Giới thiệu
Internet là một hệ thống thông tin toàn cầu, cho phép truy cập công cộng, bao gồm các mạng máy tính được kết nối với nhau Hệ thống này hoạt động dựa trên tiêu chuẩn toàn cầu được gọi là Giao thức điều khiển truyền (TCP) và Bộ giao thức Internet (IP).
Hệ thống TCP và IP đóng vai trò quan trọng như một giao thức trao đổi thông tin, cho phép hàng tỷ người dùng internet trên toàn cầu kết nối và giao tiếp hiệu quả.
Trong lịch sử phát triển của internet, giao thức TCP và IP đóng vai trò quan trọng TCP đảm bảo tính hợp lệ của tất cả các kết nối, trong khi IP có nhiệm vụ truyền tải dữ liệu giữa các máy tính.
Internet đã trở thành dịch vụ thiết yếu trong xã hội số hiện nay, cung cấp nhiều dịch vụ như ngân hàng trực tuyến, thương mại điện tử, mạng xã hội và lưu trữ nội dung Xu hướng sử dụng Internet qua di động ngày càng gia tăng, với sự gia tăng đều đặn về thời gian sử dụng và băng thông của các ứng dụng Tuy nhiên, vẫn còn 80% dân số toàn cầu chưa có truy cập Internet Do đó, công nghệ phát triển Internet cần được cải tiến để hỗ trợ sự tăng trưởng bền vững và tiết kiệm Ngoài ra, các yếu tố như tính cơ động, chất lượng dịch vụ, bảo mật và khả năng nâng cấp cũng cần được chú trọng trong lĩnh vực Internet.
Lịch sử phát triển của mạng di động
Công nghệ mạng 1G: thoại không dây
Mạng di động thế hệ đầu tiên (1G) được ra mắt vào năm 1980, chỉ hỗ trợ dịch vụ thoại với tốc độ lý thuyết đạt 2,4 Kbps Tuy nhiên, công nghệ này gặp nhiều hạn chế như chất lượng thoại kém, thường xuyên bị ngắt cuộc gọi, dung lượng pin thấp và không có tính năng bảo mật.
Công nghệ mạng 2G: nhắn tin đa phương tiện
Mạng 2G, được thử nghiệm lần đầu tại Phần Lan vào năm 1991, đánh dấu một bước tiến lớn so với 1G khi chuyển từ truyền thông tương tự sang số Không chỉ cung cấp dịch vụ thoại, mạng 2G còn hỗ trợ dịch vụ dữ liệu như SMS và MMS Tốc độ mạng 2G ban đầu đạt khoảng 50 kbps và sau một số cải tiến với công nghệ GPRS và EDGE, tốc độ này đã tăng lên tới 1.3 Mbps.
Công nghệ mạng 3G: thoại truyền hình, internet di động
Mạng 3G, ra mắt vào năm 1998, đánh dấu sự khởi đầu của mạng di động băng thông rộng với tốc độ truyền dữ liệu cao hơn Nhờ vào sự cải tiến này, người dùng có thể truy cập các dịch vụ như điện thoại truyền hình và internet trên điện thoại di động Tốc độ mạng 3G đạt 2 Mbps khi đứng yên và 384 Kbps khi di chuyển Qua các công nghệ nâng cao như HSPA và HSPA+, tốc độ mạng 3G có thể lên tới 7,2 Mbps.
Công nghệ mạng 4G: ứng dụng internet
Mạng 4G, ra mắt vào năm 2008, không chỉ cung cấp kết nối internet nhanh chóng như mạng 3G mà còn hỗ trợ các dịch vụ đa dạng như game online, truyền hình HD và hội nghị truyền hình Tốc độ lý thuyết của mạng 4G có thể đạt tới 1 Gbps và 100 Mbps khi sử dụng di động, mang lại trải nghiệm trực tuyến mượt mà và hiệu quả.
Công nghệ mạng 5G: internet vạn vật ( IoT)
Mạng 5G hiện đang trong giai đoạn thử nghiệm tại một số khu vực trên thế giới và hứa hẹn mang lại nhiều cải tiến vượt trội Với tốc độ lý thuyết lên tới 20 Gbps, mạng 5G không chỉ cung cấp tốc độ truyền tải nhanh hơn mà còn cho phép kết nối nhiều thiết bị hơn, giảm độ trễ và tiết kiệm năng lượng hiệu quả.
Mạng 5G riêng có khả năng thay thế mạng cục bộ có dây trong các ứng dụng công nghiệp khi hạ tầng truyền thông cố định không khả thi 5G New Radio mang lại những cải tiến về bảo mật, độ tin cậy và hiệu suất, được thiết kế để đáp ứng nhu cầu ứng dụng quan trọng của doanh nghiệp trong ba lĩnh vực chính: Giao tiếp cực kỳ tin cậy và độ trễ thấp (uRLLC), Băng thông di động mở rộng (eMBB) và Giao tiếp máy móc quy mô lớn (mMTC) Hơn nữa, công nghệ ảo hóa chức năng mạng (NFV) và mạng do phần mềm xác định (SDN) đang giúp các doanh nghiệp tiếp cận giải pháp di động độc lập và chi phí thấp.
Mạng 5G riêng có thể đáp ứng nhu cầu giao tiếp của IoT bao gồm:
Bảo mật dữ liệu là yếu tố quan trọng trong việc bảo vệ mạng riêng, được thực hiện thông qua kiểm soát truy cập nghiêm ngặt Điều này bao gồm xác thực người dùng và thiết bị nâng cao, cùng với việc cách ly mạng để bảo vệ dữ liệu và thiết bị nhạy cảm khỏi các mối đe dọa.
Để đảm bảo dịch vụ liên tục, tính sẵn sàng cao được đạt được nhờ vào toàn quyền sở hữu mạng, các thành phần cấp công nghiệp được lựa chọn cẩn thận, lập kế hoạch mạng tùy chỉnh và bảo trì tự quản lý, giúp đạt thời gian chết gần như bằng không.
Bản phát hành 3GPP 16 mới nhất tập trung vào các ứng dụng 5G NR uRLCC và IIoT, mang lại độ tin cậy lên đến 99,999% và độ trễ chỉ ở mức mili giây.
Các ứng dụng video thông minh nặng như phát trực tiếp 4K/8K UHD có thể tận dụng băng thông riêng 5G lớn hơn, mang lại tốc độ tải lên và tải xuống vượt quá 1 gigabit mỗi giây.
Giải pháp mạng riêng dựa trên NFV, SDN và các tiêu chuẩn mở mang lại hiệu quả chi phí cao, cho phép xây dựng hạ tầng truyền thông nhẹ nhàng và linh hoạt Những giải pháp này đã được chứng minh khả năng quản lý như một hệ thống CNTT doanh nghiệp, đảm bảo tính bền vững trong tương lai.
