SDN, NFV und Cloud CO
Intelligentere Netze
Ein Kommunikationsdienstleister (Communications Service Provider, CSP) sieht sich heute mit vielfältigen Herausforderungen konfrontiert. Netzbetreiber müssen mehrere Dinge unter einen Hut bringen: die nicht enden wollende Datenflut in den Griff bekommen, die Dienstleisterkonkurrenz in Schach halten, die betriebliche Effizienz verbessern und die Basis für die nächste Generation an Services legen, die auf Hochgeschwindigkeits-5G-Netzwerken laufen werden. Die erforderliche Flexibilität bringen SDN (Software-Defined Networking) und NFV (Network Functions Virtualization).
Insbesondere in den letzten zehn Jahren ist der Druck auf die Netzwerkinfrastruktur immer weiter gestiegen. 2005 übertrugen Netzwerke noch 1 PByte Daten pro Monat, hauptsächlich in Form von Sprach- und Textverkehr. Die zunehmende Funktionsfülle von Smart Devices sorgte dafür, dass der globale Datenverkehr von Mobilgeräten im letzten Jahr den Rekordwert von 3,7 EByte pro Monat erreichte. Milliarden von Endnutzern rechnen mit Zugang zu HD-Konferenztelefonie ebenso wie zu Video-Streaming, Social-Media-Netzwerken sowie standortbasierten Anwendungen wie etwa Kartendiensten.
Mittlerweile haben Mobilfunkanbieter den Übergang von der 2G- zur 3G- und 4G-Infrastruktur geschafft und die Festnetzbetreiber erreichen Übertragungsraten von 1 GBit/s je Haushalt, um den Kapazitäts- und Bandbreitenanforderungen zu entsprechen. Da nicht anzunehmen ist, dass sich das Datenvolumen in absehbarer Zeit reduziert, bleiben die Herausforderungen bestehen: Bis zu 50 Milliarden Geräte werden im Jahr 2020 voraussichtlich mit dem IoT (Internet of Things) verbunden sein. Außerdem ist die Entwicklung datenhungriger Technik wie 4K-Video, Augmented/Virtual Reality und vernetzter Autos bereits in vollem Gang. Es wird erwartet, dass Netzwerke bereits bis zum Ende dieses Jahrzehnts einen Anstieg des weltweiten Datenverkehrs um den Faktor acht bewältigen, sodass monatlich mehr als 30,6 EByte an Daten zu übertragen sind.
Um dem wachsenden Bedarf gerecht zu werden, haben CSPs bislang darauf gesetzt, ihre Leitstellen (Central Offices, COs) auf der ganzen Welt mit immer komplexeren, starren, funktionsgebundenen Geräten, Routern und Switches aufzurüsten. Das permanente Ausbauen und Aufrüsten der physischen Infrastruktur mit festem Funktionsumfang im Randbereich des Netzwerks ist jedoch teuer und ineffizient. Anlagen von Netzwerkbetreibern weisen in der Regel einen Nutzungsgrad von gerade einmal 20 Prozent auf. Der Grund hierfür ist, dass ältere Geräte wie etwa Basisstationen über den Tag gesehen oft sehr lange ungenutzt bleiben, da sich ihr Verwendungszweck nicht nach Bedarf anpasssen lässt.
Cloud Central Office
Das Cloud Central Office (Cloud CO) ist die natürliche Weiterentwicklung der bisher von CSPs genutzten Leitstellen. Das Konzept des Cloud CO soll Netzwerkbetreibern dabei helfen, veraltete Tools wie Breitband-Netzwerk-Gateways zu ersetzen und stattdessen die Vorteile von Virtualisierung und Cloud auszuschöpfen. Dank des Cloud-CO-Ansatzes können TK-Anbieter mit Mehrzweck-Netzwerk-Switches den Verkehr von Zugangsfunktionen auf virtualisierte Netzwerkfunktionen (Virtual Network Functions, VNFs) oder das Breitband-Kernnetzwerk umleiten. Der Zugriff auf die Cloud-CO-Funktionen erfolgt über eine Northbound-API, sodass Netzwerkbetreiber oder Dritte die Funktionen ohne Beeinträchtigung der Performance nutzen können. Erreichbar ist dies über Rechenknoten mit Virtualisierungssoftware, sodass man VNFs als virtuelle Maschine oder Container hosten kann. Carrier können diese VNFs selbst nutzen oder Dritten als Service bereitstellen. Diese Umstellung ist für die langfristige Geschäftsstrategie im Netzwerkbereich entscheidend, wie zum Beispiel die Analysten von Analysys Mason betonen.
