Luận án tiến sĩ mạng máy tính và truyền thông dữ liệu: Đề xuất giải pháp xấp xỉ và chính xác của điều khiển lưu lượng và đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng dịch vụ trong Ảo hóa chức năng mạng

Kết hợp với các yêu cầu về chất lượng cao, tính ổn định và sự tuân thủ nghiêm ngặt các giao thức dẫn đến chu kỳ thay thế sản phẩm kéo dài, tính tùy biến về quy mô dịch vụ mạng thấp, khả

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYÊN THỊ THÙY LIÊN

TRONG AO HÓA CHỨC NĂNG MẠNG

LUẬN ÁN TIẾN SĨ

MẠNG MAY TÍNH VA TRUYEN THONG DU LIEU

HÀ NỘI-2023

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

NGUYÊN THỊ THÙY LIÊN

ĐỀ XUẤT GIẢI PHAP XẤP Xi VÀ CHÍNH XÁC CUA

DIEU KHIỂN LƯU LƯỢNG VA DAM BẢO ĐỘ TIN CẬY

CHO CHUÔI CHỨC NĂNG DỊCH VỤ

TRONG ẢO HÓA CHỨC NĂNG MẠNG

Ngành: Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu

Chuyên ngành: Mạng máy tính và truyền thông dữ liệu

Mã số: 9480102.01

LUẬN AN TIEN SĨ MANG MAY TÍNH VÀ TRUYEN THONG DU LIEU

HÀ NỘI—2023

LỜI CAM ĐOAN

Nghiên cứu sinh cam đoan các kết quả khoa học được trình bày trong luận

ấn là công trình nghiên cứu của ban thân trong thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Dai học Công nghệ - Dai học Quốc gia Hà Nội dưới sự hướng dan

của tập thể hướng dẫn khoa học Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án

là hoàn toàn trung thực và chưa từng được các tác giả khác công bố Các kếtquả sử dụng tham khảo đều đã được trích dẫn đầy đủ và theo đúng quy định

Hà Nội, ngàu tháng nam 2022

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thùy Liên

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án này, nghiên cứu sinh đã

nhận được nhiều sự giúp đỡ và hỗ trợ quý báu Đầu tiên, nghiên cứu sinh xinđược bay tỏ lòng biết ơn sâu sắc tới PGS TS Hồ Si Dam và TS Pham TuanMinh đã hướng dẫn và định hướng khoa học cho nghiên cứu sinh trong suốt

quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành

cảm ơn các thầy cô ở bộ môn Mạng và truyền thông máy tính đã góp ý chuyênmôn, tạo điều kiện về nơi học tập và các thủ tục hành chính cho nghiên cứu

sinh trong quá trình nghiên cứu và hoàn thành luận án Nghiên cứu sinh xin chân thành cảm ơn Phòng Đào tạo, Trường Dai học Công nghệ - Dai học Quốc

gia Hà Nội đã tạo điều kiện để nghiên cứu sinh hoàn thành các thủ tục bảo vệ

luận án tiến sĩ Cuối cùng, nghiên cứu sinh xin gửi lời cảm ơn sâu sắc tới giađình, đồng nghiệp và bạn bè đã luôn động viên, giúp đỡ nghiên cứu sinh vượt

qua khó khăn để hoàn thành luận án.

Hà Nội, ngàu tháng nam 2023

Nghiên cứu sinh

Nguyễn Thị Thùy Liên

MỤC LỤC

DANH MỤC CAC TỪ VIET TAT VÀ THUẬT NGỮ iii

DANH MỤC CAC HÌNH VẼ Vv DANH MỤC CAC BẢNG viii

DANH MỤC KY HIỆU TOÁN HỌC ix

MỞ ĐẦU c0 22k no 1 CHUGNG 1 TONG QUAN VỀ AO HÓA CHỨC NĂNG MẠNG. 7 1.1 Công nghệ ảo héa sient tenet ees 7 1.2 Ao hóa chức NANG MANY eee eee eee na 10 1.2.1 Khái niệm NEV ng n tenes 10 1.2.2 Sự ra đời của NEV no 11 1.2.3 Kiến trúc NEV 220202002 hs 14 1.2.4 Dịch vụ mạng trong NEV xa 16 1.2.5 Độ tin cậy của dịch vụ mạng trong NEV 18

1.2.6 Một số hướng phát triển và ứng dụng của NFV 21

1.2.7 Các thách thức nghiên cứu trong NEYV 23

1.3 Khao sát các nghiên cứu liên quan - 26

1.3.1 Điều khiển lưu lượng đữ liệu và quản lý tài nguyên trong hệ thống 0 28 1.3.2 Đảm bảo độ tin cậy của các dịch vụ trong NEV 31

1.4 Đề xuất nghiên cứu và phương pháp tiếp cận 34

1.5 Kết luận chương - c2 2222222 38 CHƯƠNG 2 DIEU KHIEN LƯU LUGNG UNG DUNG ĐỊNH TUYEN DA DUGNG TRONG NEV 39

2.1 Đặt van đề cece cece cece cette eben en vn ky 39 2.2 Phát biểu bài toán eect eee hưu 45 2.3 Các mô hình tối ưu : 2c ence eens 50 2.3.1 Điều khiển lưu lượng xem xét sự đa dạng giữa các loại yêu cầu dich A 2.3.2 Diều khiển lưu lượng theo nhiều khoảng thời gian 53

2.3.3 Điều khiển lưu lượng theo sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ và nhiều khoảng thời gian ch nh kh hà xa ov 2.4 Giải thuật xấp XỈ ccc ete cence ences 59 2.4.1 Tối ưu hệ thống trọng số liên kết 60

2.4.2 Xác định phương án phân bổ lưu lượng 62

2.4.3 Dộ phức tạp thuật toán cu 65

2.5 Thực nghiệm đánh giá kết quả - 66

2.5.1 Các kịch bản thực nghiệm và thông số thiết lập 67

2.5.2 Đánh giá hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng khi xem xét sự

đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ -.: 70

2.5.3 Dánh giá hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng khi xem xét

các khoảng thời gian khác nhau - - 73

2.5.4 Dánh giá hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng khi xem xét

đồng thời sự đa dạng về loại yêu cầu dịch vụ và sự đa dạng lưu lượng trong

các khoảng thời gian khác nhau 75 2.6 Kết luận chương -.: cence nen ence eens 77

CHUGNG 3 DAM BAO ĐỘ TIN CAY CHO CHUỖI CHỨC NANG

MẠNG AO TRONG ĐIỆN TOÁN BIÊN 79

3.1 Đặt van dé cece cece cece cece beeen eben eneeenees 79

3.2 Phát biểu bài toán c2 eee nh esses 82

3.3 Tối ưu hóa vi trí triển khai VNFs và triển khai dự phòng cho các VNFs.

84

3.3.1 Mô hình tối ưu -.c 222222222 tenes 843.3.2 Giải thuật xấp XỈ 222022 n2 teen nha 87

3.4 Tối thiểu hóa chi phí triển khai dự phòng VNFs đảm bao độ tin cậy 92

3.4.1 Mô hình tối ưu cc c2 22222222222 92 3.4.2 Giải thuUẬt ccc nnn ng kh xo 95

3.5 Thực nghiệm đánh giá kết quả - 97

3.5.1 Các kịch bản thực nghiệm và thông số thiết lập 98

3.5.2 Dánh giá hiệu quả với bài toán tối ưu hóa vị trí triển khai VNFs và

triển khai dự phòng VNES co 100 3.5.3 Dánh giá hiệu quả với bài toán tối thiểu hóa chi phí triển khai dự

phòng VNES dam bảo độ tin cậy ca 103 3.6 Kết luận chương 22220022121 si 107

KẾT LUẬN ng nh nh nh nh yxy 109 DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH KHOA HỌC ĐÃ CÔNG BO CUA

LUẬN ÁN cence 0Q ee eeeeeneneneaenes 111

TÀI LIEU THAM KHẢO 112

1

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ THUẬT NGỮ

Viết tắt Tiếng Anh Tiếng Việt

D2D Device-to-device Thiét bi vdi thiét bi

ECMP Equal-Cost Multipath Thuật toán định tuyến da

đường theo kiểu phân chia lưu

lượng đi ra khỏi mỗi nút đều nhau trên nhiều đường bằng nhau

ED Traffic Engineering under dif- |Điều khiển lưu lượng có xem

ferentiated Demands xét su da dang vé yéu cau dich

vu

EP Traffic Engineering under mul- |Điều khiển lưu lượng theo

tiple time Periods nhiều khoảng thời gian

EDP Traffic Engineering under dif- | Diéu khiển lưu lượng theo sự đa

ferentiated Demands and mul- | dang về loại yêu cầu dịch vụ vàtiple time Periods nhiều khoảng thời gian

ETSI European Telecommunications | Vién Tiêu chuẩn Viễn thông

Standards Institute Chau Au

loT Internet of Things Internet van vat

MEC Mobile Edge Computing Điện toán biên di động

MILP Mixed Integer Linear Program- |Quy hoach tuyén tinh nguyén

ming hỗn hợp

NFV Network Function Virtualiza- |Ao hóa chức năng mang

tion

NF Network Function Chức năng mang

NFVI Network Functions Virtualiza- |Ha tang NFV

tion Infrastructure

11

NFV MANO |NFV Management and Orches- | Quản lý và điều phối NFV

tration

NIoT NFV-enabled Internet of |Hé thống IoT có triển khai

Things NFV

PN Physical Node Nút vật lý

SA Simulated Annealing Giải thuật mô phỏng luyện kim

SFC Service Function Chaining Chuỗi chức nang dịch vụ

SDN Software Defined Networking |Mạng điều khiển bằng phan

mềm

TE Traffic Engineering Diéu khiển lưu lượng

VM Virtual Machines Máy ảo

VNF Virtual Network Function Chức năng mạng ảo

iv

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Kiến trúc Ao hóa chức năng mạng [58] 15

