Was ist Network Functions Virtualization (NFV)?

Network Functions Virtualization (NFV) ist ein Netzwerkarchitekturkonzept, das Virtualisierung Technologien zum Verwalten und Bereitstellen von Netzwerkdiensten wie Firewalls, Load Balancern und Routern als softwarebasierte Funktionen.

Was ist Netzwerkfunktionsvirtualisierung?

Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen ist ein Netzwerkarchitektur-Framework, das Netzwerkfunktionen von proprietären Hardware Appliances, die es ermöglichen, diese in Software auf standardisierten, handelsüblichen servers. Durch die Virtualisierung von Funktionen wie Routing, Firewalls, Intrusion Detection Systems und Lastausgleich ermöglicht NFV Dienstanbietern und Unternehmen, Netzwerkdienste dynamischer und effizienter bereitzustellen und zu skalieren.

NFV basiert auf Virtualisierungstechnologien wie virtuelle Maschinen oder Containern und wird oft innerhalb cloud or data center Umgebungen. Ziel ist es, Hauptstadt und Betriebsausgaben, beschleunigen Sie die Bereitstellung von Diensten und verbessern Sie die Ressourcennutzung, indem Sie speziell entwickelte Hardware durch flexkompatible, softwaredefinierte Lösungen, die zentral verwaltet und orchestriert werden können.

NFV-Architektur

Die Virtualisierungsarchitektur für Netzwerkfunktionen ist ein mehrschichtiges Framework, das softwarebasierte Netzwerkfunktionen von der physischen Hardware trennt und so flexskalierbare und programmierbare Bereitstellung von Netzwerkdiensten. Dies sind die Hauptkomponenten:

• Virtualisierte Netzwerkfunktionen (VNFs) sind die Softwareimplementierungen von Netzwerkfunktionen, wie zum Beispiel Firewalls, Gateways und Load Balancer, die auf virtuellen Maschinen oder Containern ausgeführt werden. Jede VNF führt spezifische Aufgaben aus und kann mit anderen zu einem vollständigen Dienst verkettet werden.
• NFV-Infrastruktur (NFVI) stellt die physischen und virtuellen Ressourcen bereit, die zum Hosten und Ausführen der VNFs erforderlich sind. Dazu gehören die Rechen-, Speicher- und Netzwerkhardware sowie die Virtualisierungsschicht (wie z. B. Hypervisoren oder Behälter Laufzeiten), das diese physischen Ressourcen abstrahiert und es VNFs ermöglicht, unabhängig von der zugrunde liegenden Hardware zu arbeiten.
• Management und Orchestrierung (MANO) ist die Steuerungsebene der NFV-Architektur. Sie übernimmt das Lebenszyklusmanagement von VNFs, einschließlich deren Instanziierung, Skalierung, Reparatur, Überwachung und Beendigung. MANO verwaltet außerdem die Ressourcenzuweisung innerhalb der NFVI und koordiniert die Serviceverkettung. So wird sichergestellt, dass VNFs gemäß dem Servicedesign bereitgestellt und verbunden werden.

Wie funktioniert NFV?

Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen funktioniert durch die Umwandlung traditioneller hardwarebasierter Netzwerkdienste in softwarebasierte Anwendungen die auf virtualisierter Infrastruktur laufen. Anstatt dedizierte Appliances für jede Netzwerkfunktion zu verwenden, ermöglicht NFV den Betrieb dieser Funktionen als VNFs auf allgemeinen servers.

Der Prozess beginnt mit der Virtualisierung von Hardwareressourcen. Dabei werden Rechen-, Speicher- und Netzwerkfunktionen mithilfe von Hypervisoren oder Containertechnologien abstrahiert. Diese virtuellen Ressourcen dienen dann zum Hosten von VNFs, die dynamisch bereitgestellt, skaliert und verwaltet werden können, ohne die zugrunde liegende physische Infrastruktur zu verändern.

