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DE LA INFORMACIÓN Y COMUNICACIONES

CONSULTORIA EN REDES Y SERVICIOS DE TELECOMUNICACIONES


NFV: la virtualización de las "telcos"

Autores: Ramón Jesús Millán Tejedor y Shirin Esfandiari

Publicado en Conectrónica nº 173, GM2 Publicaciones Técnicas, 2014

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Introducción a NFV

NFV es, básicamente, la tecnología “cloud” del mundo de tecnologías de la información, aplicada en el mundo de los operadores de telecomunicaciones [1]; desplegando funciones y servicios de red basadas en software. En el pasado MWC (Mobile World Congress) de Barcelona, la atención suscitada por las tecnologías NFV (Network Functions Virtualization) y SDN (Software Defined Neworks), dejaron más que claro, que nos encontramos ante la “próxima gran ola” (next big wave). La mayoría de los proveedores de infraestructura de telecomunicaciones (Cisco, Ericsson, F5, Huawei, Juniper, NEC, NSN, etc.) pusieron de manifiesto públicamente que tienen estrategias de virtualización, sin embargo, muy pocos aclararon a qué nodos de la red realmente son aplicables y en qué plazos esperan finalizar este proceso. La virtualización en entornos de centros de datos, asociados a computación y almacenamiento, está actualmente muy extendido. Los operadores de telecomunicaciones están convencidos de que las técnicas de virtualización han madurado lo suficiente para virtualizar también funciones de red.

Los fabricantes de equipos de telecomunicaciones desarrollaban tradicionalmente sus productos (estaciones base, firewalls, softswitches, routers, etc.), sobre hardware propietario, optimizado para cada tipo de aplicación. Estos dispositivos no eran capaces de soportar eficientemente otras funciones distintas a las que se habían considerado en su diseño inicial. Aunque actualmente las plataformas propietarias son las más efectivas para ciertas aplicaciones; muchos de los nodos de la red, o cuanto menos su plano de control, pueden ser manejadas más económicamente por hardware estándar u COTS (Commercial Off-The-Shelf).

La convergencia de las redes de telecomunicaciones al mundo “todo IP,” permite aprovechar los enormes avances que ha habido en los últimos años en las tecnologías de virtualización para los grandes centros de datos. La virtualización de los recursos de red desacopla los servicios y aplicaciones de un hardware específico, con el fin de conseguir proporcionar un modelo más elástico, donde los recursos pueden ser utilizados cuando y donde es necesario. De este modo, NFV permite consolidar distintos tipos de infraestructura de red propietaria en un gran volumen de hardware estándar, lo cual supone para los operadores un gran ahorro de costes, simplificación de la introducción de nuevos servicios y mayor innovación.

NFV versus SDN

Al igual que NFV, SDN (Software-Defined Networking) supone una transformación en la arquitectura de red tradicional de los operadores de telecomunicaciones. En la arquitectura SDN, los planos de control y de datos son desacoplados, de forma que la inteligencia de red es centralizada y la infraestructura de red subyacente se abstrae de las aplicaciones y servicios [2]. Los beneficios para las empresas y operadoras son un mayor nivel de programación, automatización y control de la red, permitiendo una mayor escalabilidad, flexibilidad y adaptación a cambios. La separación de los planos de control y datos que ofrece SDN facilita, además, la virtualización de la red.

Así, NFV es altamente complementario con SDN, permitiendo aprovechar al máximo la computación en la nube (cloud computing). Ambos son muy beneficiosos para los operadores en términos de coste y flexibilidad, pero no dependen estrictamente el uno del otro. Las funciones de red pueden ser virtualizadas y desplegadas sin SDN y viceversa. NFV se puede aplicar tanto al plano de control como al plano de datos, tanto de redes fijas como móviles, aunque es el plano de datos el que mayores retos supone. NFV es más sencillo de implementar que SDN, ya que se tienen más de 10 años de tecnología y experiencia en mundo de las tecnologías de la información y centros de datos; algo que no ocurre con SDN. Puesto que muchas aplicaciones están disponibles en versiones sólo software, NFV requiere menos tiempo y esfuerzo de implementar y desplegar que SDN.

La promoción y adopción de SDN, no está siendo liderada por la ETSI NFV ISG, sino por la ONF (Open Networking Foundation). La ONF ha definido OpenFlow, que es el primer interfaz de comunicaciones estándar entre las capas de control y de transmisión de paquetes de SDN, siendo aplicables a switches, routers, etc.