Hình 1.2 Đồ thị biểu diễn dịch vụ mang đầu cuối |5] 17

Hình 1.3 Các chức năng mạng ảo được sắp xếp nối tiếp 19

Hình 1.4 Các chức năng mang ảo được sắp xếp song song 20

Hình 1.5 Sơ đồ giải thuật mô phỏng luyện kim 36

Hình 2.1 Kỹ thuật định tuyến đa đường Equal-Cost Multipath [89] 40

Hình 2.2 Topo mạng với 5 nút so 42 Hình 2.3 Phương án điều khiển lưu lượng khi không phan chia khoảng thời gian gà kg kg kg va 43 Hình 2.4 Phương án điều khiển lưu lượng khi phân chia theo khoảng thời gian và không điều chỉnh trọng số liên kết 44

Hình 2.5 Phương án điều khiển lưu lượng khi phân chia theo khoảng thời gian và điều chỉnh trọng số liên kết <1-5> 44

Hình 2.6 Lưu đồ giải thuật đề xuất 60

Hình 2.7 Minh họa các cấu trúc mạng sử dụng trong thực nghiệm 67

Hình 2.8 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự đa dạng của yêu cầu dịch vụ với bộ dit liệu Internet2 71

Hình 2.9 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự đa dạng của yêu cầu dịch vụ với bộ dữ liệu Bcube

Hình 2.10 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự đa dạng của yêu cầu dịch vụ với bộ dữ liệu Geam

Hình 2.11 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự đa dạng của yêu cầu dịch vụ với bộ dit liệu Two-tier

Hình 2.12 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự

đa dạng lưu lượng của yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ

Hình 2.13 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự

đa dạng lưu lượng của yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ

liệu Bcube Q Q Q Q Q Q Q Q u g v và v2 73

Hình 2.14 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự

đa dạng lưu lượng của yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ

Hình 2.15 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự

đa dạng lưu lượng của yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ

ligu Two-tier 1 ‹/- g au a a2 74

Hình 2.16 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét

đồng thời sự khác nhau về loại yêu cầu và sự đa dạng lưu lượngcủa yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ liệu Internet2 76

Hình 2.17 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét

đồng thời sự khác nhau về loại yêu cầu và sự đa dạng lưu lượngcủa yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ liệu Bcube 76

Hình 2.18 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét

đồng thời sự khác nhau về loại yêu cầu và sự đa dạng lưu lượngcủa yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ liệu Geant 77

Hình 2.19 Hiệu quả của giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét

đồng thời sự khác nhau về loại yêu cầu và sự đa dạng lưu lượngcủa yêu cầu dịch vụ theo thời gian với bộ dữ liệu Two-tier 77

Hình 3.1 Ví du triển khai dự phòng các chức năng mạng ảo 81

Hình 3.2 Một ví dụ về cau trúc mạng nhỏ mạng với kích thước nhỏ

gồm 5 nút biên và 5 nút IoT với các liên kết giữa các nút biên với

các nút biên và các nút biên với các nút IoT được sinh ngẫu nhiên 98

Hình 3.3 So sánh hiệu quả giữa giải thuật xấp xi SAN và giải thuật

tham lam GREEDY trong bài toán tối ưu hóa vị trí triển khai

VNI và triển khai dự phòng VNI với kịch bản medium network 100

vì

Hình 3.4 So sánh hiệu quả giữa giải pháp xấp xi SAN và giải thuật

tham lam GREEDY trong bài toán tối ưu hóa vị trí triển khai

VNE và triển khai dự phòng VNFs với kịch ban large network.

Hình 3.5 So sánh hiệu quả giữa giải pháp xấp xi SAN và giải thuật

tham lam GREEDY trong bài toán tối ưu hóa vị trí triển khai VNI và triển khai dự phòng VNI với kịch ban medium work có

sự giảm khả năng xử lý của các nút biên

Hình 3.6 So sánh hiệu quả giữa lời giải tối ưu và lời giải xấp xi trong

bài toán tối ưu hóa vị trí triển khai VNI và triển khai dự phòng

VNIR với kịch ban small network 2.0 0 Ặ Q Q Q Q

Hình 3.7 So sánh hiệu quả giữa các chiến lược lựa chọn VNFs để triển

khai dự phòng khác nhau với kịch bản medium nelUorE

Hình 3.8 So sánh hiệu quả giữa các chiến lược lựa chọn VNFs để triển

khai dự phòng khác nhau với kịch bản large network .

vii

101

Bảng 2.1

Bảng 2.2

Bảng 2.3

Bang 3.1

DANH MUC CAC BANG

Yêu cầu dich vụ với kịch ban topo mạng ð nút 42

Bảng tóm tắt các ký hiệu toán hoc 49

Các kịch bản thực nghiệm 67

Tóm tắt thông số ba kịch bản thực nghiệm 98

vili

Kha năng xử lý của nút v, đơn vị Hz.

Chi phí cần thiết để triển khai chức năng mạng ảo để xử lý

mỗi đơn vị lưu lượng dữ liệu tại nút k, đơn vị 8.

Tap các nút loT' gateway.

Tập các nút tại tầng biên

Tập các liên kết e trong hệ thống NFV

Băng thông của liên kết e € E, đơn vị bps

Diểm đầu của liên kết e.

Điểm cuối của liên kết e.

Tập các chức năng mạng ảo ƒ được cung cấp trong hệ thống

NEV P={1,2, ƒ }.

Tập các khoảng thời gian T = {1,2, ,f, }.

Đồ thị có hướng biểu diễn hệ thống NFV.

Chi phí định tuyến của liên kết e € trong khoảng thời gian

t7, đơn vị $.

Tài nguyên tính toán cần thiết để triển khai chức năng mạng

ảo ƒ xử lý mỗi đơn vị lưu lượng dữ liệu.

Tài nguyên cần thiết để triển khai chức năng mạng ƒ xử lý

mỗi đơn vị dữ liệu tại nút v.

Độ tin cậy của chức năng mạng ảo f.

Độ tin cậy của nút vật lý k.

Tập các yêu cầu dich vu trong hệ thống NFV D =

{1,2, ,d, } Trong đó d là yêu cầu dịch vụ trong hệ thốngNFV, mỗi yêu cầu dịch vụ được đặc tả bởi bộ thông số

(sa, ta, hạ, Fa) hoặc (sa, ta, hat, Fu).

Tập các yêu cầu dich vụ yêu cầu hệ thống phục vụ day đủ lưu

lượng.

Tập các yêu cầu dịch vụ yêu cầu hệ thống phục vụ đầy đủhoặc một phần lưu lượng tùy theo khả năng

ix

Yêu cau dịch vụ trong hệ thống NFV được đặc tả bởi bộ thông

sỐ (5q, tạ, hạ, Fy) hoặc (sa, tạ, hat, Fy)

Yêu cầu dịch vụ đi qua IoT gateway g € Va: dụ = (hạ, ag Fụ).Lưu lượng dit liệu của yêu cầu dịch vụ d hoặc dụ, don vi bps

Lưu lượng dữ liệu của yêu cầu dich vụ d € D tai khoảng thời gian £ € 7, don vi bps.

Độ tin cậy cần đạt được của yêu cầu dịch vụ đi qua IoT

gateway g.

Nút nguồn của yêu cầu dich vụ đe D

Nút đích của yêu cầu dịch vụ đe D

Chuỗi các chức năng mạng ảo được yêu cầu bởi yêu cầu dịch

vụ đ hoặc d, tương ứng.

Tập các đường đi khả dụng trong hệ thống NFV

Tập các đường đi khả dung cho yêu cầu dịch vụ d

Nút v có khả năng cung cấp chức năng mạng ảo thứ i trongchuỗi chức năng mang #}; của yêu cầu dịch vụ d nếu kyg = 1,

ngược lại kyg; = 0.

Nút ø có kha năng cung cấp chức năng mạng ảo thứ 7 trongchuỗi chức năng mang Fy của yêu cầu dịch vụ d tại khoảngthời gian £ nếu kygy = 1, ngược lại kya = 0

Băng thông lớn nhất trong tất cả các liên kết.

Biến nhị phân biểu diễn liên kết e nằm trên đường đi p của

yêu cầu dịch vụ d nếu Z¿„z = 1, ngược lại Z¿„„ = 0

Biến nhị phân biểu diễn liên kết e nằm trên đường đi p của

yêu cầu dich vụ d tại khoảng thời gian £ nếu Zepq = 1, ngược

lại Zepat = 0.

Biến nhị phân biểu diễn liên kết e nằm trên đường đi ngắn

nhất từ nút i, đến nút ø nếu ue, = 1, ngược lại uey = 0.

Độ dài ngắn nhất của các đường đi từ nút wu đến nút v

Lưu lượng dữ liệu được gán cho các liên kết đi ra khỏi nút u

và nằm trên đường đi ngắn nhất từ nút u đến nút v

Lưu lượng dữ liệu được gán cho các liên kết đi ra khỏi nút u

và nằm trên đường đi ngắn nhất từ nút u đến nút v tại khoảng

thời gian £ € 7.

Trọng số của liên kết e.

Ti lệ yêu cầu dịch vụ được phục vu tại khoảng thời gian £ € 7.

Tỉ lệ yêu lưu lượng di liệu được phục vụ bởi hệ thống tại

khoảng thời gian t € T.

Tỉ lệ chi phí định tuyến tại khoảng thời gian ¿ € 7.