Die Carrier lösen die klassischen Hardwaresysteme zunehmend mittels NFV und Automation ab und ersetzen sie durch agile, softwarebasierte Netzwerksysteme. Dafür gibt es vier Hauptanwendungsfälle:
1. Virtual CPE (Customer Premises Equipment, auf Kundenseite installierte Gerätschaft) erlaubt es dem CSP, Netzwerkfunktionen wie Routing, VPN und Firewall in der Cloud zu hosten oder virtuell vor Ort in der Niederlassung laufen zu lassen. Dies gibt dem Anwenderunternehmen die Freiheit, Services flexibel auszuwählen, da das aufwendige Ausrollen von Hardware in den Niederlassungen entfällt. Das Angebot für Netzwerkfunktionen auf Basis virtueller Maschinen (VCPE) wächst kontinuierlich mit steigender Leistungsfähigkeit und verbesserter Automation.
2. Ein Virtual IMS (IP Multimedia Subsystem) ist eine Netzwerklösung, die vielfältige Echtzeit-Kommunikations-Services für Unternehmen und Endnutzer bietet. Sie unterstützt alle Gerätetypen wie Smartphones, Tablets, Wearables, Laptops und Standardtelefone. Beispiele für Kommunikations-Services sind HD-Voice (Voice over LTE), Gespräche über WLAN, Multimedianachrichten, erweiterte Anrufdienste, Video-Calls, HD-Videokonferenzen und Web-Kommunikation. Auch diese IMS-Services lassen sich zentralisiert oder verteilt betreiben.
3. Mit einem Virtual EPC (Evolved Packet Core) kann ein CSP die Netzwerkkapazität in Echtzeit anpassen, Service-Anforderungen automatisieren und neueste Unternehmens- und Endnutzer-Services zur Verfügung stellen. VECP ermöglicht darüber hinaus dynamisches VNF-Service-Chaining, also die automatisierte Verkettung von Netzdiensten.
4. Ein SD-WAN (Software-Defined Wide Area Network) macht die Vorteile von NFV und SDN auch für den IP-Transport im WAN nutzbar. SD-WANs dienen CSPs als technische Voraussetzung dafür, die Wegwahl im VPN sowie im Internet zu steuern und damit die Bandbreite dynamisch zu regulieren oder spezifische Services aus Kosten- oder QoS-Gründen (Quality of Service) zu ändern. SD-WAN ist ein sehr aktuelles Thema, das sich stetig weiterentwickelt und NFV zwischen Cloud CO und Rechenzentrum nachhaltig unterstützt.
Management von SDN und NFV
Wichtigster Baustein eines erfolgreichen SDN- und NFV-Betriebs ist das Management der virtuellen Umgebung und der durchgängige Betrieb aller virtuellen Applikationen und Services. Die NFV-Referenzarchitektur des ETSI (European Telecommunications Standards Institute) definiert mit "Network Functions Virtualization Management und Orchestration" (NFV-MANO) ein Framework, dessen Management-Layer die drei Bereiche Virtualized Infrastructure Manager (VIM), NFV Orchestrator (NFVO) und VNF Manager (VNFM) umfasst.
Der VIM verwaltet und konfiguriert die für NFV benötigte Hardware und dient dazu, die Geschäftsvorteile der NFV-Architektur für den TK-Anbieter voll auszuschöpfen. Ein Beispiel hierfür sind IaaS-Provider, die sicherstellen müssen, dass Server, Netzwerk und Storage richtig mit den Onsite-Diensten funktionieren, und dass die Ressourcen dynamisch entsprechend der Anforderungen zugewiesen sind. Die VIM-Basislösung hat folgende Funktionen:
- Verwaltung des Inventars zugewiesener virtueller Ressourcen auf den physischen Geräten; der VIM kontrolliert Upgrades, die Zuweisung sowie die Freigabe von NFVI-Ressourcen (NFV Infrastructure) sowie die Security-Gruppenrichtlinien, um den Zugriff zu sichern;
- Unterstützung des restlichen Managements mit dem Verwalten und Bereitstellen von virtuellen Links, L2/L3-Netzwerken und Ports;
- Verwaltung des NFVI-Repositorys für das Management von Rechen-, Storage- und Netzwerk- sowie Software-komponenten (Hypervisors); sowie
- das Sammeln von Performance- und Fehlerinformationen, die Verwaltung von Software-Images (wenn von anderen NFV-MANO angefragt) und die Katalogisierung der virtuellen Ressourcen.