Das Management- und Orchestrierungssystem (MANO) von NFV automatisiert den Lebenszyklus von VNFs. Es übernimmt Aufgaben wie das Starten neuer Instanzen, die Überwachung der Leistung, das Hoch- und Herunterskalieren von Funktionen und das Management von Fehlern. MANO orchestriert zudem komplexe Dienste, indem es mehrere VNFs miteinander verkettet und so sicherstellt, dass der Datenverkehr sie in einer definierten Reihenfolge durchläuft.

Durch die Trennung der Netzwerkfunktionen von der Hardware ermöglicht NFV den Dienstanbietern, schnell auf Nachfrageänderungen zu reagieren, durch die Verwendung handelsüblicher Hardware Kosten zu senken und durch Automatisierung und zentrale Steuerung die betriebliche Flexibilität zu verbessern.

Beispiel für die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen

Ein gängiges Beispiel für die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen (NFV) ist die virtualisierte Firewall.

Traditionell wurden Firewalls als dedizierte Hardware-Appliances am Netzwerkrand eingesetzt. Bei NFV wird die Firewall-Funktion als VNF implementiert, die auf einem Standard- server innerhalb einer virtualisierten Umgebung. Diese virtuelle Firewall kann den Datenverkehr zwischen virtuellen Maschinen prüfen, filtern und steuern, cloud Umgebungen oder über data centers, genau wie eine physische Firewall.

Da die virtuelle Firewall softwarebasiert ist, kann sie dynamisch eingesetzt, je nach Verkehrslast skaliert und aktualisiert oder gepatcht werden, ohne dass Hardware ausgetauscht werden muss. Dienstanbieter nutzen virtuelle Firewalls häufig zum Schutz virtualisierter Netzwerksegmente oder zur Bereitstellung Firewall-as-a-Service (FWaaS) an Mieter in Umgebungen mit mehreren Mietern.

Anwendungsfälle für die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen

Hier sind einige wichtige Anwendungsfälle für NFV, die jeweils veranschaulichen, wie virtualisierte Netzwerkdienste verbessern flexFähigkeit, Skalierbarkeitund Effizienz:

• Virtuelle Firewalls (vFW). Virtuelle Firewalls schützen virtualisierte oder cloud-basierte Umgebungen durch Überprüfung und Filterung des Datenverkehrs ohne physische Geräte. Sie bieten dieselben Funktionen wie herkömmliche Firewalls, können aber je nach Bedarf oder Mandantenanforderungen dynamisch eingesetzt werden.
• Virtuelle Kundenendgeräte (vCPE). vCPE ersetzt physische Geräte, wie Router, Firewalls und WAN-Optimierer, bei Kunden vor Ort mit zentral verwalteten Softwarefunktionen. Dies reduziert die Hardwarekosten und ermöglicht eine schnelle Bereitstellung und Fernverwaltung von Diensten.
• Virtuell weiterentwickelter Paketkern (vEPC). In Mobilfunknetzen virtualisiert vEPC die Kernkomponenten, die für Datenrouting, Mobilitätsmanagement und Sitzungsverwaltung. Es ermöglicht Telekommunikationsanbietern, Dienste für LTE- und 5G-Netzwerke kostengünstiger und flexibler zu skalieren.
• Netzwerkadressübersetzung (NAT) als Dienst. Durch Virtualisierung NATkönnen Dienstanbieter zuweisen und verwalten IP-Adresse Zuordnungen ein cloud-native Umgebungen ohne Bereitstellung dedizierter Hardware, wodurch die Unterstützung elastischer Workloads und mehrerer Mandanten einfacher wird.
• Virtuelle Lastenausgleichsmodule. Virtuelle Load Balancer verteilen den Verkehr auf mehrere servers oder Dienstleistungen, die sicherstellen hohe Verfügbarkeit und optimale Leistung. Im Gegensatz zu hardwarebasierten Gegenstücken können sie sofort bereitgestellt oder skaliert werden, um sich an wechselnde Arbeitslasten anzupassen.
• Softwaredefinierte WAN-Gateways (SD-WAN). NFV ermöglicht die Virtualisierung von SD-WAN Edge-Geräte und -Controller ermöglichen eine zentrale Verwaltung und schnelle Bereitstellung sicherer, optimierter Weitverkehrsnetzwerke in Zweigstellen.
• Assistent Intrusion Detection/Präventionssysteme (vIDPS). vIDPS überwacht den Netzwerkverkehr in Echtzeit auf schädliche Aktivitäten und Richtlinienverstöße. Durch die Virtualisierung dieser Funktion kann sie dynamisch in bestimmten Zonen oder Segmenten des Netzwerks eingesetzt werden, was die Sicherheit erhöht.
• Content Delivery Network (CDN) Optimierung. NFV kann Komponenten von CDNs, wie Cache-Knoten und Tools zur Verkehrsoptimierung, virtualisieren. Dies trägt dazu bei, Inhalte effizienter bereitzustellen und gleichzeitig die Echtzeitnachfrage zu berücksichtigen. Latenz und Bandbreite Verwendung.

