, por ejemplo, las VM en hipervisores, los recursos de cómputo, almacenamiento y conectividad de red relevante. 3. La gestión de recursos de infraestructura y su asignación, por ejemplo, para aumentar los recursos a las VM, mejorar la energía, eficiencia, y recuperación. Por otra parte realiza operaciones encaminadas a: 1. La visibilidad y gestión de la infraestructura NFV. 21.

(29) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. 2. El análisis de la causa fundamental de los problemas de rendimiento a partir de. la. perspectiva de la NFVI. 3. La recolección de información de fallas de infraestructura y de información para la planificación de la capacidad, monitoreo y optimización. Orquestador NFV (NFVO, NFV Orchestrator). Es el encargado de la orquestación y gestión de los recursos de la infraestructura, del software NFV y de la ejecución de servicios de red en la NFVI. Dentro de sus características más relevantes se encuentran: 1. Responsable de la orquestación de los recursos y servicios. 2. Controla los recursos NFVI utilizando VIM. 3. Crea los servicios de topología extremo a extremo mediante los VNFM. 4. Puede residir en una VM o Servidor físico. 5. Gestiona la creación y ciclo de vida de varias VNF y la conectividad entre ellos. 6. Contiene un catálogo de las VNF y en algunos casos relaciones con servicios de la capa de gestión utilizando el OSS. Además de los elementos de alto nivel descritos, existen algunos componentes que definen la ejecución de una VNF (Fig. 1.6).. Fig. 1.6 Diagrama de componentes para una VNF. Basado en [4].. Estos elementos están descritos por la organización de estándares OASIS (Organization for the Advancement of Structured Information Standards) en el modelo de estándar TOSCA (Topology and Orchestration Specification for Cloud Applications), ellos son:. 22.

(30) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Contenedor de VNF (VNFC, Virtualization Container). Describe las características necesarias para los recursos de cómputo que dispondrá una VNF como son el procesamiento, almacenamiento, memoria requerida, reglas afines, necesidades de la red, QoS (Jitter, Demora, Perdida de Paquetes y tolerancia a fallos) para cada vLAN. Descriptor de VNF (VNFD, VNF Descriptor). Es una plantilla de implementación que describe los términos de su implementación y los requisitos de comportamiento para su funcionamiento. Contiene número del VNFC que contendrá los recursos de cómputo que deben estar disponibles para la instancia VNF. Descriptor de grafo para renvío (VNF-FGD, VNF Forwarding Graph Descriptor). Es una plantilla desarrollada que describe una topología de servicio de red o una porción de servicio de red, para referenciar los enlaces virtuales (VLD) que interconectan las redes físicas (PNF) y redes virtuales (VNF). Descriptor de enlace virtual (VLD, Virtual Link Descriptor). Es una plantilla que describe los recursos requeridos para establecer un enlace entre las PNF, VNF y los puntos finales del servicio de red, que se podría responder mediante las diversas opciones de enlace que están disponibles en el NFVI. Descriptor de función de red física (PNFD, Physical Network Function Descriptor). Describe la conectividad, interfaces y requerimientos de los enlaces virtuales para insertarlos en una función de red física [19]. El diagrama integrador para soluciones NFV muestra la interacción entre los diferentes elementos analizados, vinculando la lógica interna de funcionamiento con los elementos macro (Fig. 1.7).. 23.

(31) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Fig. 1.7 Diagrama integrador para soluciones NFV.. 1.3.5. La capa MANO en la NFV y su interacción con el OSS, BSS y las VNF El gran reto para los desarrolladores en la actualidad consiste en lograr un Orquestador (NFVO) que satisfaga los estándares y al mismo tiempo las necesidades de los operadores; el mismo debe combinar los sistemas de gestión EMS/NMS en un operador, con una solución integrada de gestión de NFV/SDN. De esta manera, permitirá a los operadores fijo-móviles afrontar los retos operativos de NFV y al mismo tiempo gestionar sus redes basadas en productos OSS/BSS existentes o en vías de implementación. Una solución basada en NFVO se divide en tres funciones de gestión que se relacionan a continuación: Orquestación de las máquinas virtuales y gestión del ciclo de vida de las VNF/VNFC, a través de un sistema MANO que proporcione una adaptación y coordinación global entre la infraestructura de NFV y los sistemas de gestión EMS/NMS. Orquestación de la conectividad utilizando una red SDN con políticas de conexión sobre las VM para conexiones internas entre los VNFC, interfaces de red VNF y el encadenamiento de servicios entre funciones NF (para VNF y PNF). 24.

(32) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Orquestación de la función de red mediante sistemas de gestión EMS/NMS que soporten la gestión del ciclo de vida de las NF para las redes físicas y virtuales, alcanzando una coordinación y aseguramiento orientados al servicio entre múltiples funciones PNF/VNF. El desarrollo de la NFV debe enfocarse en los siguientes aspectos claves: La estandarización industrial de los modelos de información de código abierto y extensibles como el TOSCA (Topology and Orchestration Specification for Cloud Applications) y el OVF (Open Virtual Machine Format). La exposición de los habilitadores de rendimiento (atributos de la infraestructura NFV) en el Gestor de Infraestructura Virtual (VIM) y en los descriptores OVF. La necesidad de construir una infraestructura NFV innovadora en cada capa del modelo MANO para las VNF, el Orquestador, la VIM y la NFVI. La habilidad de alcanzar rendimientos eficientes para la creación de los servicios y las VNF con los recursos de cómputo disponibles en la NFVI, logrando una asignación óptima de los mismos para las VNF. La demostración de diferentes técnicas de optimización (atributos de NFVI) en las VNF de manera que alcance una completa utilización de la capacidad de procesamiento del hardware destinada a la NFV.. 1.4.. Elementos de red a virtualizar en los operadores. Mientras que la mayoría de los proveedores de hardware y software de telecomunicaciones están participando en los ecosistemas para proporcionar una infraestructura NFV (NFVI), solo algunos están ofreciendo soluciones extremo a extremo bajo el criterio llave en mano. Proveedores de TI tradicionales tienden a ofrecer una amplia cartera de productos para apoyar a diferentes casos de uso, mientras que los nuevos operadores ofrecen soluciones individuales que pueden soportar múltiples configuraciones. Los proveedores de servicio (SP, Service Provider) pretenden evitar la dependencia de proveedores de equipos específicos y elegir entre varias soluciones, pero también están preocupados por el reto de la integración. 1.4.1. Aplicaciones formalizadas como elementos de telecomunicaciones en NFV De acuerdo a las investigaciones realizadas, el estándar definido por el ETSI en su documento de referencia[8], define los ambientes generales para la ejecución de las NFV. Aquellos que han 25.