Beneficios de NFV

NFV va a transformar radicalmente la forma en que los operadores de red diseñan y dimensionan sus redes, permitiendo la consolidación de servicios de red en servidores, concentradores y sistemas de almacenamiento estándar, que pueden ubicarse en centros de datos, nodos de red o en las premisas del cliente. Sin lugar a dudas, NFV puede proporcionar beneficios significativos para los operadores de red y sus clientes, entre los que cabe destacar [3]:

  • Reducir costes. NFV permite reducir el CAPEX y OPEX a través de la reducción de los costes de equipamiento, consumo energético, logísticos, operaciones, etc. Los mayores volúmenes de compras de una misma infraestructura estándar permiten unos mayores descuentos por el aprovechamiento de economías de escala, así como la reducción de los ciclos de introducción de mejoras hardware en procesamiento y memoria. Además, facilita enormemente su operación y mantenimiento mediante la simplificación y automatización, reduciendo la necesidad de formación y personal especializado. NFV permite un uso más eficiente de los recursos hardware y licencias software en cada una de las situaciones de demanda posible de recursos de red (usuarios, ancho de banda, etc.), mejorando la eficiencia, la robustez y la escalabilidad de la red y reduciendo drásticamente el tiempo y recursos dedicados a la planificación y dimensionamiento de red. Si es necesaria más capacidad para una determinada aplicación, basta con generar dinámicamente copias adicionales de ella; mientras que si se necesita más capacidad de procesamiento agregada, basta con desplegar más servidores en el centro de datos. Los servidores que dejan de ser utilizados por una aplicación de red virtualizada, están disponibles para ser utilizadas por otras aplicaciones, lo cual no ocurre en el caso de utilizar hardware dedicado o propietario.
  • Simplificar el despliegue de nuevos servicios. La introducción de nuevos servicios en las redes de operadoras es muy lenta y costosa, enfrentándose en muchas ocasiones al creciente número y complejidad de equipos en sus redes. Esto supone un largo proceso de certificación con empleados especializados en cada uno de ellos. NFV permite acelerar el despliegue de nuevos servicios o modificaciones de los existentes, agilizando el retorno de la inversión. La compartición de recursos entre distintos servicios, aplicaciones y usuarios, proporciona una mejor utilización de los recursos y una mayor flexibilidad para escalar tanto hacia mayores como menores capacidades. Los nuevos servicios se pueden introducir de forma más controlada y con menos riesgos y coste, por ejemplo, se podrán probar sin tener que comprar nuevo hardware, sobre determinadas zonas geográficas o un grupo restringido de clientes y escalar rápidamente cuando se crea necesario. En caso de que el servicio no sea exitoso comercialmente o si los clientes sufren incidencias importantes, se podrá rápidamente dar de baja el servicio de la red, sin tener que asumir pérdidas importantes por la compra de infraestructura o un impacto mayor por haberlo lanzado a un grupo mayor de clientes.
  • Favorecer la innovación. NFV permite acelerar la velocidad de innovación y la diferenciación de servicios, pues favorece un ecosistema abierto, ya que la ausencia de hardware propietario reduce las barreras de entrada a nuevos proveedores de software. Además es más fácil dar entrada a más proveedores, ya que las economías de escala requeridas para cubrir inversiones en funcionalidades basadas en hardware, no son nunca más aplicables al desarrollo de funciones basado en software.

De esta forma, NFV ofrece una excelente oportunidad a los operadores de telecomunicaciones, para mejorar su posición competitiva respecto a los OTTs (Over-The-Top), que tienen una estructura de costes muy eficiente y pueden lanzar rápidamente nuevos servicios [4]. Además, de para mejorar sus costes y eficiencia, la "cloud" interna de la operadora, podrá ser utilizada para ofrecer nuevos servicios IaaS (Infraestructure as a Service), SaaS (Software as a Service) o PaaS (Platform as a Service), a otras empresas, complementando los propios servicios de comunicación tradicionales y entrando a competir directamente con Amazon, Facebook, Google, Microsoft, etc.