Giá trị nhỏ nhất của tỉ lệ các yêu cầu dịch vụ được phục vụtrong tất cả các khoảng thời gian

Giá trị nhỏ nhất của tỉ lệ lưu lượng giữ liệu được phục vụtrong tất cả các khoảng thời gian

Giá trị lớn nhất của chi phí định tuyến trong tất cả các khoảng thời gian.

Biến nhị phân chỉ thị nút k có triển khai chuỗi dịch vụ cho

yêu cau dy hay không Nếu nút k cung cấp chuỗi dịch vụ choyêu cầu dich vụ dy thì yf = 1, ngược lại yf = 0

Biến nhị phân chỉ thị nút # có triển khai dự phòng cho chuỗi dịch vụ của yêu cầu dịch vu dy hay không Nếu nút k triển

khai dự phòng cho yêu cầu dịch vụ dg thì By = l1, ngược lại

Lượng tài nguyên tính toán được cấp phát để triển khai các

primary VNFs và full-backup VNI trên nút k.

xi

Tham số đại diện vị trí tối ưu để triển khai primary SFC của

yêu cầu dy Nếu nút k cung cấp chuỗi primary SFC cho yêucầu dịch vụ dy thì yf = 1, ngược lại yf = 0

Tham số đại diện vị trí tối ưu để triển khai full-backup SFC

của yêu cau d„ Nếu nút k cung cấp chuỗi full-backup SFCSFC cho yêu cầu dịch vụ dụ thì 67 = 1, ngược lại Bf = 0

Số bản dự phòng thêm cho chức năng mạng ảo primary VNF

ƒ trong chuỗi dịch vụ của yêu cầu dịch vụ dụ

Số bản dự phòng thêm cho chức năng mạng ảo full-backupVNF ƒ trong chuỗi dịch vụ của yêu cầu dịch vụ dy

Lượng tài nguyên tính toán cần thiết để triển khai dự phòng

MO DAU

1 Bối cảnh nghiên cứu

Ảo hóa chức năng mang (Network Function Virtualization - NFV) là một

hướng tiếp cận mới trong mô hình kiến trúc của các mạng truyền thông Mặc

dù các thiết bị mạng và mạng truyền thông dữ liệu đang được phát triển, cải

tiến theo thời gian và ngày càng trở lên nhanh hơn, linh hoạt hơn với dung lượng

cao hơn Tuy nhiên, sự phát triển của các thiết bị mạng và mạng truyền thông

vẫn luôn phải đối mặt với những thách thức mới do các dịch vụ đám mây mang

lại như cơ sở hạ tầng để hỗ trợ cho các yêu cầu và dịch vụ để hoạt động hiệu quả

hơn Vẫn đề đảm bảo hiệu năng mạng và việc nâng cấp các chức năng, thiết bị

mạng để đáp ứng sự thay đổi liên tục về quy mô và yêu cầu của tổ chức đòi hỏi

chi phí đầu tư rất lớn Một giải pháp hiệu quả đó là xây dựng hệ thống mạngtruyền thông dựa trên công nghệ Ảo hóa chức năng mạng.

Trong mạng truyền thống, chức năng mang (Network Function - NF) thườngđược thực thi trên các thiết bị vật lý chuyên dụng và một thiết bị thường cung

cấp một chức năng mạng Kết hợp với các yêu cầu về chất lượng cao, tính ổn

định và sự tuân thủ nghiêm ngặt các giao thức dẫn đến chu kỳ thay thế sản

phẩm kéo dài, tính tùy biến về quy mô dịch vụ mạng thấp, khả năng triển khai

và cung cấp dịch vụ mạng mới phụ thuộc nặng nề vào các thiết bị phần cứngchuyên dụng Trong khi đó, yêu cầu của người dùng ngày càng cao và liên tục

thay đổi cùng với sự gia tăng theo cấp số nhân về nhu cầu băng thông từ các

ứng dụng video, IoT, va các thiết bị di động đòi hỏi các nhà cung cấp dich vụ

viễn thông phải không ngừng tìm cách mở rộng các dịch vụ mạng của mình và

thay thế, nâng cấp các thiết bị vật lý thường xuyên liên tục Hơn nữa, nếu nhàcung cấp dịch vụ muốn mở rộng phạm vi khách hàng, hay mở rộng hệ thốngmạng tại vị trí mới sẽ kéo theo một loạt các yêu cầu về đầu tư thiết bị Ảo hóachức năng mạng ra đời giúp nhà cung cấp dịch vụ mạng giải quyết các van dé

của hệ thống mạng truyền thống bằng cách ảo hóa các chức năng mạng vào

trong các ứng dụng phần mềm chạy trên các máy ảo hoạt động trên các máy

chủ Bên cạnh đó, NFV cho phép phát triển và ứng dung các kỹ thuật tối ưu

mạng mới nhằm cung cấp các dịch vụ mạng có khả năng tùy biến cao đáp ứng

yêu cầu thay đổi về các dịch vụ trong mạng, quy mô và chất lượng mạng của

khách hàng một cách linh hoạt và nhanh chóng Với NEV, các chức năng mạng

khác nhau có thể triển khai tại các vị trí khác nhau trong mạng như trung tâm

dữ liệu hoặc các nút mạng theo yêu cầu Qua đó NFV hứa hẹn khả năng phat

triển các dịch vụ mạng mới nhanh hơn, rẻ hơn, hiện thực hóa các dịch vụ mạng

tốt hơn đồng thời cho phép tùy chỉnh khả năng xử lý của mạng theo nhu cầu

của người dùng [9ð|.

Mặc dù NFV đã được chứng minh về tính hiệu quả cao trong việc tùy biến

về quy mô và hiệu năng mang cũng như tối thiểu chi phí đầu tư tuy nhiên mô

hình NFV vẫn trong thời kỳ hình thành và phát triển do vậy còn nhiều khía

cạnh quan trong cần được nghiên cứu NFV đang được Viện Tiêu chuẩn Viễn

thông Chau Âu (European Telecommunications Standards Institute - ETSI) và

nhóm đặc trách nghiên cứu Internet (Internet Research Task Force - IRTF)

nghiên cứu để phát triển các tiêu chuẩn [5, 43] Những nhà cung cấp dẫn đầu thị trường về sản phẩm thiết bị truyền thông như Ericsson, Nokia, Alcatel-

Lucent và Huawei đã công bố nâng cấp thiết bị hỗ trợ NFV Nhiều bài toán

phát sinh trong quá trình triển khai NFV đã và đang được tập trung nghiên

cứu và giải quyết góp phan phát triển NFV như kiến trúc của NFV (37, 39, 65],

hiệu năng của NFV [25, 42, 20, 99, 21, 47, 83, 53], quản lý điều phối hoạt động

các chức năng mạng [47, 12, 59, 47], đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi dịch vụ [11, 9, 86, 92, 85, 30, 73, 75, 28, 97, 51, 14] và bảo mật trong NFV [34, 32].

2 Các vần đề còn tồn tại

Các chức năng mạng ảo (Virtual Network Function - VNF) đóng một vai

trò quan trọng trong toàn bộ kiến trúc NFV vì những người khởi xướng NFV

hướng tới tổng quát hóa phần cứng và triển khai các chức năng mạng dưới dạng

phần mềm Do đó, đảm bảo hiệu năng mạng trong NFV là một trong những

2

thách thức không nhỏ khi mà các chức năng mạng được ảo hóa và được cung

cấp rải rác trong mạng Các tiêu chí hiệu năng mạng được tập trung nghiên

cứu gồm có tối đa lưu lượng dữ liệu trong các hệ thống NFV [44, 7S], tối thiểu

độ trễ [92, 94, 45], cân bằng tải |69, 68], kiểm soát tắc nghẽn [21, 56], tính khả

dụng và độ tin cậy của các dịch vụ mang [92, 85, 9] Các thách thức mới

được đặt ra là làm thế nào để quản lý, kiểm soát và triển khai chỉ tiết các chức

năng mạng một cách hiệu quả với từng mục đích tối ưu hóa khác nhau khi mà

các nút mạng hỗ trợ NFV Thêm vào đó, rất khó để tìm ra các giải pháp tối

ưu, đặc biệt là trong mạng quy mô lớn do đặc điểm NP-khó của việc đặt vị trí

VNF [8] Do đó, nhiều thách thức liên quan đến thuật toán và hệ thống thiết kế

triển khai chức năng mạng Một số giải pháp được nghiên cứu nhằm đảm bảo hiệu năng mang trong NFV được quan tâm như: Diéu khiển lưu lượng dữ liệu [44, 33, 56, 27, 21, 67, 68, 69, 66], quản lý tài nguyên và tối ưu vị trí triển khai VNF [35, 11, 56, 86, 92], di chuyển VNF [27], cũng như triển khai dự phòng

[30, 73, 23, 39].

Hiện tại, đã có một số nghiên cứu liên quan đến điều khiển lưu lượng nhằm

dam bảo hiệu năng mạng trong NFV |44, 33, 64, 78, 54, 27] Tuy nhiên, chưa

có nghiên cứu đầy đủ nào tập trung xem xét sự đa dạng của lưu lượng dữ liệu

trong các khoảng thời gian khác nhau trong mạng cũng như đảm bảo độ tin cậy

của chuỗi dịch vụ trước sự hoạt động không ổn định của nút mạng Vì vậy, luận

án đề xuất nghiên cứu giải pháp điều khiển lưu lượng hiệu quả có xem xét đến

sự đa dạng về yêu cầu lưu lượng dữ liệu theo thời gian, sự đa dạng về loại yêucầu dịch vụ và giải pháp đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mạng ảo trong

hệ thống NFV

3 Mục tiêu nghiên cứu

Xuất phát từ những vẫn đề còn tồn tại ở trên, luận án sẽ tập trung thực hiện

hai nội dung khoa học chính như sau:

(i) Nghiên cứu cải thiện hiệu năng mạng dựa trên điều khiển lưu lượng trong

hệ thống NFV;

(ii) Nghiên cứu đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng mang ảo trong hệ thống

NFV.