(33) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. dedicado tiempo a las investigaciones sobre el tema, han realizado pruebas sobre escenarios más concretos para obtener soluciones específicas [20] (Fig. 1.8). A continuación se describen a modo de ilustración, algunos ejemplos de estas aplicaciones, cuya implementación ha sido ampliamente abordada en la literatura (Fig. 1.9).. Fig. 1.8 Funciones formalizadas y con potencialidad de virtualización.. En este apartado se describen las funciones que han sido ejecutadas en primer orden por los organismos en PoC, por los operadores en sus laboratorios primarios de virtualización y en las primeras ofertas comerciales. En el capítulo 3 se realiza el dimensionamiento para el caso de otras tres aplicaciones (vIMS, vSBC, vEMS).. Fig. 1.9 Valoración de la complejidad para determinados proyectos NFV. Fuente: HPE [11].. Redes de Entrega de Contenidos Virtuales (vCDN). En la actualidad la mayor parte de la capacidad en red está dedicada a servicios para los usuarios, utilizada para descargas o conexiones de vídeo. Este es el servicio más demandado y que exigirá aún más a las actuales arquitecturas de red.. 26.

(34) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. Las Redes de Entrega de Contenidos son el principal mecanismo para descargar el tráfico de vídeo de las redes internacionales y de algunas redes de área extendida (WAN, Wide Access Network). En lugar de enviar repetidamente el mismo contenido desde un servidor central, las redes CDN guardan el contenido en memorias caché próximas al usuario (CD) (Fig. 1.10).. Fig. 1.10 Topología de NFV sobre escenarios actuales.. La carga que impone a la red el tráfico de vídeo bajo demanda, se puede reducir aún más utilizando redes CDN especializadas o distribuyendo las plataformas de vídeo para guardar los contenidos en cachés que estén todavía más cerca de los usuarios que en la actualidad. Esto significa que los recursos de almacenamiento deben estar distribuidos en la red y no centralizados.. Redes de Acceso Radio Móvil Virtuales (vRAN) La tendencia en las redes móviles de utilizar sistemas de radio basado en celdas de dimensión reducida y redes de sensores para mejorar la cobertura y capacidad, significa que los elementos de. 27.

(35) Capítulo 1. Soluciones de NFV en operadores de telecomunicaciones. red están situados más próximos a los usuarios. La latencia en las redes de acceso móvil, incluso en LTE, requieren que algunos servicios estén altamente distribuidos. La red de acceso de radio virtual es una de las aplicaciones de NFV más sensibles a la latencia entre las identificadas por el Grupo de Especificaciones NFV del ETSI. La latencia de señal entre las cabeceras de radio remotas y las unidades de banda base, deben estar en un rango que va desde los microsegundos a unos pocos milisegundos. Esta condición limita la distancia de la fibra entre estos elementos a menos de 40 Km. Equipos en las Dependencias del Cliente Virtuales (vCPE) Los equipos en las dependencias del cliente para usuarios y empresas, como enrutadores XDSL, cortafuegos y decodificadores son los elementos de mayor presencia. Los proveedores de servicios están interesados en virtualizar las funciones de los equipos CPE para evitar costos en los desplazamientos al realizar el mantenimiento o las actualizaciones. Como parte del análisis de las tecnologías en esta investigación, se realiza un estudio sobre las soluciones que se encuentran en fase de laboratorio, pruebas pilotos o productos próximos al lanzamiento comercial aplicado por los principales operadores de telecomunicaciones o por los proveedores de tecnologías.. 1.5. Análisis de las soluciones NFV presentada por los principales operadores / proveedores. Casos de usos La visión a largo plazo para NFV (Virtualización de las Funciones de la Red) implica la orquestación ubicua y actualizada de infraestructuras, con capacidad de sostener todo tipo de VNF. La virtualización de las funciones de red debe estar en condiciones de monitorizar y administrar todas sus VNF a lo largo de su ciclo de vida, de forma tal que puedan apoyar eficazmente los servicios del cliente. Según el modelo de referencia ETSI, del lado NFVI (Infraestructura NFV) incluye hipervisores y conmutadores virtuales, sistemas operativos y chipsets habilitados para NFV cuyas capacidades deben ser reconocidas y orquestadas por el gestor de la infraestructura virtual de NFV (VIM), considerado en el algoritmo de colocación de VNF. Todos estos elementos demandan la necesidad de tener en cuenta la gestión y orquestación de las VNF, en cuanto a configuración, escalamiento, mejora y reparación. En la medida que la industria vaya avanzando, se van concretando mejor las interacciones entre los componentes de la arquitectura NFV, por lo que habrá un mayor consenso sobre las métricas utilizadas para referenciarlas. Cada vez será más fácil hacer realidad la visión completa de NFV. 28.