Điện toán và ảo hóa đám mây
Điện toán đám mây
Điện toán đám mây, khởi nguồn từ những năm 1950 với việc sử dụng máy tính lớn qua máy khách tĩnh, đã trải qua quá trình phát triển mạnh mẽ Từ máy khách tĩnh, điện toán đám mây đã chuyển sang máy khách động và tiến tới việc cung cấp phần mềm dưới dạng dịch vụ Sự phát triển này thể hiện rõ qua các sơ đồ minh họa.
Hình 2 1: Lịch sử phát triển của điện toán đám mây
Đám mây, hay còn gọi là điện toán đám mây, đề cập đến việc sử dụng mạng hoặc internet để cung cấp dịch vụ từ xa, bao gồm các ứng dụng như email, hội nghị web và quản lý quan hệ khách hàng (CRM) Nó cho phép người dùng thao tác, cấu hình và truy cập tài nguyên phần cứng và phần mềm thông qua các mạng công cộng và riêng tư như WAN, LAN hoặc VPN Điện toán đám mây mang lại nhiều lợi ích, bao gồm lưu trữ trực tuyến, cơ sở hạ tầng linh hoạt và ứng dụng dễ dàng truy cập.
Người ta có thể truy cập các ứng dụng dưới dạng tiện ích, qua Internet.
Người ta có thể thao tác và cấu hình các ứng dụng trực tuyến bất cứ lúc nào.
Nó không yêu cầu cài đặt một phần mềm để truy cập hoặc thao tác ứng dụng đám mây.
Điện toán đám mây cung cấp các công cụ triển khai và phát triển trực tuyến.
Tài nguyên đám mây có sẵn trên mạng theo cách cung cấp quyền truy cập độc lập nền tảng vào bất kỳ loại máy khách nào.
Điện toán đám mây mang đến dịch vụ tự phục vụ theo yêu cầu, cho phép người dùng truy cập và sử dụng tài nguyên mà không cần phải tương tác trực tiếp với nhà cung cấp dịch vụ.
Điện toán đám mây tiết kiệm chi phí nhờ vào hiệu suất cao và khả năng sử dụng tối ưu Chỉ cần có kết nối Internet, người dùng có thể tận dụng mọi lợi ích mà điện toán đám mây mang lại.
Điện toán đám mây cung cấp khả năng cân bằng tải để làm cho nó đáng tin cậy hơn.
Mô hình dịch vụ: Điện toán đám mây dựa trên các mô hình dịch vụ Chúng được phân loại thành ba mô hình dịch vụ cơ bản:
Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS)
Nền tảng như một dịch vụ (PaaS)
Phần mềm như một dịch vụ (SaaS)
Anything-as-a-Service (XaaS) is a service model that encompasses various offerings such as Network-as-a-Service, Business-as-a-Service, Identity-as-a-Service, and Database-as-a-Service, along with strategic services delivered through this framework.
Cơ sở hạ tầng-as-a-Service (IaaS) là dịch vụ cơ bản nhất trong các mô hình dịch vụ, kế thừa cơ chế quản lý và bảo mật từ các mô hình dưới nó.
Hình 2 2: Mô hình dịch vụ của điện toán đám mây
Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS):
IaaS cung cấp quyền truy cập vào các tài nguyên cơ bản như máy vật lý, máy ảo, bộ nhớ ảo, v.v.
Nền tảng như một dịch vụ (PaaS):
PaaS cung cấp môi trường thời gian chạy cho các ứng dụng, công cụ phát triển và triển khai, v.v.
Phần mềm như một dịch vụ (SaaS):
Mô hình SaaS cho phép sử dụng các ứng dụng phần mềm như một dịch vụ cho người dùng cuối.
2.1.1 Kiến trúc của điện toán đám mây Điện toán đám mây bao gồm hai thành phần, giao diện người dùng và giao diện người dùng Giao diện người dùng bao gồm phần khách hàng của hệ thống điện toán đám mây Nó bao gồm các giao diện và ứng dụng được yêu cầu để truy cập vào nền tảng điện toán đám mây hoặc nền tảng lập trình đám mây.
Hình 2 3: Kiến trúc điện toán đám mây
Điện toán đám mây bao gồm các tài nguyên cần thiết cho dịch vụ, như máy ảo, máy chủ, lưu trữ dữ liệu và cơ chế bảo mật, tất cả đều nằm dưới sự kiểm soát của nhà cung cấp Hệ thống tệp tin được phân phối trên nhiều ổ cứng và máy, đảm bảo rằng dữ liệu không bao giờ được lưu trữ tại một vị trí duy nhất; nếu một thiết bị gặp lỗi, thiết bị khác sẽ tự động tiếp quản Không gian đĩa của người dùng được phân bổ trên hệ thống tệp phân tán, với thuật toán phân bổ tài nguyên đóng vai trò quan trọng Tóm lại, điện toán đám mây là một môi trường phân tán mạnh mẽ, phụ thuộc vào các thuật toán hiệu quả.
Hình 2 4: Kiến trúc điện toán đám mây Thành phần chính:
1 Cơ sở hạ tầng khách hàng: là thành phần front-end cung cấp GUI, nó giúp người dùng tương tác với đám mây.
2 Ứng dụng: Ứng dụng có thể là bất kỳ phần mềm hoặc nền tảng nào mà khách hàng muốn truy cập.
3 Thành phần dịch vụ quản lý loại dịch vụ nào bạn có thể truy cập theo yêu cầu của khách hàng.
Ba dịch vụ Điện toán đám mây là:
Phần mềm như một dịch vụ (SaaS)
Nền tảng như một dịch vụ (PaaS)
Cơ sở hạ tầng như một dịch vụ (IaaS)
4 Runtime Cloud: Runtime cloud cung cấp môi trường thực thi và thời gian chạy cho các máy ảo.
5 Lưu trữ: Lưu trữ là một thành phần kiến trúc Điện toán đám mây quan trọng khác Nó cung cấp một lượng lớn dung lượng lưu trữ trên đám mây để lưu trữ và quản lý dữ liệu.
6 Cơ sở hạ tầng: Nó cung cấp các dịch vụ ở cấp độ máy chủ, cấp độ mạng và cấp độ ứng dụng Cơ sở hạ tầng đám mây bao gồm các thành phần phần cứng và phần mềm như máy chủ, bộ lưu trữ, thiết bị mạng, phần mềm ảo hóa và nhiều tài nguyên lưu trữ khác cần thiết để hỗ trợ mô hình điện toán đám mây.
