4. Đối tượng, phạm vi và phương pháp nghiên cứu a. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu
1.2. Ao hóa chức năng mạng
1.2.6. Một số hướng phát triển và ứng dung của NFV a. NFV và mạng điều khiển bằng phần mềm
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 chức năng 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 dt liệu, 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 cấp máy chủ sẽ sản xuất linh kiện mà không biết trước về những chức năng sẽ được 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 mạng hay 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 giải pháp 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 một thách 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 kha năng 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
cấp có thể giảm thiểu số thiết bị vật lý được đặt ở các nút mạng và qua đó
giảm năng lượng tiêu thụ. Vì vậy việc tính toán hợp lý giữa việc tiết kiệm
năng lượng và hiệu năng của mạng cũng là một trong những thách thức
trong phát triển NFV.
Triển khai chức năng (Function deployment): Quan lý, kiểm soát và triển khai chi tiết các chức năng mạng là cần thiết cho các mục đích tối
ưu hóa khác nhau trong bối cảnh các nút mạng hỗ trợ NFV [49]. Do đó,
nhiều thách thức liên quan đến thuật toán và hệ thống thiết kế triển khai chức năng mạng như làm thế nào để tự động cung cấp tài nguyên xử lý
các chức năng tùy theo mức sử dụng của các nguồn lực liên quan một cách
hiệu quả [16], hay làm thế nào để tự động phân bổ vị trí và triển khai các VNFs vì việc phân bổ vi trí và gan các VNFs ảnh hưởng rất lớn đến hiệu suất của chuỗi dịch vụ [79]. Cả việc gán và phân bổ vị trí các VNFs đều đòi hỏi thông tin toàn cục về tài nguyên, kiểm soát thống nhất và hệ thống tối
ưu hóa với các bộ phận tối ưu đang chạy trong đó. Một số van đề khác là
chuyển đổi các chính sách tầng cao hơn được sinh ra từ phân bổ tài nguyên và cơ chế tối ưu đến cấu hình các tầng thấp hơn. Các tiêu chuẩn cần được phát triển để đảm bảo dịch tự động và nhất quán. Ví dụ, khi cần đạt được
mục tiêu tầng cao là giảm độ trễ truyền tải mạng, bộ phận tối ưu hóa có
thể yêu cầu giải thuật cung cấp và đặt vị trí các chức năng mạng ảo đảm bảo độ trễ truyền tải tổng thể là nhỏ nhất. Ngược lại, khi cần đạt được sự tối thiểu về sử dụng liên kết lớn nhất thì lại cần các bộ phận tối ưu hóa với các giải thuật khác. Để điều khiển và hoạt động hiệu quả hơn, hướng tiếp
cận tối ưu hóa cần hỗ trợ thời gian thực trong thực hiện cung cấp và phân
bổ vị trí một cách linh động phù hợp với các chính sách ở mức độ cao từ
các ứng dụng và nhà điều hành.
Điều khiển lưu lượng (Traffic Steering): Trong mạng truyền thống,
các nền tảng tối ưu hóa trên các thiết bị phần cứng dựa trên hệ thống middlebox sẽ định tuyến dit liệu bằng cách xem xét kiến trúc vật lý, kha năng truyền tải trên các liên kết và các ràng buộc khác trong mang [49].
Trong kiến trúc NFV, điều khiển lưu lượng trở lên linh hoạt hơn với sự hỗ trợ của SDN. Các nhà cung cấp dịch vụ và triển khai mạng có thể đưa ra các chính sách điều khiển logic và sau đó các chính sách điều khiển lưu lượng này được tự động chuyển đổi thành các quy tắc chuyển tiếp dữ liệu trong mang. Vì vậy, điều khiển lưu lượng trong NFV được tối ưu kết hợp với triển khai chức năng để đạt được hiệu quả tốt hơn. Tuy nhiên, mô hình
tối ưu hóa hợp nhất cũng làm cho bài toán tối ưu trở lên khó giải quyết
hơn với số lượng biến số tăng và móc nối với nhau. Do đó, để đạt được giải pháp tối ưu với thời gian thực cho điều khiển lưu lượng thì các giải thuật xấp xỉ cần được thiết kế để giảm thời gian tính toán.