Was sind die Vorteile und Herausforderungen von NFV?

Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen bietet erhebliche Vorteile, da sie die Bereitstellung und Verwaltung von Netzwerkdiensten verändert, bringt aber auch neue Komplexitäten mit sich. Das Verständnis der Vorteile und Herausforderungen von NFV ist entscheidend, um die Auswirkungen auf Betriebseffizienz, Kosten, Skalierbarkeit und die allgemeine Netzwerkleistung bewerten zu können.

Vorteile von NFV

Hier sind die wichtigsten Vorteile der Virtualisierung von Netzwerkfunktionen, die jeweils zu einem agileren und kostengünstigeren Netzwerkbetrieb beitragen:

• Reduzierte Hardwarekosten. NFV macht proprietäre, speziell entwickelte Hardware überflüssig, indem Netzwerkfunktionen auf Standard- serversDies senkt die Investitionskosten und vereinfacht die Beschaffung und Wartung der Hardware.
• Schnellere Servicebereitstellung. Mit NFV können neue Netzwerkdienste als Softwareinstanzen innerhalb von Minuten statt Tagen oder Wochen bereitgestellt werden. Dies beschleunigt die Markteinführung und ermöglicht eine schnelle Reaktion auf Kundenanforderungen oder Datenverkehrsspitzen.
• Verbesserte Skalierbarkeit. NFV ermöglicht die dynamische Skalierung von VNFs basierend auf dem Echtzeitbedarf. Ressourcen können elastisch zugewiesen werden, was die Effizienz verbessert und eine konstante Leistung bei Spitzenlasten gewährleistet.
• Operative Agilität. Serviceprovider und Unternehmen können VNFs ohne physische Eingriffe einfach modifizieren, aktualisieren oder verlagern. Dies unterstützt DevOps Praktiken, Automatisierung und kontinuierliche Serviceinnovation.
• Zentralisierte Verwaltung und Automatisierung. NFV lässt sich in MANO-Systeme integrieren und ermöglicht so eine zentrale Kontrolle über Bereitstellung, Überwachung und Lebenszyklusmanagement. Dies reduziert manuelle Fehler und unterstützt die richtlinienbasierte Automatisierung.
• Mandantenfähigkeit und Service flexFähigkeit. NFV ermöglicht die Koexistenz isolierter VNFs für verschiedene Kunden oder Dienste auf einer gemeinsam genutzten Infrastruktur und ist daher ideal für Umgebungen mit mehreren Mandanten und anpassbare Serviceangebote.
• Energie- und Platzeffizienz. Durch die Konsolidierung von Netzwerkfunktionen auf weniger physischen Maschinen reduziert NFV den Stromverbrauch und den physischen Platzbedarf in data centers.