4 Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu

a Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

Luận án thực hiện mô hình hóa và phân tích tìm giải pháp cải thiện hiệu

năng mạng cho các hệ thống mạng ảo hóa chức năng mạng dựa trên điều khiển

lưu lượng và đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng dịch vụ.

b Phương pháp nghiên cứu

Phương pháp nghiên cứu được sử dụng trong luận án là mô hình hóa và thực

nghiệm đánh giá kết quả Đầu tiên, luận án mô hình hóa các bài toán dưới dạng

mô hình toán học Tiếp đó đề xuất các giải thuật cho phép tìm lời giải xấp xỉ

cho bài toán Cuối cùng, các tính toán về mặt lý thuyết được kiểm chứng thông

qua mô phỏng số trên máy tính và đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất

5 Các đóng góp chính của luận án

Luận án đã đạt được các kết quả nghiên cứu và đóng góp chính như sau:

e Trong đóng góp đầu tiên, luận án đã đề xuất giải pháp điều khiển lưu lượng

có xem xét sự đa dạng về loại dịch vụ, sự da dạng về lưu lượng dữ liệu

trong nhiều khoảng thời gian và ứng dụng định tuyến đa đường cho lưu

lượng dịch vụ nhằm dam bảo hiệu năng mạng trong môi trường NFV Kết

quả thực nghiệm chỉ ra rằng một chiến lược điều khiển lưu lượng tổng hợp

xem xét sự đa dạng về các loại yêu cầu dịch vụ và sự đa dạng của lưu lượng

dữ liệu trong các khoảng thời gian khác nhau có thể làm tăng đáng kể hiệu

suất của hệ thống NFV nhờ vào tính năng cung cấp của thành phan dịch

vụ được tạo ra một cách đồng bộ trong NFVKết quả được công bố trong các công trình [C1], [J1] trong danh mục cáccông trình đã công bố của luận án

e Trong đóng góp thứ hai, luận án đã đề xuất giải pháp triển khai dự phòng

chức năng mạng ảo hiệu quả về chi phí và dam bảo độ tin cậy cho chuỗi chức

4

năng dịch vụ trong điện toán biên có triển khai NFV Kết quả thực nghiệm cho thấy rằng giải pháp được đề xuất gần như tối ưu và giảm đáng kể thời

gian tính toán để tìm vị trí thích hợp triển khai các VNF và các VNF dự

phòng Hơn nữa thực nghiệm cũng cho thấy chiến lược lựa chọn VNF được

đề xuất để triển khai dự phòng hiệu quả, giúp tiết kiệm từ 30-40% chi phí triển khai dự phòng với cùng tỷ lệ các yêu cầu dịch vụ được phục vụ.

Kết quả được công bố trong công trình [J2] trong danh mục các công trình

đã công bố của luận án

6 Bồ cục của luận án

Với các đóng góp của luận án đã được nghiên cứu sinh trình bày ở mục trên,

luận án được kết cấu thành ba chương với bố cục như sau:

e Chương 1 trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến các vấn đề nghiên cứu

của luận án bao gồm: Các kiến thức tổng quan về Ao hóa chức năng mạng gồm công nghệ Ảo hóa và sự ra đời của Ao hóa chức năng mạng, các đặc

điểm của Ao hóa chức năng mạng và dịch vụ mạng cũng như các thách thức nghiên cứu trong Ảo hóa các chức năng mạng; các khảo sát các nghiên cứu

liên quan, trong đó tập trung đề cập đến các hướng nghiên cứu trong lĩnhvực Ảo hóa chức năng mạng và các phương pháp nghiên cứu nhằm đảmbảo hiệu năng mạng trong NFV liên quan trực tiếp đến các đề xuất sau này

của luận ấn.

e Chương 2 đề xuất giải pháp điều khiển lưu lượng có xem xét sự đa dạng

về loại dịch vụ và sự đa dạng về lưu lượng dữ liệu trong nhiều khoảng thờigian ứng dụng định tuyến đa đường cho lưu lượng dịch vụ nhằm đảm bảo

hiệu năng mạng trong môi trường NFV Luận án xây dựng mô hình toán

học của bài toán và các giải thuật xấp xỉ Cuối cùng là các kết quả thực

nghiệm kiểm chứng tính hiệu quả của giải pháp đề xuất theo phân tích lý

thuyết

e Chương 3 đề xuất giải pháp triển khai dự phòng các chức năng mạng ảo

hiệu quả về chi phí và đảm bảo độ tin cậy cho chuỗi chức năng dich vụ trong

5

điện toán biên có triển khai NFV Cu thể, luận án xây dựng mô hình toán

học và các giải thuật hiệu quả của giải pháp đề xuất Sau đó, tính hiệu quả

của giải pháp đề xuất được kiểm chứng dựa trên các kết quả thực nghiệm.

e Phần cuối cùng là kết luận gồm có các đóng góp khoa học và hướng phát

trién của luận ấn.

Chương 1

TỔNG QUAN VỀ ẢO HÓA CHỨC NĂNG MẠNG

Chương này trình bày cơ sở lý thuyết liên quan đến các van đề nghiên cứu củaluận án Phần thứ nhất trình bày các kiến thức tổng quan về Ao hóa chức năngmạng Phần tiếp theo giới thiệu về các hướng nghiên cứu nhằm đảm bảo hiệu

năng mạng trong NFV Tiếp đến là đề xuất các bài toán nghiên cứu và phương

pháp tiếp cận Các kết luận được đưa ra trong phần cuối cùng của chương

1.1 Công nghệ ảo hóa

"Ảo hóa là một công nghệ cho phép kết hợp hoặc phân chia tài nguyên tính

toán nhằm biểu diễn một hoặc nhiều môi trường hoạt động phục vu các chúc

năng nhất định thông qua các kỹ thuật phân ving hoặc tích hợp phan cứng vaphần mềm từ đó mmô phỏng một phần hoặc toàn bộ máu, giả lập, chia sẻ thời

gian va các phương pháp khác" {18}.

Khái niệm máy ảo đã tồn tại từ những năm 1960 khi được IBM lần đầu tiên

phát triển để cung cấp khả năng tương tác và truy cập đồng thời vào một máy

tính lón Mỗi máy ảo (Virtual Machines - VM) là đại diện của một máy vật lý,

làm cho người dùng tin rằng họ đang truy cập trực tiếp vào hệ thống vật lý qua

đó cho phép chia sẻ thời gian và chia sẻ tài nguyên trên phần cứng đắt tiền VM

là một bản sao độc lập của hệ thống cơ bản và được bảo vệ hoàn toàn Người

dùng có thể thực thi, phát triển và kiểm tra các ứng dụng mà không sợ gây

ra sự cố cho hệ thống được sử dụng bởi những người dùng khác trên cùng một

máy tính Quá trình này là hoàn toàn trong suốt đối với người dùng cuối Do

đó, ảo hóa đã được sử dụng để giảm chi phí mua phần cứng và cải thiện năng

suất bằng cách cho phép nhiều người dùng đồng thời làm việc trên cùng một

hệ thống máy tính Trong những năm 1970 và 1980 khi mà chi phí phần cứng

máy tính giảm đáng kể và xuất hiện những hệ điều hành đa nhiệm dẫn đến hệ

quả là nhu cầu ảo hóa gần như không còn nữa Xuyên suốt những năm 1990,

với sự xuất hiện rộng rãi của nhiều loại máy tính, nhu cầu chạy các ứng dụng

khác nhau với những yêu cầu rất khác nhau về phần cứng và hệ điều hành dẫnđến sáng kiến đưa ảo hóa quay trở lại thị trường [62] Các nhà nghiên cứu của

Đại học Stanford bắt đầu xem xét máy ảo để khắc phục những khó khăn mà

phần cứng và các giới hạn của hệ điều hành đặt ra Với ảo hóa, các nhà nghiên

cứu phát hiện ra rằng họ có thể làm cho những kiến trúc khó sử dụng này trông

giống với nền tảng hiện có để tận dụng các hệ điều hành hiện tại Kỹ thuật ảo

hóa đã thật sự cắt giảm đáng kể chi phí liên quan đến việc mua, thiết lập và bảo trì phần cứng của các doanh nghiệp Đối với mọi tổ chức, bài toán làm thế nào để sử dụng hiệu quả tài nguyên máy tính được ưu tiên cao nhất Những tài nguyên này có thể bao gồm phần cứng và phần mềm Với công nghệ ảo hóa, cả phần cứng và phần mềm đều có thể được thay thế để người dùng cuối có thể

sử dụng tất cả tài nguyên Những năm trước đó, hầu hết các ứng dụng chínhhoặc một số loại hoạt động của máy tính cần có các phần cứng hoặc phần mềm

chuyên dụng để hoạt động [80] Các tổ chức sẽ mua thiết bị cho các ứng dung này dựa trên yêu cầu tối thiểu và hiệu suất trung bình của thiết bị Sau khi triển khai và đi vào hoạt động, các tổ chức nhận thấy rằng các thiết bị đang được sử

dụng không hết công suất, điều đó có nghĩa là các tài nguyên không được khai

thác triệt để din đến không đạt hiệu quả về chi phí Từ đó, kỹ thuật ảo hóa

dần trở thành nền tảng, là trái tìm của các trung tâm máy tính và trung tâm

dữ liệu đồng thời mang lại rất nhiều lợi ích Ngày nay, với sự phát triển của các

doanh nghiệp, các phần mềm quản lý ảo hóa chuyên nghiệp ngày càng có vị thế

hơn.