7 Quản lý: Thành phần này quản lý các thành phần như ứng dụng, dịch vụ, đám mây thời gian chạy, lưu trữ, cơ sở hạ tầng và các vấn đề bảo mật khác trong phần phụ trợ Nó cũng thiết lập sự phối hợp giữa chúng.
8 Bảo mật: Bảo mật trong phần phụ trợ đề cập đến việc triển khai các cơ chế bảo mật khác nhau cho các hệ thống, tài nguyên, tệp và cơ sở hạ tầng Đám mây an toàn cho người dùng cuối.
9 Internet: Kết nối Internet đóng vai trò là cầu nối hoặc phương tiện giữa giao diện người dùng và phụ trợ Nó cho phép bạn thiết lập sự tương tác và giao tiếp giữa giao diện người dùng và phụ trợ.
2.1.2 Các loại điện toán đám mây
Mây công cộng là dịch vụ cho phép người dùng dễ dàng truy cập vào các hệ thống và dịch vụ của những gã khổng lồ công nghệ thông tin như Google, Amazon và Microsoft thông qua internet Mô hình này mang lại sự tiện lợi và linh hoạt cho người sử dụng.
Hình 2 5: Mô hình đám mây công cộng
Hiệu quả về chi phí: vì đám mây công cộng chia sẻ cùng một nguồn tài nguyên với một số lượng lớn khách hàng nên không tốn kém.
Đám mây công cộng có độ tin cậy cao nhờ vào việc sử dụng số lượng lớn các nguồn lực từ nhiều địa điểm khác nhau Khi một tài nguyên gặp sự cố, hệ thống có khả năng chuyển sang sử dụng tài nguyên khác, đảm bảo tính liên tục và ổn định trong quá trình vận hành.
Linh hoạt - uyển chuyển: Đám mây công cộng có thể tích hợp trơn tru với đám mây riêng, mang đến cho khách hàng cách tiếp cận linh hoạt.
Vị trí độc lập: Các dịch vụ đám mây công cộng được cung cấp thông qua internet, đảm bảo tính độc lập về vị trí.
Ảo hóa máy chủ
Ảo hóa là công nghệ nền tảng cho sự hoạt động của điện toán đám mây, nhưng nó không đồng nghĩa với điện toán đám mây Điện toán đám mây là dịch vụ mà các nhà cung cấp cung cấp cho người dùng với một mức chi phí nhất định.
Từ những năm 1960, IBM đã giới thiệu khái niệm máy ảo, cho phép người dùng truy cập đồng thời vào máy chủ Mỗi máy ảo cung cấp một giao diện trừu tượng, mang lại cảm giác như đang truy cập vào phần cứng vật lý Việc ảo hóa máy chủ giúp tối ưu hóa tài nguyên, cho phép chia sẻ thời gian và ghép kênh giữa các người dùng khác nhau, từ đó giảm chi phí hoạt động cho các tổ chức.
Trong môi trường doanh nghiệp, ảo hóa và điện toán đám mây thường được kết hợp để xây dựng hạ tầng đám mây công cộng hoặc riêng tư Đối với các doanh nghiệp nhỏ, hai công nghệ này thường được triển khai riêng biệt để đạt được những lợi ích rõ ràng Cả ảo hóa và điện toán đám mây đều có khả năng giúp doanh nghiệp giảm thiểu chi phí thiết bị và tối ưu hóa việc sử dụng các thiết bị hiện có.
Phần mềm ảo hóa cho phép một máy chủ vật lý chạy nhiều môi trường máy tính riêng biệt, tương tự như việc có nhiều máy chủ từ một máy chủ vật lý Công nghệ này là nền tảng cho điện toán đám mây, nơi các nhà cung cấp dịch vụ đám mây sử dụng các trung tâm dữ liệu lớn với nhiều máy chủ để cung cấp dịch vụ Thay vì dành riêng một máy chủ cho từng khách hàng, họ phân vùng dữ liệu trên máy chủ, cho phép mỗi khách hàng truy cập vào một cá thể “ảo” riêng biệt của phần mềm, như mạng riêng hoặc trang web máy chủ.
Sau đây là một số lợi thế chính của ảo hóa:
Sử dụng ảo hóa giúp tối ưu hóa hiệu suất phần cứng và giảm chi phí bằng cách giảm nhu cầu về hệ thống phần cứng vật lý Máy ảo hoạt động hiệu quả với phần cứng, từ đó giảm số lượng thiết bị cần thiết, chi phí bảo trì và nhu cầu về điện năng cũng như làm mát Ngoài ra, việc phân bổ bộ nhớ, không gian và CPU chỉ mất một giây, mang lại sự độc lập cho người dùng với các nhà cung cấp phần cứng.
Sử dụng ảo hóa để tăng tính khả dụng:
Nền tảng ảo hóa mang lại nhiều tính năng nâng cao không có trên máy chủ vật lý, góp phần tăng cường thời gian hoạt động và tính khả dụng Dù tên gọi của các tính năng có thể khác nhau giữa các nhà cung cấp, nhưng chúng thường bao gồm các khả năng như di chuyển trực tiếp, di chuyển bộ nhớ, khả năng chịu lỗi, tính khả dụng cao và lập lịch tài nguyên phân tán Những công nghệ này giúp duy trì hoạt động liên tục cho các máy ảo và cung cấp khả năng phục hồi hiệu quả sau sự cố ngừng hoạt động ngoài kế hoạch.
Khả năng di chuyển máy ảo giữa các máy chủ là một trong những lợi ích lớn nhất của ảo hóa, cho phép sử dụng linh hoạt và hiệu quả Công nghệ ngày càng phát triển, cho phép di chuyển máy ảo qua khoảng cách xa, như từ trung tâm dữ liệu này sang trung tâm dữ liệu khác, mà không bị ảnh hưởng bởi độ trễ mạng.
Phục hồi dữ liệu là quá trình khôi phục thông tin khi máy chủ được ảo hóa Với ảnh chụp nhanh cập nhật của máy ảo, việc sao lưu và khôi phục trở nên nhanh chóng và dễ dàng hơn Các tổ chức có thể tạo ra một địa điểm nhân rộng với chi phí hợp lý, giúp bảo vệ dữ liệu trong trường hợp thảm họa xảy ra tại trung tâm dữ liệu hoặc phòng máy chủ Khi đó, bạn có thể di chuyển các máy ảo đến một nhà cung cấp đám mây khác Sự linh hoạt này làm cho kế hoạch khắc phục thảm họa trở nên khả thi hơn, với tỷ lệ thành công lên đến 99%.