Estandarización de NFV

La estandarización de NFV está siendo liderada por la ETSI (European Telecommunications Standards Institute). Tras varias conversaciones informales y reuniones desde Abril de 2012, la ETSI NFV ISG (Industry Specification Group) fue creada formalmente en Noviembre de 2012, por siete operadoras de telecomunicaciones (AT&T, BT, Deutsche Telekom, Orange, Telecom Italia, Telefonica, Verizon). La NFV ISG está abierta tanto a organizaciones miembros o no de la ETSI y, hoy en día, está formada por más de 150 compañías, entre ellas las principales operadoras de telecomunicaciones, proveedores de infraestructura de telecomunicaciones y proveedores de tecnología de la información.

Aunque ETSI es una organización para el desarrollo de estándares, el objetivo de la NFV ISG no es la producción de estándares, sino conseguir el consenso de la industria en los requerimientos técnicos y de negocio de NFV, y en acordar enfoques comunes para alcanzar estos requerimientos bajo una arquitectura común. Los resultados son publicados de forma abierta y compartidos con los principales grupos de estandarización, foros industriales y consorcios, como IETF, NGMN Alliance, ONF, TM Forum etc.; con el fin de conseguir un esfuerzo de colaboración más amplio. La NFV ISG colaborará con otros organismos de estandarización en caso de que sea necesaria cualquier tipo de estandarización para cumplir los requisitos.

Además de la dirección del ISG, el NOC (Network Operators Council) y el TSC (Technical Steering Committee), el NFV ISG se compone de varios WG (Working Groups). En concreto, existen cuatro grupos de trabajo centrados en áreas específicas de NFV: INF (infraestructura), SWA (arquitectura software), MANO (gestionar y orquestar) y REL (fiabilidad y disponibilidad). También hay dos EGs (Expert Group) de carácter transversal: PER (rendimiento y portabilidad) y SEC (seguridad).

Las primeras especificaciones de la ETSI ISG fueron publicadas en Octubre de 2013: GS NFV 001 “Use Cases”, GS NFV 002 “Architectural Framework”, GS NFV 003 “Terminology for Main Concepts in NFV”, GS NFV 004 “Virtualisation Requirements” y GS NFV-PER 002 “Proofs of Concepts Framework”. Estos cinco documentos establecen un marco de trabajo fundamental para el desarrollo de NFV, cubriendo: casos de uso, requerimientos, arquitectura marco y terminología. Además se establece un marco de trabajo para coordinar y promover demostraciones públicas de los aspectos claves de NFV. Esto hará más sencillo para los operadores de red y proveedores de soluciones NFV trabajar juntos, mejorando la interoperabilidad y el desarrollo de un ecosistema abierto, que facilitará las economías de escala globales. Durante el año 2014 se publicarán especificaciones más detalladas basadas en estos cinco documentos. Estas primeras especificaciones han sido desarrolladas en tan sólo 10 meses con el fin de poder satisfacer la alta demanda de la industria, pues se espera que los despliegues de NFV se aceleren en el periodo 2014-2015.

Marco de referencia de NFV

Figura 1: Marco de referencia de NFV.

Aplicación de las tecnologías de virtualización a NFV

Los principales habilitadores de NFV son [3]:

  • “Cloud computing”. NFV se aprovecha de las modernas tecnologías de virtualización desarrolladas para “cloud computing”: virtualización hardware mediante “hypervisors” y utilización de switches Ethernet virtuales (por ejemplo, vswitch) para conectar el tráfico entre máquinas virtuales e interfaces físicos. Para las funciones orientadas a comunicaciones, se dispone de una potente capacidad de procesamiento de paquetes a través de procesadores multinúcleo de alta velocidad con altos anchos de banda de entrada y salida, uso de tarjetas de red Ethernet inteligentes para compartición de carga con TCP “offloading” y encaminamiento de paquetes directamente a memoria virtual, así como drivers Ethernet modo sondeo en vez de dirigidos por interrupciones (por ejemplo Linux NAPI e Intel DPDK). La mejora de la disponibilidad y utilización de los recursos en infraestructuras “cloud” se consigue mediante sofisticados mecanismos de orquestación y gestión, aplicables a: la creación automática de instancias de dispositivos virtuales en la red; la gestión de recursos asignados dispositivos virtuales a la CPU, memoria e interfaces correctos; el reinicio de máquinas virtuales fallidas; etc. Finalmente la disponibilidad de APIs (Application Programming Interface) abiertos para la gestión del plano de control, como OpenFlow, proporciona un grado de integración adicional de las funciones de red virtuales y la infraestructura “cloud”.
  • Hardware estándar. La disponibilidad de grandes volúmenes de servidores estándar a bajo precio es otro elemento clave para la eficiencia en costes de NFV. Este tipo de servidores emplean componentes estándar (por ejemplo, la arquitectura x86) e intercambiables, lo cual facilita la presencia de un gran número de proveedores a precios muy competitivos. Los dispositivos de red que dependen de ASICs (Application Specific Integrated Circuits) se volverán progresivamente menos competitivos, aunque seguirán siendo aplicables para algunos tipos de aplicaciones con grandes requerimientos de tratamiento y procesamiento de datos a alta velocidad.