Công nghệ ảo hóa đã được triển khai ở một số lĩnh vực như dữ liệu, máy chủ,

mạng và các thiết bị lưu trữ giúp mang lại những ý nghĩa khác nhau tùy thuộc

vào mục đích sử dụng Một số loại hình của ảo hóa có thể kể đến như sau:

e Ao hóa dữ liệu (Data virtualization): Ao hóa dữ liệu là phương pháp

tổng hợp các nguồn dữ liệu riêng lẻ bao gồm các tệp dữ liệu, nội dung cơ

sở dữ liệu, tài liệu, tin nhắn, thành một nguồn duy nhất và cung cấp một

lớp truy cập dữ liệu chung cho các phương pháp truy cập dữ liệu khác nhau

như SQL, XML, JDBC Lớp truy cập dữ liệu chung này là lớp trung gian

nằm giữa các nguồn dữ liệu và các ứng dụng, đóng vai trò thông dịch giúpcác yêu cầu dữ liệu từ các ứng dụng sử dụng các giao thức khác nhau có

thể truy xuất và lưu trữ dữ liệu từ nhiều nguồn dữ liệu bất kể vị trí và định

dạng mà dữ liệu được lưu trữ thực sự [55]

Ao hóa máy chủ (Server virtualization): Ảo hóa máy chủ là phươngpháp ảo hóa tài nguyên phần cứng cho phép chạy nhiều hệ điều hành độclập trên đó [55] Từ đó, nhiều máy chủ vật lý cung cấp các dịch vụ chuyênbiệt như dich vụ email, cơ sở dit liệu, quản lý và cung cấp dịch vụ web có

thể được ảo hóa vào một số lượng nhỏ hơn các máy chủ ảo Ao hóa máy chủ

là một công nghệ khá hoàn thiện hiện nay và đã được chứng minh là rất

thành công, hiệu quả để hợp nhất và quản lý tài nguyên Một lượng lớn các công cụ phần mềm đã được phát triển với mục tiêu triển khai các máy chủ

ảo một cách nhanh chóng, dễ dàng, cũng như là cung cấp cho những nhàquan trị khả năng quan lý, giám sát hiệu suất và tối wu hóa việc sử dung

chúng |17]

Ao hóa mạng (Network virtualization): Ảo hóa mạng là hướng tiếpcận tách rời vai trò của các nhà cung cấp dịch vụ Internet truyền thống

thành hai phần: nhà cung cấp cơ sở hạ tầng và nhà cung cấp dịch vụ Nhà

cung cấp cơ sở hạ tầng làm nhiệm vụ quản lý sơ sở hạ tầng vật lý Nhà

cung cấp dịch vụ đóng vai trò là người tạo ra mạng ảo dựa trên tổng hợp

tài nguyên từ nhiều nhà cung cấp cơ sở hạ tầng và cung cấp các dịch vụđầu cuối [19]

Ao hóa chức năng mạng (NEV): Ảo hóa chức năng mạng mở rộng ýtưởng về ảo hóa máy chủ, thực hiện ảo hóa cho các thiết bị mạng được sử

dụng để cung cấp các chức năng cụ thể trong mạng Ý tưởng chính của

NFV là phân tách thiết bị mạng vật lý và các chức năng mạng chạy trên đó[58] Các chức năng mạng lúc này trở thành các chức năng phần mềm độc

lập với các thiết bị vật lý và có thể được triển khai trên các máy chủ thông thường Qua đó, các chức năng mạng có thể được "gói" lại với nhau thành

9

một chuỗi chức năng mới và được cung cấp trong mạng Ảo hóa chức năng

mạng giúp làm giảm số lượng thành phần các thiết bị vật lý như switch,

thiết bị mạng cho phép quản lý, cung cấp, giám sát và triển khai các thực thể mang ảo hóa Từ viết tat NFV được sử dụng như một thuật ngữ chung để chi

hệ sinh thái tổng thể bao gồm các thiết bị mạng ảo, công cụ quản lý và cơ sở

hạ tầng tích hợp các phần mềm này với phần cứng máy tính Tuy nhiên, NFV

được định nghĩa chính xác hơn là “phương pháp va công nghệ cho phép thay

thế các thiết bi mạng chuyên dụng bởi một hoặc nhiều chương trình phần mềm

được triển khai trên các phần cứng máu tính chung va thực thi các chức năng

mang tương ứng" [17] Điều đó có nghĩa là các chức năng mạng được phân tách

khỏi các thiết bị phần cứng chuyên dụng trong mạng và chuyển đổi thành các

phần mềm độc lập có thể triển khai trên các máy chủ thông thường Ví dụ, một

thiết bị tường lửa vật lý chuyên dụng có thể được thay thế bởi một phần mềm thực hiện chức năng tường lửa nhưng được triển khai trên phần cứng chung Điều này cho phép hợp nhất nhiều loại thiết bị mạng vào các máy chủ có thể

được đặt trong các trung tâm dữ liệu hoặc các nút mạng phân tán Với NEV,

một dịch vụ nhất định có thể được phân tách thành tập các chức năng mạng ảo sau đó được triển khai dưới dạng phần mềm chạy trên một hoặc nhiều máy chủ Các chức năng mạng ảo sau đó có thể được di chuyển tới vị trí mới và được khởi tạo tại các vị trí mạng khác nhau để cung cấp dịch vụ mạng cho người dùng mà

không cần thiết phải mua và lắp đặt phần cứng mới [5S]

10

1.2.2 Sự ra đời của NEV

Để hiểu về sự cần thiết ra đời của NFV, chúng ta cùng nhìn lại các đặc điểm

và những khó khăn của các thiết bị mạng, kiến trúc mạng truyền thống khi đáp

ứng các yêu cầu thay đổi mới của người dùng về dịch vụ, khả năng mở rộng hạ

tầng của mạng

Trong mạng truyền thống, các tiêu chí như độ trễ, độ tin cậy, thông lượng

và khả năng mang dữ liệu với mức mất mát tối thiểu là những tiêu chí được sử dụng để thiết kế và đánh giá chất lượng của mạng Các thiết bị mạng truyền thống được tạo ra phục vụ các chức năng cụ thể Các mạng dữ liệu được xây dựng và điều chỉnh để đáp ứng các tiêu chí hiệu quả một cách phù hợp nhất.

Thêm vào đó, hệ thống phần cứng được xây dựng chuyên dụng cho các trường

hợp sử dụng cụ thể Các chức năng được phát triển theo mục tiêu kết hợp chặt

chẽ với các hệ điều hành độc quyền và chỉ thực hiện các chức năng nhất định.Phần mềm hoặc mã nguồn chạy trên các hệ thống phần cứng được thiết kế tùychỉnh và được kết hợp chặt chẽ với phần cứng Điều đó dẫn đến sự tập trung

hoàn toàn vào việc thực hiện các chức năng cụ thể của thiết bị.

Với sự gia tăng theo cấp số nhân về nhu cầu băng thông từ các ứng dụngvideo, IoT và các thiết bị di động, các nhà cung cấp dịch vụ không ngừng tim

cách mở rộng các dịch vụ mạng hiệu quả về chi phí Đặc điểm chuyên dụng về

chức năng của các thiết bị mạng truyền thống đặt ra những hạn chế lớn với các

yêu cầu mới này và tạo ra nhiều ràng buộc về khả năng mở rộng, chỉ phí triển

khai cũng như hiệu quả hoạt động của mạng Một số hạn chế của các mạng

truyền thống có thể kể đến như sau [17]:

se Hạn chế vé tính linh hoạt: Các nhà cung cấp thiết bị mạng thiết kế

và phát triển các thiết bị của họ với một loạt các yêu cầu chuyên biệt giúp

cung cấp các chức năng nhất định nào đó [58] Như vậy, mỗi một chức năngmạng được cung cấp là sự kết hợp chặt chẽ giữa thiết bị phần cứng và phầnmềm được cài đặt trên đó Việc đóng gói phần cứng và phần mềm dưới

dạng một thiết bị dẫn đến giới hạn trong việc triển khai của nhà cung cấp.

Không những vậy, điều đó còn hạn chế việc lựa chọn sự kết hợp tính năng

11

và khả năng phần cứng có thể triển khai Sự thiếu linh hoạt và tùy biến để

đáp ứng với các yêu cầu thay đổi nhanh chóng dẫn đến sử dụng tài nguyên

không hiệu quả.

se Rang buộc vé khả năng moe rộng: Các thiết bị vật lý có giới hạn về

khả năng mở rộng ở cả phần cứng và phần mềm Phần cứng đòi hỏi không

gian và nguồn điện, đây cũng là một trong những hạn chế lớn đặc biệt là ở

những khu vực đông dân cư Việc thiếu không gian hoặc nguồn điện không

đủ ổn định có thể hạn chế phần cứng có thể được triển khai Về phần mềm, các thiết bị truyền thống có thể không theo kịp với quy mô của sự thay đổi trong mạng dữ liệu Do mỗi thiết bị được thiết kế để xử lý với một năng

lực nhất định nên khi nhu cầu xử lý tăng tới giới hạn của thiết bị thì cácnhà điều hành bị hạn chế trong việc lựa chọn các giải pháp ngoài việc nângcấp thiết bi

e Thách thức vé thời gian gia nhập thị trường: Khi các yêu cầu dịch

vụ phát triển và thay đổi theo thời gian, thiết bị không phải lúc nào cũng

có thể nhanh chóng bắt kịp những thay đổi này Các nhà cung cấp dịch vụ thường trì hoãn việc cung cấp dịch vụ mới để đáp ứng sự chuyển dịch theo yêu cầu của thị trường Việc triển khai các dịch vụ mới yêu cầu nâng cấp thiết bị mạng vì vậy cần có các quyết định phức tạp để lựa chọn con đường phát triển phù hợp Lộ trình thay đổi và nâng cấp các thiết bị mạng cần đánh giá lại thiết bị mới, thiết kế lại mạng hoặc có thể xuất hiện các nhà

cung cấp mới phù hợp hơn với những yêu cầu mới Điều đó làm tăng chỉ

phí và thời gian để cung cấp các dịch vụ mới cho khách hàng dẫn đến giảm

hiệu quả kinh doanh.