Tiết kiệm năng lượng thông qua việc chuyển đổi máy chủ vật lý sang máy ảo và hợp nhất chúng vào ít máy chủ vật lý hơn giúp giảm chi phí điện năng và chi phí làm mát trong trung tâm dữ liệu Điều này không chỉ giảm lượng khí thải carbon mà còn góp phần làm sạch không khí mà chúng ta hít thở Người tiêu dùng ngày càng mong muốn các công ty thực hiện các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm và chịu trách nhiệm với môi trường.
2.2.1.2 Các trường hợp sử dụng
Có nhiều cách sử dụng VM ngoài điện toán đám mây.
Máy ảo là công cụ hữu ích cho việc tạo ra một môi trường an toàn và biệt lập, cho phép kiểm tra và bảo mật các ứng dụng không đáng tin cậy Nhờ vào tính năng cách ly, máy ảo có thể ngăn chặn mã độc hại xâm nhập vào tài nguyên hệ thống cơ bản hoặc truy cập dữ liệu của các máy ảo khác Nó thường được sử dụng như một hộp cát để phân tích phần mềm độc hại và phát triển chữ ký cho các bản vá trong tương lai Ngoài ra, máy ảo còn hỗ trợ chạy các ứng dụng bên thứ ba hoặc đáng ngờ với mức độ tin cậy thấp.
Máy chủ vật lý có khả năng cung cấp nhiều hệ điều hành đồng thời, như Linux và Windows, để đáp ứng nhu cầu ứng dụng đa dạng mà không gây cản trở cho nhau Hơn nữa, việc ẩn chi tiết phần cứng thông qua giao diện máy ảo (VM) giúp giảm thiểu sự cố trong phần mềm ứng dụng khi phần cứng được nâng cấp hoặc thay đổi, đảm bảo tính minh bạch và ổn định cho các ứng dụng.
XIX cung cấp các phần cứng ảo hóa cơ bản như giao diện mạng ảo thẻ (NIC), bộ điều hợp ảo và bộ chuyển mạch, giúp tối ưu hóa hiệu suất mạng và nâng cao khả năng quản lý tài nguyên.
Di chuyển ứng dụng có thể hỗ trợ định danh khối lượng công việc từ các máy chủ chưa sử dụng, giúp giảm chi phí năng lượng Đồng thời, nó cho phép chuyển các ứng dụng sang máy chủ phần cứng mới hơn với sự gián đoạn tối thiểu thông qua di chuyển máy ảo.
2.2.2 Kĩ thuật ảo hóa Ảo hóa về bản chất là một quá trình lập bản đồ và mô phỏng Nó lập bản đồtài nguyên ảo thành tài nguyên phần cứng gốc và sau đó sử dụngter cho tính toán Tùy theo nơi mà ánh xạ xảy ra ảo hóa mức phần cứng được sử dụng rộng rãi và sau đó cũng bao gồm ảo hóa các lớp khác.
2.2.2.1 Ảo hóa cấp phần cứng
Hình dưới đây minh họa hai kiến trúc ảo hóa phổ biến, với thành phần chính là ảomàn hình máy (VMM) VMM sử dụng phần mềm để mô phỏng các thành phần như bộ xử lý, I/O và bộ nhớ, cho phép chạy nhiều phiên bản máy ảo (VM) đồng thời Mỗi VM hoạt động với ứng dụng và hệ điều hành riêng, tương tự như một máy tính thông thường, trong đó hệ điều hành gửi lệnh đến VMM để thực thi Ở bên trái, VMM hoạt động như một lớp phần mềm trên phần cứng kim loại trần, được gọi là triển khai VM độc lập Ngược lại, bên phải, VMM chạy như một ứng dụng trên hệ điều hành chủ, tận dụng các chức năng như quản lý bộ nhớ và lập lịch trình Cả hai kiến trúc này đều được ứng dụng rộng rãi trong nhiều sản phẩm ảo hóa.
Hình 2 10: Kiến trúc máy ảo
Ảo hóa mạng
2.3.1 Mạng lớp phủ ( Overlay Networks)
Mạng overlay 2 là một mạng logic hoạt động độc lập trên cùng một mạng vật lý mà không gây ra bất kỳ thay đổi nào cho mạng cơ bản Các ví dụ về mạng lớp phủ bao gồm mạng ngang hàng (P2P), mạng riêng ảo (VPN) và dịch vụ thoại qua IP (VoIP) như Skype Hiện nay, hầu hết các mạng lớp phủ đều hoạt động trên Internet công cộng, trong khi Internet ban đầu là một lớp phủ chạy trên hạ tầng vật lý của mạng điện thoại chuyển mạch công cộng (PSTN) Internet được hình thành từ việc kết nối nhiều máy tính qua đường dây điện thoại để chia sẻ thông tin giữa các cơ quan chính phủ và nghiên cứu Lớp Internet cho phép truyền dữ liệu qua toàn bộ hệ thống điện thoại mà không cần thay đổi cấu trúc của nó, trong đó mạng P2P đóng vai trò quan trọng, sử dụng các giao thức Internet tiêu chuẩn để tối ưu hóa việc truyền dữ liệu giữa các máy tính.
Mạng P2P cho phép kết nối trực tiếp với máy tính từ xa để chia sẻ tệp, sử dụng cấu trúc liên kết của mạng vật lý Nó ưu tiên dữ liệu thuê ngoài và phân bổ khối lượng công việc cho cài đặt phần mềm và bộ nhớ Mặc dù có nhiều cách triển khai lớp phủ khác nhau trong ngăn xếp mạng, hầu hết đều được thực hiện ở lớp ứng dụng trên IP, dẫn đến những hạn chế do internet hiện có.
Mạng lớp phủ: Những điểm rút ra chính
Mạng lớp phủ sử dụng phần mềm để tạo ra các lớp trừu tượng hóa, cho phép chạy nhiều mạng ảo hóa riêng biệt trên cùng một hạ tầng mạng vật lý.
Các kết nối ảo trên mạng lớp phủ được hình thành thông qua phần mềm định tuyến hoặc chuyển mạch, sử dụng thẻ, nhãn và mã hóa phần mềm để thiết lập một đường hầm ảo kết nối các mạng khác nhau.
Mã hóa lưu lượng để di chuyển qua lớp phủ mạng ảo đòi hỏi sức mạnh tính toán đáng kể, điều này có thể dẫn đến các vấn đề về khả năng mở rộng.
2.3.2 Mạng chia sẻ ảo (VPN)
Mạng riêng ảo (VPN) là một giải pháp công nghệ giúp bảo vệ quyền riêng tư trực tuyến của người dùng bằng cách thiết lập một kết nối an toàn và được mã hóa giữa thiết bị của họ và internet Bằng cách sử dụng các giao thức đường hầm, VPN mã hóa dữ liệu nhạy cảm trước khi truyền tải, đảm bảo rằng thông tin chỉ được giải mã tại điểm nhận, từ đó tăng cường bảo mật và riêng tư cho người dùng.