Herausforderungen von NFV

Hier sind die wichtigsten Herausforderungen von NFV mit kurzen Erklärungen:

• Leistungsaufwand. NFV basiert auf Virtualisierungsschichten, die im Vergleich zu dedizierter Hardware zu Latenzzeiten und einem geringeren Durchsatz führen können. Um eine hohe Leistung, insbesondere bei Echtzeit- oder bandbreitenintensiven Anwendungen, zu gewährleisten, ist eine sorgfältige Ressourcenzuweisung und -optimierung erforderlich.
• Komplexes Management und Orchestrierung. Die Verwaltung einer großen Anzahl von VNFs sowie deren Lebenszyklus und Verbindungen kann komplex sein. Das NFV MANO-Framework muss Rechen-, Speicher- und Netzwerkressourcen effizient koordinieren, was fortschrittliche Tools und Fachwissen erfordert.
• Interoperabilitätsprobleme. VNFs verschiedener Anbieter sind möglicherweise nicht vollständig kompatibel oder erfordern proprietäre Schnittstellen. Fehlende Standardisierung kann eine nahtlose Integration behindern und den Aufbau von Umgebungen mit mehreren Anbietern einschränken.
• Sicherheits Risikos. Virtualisierte Umgebungen können die Angriffsfläche. VNFs nutzen die physische Infrastruktur gemeinsam, wodurch das Risiko von Seitenkanalangriffen, Fehlkonfigurationen und unbefugtem Zugriff steigt, wenn Isolierung und Segmentierung nicht ordnungsgemäß durchgesetzt werden.
• Skalierbarkeitsengpässe. Obwohl NFV auf Skalierbarkeit ausgelegt ist, können unsachgemäßes Design oder unzureichende Infrastruktur zu Engpässen führen. Um sicherzustellen, dass VNFs linear skalieren und die Leistung auch unter Last aufrechterhalten, ist sorgfältige Planung erforderlich.
• Ressourcenkonflikte. Mehrere VNFs, die dieselben physischen Ressourcen gemeinsam nutzen, können zu Konflikten führen. CPU, Speicher oder I / O Bandbreite, insbesondere unter Spitzenlastbedingungen. Dies kann die Servicequalität beeinträchtigen, wenn es nicht effektiv verwaltet wird.
• Lücken im operativen Qualifikationsniveau. Der Übergang von der traditionellen hardwarebasierten Vernetzung zu NFV erfordert neue Fähigkeiten in der Virtualisierung, cloud Management und Software definiertes Netzwerken. Unternehmen stehen möglicherweise vor einer steilen Lernkurve und müssen in Schulungen und Neueinstellungen investieren.
• Zuverlässigkeit und Fehlerisolierung. Wenn viele VNFs auf derselben Infrastruktur laufen, kann ein Ausfall auf Host- oder Hypervisor-Ebene mehrere Dienste beeinträchtigen. Die Gewährleistung der Servicekontinuität und die Isolierung von Fehlern erfordern robuste Redundanz und Wiederherstellungsmechanismen.

NFV-Vergleich

Um die Rolle der NFS-Virtualisierung vollständig zu verstehen, ist ein Vergleich mit herkömmlichen Netzwerkarchitekturen und verwandten Technologien hilfreich. Dieser Abschnitt beschreibt, wie sich NFV von herkömmlichen hardwarebasierten Netzwerken und anderen Virtualisierungsmodellen unterscheidet und beleuchtet die Vorteile, Einschränkungen und geeigneten Anwendungsfälle.

NFV vs. SDN

Virtualisierung von Netzwerkfunktionen und Softwaredefiniertes Netzwerk (SDN) sind komplementäre Technologien, die beide darauf abzielen, die Netzwerkflexibilität zu erhöhen und die Abhängigkeit von proprietärer Hardware zu verringern, sie operieren jedoch auf unterschiedlichen Ebenen des Netzwerkstapels.