* Chi phí hoạt động cao: Chi phí hoạt động cao do cần phải có đội ngũ

được đào tạo chuyên sâu cho mỗi hệ thống của nhà cung cấp được triển

khai trong mạng Do đó, các nhà cung cấp dịch vụ bị khóa với các đối tác

cụ thể bởi vì khi chuyển sang đối tác khác sẽ cần bổ sung chi phí để đào

tạo lại nhân viên vận hành và cải tiên các công cụ vận hành.

se Cung cấp quá khả năng: Các nhu cầu về khả năng xử lý trong ngắn

12

hạn và dài hạn là khó dự đoán và kết quả là mạng thường được xây dựng với khả năng xử lý vượt quá so với thực tế sử dụng Các mạng thường được

thiết kế với sự dư thừa về khả năng xử lý và không được sử dụng hết khảnăng dẫn đến lợi tức đầu tư thấp hơn

e Khả năng tương thách: Để có thời gian triển khai và gia nhập thị trường

nhanh hơn, một số nhà cung cấp cố gắng triển khai các chức năng mạng mới trước khi nó được tiêu chuẩn hóa hoàn toàn Trong nhiều trường hợp, việc triển khai này trở thành độc quyền, điều này tạo ra các thách thức về

khả năng tương tác hoạt động giữa các nhà cung cấp dịch vụ cần phải thực

hiện khi triển khai trong môi trường thực tế

Trong kiến trúc mạng truyền thống, các nhà cung cấp ít phải quan tâm đến

phần cứng mà trên đó mã nguồn của họ được thực thi Điều này là do các phần

cứng được phát triển, tùy chỉnh và triển khai như thiết bị chuyên dụng cho các chức năng mạng cụ thể Họ có thể toàn quyền kiểm soát cả phần cứng và phần mềm chạy trên thiết bị đó Qua đó các nhà cung cấp có thể thiết kế phần cứng

và tối ưu các yêu tố hiệu suất của chúng một cách linh hoạt dựa trên vai trò củathiết bị trong mạng Ví dụ, một thiết bị được thiết kế cho lõi mạng sẽ được tích

hợp khả năng phục hồi Các thiết bị được thiết kế cho biên mạng có thể đơn

giản hơn và không nhất thiết phải có độ tin cậy cao giúp đạt hiệu quả về chi

phí Do vậy khả năng của thiết bị được thiết kế và xây dựng theo sự tích hợpgiữa phần cứng và phần mềm

Với NFV, các chức năng mạng có thể được triển khai trên bat kỳ phan cứng

chung nào cung cấp các tài nguyên cơ bản như tính toán, lưu trữ và truyền tải

dữ liệu Ao hóa có thể phát triển đến mức che khuất thiết bị vật lý, từ đó có thể

sử dụng cho các thiết bị phần cứng thương mại sẵn có để cung cấp cơ sở hạ tầng

cho NFV Trong NFV, sẽ không thực tế khi đưa ra các giả định về khả năng ma

phần cứng phải cung cấp cũng như không thể tích hợp chặt chẽ với phần cứng

đơn lẻ NFV tách phần mềm khỏi phần cứng và cung cấp kha năng sử dụng bat

kỳ máy chủ tiêu chuẩn nào có sẵn trên thị trường để triển khai ảo hóa cho các chức năng mạng cụ thể Với NFV, các chức năng mạng khác nhau có thể triển

13

khai tại các vị trí khác nhau trong mạng như trung tâm dữ liệu, các nút mạng

và nút cuối của biên mạng theo yêu cầu Hiện tại, thị trường của NFV bao gồm

các thành phần chuyển mạch, các ứng dụng mạng, dịch vụ mạng Một số chức

năng mạng được cân nhắc trong NFV như [49]:

e Các thiết bị chuyển mạch : Broadband Network Gateway (BNG), carrier

grade NAT, Broadband remote access server (BRAS), và thiết bị định tuyến

e Thiết bị phân tích lưu lượng: Kiểm tra gói tin sâu (DPI), đo lường chat

lượng trải nghiệm (QoE)

e Các thiết bị tối ưu hóa tầng ứng dụng: Mạng phân phối nội dung (CDNs),

cân bằng tải, nút dém

e Các thiết bị an ninh mạng: Tường lửa, các hệ thống phát hiện xâm nhập,

phát hiện tấn công từ chối dịch vụ, quét vi rút,

Khái niệm và các công việc hợp tác về NFV được ra đời vào tháng 10 năm

2012 bởi một số nhà cung cấp dịch vụ viễn thông hàng đầu thế giới qua tài

liệu kỹ thuật [4] Vào tháng 11 năm 2012, bay trong số nhà hoạt động gồm có

AT&T, BT, Deutssche Teleko, Orange, Telocom Italia, Telefonica và Versizon

đã chọn lựa Viện Tiêu chuẩn Viễn thong Chau Âu là trụ sở của nhóm đặc tả

kỹ thuật cho NFV [58] Ngày nay, một cộng đồng lớn các chuyên gia đang làm

việc tích cực để phát triển các tiêu chuẩn cần thiết cho NFV cũng như chia sẻ những kinh nghiệm của họ về sự phát triển và triển khai NFV Dến năm 2019,

với hơn 300 công ty thành viên bao gồm 38 nhà khai thác mạng toàn cầu, ETSI

NFV là diễn đàn dẫn đầu về phát triển các tiêu chuẩn quốc tế cho NFV [7].

1.2.3 Kiến trúc NFV

Các kiến trúc dựa trên mạng truyền thống rất chặt chẽ nhờ phần cứng chuyêndụng của nhà cung cấp và hệ thống phần mềm được tùy chỉnh và tích hợp Không

giống như mạng truyền thống, kiến trúc dựa trên NFV cho phép phần mềm được

phát triển bởi các nhà cung cấp để có thể thực thi trên các phần cứng dùng chung từ đó đặt ra nhiều điểm mới trong quản lý [82] Khung kiến trúc NFV

14

được phát triển để đảm bảo rằng những đặc điểm này được chuẩn hóa và tương

thích giữa các nhà cung cấp khác nhau

Hình 1.1: Kiến tric Ao hóa chức năng mang [58|.

Theo Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Au (ETSI), kiến trúc NFV được tao

bởi 3 phần chính như thể hiện trong Hình 1.1 [58}:

* Hạ tang NFV (Network Functions Virtualization Infrastructure

- NFVI): NFVI là sự kết hợp của các tài nguyên phan cứng vat lý và

tài nguyên ảo hóa tạo nên môi trường thực thi cho các VNF [76] Các tài

nguyên phần cứng vật lý bao gồm: phần cứng tính toán, lưu trữ, mạng (tạobởi các nút và các liên kết) cung cấp quá trình xử lý, lưu trữ và kết nối đến

các VNFs Tài nguyên ảo hóa là sự trừu tượng hóa của khả năng tính toán,

lưu trữ và tài nguyên mạng tạo thành một tầng ảo phân tách tài nguyên ảo

hóa khỏi tài nguyên vat lý phía dưới Trong môi trường trung tam dữ liệu,

tài nguyên tính toán và lưu trữ có thể được đại diện bởi một hoặc nhiều

máy ảo, các mang ảo được tạo bởi các nút và các liên kết ảo [58}

s Dich vu va các chức năng mang do (VNFs): Chức năng mạng ao

15

là triển khai của một chức năng mạng được thực hiện trên tài nguyên ảo

(các máy ảo) [58] Dịch vụ là một sản phẩm được cung cấp bởi nhà cung

cấp dịch vụ mạng và được tạo bởi một hoặc nhiều VNFs Số lượng, thứ tự

và loại của các VNEs khác nhau sẽ tạo nên các dịch vụ mạng với các chức

năng nhiệm vụ khác nhau [5].

s Quản ly va điều phối NFV (NFV Management and

Orchestra-tion - NFV MANO): Khối chức năng NFV MANO dam nhiệm vai tròquản lý và điều phối việc cung cấp các VNFs và các hoạt động liên quan

như cấu hình VNFs và hạ tầng mạng Các hoạt động này bao gồm điều phối

và quản lý vòng đời của các tài nguyên vật lý cũng như tài nguyên phầnmềm hỗ trợ cho ảo hóa hạ tầng nền tảng đồng thời quản lý vòng đời của

VNF NFV MANO cũng bao gồm các cơ sở dữ liệu được sử dụng để lưu trữ thông tin và mô hình dữ liệu xác định việc triển khai cũng như vòng đời

của các chức năng, dịch vụ và tài nguyên [58].