Có các loại VPN chính sau:
VPN truy cập từ xa là công cụ quan trọng cho doanh nghiệp, cho phép tạo kết nối an toàn giữa mạng công ty và các thiết bị cá nhân hoặc thiết bị công ty của nhân viên làm việc từ xa Khi kết nối thành công, nhân viên có thể truy cập thông tin trên mạng công ty một cách dễ dàng, giống như khi họ sử dụng thiết bị tại văn phòng.
VPN site-to-site là giải pháp lý tưởng cho các doanh nghiệp, cho phép truy cập và chia sẻ thông tin giữa nhiều người dùng tại các địa điểm cố định.
VPN dựa trên máy khách cho phép người dùng kết nối với mạng từ xa thông qua một ứng dụng quản lý kết nối Để đảm bảo an toàn, phần mềm VPN sẽ được khởi động và yêu cầu xác thực bằng tên người dùng và mật khẩu Sau khi xác thực thành công, một liên kết mã hóa được thiết lập giữa thiết bị của người dùng và mạng từ xa, giúp bảo vệ dữ liệu trong quá trình giao tiếp.
VPN dựa trên mạng là một loại mạng riêng ảo giúp kết nối an toàn giữa hai mạng thông qua một mạng không an toàn Một ví dụ điển hình của VPN này là mạng WAN dựa trên IPsec, cho phép tất cả các văn phòng kết nối với nhau một cách bảo mật.
XXIII của doanh nghiệp đều được kết nối với các đường hầm IPsec trên Internet Có 3 loại chính:
VPN-IPsec thiết lập một đường hầm an toàn để trao đổi dữ liệu giữa hai mạng thông qua mã hóa Đường hầm IPSec cũng có khả năng đóng gói lưu lượng cho từng thiết bị riêng lẻ.
VPN đa điểm động (DMVPN) là một phương pháp cho phép thiết lập các đường hầm IPsec điểm-điểm trong một đám mây mạng kết nối Với DMVPN, hai mạng bất kỳ có thể giao tiếp trực tiếp thông qua đám mây DMVPN, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả trong việc quản lý kết nối mạng.
Mạng L3VPN dựa trên công nghệ MPLS cho phép ảo hóa mạng, giúp người dùng chia sẻ hạ tầng mạng vật lý một cách hiệu quả, đồng thời đảm bảo sự tách biệt hợp lý giữa các kết nối.
Ảo hóa không dây
Ảo hóa không dây bao gồm ảo hóa truy cập không dây, ảo hóa cơ sở hạ tầng không dây và ảo hóa mạng di động Tùy thuộc vào tài nguyên và mục tiêu ảo hóa, chúng ta có thể áp dụng các phương pháp khác nhau để tối ưu hóa hiệu suất và quản lý mạng.
Ảo hóa trên luồng là một phần quan trọng trong SDN, tập trung vào việc tối ưu hóa mạng và công nghệ không dây Để đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS) và thỏa thuận mức dịch vụ (SLA) cho các luồng lưu lượng, cần có các chức năng không dây đặc thù như khối tài nguyên vô tuyến và bộ lập lịch.
Ảo hóa dựa trên giao thức cho phép cô lập và quản lý nhiều ngăn xếp giao thức không dây trên một phần cứng duy nhất, điều này mang lại khả năng tùy chỉnh linh hoạt mà ảo hóa dựa trên luồng không thể thực hiện được.
Giao diện người dùng RF và ảo hóa dựa trên phổ cung cấp mức độ ảo hóa cao, tập trung vào tính trừu tượng và sự phân bổ linh hoạt của phổ Điều này cho phép tách biệt giao diện người dùng RF khỏi các giao thức, giúp một giao diện người dùng duy nhất có thể phục vụ cho nhiều nút ảo hoặc cho phép một người dùng sử dụng nhiều giao diện ảo khác nhau.
Một số thách thức đối với ảo hóa không dây:
Trong môi trường ảo hóa, việc chia sẻ tài nguyên yêu cầu áp dụng các kỹ thuật hiệu quả nhằm đảm bảo rằng việc sử dụng tài nguyên của một người dùng không ảnh hưởng tiêu cực đến người dùng khác.
Quản lý nhiều mạng: gây phức tạp hơn so với mạng có dây.
Mạng không dây dễ bị nhiễu, do nhiều mạng truy cập
Chương 3: Công nghệ ảo hóa chức năng mạng NFV
Tổng quan về công nghệ ảo hóa chức năng mạng NFV
3.1.1 Định nghĩa về ảo hóa chức năng mạng: Ảo hóa chức năng mạng NFV – Network Functions Virtualization là một kiến trúc mạng sử dụng công nghệ ảo hóa toàn bộ các lóp chức năng nút mạng thành những khối có thể kết nối với nhau Từ đó có thể tạo ra các dịch vụ truyền thông và mạng máy tính, sử dụng để thay thế hầu hết những cách thức truyền thống trước kia Ảo hóa chức năng mạng được định hướng với các mục tiêu giảm chi phí, tăng tính linh hoạt và cung cấp các dịch vụ cá nhân hóa.
3.1.2 Quá trình phát triển Định nghĩa về NFV bắt nguồn từ các nhà cung cấp dịch vụ mạng Họ là những người luôn tìm kiếm giải pháp để thúc đẩy việc triển khai các dịch vụ mạng mới được nhanh hơn, tốt hơn từ đó thu về lợi nhuận cao hơn Những hạn chế của các thiết bị phần cứng đòi hỏi họ phải áp dụng công nghệ ảo hóa vào hệ thống mạng của họ Vì chung mục đích như vậy, nhiều nhà cung cấp dịch vụ đã hợp tác với nhau và thành lập nên nhóm ETSI ISG NFV (ETSI Industry Specification Group for Network Functions Virtualization) thuộc ETSI Đây là nhóm có nhiệm vụ phát triển các yêu cầu và kiến trúc để áp dụng ảo hóa cho các chức năng trong hệ thống mạng viễn thông Ban đầu, ETSI ISG NFV gồm có sự tham gia của bảy nhà mạng viễn thông hàng đầu là: AT&T, BT, Deutsche Telekom, Orange, Telecom Italia, Telefonica và Verizon Ngoài ra còn có sự tham gia của 52 nhà mạng, các nhà cung cấp thiết bị viễn thông, hãng sản xuất phần cứng khác Sau đó, cộng đồng ETSI ISG NFV dần dần mở rộng ra với qui mô 230 công ty thành viên, bao gồm nhiều nhà cung cấp dịch vụ trên toàn cầu Đến tháng 10-2012, tại
Tại hội nghị SDN và OpenFlow World Congress lần thứ XXV diễn ra ở Darmstadt, Đức, ETSI ISG NFV đã công bố sách trắng đầu tiên về công nghệ NFV Kể từ đó, nhóm nghiên cứu của ETSI đã phát triển nhiều tài liệu chuyên sâu hơn về NFV, bao gồm định nghĩa thuật ngữ tiêu chuẩn, ứng dụng và mô hình kiến trúc tổng quát Những tài liệu này đã trở thành tài liệu tham khảo quan trọng cho các nhà phát triển và nhà cung cấp dịch vụ ứng dụng NFV Hiện nay, nhiều hãng công nghệ, viện nghiên cứu và trường đại học lớn trên thế giới đang tích cực đầu tư vào nghiên cứu công nghệ NFV.