El informe “SDN and NFV Strategy survery” de Infonetics [5] pone de manifiesto que las operadoras de telecomunicaciones líderes del mundo están evaluando NFV o piensan hacerlo en los próximos 3 años y que tienen planes para desplegarla en su red, tanto en el núcleo, como la agregación y el acceso. La mayoría de los operadores están comenzando sus despliegues de SDN y NFV centrándose en pequeñas partes de su red, con el fin de asegurarse de que consiguen hacer funcionar la tecnología como esperan y conseguir también el necesario conocimiento de ella. En principio, no existe ningún límite en cuanto a las funciones de red que pueden ser virtualizadas. Sin embargo, la virtualización en el entorno de operadoras es mucho más complejo que le empresarial, tanto por el volumen y tipología de tráfico que manejan, como por la variedad de tecnologías con las que trabajan. Las principales aplicaciones para NFV son las redes de distribución de contenidos o CDNs (Content Delivery Networks), IMS (IP Multimedia Subsystem) y los “virtual routers” y “security gateways”.

En efecto, una de las partes de la red del operador donde más se ha avanzado en virtualización es IMS. Desde hace tiempo, varios fabricantes han estado desarrollando software que era instalado en plataformas ATCA (Advanced Telecommunications Computing Architecture) estándar, algunos de ellos incluso con una capa de virtualización. El segundo paso ha sido poner el software de IMS virtualizado sobre cualquier servidor COTS (Commercial Off-The-Shelf). Finalmente, se introduce un gestor de recursos en la nube, incorporando elasticidad a las aplicaciones, que se irán moviendo a lo largo del hardware en la nube, para añadir y quitar dinámicamente, funcionalidad y capacidad.

No obstante, incluso dentro de IMS, no toda la infraestructura es eficiente en COTS hardware para todo tipo de servicio y para todo proveedor de servicios. Por ejemplo, el SBC/P-CSCF, que maneja grandes volúmenes de flujos de datos bidireccionales en tiempo real y con grandes requisitos de disponibilidad, baja latencia, intercambio dinámico de codecs, encriptación, protección frente a todo tipo de ataques de usuarios malintencionados, etc.; es muy difícil que pueda ser virtualizado y centralizado de forma eficiente a corto plazo en las redes los principales operadores de telecomunicaciones. El procesamiento de altas velocidades de datos en hardware de propósito general requiere implementaciones software extraordinariamente eficiente. Para conseguir eficiencia se debe tener acceso al hardware de red físico, algo que ya permiten algunos “hypervisor” modernos (VMware lo llama “VMDirectPath”, KVM lo denomina “PCI passthrough”, etc.). Sin embargo, con esta técnica, puesto que se acede al estado de los dispositivos físicos directamente, no es posible mover fácilmente una imagen VM (Virtual Machine) a una VM alternativa empleando técnicas de gestión VM estándar.

Bibliografía y referencias

  1. Cloud computing in telecommunications”. Jan Gabrielsson, Ola Hubertsson, Ignacio Más y Robert Skog. Ericsson Review, nº 1, 2010. 
  2. Software-Defined Networking: The New Norm for Networks”. ONF, Abril, 2012. 
  3. Network Functions Virtualization (NFV) Whitepaper v2”. Publicado en el “SDN and OpenFlow World Congress”, Octubre 15-17 2013, Frankfurt-Alemania.
  4. Over-The-Top vs Operadoras: la competencia se intensifica”. Ramón Jesús Millán Tejedor, Dintel - Alta Dirección nº III-1, Dintel, 2012. 
  5. SDN and NFV strategy survey”. Infonetics, Julio 2013.

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