1.2.4 Dịch vụ mạng trong NFV

Dịch vụ mạng là sản phẩm được các nhà khai thác mạng cung cấp tới người

dùng Mỗi dịch vụ mạng là một dịch vụ hoàn chỉnh và được phân phối bằng

cách sử dụng một hoặc nhiều chức năng mạng Về mặt kiến trúc, mỗi dịch vụ

mạng có thể được xem như một đồ thị chuyển tiếp của các chức năng mạng

được kết nối với nhau dựa trên sự hỗ trợ của hạ tầng mạng như minh họa trong

Hình 1.2 [5] Các chức năng mạng có thể hoạt động ở nhiều tầng khác nhau

trong mô hình mạng Chức năng mạng cũng có thể được triển khai trong một

mạng được cung cấp bởi một nhà khai thác mạng duy nhất hoặc được liên kếtgiữa các mạng được điều hành bởi các nhà khai thác mạng khác nhau Mỗi chứcnăng mạng có nhiệm vụ xử lý các gói tin theo một mục đích nhất định Do đó,

số lượng, thứ tự và loại của các chức năng mạng khác nhau sẽ tạo nên các dịch

vụ mạng thực hiện các nhiệm vụ khác nhau Hệ thống bảo vệ mạng là một ví

dụ đơn giản về dịch vụ mạng Dịch vụ hệ thống bảo vệ mạng là một chuỗi các

chức năng mạng gồm chức năng tường lửa, quét vi rút, kiểm tra gói tin

Với mô hình kiến trúc mang mới trong NFV, các chức năng mạng được phân

16

Dịch vụ mạng đầu cuối

| Lụ¬ eee End

Point B

Hình 1.2: Đồ thị biểu diễn dịch vụ mang đầu cuối [5].

tách khỏi các thiết bị phần cứng chuyên dụng và chuyển đổi thành các phần mềm độc lập có thể triển khai trên các máy chủ thông thường dưới dạng các VNFs Do đó, một dịch vụ mạng có thể được phân tách thành tập các VNFs

được sắp xếp theo một thứ tự nào đó và được gọi là chuỗi chức năng dịch vụ(Service Function Chaining - SFC) NFV hứa hẹn cung cấp tùy chỉnh các dịch

vụ mạng và khả năng mạng theo nhu cầu của người dùng NFV cũng cho phép

thực thi và hỗ trợ các dịch vụ mạng mới nhanh hơn, rẻ hơn, hiện thực hóa các

dịch vụ mạng tốt hơn Dé đạt được những lợi ích kể trên, NFV đưa ra cách thức

khác biệt trong cung cấp dịch vụ mạng so sánh với hệ thống mạng hiện tại như

[58]:

e Phan tách phần mềm va phan cứng: Các phần mềm va dịch vụ mang

được phân tách hoàn toàn khỏi các thiết bị phần cứng mạng và có sự phát

triển độc lập Theo kiến trúc NFV, các chức năng mạng được phần mềm hóa và có thể triển khai động ở hầu hết các vị trí trong mạng, thay thế các

thiết bị chuyên biệt nằm ở các vị trí định trước Điều đó có nghĩa là các

chức năng mạng như tường lửa, chuyển đổi địa chỉ mạng, kiểm tra gói tin

sâu, cân bằng tải được cung cấp đến từ nhà cung cấp dịch vụ mạng nhưmột phần mềm thay vì được cung cấp bởi các thiết bị phần cứng chuyên

dụng.

e Triển khai các chức năng mạng linh hoạt: Sự tách rời của phần mềm

17

khỏi phần cứng giúp phân phối và chia sẻ tài nguyên hạ tầng giữa phần

cứng và phần mềm linh hoạt, có thể thực thi các chức năng khác nhau ở những thời điểm khác nhau giúp NFV đạt được tính linh động cao cũng như thúc đẩy việc triển khai các dịch vụ mới trong lĩnh vực cung cấp dịch

vụ mạng Đồng thời, NPV cho phép hợp nhất nhiều loại thiết bị mạng

vào các máy chủ có năng lực cao, các thiết bị chuyển mạch và thiết bị lưu trữ mà có thể được đặt tại các trung tâm dữ liệu, các nút mạng phân tán.

e Phạm vi linh động: Phân tách các chức năng mạng thành các thành phan

phần mềm giúp cung cấp khả năng linh hoạt hơn để thay đổi phạm vi thực

thi VNF một cách linh động hon.

1.2.5 D6 tin cậy của dịch vụ mạng trong NEV

Độ tin cậy của một dịch vụ là xác suất dịch vụ đó có thể hoạt động xử lý

dữ liệu theo yêu cầu Độ tin cậy của dịch vụ mạng tạo bởi chuỗi các chức năngmạng kết nối với nhau được đánh giá dựa trên cách thức mà các chức năngmạng được sắp xếp Phần này trình bày một số mô hình hệ thống đánh giá độ

tin cậy của dịch vụ mạng theo tài liệu của Viện tiêu chuẩn viễn thông Châu Âu

ETSI [6] Trong các mô hình nay, độ tin cậy của các chức năng mạng được giả

định là độc lập với nhau Các định nghĩa và giả định khác về VNF cũng được

trình bay trong ETSI [6].

a Độ tin cậy của các thành phan đơn lẻ

Một hệ thống phức hợp được tạo bởi các thành phần đơn lẻ kết hợp với nhau

ví dụ như một chuỗi dịch vụ được tạo bởi các VNFs theo một thứ tự nhất định

Vì vậy để đánh giá độ tin cậy của các hệ thống phức hợp thì trước tiên cần phải

biết độ tin cậy của các hệ thống đơn lẻ cấu thành lên chúng Giả thiết rằng mỗithiết bị vật lý (nút vat lý - physical node (PN)) k có độ tin cậy rz được đánh giá

bởi Mean Time Between Failure (MTBF) [6] Độ tin cậy của các nút vật lý cũng

được giả thiết là độc lập với các nút khác cũng như các chức năng mạng được

triển khai trên nút đó Giả thiết rằng các chức năng mạng ảo ƒ có độ tin cậy

ry, và độ tin cậy giữa các chức năng mạng ảo cũng độc lập với nhau và không

18

phụ thuộc vào độ tin cậy của nút vật lý mà chức năng mạng ảo được triển khai trên đó Vì vậy độ tin cậy của một chức năng mạng ảo ƒ được triển khai trên

một nút vật lý k được tính như sau:

Ryne =T/k (1.1)

b Độ tin cậy của các hệ thống phức hợp

Một dịch vụ mạng thường được tạo bởi một tập các chức năng mạng ảo được

sắp xếp theo một trật tự nhất định Độ tin cậy của dịch vụ mạng được xác địnhdựa trên độ tin cậy của các chức năng mạng ảo thành phần Hơn nữa độ tin cậycủa chuỗi dịch vụ còn tùy thuộc vào cách thức sắp xếp các chức năng mạng ảo

thành phần theo kiểu song song hay nối tiếp.

Với cách thức sắp xếp các chức năng mạng ảo nối tiếp nhau thì dịch vụ mạngchỉ được coi là sẵn sàng hoạt động khi mà tất cả các chức năng mạng ảo thành

phần đều sin sàng hoạt động cùng lúc Có hai cách triển khai các chức năng mạng ảo tuần tự trên các nút vật lý như thể hiện trong Hình 1.3 Dé xử lý lưu

lượng dit liệu, các chức năng mạng ảo VNF¡ và VNF» cần sẵn sàng hoạt động

đồng thời tại mỗi thời điểm Hình 1.3(a) minh họa cách sắp xếp tuần tự theo

đó mỗi chức năng mạng ảo được triển khai trên một nút vật lý khác nhau Khi

19

đó, độ tin cậy của chuỗi dịch vụ được tính như sau:

Rsgc= |[ (rary): (1.2)

¿c{1,2}

Với cách sắp xếp thứ hai, các chức năng mạng ảo được triển khai trên cùng một

nút vật lý như thể hiện trong Hình 1.3(b) Do đó, độ tin cậy của chuỗi dịch vụ

được tính bởi công thức:

sEC =r I] (rự,) (1.3)

Các chức năng mạng ảo cũng có thể được sắp xếp song song với nhau như

thể hiện trong Hình 1.4 Vì các chức năng mạng ảo VNE\¡ và VNF)¿ cùng thực

hiện một nhiệm vụ như nhau và được đặt trên cùng một thiết bị vật lý nhưHình 1.4(a), do vậy chuỗi chức năng dịch vụ sẵn sàng hoạt động khi ít nhất mộttrong số hai chức năng mạng ảo này hoạt động Vì vay độ tin cậy của chuỗi dich

vụ được tính theo công thức (1.4).

Rsrc = rz,.(1 ~~ q ~~ rz„).( ~~ T fiy))- (1.4)

Nếu các chức năng mang ảo VNF\¡ va VNF2; cùng thực hiện một chức năng,

tương tự các chức năng mạng ảo VNE1¿ và VNF 2 cũng cùng thực hiện một

nhiệm vụ như nhau và các chức năng mạng được đặt như Hình 1.4(b) thi độ tin cậy của chuỗi dịch vụ được tạo bởi hai chuỗi dịch vụ con được xác định như

20

Mạng điều khiển bằng phần mềm (Software Defined Networking - SDN) là

một kiến trúc mạng quan trọng quản lý các mạng phức tạp và có quy mô lớn và

cho phép sử dụng phần mềm để tái cấu hình hoặc thiết lập lại các chính sách

trong mang [40] SDN dựa trên ý tưởng phân tách các chức năng chuyển tiếp và

các chức năng điều khiển mạng qua đó cho phép việc điều khiển mạng có thể được kiểm soát bằng thao tác lập trình trực tiếp thông qua các giao diện phần mềm như OpenFlow [48] NFV và SDN có nhiều điểm chung vì cả hai đều hướng tới phân tách phần mềm và phần cứng tiêu chuẩn Cụ thể, NFV hướng tới thực

thi các NF trên phần cứng tiêu chuẩn còn SDN hướng tới kiểm soát các chứcnăng điều khiển mạng thông qua các phần mềm được triển khai trên các phần

cứng tiêu chuẩn Ngoài ra, cả NFV va SDN đều tìm cách tận dụng ưu điểm của

tự động hóa và ảo hóa để đạt được các mục tiêu tương ứng của mình Do đó, NFV và SDN có thể bổ sung cho nhau, việc kết hợp NFV và SDN trong một giải pháp mạng giúp mang lại hiệu quả cao hơn Ví dụ, nếu bộ điều khiển SDN

có thể được triển khai trên máy ảo và thực thi như một phần của chuỗi dịch vụ thì các ứng dụng quản lý và điều khiển tập trung (ví dụ: cân bằng tải, giám sát

và phân tích lưu lượng) được sử dụng trong SDN có thể được triển khai như các

VNFs và nhận được các ưu điểm của NFV Ngược lai, SDN cũng góp phan day

nhanh sự phát triển NFV bằng cách cung cấp sự linh hoạt và tự động cho chuỗi

chức năng cũng như cung cấp và cấu hình kết nối mạng, băng thông, bảo mật,

kiểm soát chính sách |58].