Các tổ chức như Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu, 3GPP và OASIS đã phát hành nhiều sách trắng và tài liệu đặc tả, tạo ra một bộ khung tiêu chuẩn cho các công ty và cộng đồng nguồn mở Điều này giúp họ phát triển các dự án riêng lẻ và dễ dàng liên kết chúng với nhau.
The development of NFV products and solutions focuses on both open-source projects, including OPNFV, OpenSourceMano, and OpenBaton, as well as commercial offerings such as Red Hat, Mirantis, and VMWare NSX.
Trong hoạt động kinh doanh thực tế, ứng dụng công nghệ 5G đang được triển khai mạnh mẽ, điển hình là dự án của SK Telecom tại Hàn Quốc Tại Mỹ, nhà mạng AT&T đã công bố kế hoạch ảo hóa 75% hạ tầng mạng của mình vào năm 2020 thông qua việc áp dụng công nghệ NFV và SDN (Mạng định nghĩa bằng phần mềm).
3.1.3 Vai trò của ảo hóa chức năng mạng:
Kỷ nguyên công nghệ đang mở ra những nhu cầu ngày càng cao, đòi hỏi việc cải thiện hạ tầng mạng về cả số lượng lẫn chất lượng trở nên cần thiết không chỉ ở Việt Nam Điều này tạo ra áp lực lớn đối với các nhà cung cấp dịch vụ mạng, và giải pháp cho những khó khăn này chính là vai trò của NFV.
Công nghệ NFV giúp tách biệt các hàm chức năng mạng như NAT, DNS, CDN, Firewall và Caching khỏi các thiết bị vật lý chuyên dụng Điều này mở ra khả năng triển khai các hàm chức năng mạng dưới dạng phần mềm trong môi trường ảo hóa, mang lại tính linh hoạt và hiệu quả cao hơn cho hệ thống mạng.
Hiện nay, thiết bị vật lý không còn là độc quyền của các nhà mạng hay hãng sản xuất nào, mà đã trở nên phổ biến Các sản phẩm như máy chủ, thiết bị lưu trữ và thiết bị chuyển mạch được sản xuất hàng loạt, đồng thời vẫn đảm bảo tuân thủ các tiêu chuẩn chung.
Việc giảm thiểu chi phí đầu tư và giảm sự phụ thuộc vào các thiết bị phần cứng chuyên biệt đã trở nên khả thi hơn bao giờ hết Các nhà mạng hiện có thể chủ động khởi tạo, điều phối và di chuyển các hàm chức năng mạng (NF) cũng như dịch vụ mạng một cách linh hoạt và dễ dàng Điều này dẫn đến việc đầu tư vào hạ tầng phần cứng trở nên thuận lợi hơn.
XXVI tận dụng tốt hơn Từ việc cắt giảm, tiết kiệm chi phí đầu tư, chi phí bảo dưỡng, vận hành,nâng cấp thiết bị
Kiến trúc công nghệ mạng ảo hóa NFV
NFV bao gồm nhiều thành phần trung gian quan trọng như Firewall, DPI, IDS, NAT và các nút mạng như máy chủ băng thông rộng, cổng mạng dữ liệu S-GW/P-GW, thực thể quản lý di động MME, máy chủ thuê bao HSS và hệ thống con đa phương tiện IP ảo vIMS, cùng với gói phát triển lõi ảo vEPC Những thiết bị này đóng vai trò thiết yếu trong việc cung cấp dịch vụ di động băng thông rộng.
NFV đã chuyển mình từ một đề xuất nghiên cứu thành một giải pháp triển khai thực tế Tập đoàn ETSI đã công bố tài liệu về kiến trúc NFV và thiết lập các nhóm làm việc để nghiên cứu những khía cạnh khác nhau của công nghệ này Hình 3.1 minh họa kiến trúc NFV theo tiêu chuẩn của ETSI.
Hình 3 1: Kiến trúc NFV Theo ETSI, một nền tảng NFV sẽ gồm có ba khối chính là:
Các hàm chức năng mạng ảo hóa (VNF) là phần mềm thực hiện các chức năng mạng như chuyển mạch, định tuyến và cân bằng tải mà không cần phần cứng chuyên dụng Khác với các thiết bị mạng vật lý (PNF), VNF hoạt động trên hạ tầng mạng ảo hóa (NFVI) và được quản lý bởi khối điều phối và quản lý (MANO) cùng với hệ thống quản lý thực thể (EMS) trong VNF.
Network Functions Virtualization Infrastructure (NFVI) encompasses a comprehensive set of both hardware and software components that deliver the essential resources for Virtual Network Functions (VNFs) to operate effectively This layer consists of standard Commercial-Off-The-Shelf (COTS) hardware components, ensuring a robust and efficient infrastructure for network virtualization.
NFVI, hay Hạ tầng Ảo hóa Mạng, là một lớp phần mềm ảo hóa nằm giữa VNF và tài nguyên phần cứng, cho phép cung cấp tài nguyên cho các VNF thông qua lớp ảo hóa này NFVI được quản lý bởi khối MANO và có khả năng hoạt động trên nhiều node như máy chủ, switch và lưu trữ vật lý, cũng như ở nhiều vị trí địa lý khác nhau tùy thuộc vào từng kịch bản dịch vụ Hạ tầng này bao gồm hai khối con chính: Tài nguyên Phần cứng, bao gồm tài nguyên tính toán, lưu trữ và mạng vật lý, và Lớp Ảo hóa, tạo ra các tài nguyên tính toán, lưu trữ và kết nối mạng ảo.