NFV konzentriert sich auf die Virtualisierung von Netzwerkdiensten, indem diese als Software auf Standard- serversund ersetzt dedizierte Geräte. Im Gegensatz dazu zentralisiert SDN die Netzwerksteuerung, indem es die Steuerungsebene von der Datenebene trennt und so ein dynamisches, programmierbares Verkehrsmanagement durch einen zentralen Controller ermöglicht.

Während NFV den Service verbessert flexSDN ermöglicht eine präzisere Kontrolle der Verkehrsströme und erhöht so die Verfügbarkeit und Effizienz der Bereitstellung. Zusammen können sie hoch flexkompatible, skalierbare und automatisierte Netzwerkumgebungen.

NFV vs. VNF

Die Virtualisierung von Netzwerkfunktionen ist das übergreifende Architektur-Framework, das die Virtualisierung von Netzwerkdiensten ermöglicht. Eine virtualisierte Netzwerkfunktion hingegen ist die individuelle Softwareimplementierung einer bestimmten Netzwerkfunktion innerhalb dieses Frameworks. NFV umfasst die gesamte Infrastruktur, einschließlich Rechenleistung, Speicher, Netzwerk und Verwaltung/Orchestrierung, die für die Bereitstellung und den Betrieb von VNFs erforderlich ist. Im Gegensatz dazu sind VNFs die eigentlichen Anwendungen, die Aufgaben wie Routing, Firewalling oder Lastenausgleich ausführen.

Im Wesentlichen stellt NFV die Umgebung und die Tools bereit und VNFs sind die funktionalen Bausteine, die innerhalb dieser Umgebung ausgeführt werden.

Was ist der Unterschied zwischen Cloud und NFV?

Der Hauptunterschied zwischen cloud Computing und NFV liegt in ihrem Zweck und Umfang. Cloud Computing ist ein umfassendes Paradigma, das Rechenleistung, Speicherkapazität und Softwaredienste skalierbar und bedarfsgerecht über das Internet bereitstellt und typischerweise allgemeine Anwendungen in vielen Branchen unterstützt. NFV hingegen ist ein netzwerkspezifischer Architekturansatz, der Netzwerkfunktionen, die traditionell auf dedizierter Hardware ausgeführt werden, virtualisiert und so auf Standard- servers.

Während NFV eingesetzt werden kann innerhalb cloud In Umgebungen konzentriert es sich speziell auf die Transformation der Bereitstellung von Netzwerkdiensten, während cloud Computing deckt ein breiteres Spektrum an IT-Servicemodellen ab, darunter IaaS, PaaSsowie SaaS.

Was ist die Zukunft von NFV?

Die Zukunft von NFV ist eng mit der Entwicklung von 5G verknüpft, Edge-Computingsowie cloud-native Vernetzung. Da Telekommunikationsbetreiber und Unternehmen zunehmend softwaredefinierte Infrastrukturen einsetzen, wird erwartet, dass NFV enger mit der Containerisierung integriert wird und Microservices, wodurch agilere, skalierbarere und leichtere Implementierungen durch Technologien wie Kubernetes.

Der anhaltende Wandel hin cloud-native VNFs, oft bezeichnet als cloud-native Netzwerkfunktionen (CNFs) werden die Automatisierung, die Ausfallsicherheit und die Service-Agilität weiter verbessern. Parallel dazu werden Fortschritte in AI-gesteuerte Orchestrierung und Netzwerk-Slicing tragen zur Optimierung der NFV-Leistung und Ressourcennutzung bei.

Zwar bestehen weiterhin Herausforderungen in Interoperabilität, Leistung und betrieblicher Komplexität wird NFV weiterhin eine grundlegende Rolle bei der Modernisierung von Netzwerkarchitekturen und der Unterstützung neuer Anwendungsfälle in den Bereichen Telekommunikation, IoTsowie Unternehmensnetzwerke.