b NFV và điện toán dam mây

Điện toán dam mây là mô hình dich vụ cho phép người truy cập tài nguyên

điện toán dùng chung (mang, server, lưu trữ, ứng dụng, dịch vụ) thông qua kết

nối mạng một cách dé dang, mọi lúc, mọi nơi và theo yêu cầu Tài nguyên điện

21

toán đám mây có thể được thiết lập hoặc hủy bỏ nhanh chóng bởi người dùng

mà không cần sự can thiệp của nhà cung cấp dịch vụ [57] Điện toán đám mây

có năm đặc trưng cơ bản để phân biệt với các hình thức máy chủ khác gồm

tự phục vụ nhu cầu (On-demand self-service), truy cập mọi lúc mọi nơi (Broad

network access), trung tâm tài nguyên (Resource pooling), co giãn nhanh chóng (Rapid elasticity or expansion), đo lường dịch vu (Measured service) Với ba mô

hình dịch vu điện toán đám mây bao gồm cung cấp phần mềm như một dịch vu

(Software as a Service - SaaS), cung cấp nền tảng như một dịch vụ (Platform

as a Service - PaaS) và cung cấp hạ tầng như một dịch vụ (Infrastructure as

a Service - IaaS), người sử dụng chỉ phải trả chi phí cho mức độ sử dụng của

mình qua đó nhà cung cấp tận dụng được tối đa tài nguyên hiện có Tính linh

hoạt của điện toán đám mây gồm cả sự nhanh chóng trong triển khai các dịch

vụ mới, khả năng mở rộng cũng như giảm trùng lặp mở ra tiềm năng lớn thúc

day các nhà khai thác dịch vụ mạng và viễn thông hướng tới NFV Vi dụ, các nhà cung cấp dịch vụ Internet có thể kết hợp các ứng dụng phần mềm, dữ liệu

và các ứng dụng mạng để cung cấp cho khách hàng của mình dưới dạng các gói

dịch vụ bất kỳ khi nào người dùng có nhu cầu

c NFV và lo

Internet of Things (IoT) là yếu tố thúc đẩy cuộc cách mạng kỹ thuật số, qua

đó con người, các thiết bị truyền động, cảm biến được tích hợp Internet có thể tương tác trên toàn thế giới Các hệ thống IoT' đã được triển khai phổ biến trong

các lĩnh vực đa dạng như khí hậu, giáo dục và kỹ thuật với nhiều ứng dụng Ví

dụ, một ngôi nhà thông minh sử dụng dữ liệu được thu thập bởi một số các cảm

biến và trao đổi thông tin với mạng thông tin của thành phố giúp nâng cao chất

lượng cuộc sống và hiệu quả sử dung năng lượng Các thiết bị loT được kết nối

đang phát triển với tốc độ chóng mặt, vì vậy việc thu thập dữ liệu, xử lý hoặc

phân phối dữ liệu bởi các thiết bị IoT đồng thời nhận được sự quan tam đáng

kể Hơn nữa, với một số lượng lớn người dùng trong các mạng IoT, việc sử dung

một liên kết độc lập cho từng người dùng sẽ góp phần tạo ra nhu cầu bất hợp

lý về kết nối Internet Do đó, một kiến trúc mạng với khả năng truyền dữ liệu

22

hiệu quả là rất cần thiết cho sự phát triển của các mạng IoT.

Ap dung các công nghệ NFV trong môi trường loT mở ra một cách tiếp cận

mới giúp cung cấp dịch vụ một cách nhanh hơn và tiết kiệm chi phí hơn So với

cơ sở hạ tầng mạng hiện nay dựa trên các thiết bị chuyên dụng thì NFV dựa trên

nền tảng đám mây và ảo hóa mạng đã nổi nên như một cách tiếp cận đầy hứa

hẹn NFV cho phép xây dựng và thiết kế mạng nhanh, giảm chí phí vốn và chi

phí hoạt động NFV cũng cho phép các nhà cung cấp dịch vụ khởi chạy và phát

hành các dịch vụ IoT theo yêu cầu một cách nhanh chóng và linh hoạt Thêm

vào đó, khi ứng dụng NFV kết hợp với IoT thì các chức năng mạng thường được

triển khai trên tầng biên gần phía các thiết bị loT giúp mang nhiều lợi ích như

giảm độ trễ, giảm tải lưu lượng cần truyền tải hay xử lý tại các trung tâm dtliệu, tăng thời gian phản hồi xử lý dữ liệu Do đó, NFV được hứa hen là một

công nghệ có thể giúp giải quyết những thách thức và thúc đẩy kiến trúc loT

trong kỷ nguyên đám mây.

1.2.7 Các thách thức nghiên cứu trong NFV

NFV là một hướng tiếp cận đầy hứa hẹn và mang tính cách mạng quan trọng

cho các nhà cung cấp và triển khai dịch vụ Với tiềm năng của minh, NFV là

xu hướng của sự chuyển đổi mạng và giúp các nhà cung cấp dịch vụ mạng đưa

ra các dịch vụ mới hiệu quả hơn Mặc dù cả ngành công nghiệp và giới học

thuật đều quan tâm nghiên cứu NFV với tốc độ nhanh, tuy nhiên mô hình NFV

vẫn trong thời kỳ hình thành và phát triển do vậy còn những khía cạnh quan

trong cần được nghiên cứu Nhóm nghiên cứu của Internet Research Task Force

(IRTF) và Viện Tiêu chuẩn Viễn thong Châu Âu đang xây dựng các tiêu chuẩn

cho NFV [5] Các hãng sản xuất thiết bị viễn thông hàng đầu như Ericsson,Nokia, Alcatel-Lucent và Huawei đã công bố nâng cấp các thiết bị của hãng sản

xuất để hỗ trợ NFV Một số kết quả nghiên cứu về NFV được tổng hợp trong

các tài liệu [38, 48] Một số hướng nghiên cứu chính cần được tập trung nghiên

cứu giải quyết trong việc phát triển NFV như sau [58, 49]:

e Ao hóa chức năng (Eunction virtualization): Các chức năng được ảo

hóa cần phải đáp ứng các yêu cầu về hiệu suất để hỗ trợ xử lý gói tin theo

23

tốc độ đường truyền cho nhiều người dùng [38] Ý tưởng của NFV là thực

thi các chức năng mạng trên các máy chủ công nghiệp, các nhà cung cấpmáy chủ sẽ sản xuất linh kiện mà không biết trước về những chức năng sẽđược thực thi trên đó Vấn đề đặt ra là liệu các chức năng ảo có chạy trên

các máy chủ như vậy có thể có hiệu năng tốt như khi chúng chạy trên các

hệ thống phần cứng chuyên dụng được thiết kế tối ưu cho chức năng mạnghay không Thêm vào đó, những vấn đề về chất lượng dịch vụ mạng như

độ trễ, tỉ lệ mất gói tin cũng đặt ra những câu hỏi lớn trong quá trình

triển khai NFV

Quản lý và điều phối (MANO): Triển khai NFV đặt ra những thay đổi lớn đến hệ thống quản lý và yêu cầu một sự thay đổi mạnh mẽ trong cách thức vận hành, xử lý và quản lý mạng không chỉ để cung cấp giải pháp về mạng và dịch vụ (như trước đây) mà còn để tận dụng sự linh hoạt và lợi

ích của NFV [46, 15] Van đề đặt ra là công tác điều phối cần được thực

hiện như thế nào cho hợp lý sao cho các yêu cầu về chức năng, dịch vụ từ

người dùng và cả nhà cung cấp dịch vụ đều được thỏa mãn đảm bảo giảipháp tiếp tục khả thi [58]

Giao diện tiêu chuẩn (Standard interfaces): NFV dựa vào ha tang

hiện tại để tiếp cận khách hàng do đó việc nâng cấp mạng vật lý hoặc toàn

bộ hệ thống hỗ trợ hoạt động sẽ gần như là không khả thi Đây là mộtthách thức tích hợp phần mềm quan lý với giao diện giữa NFV và cơ sở ha

tầng bên dưới Mặt khác, các giao diện giữa bộ điều khiển trung tâm và

VNFs cũng nên được tiêu chuẩn hóa Dé kết nối NFV với các tầng bên trên

và phía dưới một cách trơn tru, VNE và nền tang tính toán bên dưới cần

được mô tả bằng các mẫu tiêu chuẩn cho phép kiểm soát và quản lý một

cách linh hoạt [49].

Hiệu suất về mặt năng lượng: Giảm thiểu năng lượng tiêu thụ là một

trong những điểm quan trong của việc thương mại hóa NFV [58] Với khanăng phân bổ tài nguyên tăng hoặc giảm một cách linh động tùy theo yêu

cầu về lưu lượng và số lượng chức năng dịch vụ của người dùng, nhà cung

24