e Độ tin cậy (Reliability): Các dịch vụ mạng có thể được tạo bởi một hoặc
một số NF tạo thành một biểu đồ chuyển tiếp NF và liên kết với các điểm
cuối thông qua các NF được kết nối với nhau [5]. Do đó, độ tin cậy của một dịch vụ mạng cần phải được ước tính dựa trên độ tin cậy của các khối chức năng thiết yêu (gồm có các NF và các liên kết giữa các NF). ETSI đã lập
mô hình để ước tính độ tin cậy của các dịch vụ đầu cuối trong môi trường
NFV trong tài liệu [6]. Dựa trên các mô hình được đề xuất, các nhà khai
thác mạng đánh giá độ tin cậy của các dịch vụ riêng lẻ tùy theo cách thức
kết nối của các VNFs thành phần. Độ tin cậy của các dịch vụ trong NFV là những yếu tố quan trọng và là mối quan tâm chủ chốt của các nhà cung
cấp dịch vụ mạng. Đặc biệt là khi triển khai NFV trên các đám mây hoặc
điện toán biên thì dam bảo độ tin cậy của các dịch vụ NEV là thách thức
không nhỏ bởi vì các yếu tố này phụ thuộc rất nhiều vào sự ổn định của
liên kết mạng và hoạt động của các nút mang cũng như các trung tâm dit
liệu.
1.3. Khảo sát các nghiên cứu liên quan
NFV là một trong những lĩnh vực nghiên cứu thu hút rất nhiều sự chú ý của các nhà khoa học bởi sự linh hoạt và tùy biến trong thiết kế mạng thông qua ứng dụng kỹ thuật ảo hóa. Các nghiên cứu về NFV được thực hiện khám phá
26
tiềm năng của NFV và ứng dụng cho môi trường mang trong tương lai nhằm
đạt được các mục tiêu khác nhau. Những nghiên cứu về NFV có thể được phân
loại thành một số lĩnh vực chính:
e Hướng nghiên cứu thứ nhất là các nghiên cứu tập trung vào các hướng dan,
khảo sát và đánh giá liên quan đến các chủ đề NFV cu thể và các đánh giá chung về NFV. Cụ thể, các nghiên cứu về các chủ đề NFV gồm có NFV-
MANO [35], bảo mật trong NFV [34, 32], NFV cho mang di động thế hệ
tiếp theo [38], NFV trong 5G [100, 45]... Một số nghiên cứu tong hợp về
NFV được thực hiện trong [95, 49, 58).
e Hướng nghiên cứu thứ hai tập trung vào việc tích hợp NFV với các công
nghệ khác như mạng quang (Optical networks) [61, 63], IoT' [93, 65], 5G
(88, 38]. Mặc dù những nghiên cứu nay đã khám phá nhiều tiềm năng của NFV, tuy nhiên kiến trúc NFV được sử dụng trong hầu hết các nghiên cứu đều là mô hình kiến trúc chung đã được đề xuất và được áp dụng trực tiếp mà không có sự chỉnh sửa hay điều chỉnh thiết kế cho phù hợp với một mạng
cu thể. Việc sử dụng trực tiếp kiến trúc NFV tiêu chuẩn có thể dẫn đến
những sự cố không mong muốn mà không được đề cập trong những nghiên cứu trên [95]. Một số nghiên cứu khác được thực hiện với mục tiêu hướng tới
sự tích hợp NEV với SDN (Software Defined Networking) |60, 99, 22, 13], và điện toán đám may (Cloud computing) [90].
e Cuối cùng là các nghiên cứu tập trung vào đề xuất các giải thuật cho các
chủ đề dang được quan tâm trong NFV như phân bổ tài nguyên NEV [35], điều phối [12], các khía cạnh vi trí triển khai VNFs [20, 8], lập lịch [59, 47]
và các thuật toán di chuyển VNI [27]. Điểm chung của các nghiên cứu này là phát triển các giải thuật cho phép tìm lời giải tối ưu và các lời giải xấp xỉ. Các lời giải tối ưu có thể đạt được bởi các giải thuật chính xác và các
mô hình toán học tuy nhiên bị hạn chế bởi quy mô mạng trong khi các
giải thuật xấp xỉ có thể đạt đến kết quả gần tối ưu với thời gian thực hiện
nhanh hơn cho những bài toán quy mô lớn.
VNFs đóng một vai trò quan trọng trong toàn bộ kiến trúc NFV vì những
27