Grundsätzlich ist der VIM also die Verbindungsschicht zwischen Hard- und Software in der NFV-Welt. Viele Hersteller bieten VIMs an, um die Migration existierender IT-Infrastruktur in die Cloud zu vereinfachen, darunter VMware mit Vsphere. Im Open-Source-Bereich gibt es zudem Openstack, das mehr Funktionalität als ein normaler VIM hat, aber meistens als VIM implementiert ist. Viele Hersteller nutzen Openstack als Basis für ein VIM-Angebot - Beispiele hierfür sind Red Hat, Mirantis, Oracle und VMware.
Ressourcenverwaltung
Die Verwaltung der Ressourcen durch den NFV Orchestrator (NFVO) ist unerlässlich, um Rechen-, Storage- und Netzwerkressourcen sicherzustellen und damit NFV-Dienste liefern zu können. Dafür muss der NFVO mit dem VIM zusammenarbeiten oder direkt auf die NFVI-Ressourcen zugreifen. Der NFVO hat die Aufgabe, NVFI-Ressourcen zu koordinieren, zu autorisieren, zur Verfügung zu stellen und gegebenenfalls zurückzugeben. CSPs können per NFV Orchestrator, der meist über Northbound-APIs mit dem VIM kommuniziert, durchgängige Dienste über verschiedene VNFs anbieten.
Der VNF Manager (VNFM) wiederum ist eine wichtige Komponente aus dem NFV-MANO, um Funktionen des virtuellen Netzwerks und verbesserte Interoperabilität von SDN-Elementen zu standardisieren. Der VNFM ist verantwortlich für das Lifecycle-Management der VNFs unter Kontrolle des NFVOs: Dazu gehören neben der Installation und dem Start der VNFs die Skalierung von VNFs, deren Upgrade und Update sowie deren Stoppen oder Löschen. Somit arbeitet VFNM mit den anderen NFV-MANO-Funktionsblöcken VIM und NFVO zusammen und setzt einen Standard für die virtualisierten Netzwerkfunktionen. Der VNF-Markt ist noch sehr jung, kennzeichnet sich aber bereits durch eine gute Durchmischung von neuen Anbietern und etablierten Firmen. Dazu gehören derzeit Alcatel-Lucent (Nokia), Cisco, Ericsson, Huawei, NEC und VMware, vor allem im CSP-Umfeld.
Das vorrangige Ziel des Cloud-CO-Projekts ist die Erstellung eines erprobten und getesteten Blueprints für Dienstleister, Systemintegratoren sowie Anbieter von Software und Netzwerkfunktionen. Als Testumfeld für die Anwendungs- und Service-Entwicklung wird das Cloud CO neue Umsatzchancen eröffnen und technologische Silos vermeiden. Die Einrichtung einer Cloud-CO-Lösung hat auch einen überaus praktischen Vorteil. Sie eignet sich laut Broadband Forum (BBF) hervorragend für Anlagen, die über 10.000 Kunden versorgen. Dank seiner Flexibilität lässt sich das System über mehrere physische Standorte nach Bedarf erweitern.
Cloud-CO-Vorteile nutzen
Im Zentrum einer erfolgreichen Implementierung von Cloud CO stehen Techniken wie SDN und NFV. SDN vereinfacht Netzwerke durch die Zentralisierung der Ressourcensteuerung. Dies ermöglicht eine Bereitstellung nach Bedarf, den Lastenausgleich sowie eine Verschlankung der Infrastruktur. Gleichzeitig macht NFV funktionsgebundene Netzwerkgeräte mit Software auf Standard-Servern überflüssig.
Netzwerkbetreiber können in mehrfacher Hinsicht von der frühzeitigen Implementierung einer SDN- und NFV-Architektur profitieren. So wird sich die Rack-Scale-Architektur in separate Rechen-, Speicher- und Netzwerkressourcen auf Server-Ebene weiterentwickeln. Über Rack-Gruppen wird es möglich sein, Ressourcen bestimmten Anwendungen nach Bedarf zuzuweisen. Da die Infrastruktur rekonfigurierbar ist, lässt sie sich, wenn sich die Anwendungsanforderungen ändern, zum gewünschten Zeitpunkt auf die gewünschte Art anpassen. Mit Cloud CO als Grundlage eines programmierbaren, intelligenten Netzwerks sind Netzwerkbetreiber gut aufgestellt, um die Bedürfnisse von Unternehmen, Geschäftsanwendern und Verbrauchern zu erfüllen.
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