Khối điều phối và quản lý NFV (NFV Manage and Orchestrate - NFV M&O), thường được gọi tắt là MANO, đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều phối vòng đời của các tài nguyên vật lý, phần mềm hỗ trợ ảo hóa và các chức năng mạng ảo hóa (VNF) NFV MANO có khả năng tương tác với nhiều hệ thống NFVI khác nhau nhờ vào các giao diện đã được ETSI thống nhất, điều này mang lại tính linh hoạt cho giải pháp NFV Các nhà phát triển không cần phải xây dựng một giải pháp NFV đầy đủ mà có thể tập trung vào từng thành phần riêng lẻ Trong khối MANO, có ba thành phần chính: NFV Orchestrator, quản lý dịch vụ mạng và vòng đời của tài nguyên hệ thống; VNF Manager, quản lý vòng đời của các thực thể VNF và điều phối thông tin giữa NFVI và E/NMS; và Virtualized Infrastructure Manager (VIM), chịu trách nhiệm quản lý và điều phối các tài nguyên về tính toán, lưu trữ và mạng của NFVI.
Ngoài ra theo mô hình ta còn có các thành phần khác như:
OSS/BSS: Operation/Bussiness Support System là hệ thống quản lý việc vận hành hệ thống, tương tác với người vận hành, khách hàng.
Mô tả dịch vụ, VNF và hạ tầng là các tập tin đặc tả và mẫu để khởi tạo nhanh chóng các dịch vụ mạng, VNF và kết nối với hạ tầng ảo hóa Mặc dù có thể tách biệt, nhưng các thành phần này thường được các nhà phát triển khối MANO tích hợp vào sản phẩm của họ Khi được lưu trữ trong hệ thống, các tập tin này thường được tổ chức dưới dạng catalog, bao gồm nhiều đối tượng cùng loại.
Ứng dụng của NFV
Cũng theo ETSI, nhóm này đã xác định một vài trường hợp ứng dụng của NFV và tổng hợp lại chín trường hợp sau đây:
Cơ sở hạ tầng NFV như một dịch vụ (IaaS) cho phép các đơn vị khai thác vận hành các chức năng mạng trên hạ tầng của nhà cung cấp, giúp tiết kiệm chi phí và đáp ứng nhu cầu phân phối theo địa lý mà không cần phải tự triển khai hạ tầng riêng.
Duy trì các thiết bị dịch vụ mạng chuyên dụng có thể tốn kém cho doanh nghiệp nhỏ Thay vào đó, các doanh nghiệp có thể lựa chọn sử dụng Virtual Network Function as a Service (VNFs), cho phép họ mua một cổng truy nhập đa chức năng để hoạt động qua các mạng ảo, giúp tiết kiệm chi phí và tối ưu hóa hiệu suất mạng.
Nền tảng mạng ảo dưới dạng dịch vụ (VNPaaS) hiện đang được các nhà cung cấp dịch vụ cung cấp nhiều dịch vụ mạng đa dạng Với công nghệ NFV, nền tảng này không chỉ bao gồm các chức năng định tuyến và chuyển mạch mà còn tích hợp thêm các tính năng như bảo mật nâng cao và chất lượng dịch vụ (QoS) cho doanh nghiệp.
Đồ thị chuyển tiếp VNF (VNF forwarding graphs) là cơ chế quản lý lưu lượng, cho phép cung cấp một loạt các dịch vụ linh hoạt và có thể cấu hình cho từng loại lưu lượng cụ thể Khách hàng có thể lựa chọn dịch vụ phù hợp với nhu cầu của mình từ tập hợp các dịch vụ này.
Ảo hóa mạng lõi di động và hệ thống đa phương tiện IP (IMS) giúp tăng cường dung lượng cho mạng lõi di động bằng cách ảo hóa các thành phần mạng như EPC Việc này không chỉ tối ưu hóa hiệu suất mà còn cải thiện khả năng mở rộng của hệ thống mạng, đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng.
Ảo hóa các trạm di động gốc cho phép nhiều nhà cung cấp dịch vụ chia sẻ tài nguyên vật lý, từ đó nâng cao hiệu quả sử dụng và mở rộng phạm vi an toàn.
Ảo hóa môi trường máy chủ mang lại nhiều lợi ích cho việc quản lý và tối ưu hóa chi phí Các dịch vụ mạng phổ biến như DPI và Firewall có thể được cải thiện thông qua NFV, giúp đơn giản hóa các chức năng phức tạp Điều này không chỉ giảm bớt khối lượng công việc mà còn tiết kiệm chi phí và giảm thiểu các nhiệm vụ quản lý.
Sự ảo hóa của CDN đang trở nên ngày càng quan trọng do nhu cầu lưu trữ tăng cao Hiện nay, các CDN đã được tích hợp chặt chẽ với mạng lưới của các nhà cung cấp dịch vụ, cho phép ảo hóa các nút CDN Điều này giúp cung cấp độ co giãn tài nguyên linh hoạt, đáp ứng kịp thời khi nhu cầu thay đổi.
Truy cập ảo hóa chức năng mạng trong mạng cố định giúp giảm chi phí thiết bị, vốn thường rất đắt đỏ do yêu cầu thiết kế để chịu đựng các điều kiện môi trường khắc nghiệt Việc này không chỉ đơn giản hóa các thiết bị mà còn nâng cao hiệu quả hoạt động của mạng.
Trong chín trường hợp được nêu, các trường hợp từ thứ nhất đến thứ tư liên quan đến điện toán đám mây, trong khi trường hợp thứ năm và thứ sáu thuộc về lĩnh vực máy tính di động.
XXX trường hợp thứ bảy là trung tâm dữ liệu, và hai trường hợp cuối cùng thuộc khu vực dân cư và mạng truy cập.
Lợi ích và những thách thức của NFV
3.4.1 Lợi ích của NFV Ảo hóa chức năng mạng mang lại nhiều lợi ích, bao gồm:
Giảm chi phí thiết bị và giảm tiêu thụ điện năng, khai thác tối đa lợi thế kinh tế.
Tăng tốc độ đưa ra thị trường bằng cách rút ngắn chu kỳ đổi mới của nhà khai thác mạng Nhờ vào sự đa dạng trong các phương thức phát triển tính năng không phụ thuộc vào phần cứng, các nhà mạng có thể giảm đáng kể thời gian trưởng thành.
Nền tảng duy nhất cho phép các ứng dụng và người dùng khác nhau sử dụng, giúp các nhà khai thác mạng có thể chia sẻ tài nguyên giữa các dịch vụ và khách hàng khác nhau.
Các dịch vụ có thể linh hoạt mở rộng, thu nhỏ theo yêu cầu.
Tạo ra nhiều hệ sinh thái và khuyến khích sự cởi mở, đổi mới để mang lại các dịch vụ một cách nhanh chóng, ít rủi ro.
3.4.2 Khó khăn và thách thức
Công nghệ mới đang tạo ra cơ hội cho các nhà khai thác triển khai NFV, nhưng họ vẫn phải đối mặt với thách thức trong việc cập nhật công nghệ tiên tiến để dẫn dắt quá trình chuyển đổi Hoạt động NFV hoàn toàn khác biệt so với các hoạt động truyền thống, yêu cầu các nhà khai thác điều chỉnh hệ thống quản lý và điều phối (MANO) để quản lý các dịch vụ và chức năng ảo Tuy nhiên, hệ thống này không cung cấp đầy đủ tính năng cần thiết để đảm bảo quá trình chuyển đổi diễn ra suôn sẻ Để thành công trong việc thay đổi, các nhà cung cấp dịch vụ cần chú trọng đến tự động hóa, điều phối, chính sách và quản lý.
Cơ sở hạ tầng kế thừa là một thách thức lớn trong việc áp dụng và mở rộng quy mô NFV, mặc dù NFV giúp giảm chi phí vốn (CAPEX) và chi phí hoạt động (OPEX) bằng cách giảm thời gian quản lý trung tâm dữ liệu Nhiều sản phẩm cũ không được nâng cấp để hỗ trợ công nghệ mới, nhưng các nhà khai thác vẫn có thể triển khai NFV trong các ứng dụng đang phát triển Hơn nữa, các chức năng mạng ảo (VNF) có thể hoạt động trên cơ sở hạ tầng kế thừa, cho phép các nhà điều hành thu lợi nhuận từ VNF và đầu tư vào các dự án phức tạp hơn liên quan đến NFV.
Mặc dù NFV mang lại nhiều chức năng mạng tiên tiến, nhưng nó cũng tạo ra những thách thức về an ninh, mở ra nguy cơ cho các rủi ro bảo mật mới Phần mềm thường kém an toàn hơn so với phần cứng, điều này khiến các thiết bị như bộ định tuyến và tường lửa phần cứng trở nên quan trọng hơn trong việc bảo vệ mạng.
XXXI chuyên dụng cung cấp bảo mật vượt trội hơn so với phần mềm thông thường, giúp khó bị bẻ khóa hơn Tuy nhiên, phần mềm này dễ bị tấn công bởi các cuộc tấn công từ chối dịch vụ phân tán (DDoS), nên cần có biện pháp bảo vệ liên tục để tránh tình trạng ngập mạng Sử dụng hypervisor có thể tạo ra mức độ cô lập cao cho các máy ảo (VM), giúp ngăn chặn sự lây lan virus từ máy ảo này sang máy ảo khác.
Thị trường ảo hóa đang đối mặt với thách thức lớn do thiếu tiêu chuẩn giao tiếp giữa các thành phần NFV Việc phát triển các tiêu chuẩn cho hệ thống này thường mất nhiều năm, trong khi ngành công nghiệp viễn thông cần triển khai ngay Viện Tiêu chuẩn Viễn thông Châu Âu (ETSI) đóng vai trò quan trọng trong việc thiết lập các tiêu chuẩn cho thị trường, nhưng hiện tại vẫn thiếu sự đồng thuận chung giữa các tiêu chuẩn cạnh tranh đã được đề xuất Các nhà điều hành có thể tham gia vào quá trình phát triển tiêu chuẩn thông qua Nhóm Đặc tả Công nghiệp ETSI, mở cửa cho cả thành viên và không phải thành viên.
Một trong những rào cản lớn đối với việc triển khai ảo hóa là sự thiếu hụt các trường hợp kinh doanh được xác định rõ ràng Các nhà cung cấp thường phóng đại khả năng của NFV, dẫn đến sự thất vọng cho các nhà khai thác khi thiếu các tính năng cụ thể Đồng thời, một số nhà cung cấp không nhìn nhận đầy đủ tiềm năng của NFV và thường không thiết lập rõ ràng phạm vi giải pháp của mình, điều này khiến họ không thể đưa ra một trường hợp kinh doanh hấp dẫn Hơn nữa, những lợi ích của công nghệ như thời gian ra mắt nhanh hơn, tối ưu hóa mạng lưới và phát triển dịch vụ sáng tạo rất khó đo lường, làm cho việc xác định các trường hợp kinh doanh dựa trên những khái niệm này trở nên khó khăn hơn.
Nền tảng NFV cần cung cấp các SLA cho các NF một cách hiệu quả và giám sát chặt chẽ hiệu suất của từng khách hàng để điều chỉnh cho phù hợp Hệ thống phải hỗ trợ số lượng lớn VNF và mở rộng quy mô khi lưu lượng tăng, đồng thời đáp ứng nhu cầu ngày càng cao của người dùng, dẫn đến việc phát triển nhiều dịch vụ mới Ngoài ra, nền tảng cũng phải tuân thủ các yêu cầu về độ tin cậy và tính khả dụng của dịch vụ, bao gồm tất cả các yếu tố trong dịch vụ end-to-end, từ VNF đến các thành phần hạ tầng.
Điều phối, quản lý NFV
Thành phần MANO trong kiến trúc NFV là yếu tố thiết yếu cho sự thành công của NFV, đảm nhiệm việc quản lý toàn bộ nguồn lực của khung NFV, bao gồm tài nguyên mạng, máy tính và lưu trữ Theo nhóm làm việc MANO của ETSI, MANO bao gồm ba thành phần chính: bộ điều phối NFV, bộ quản lý VNF và bộ quản lý cơ sở hạ tầng ảo hóa (VIM).
Bộ phận điều phối là yếu tố quan trọng trong việc cài đặt và chuẩn bị cho các dịch vụ mới, hay còn gọi là quá trình tích hợp dịch vụ mạng Nó quản lý toàn bộ vòng đời của dịch vụ mạng mới, bao gồm phân bổ tài nguyên, xác nhận và ủy quyền Trong khi trình quản lý VNF tập trung vào vòng đời của từng cá thể VNF, trình điều phối NFV hoạt động ở cấp độ cao hơn với các chức năng như đăng ký và giới thiệu dịch vụ mạng, khởi tạo dịch vụ, tăng/giảm quy mô, quản lý đồ thị chuyển tiếp VNF liên quan và chấm dứt dịch vụ.
Bộ phận quản lý VNF chịu trách nhiệm xử lý vòng đời của từng cá thể VNF, bao gồm cấu hình, chuẩn bị và vận hành phiên bản VNF Nó theo dõi tình trạng hoạt động và tương tác với các thành phần MANO khác thay mặt cho VNFs Các nhiệm vụ chính của người quản lý VNF bao gồm khởi tạo VNF, giám sát việc sử dụng tài nguyên, điều chỉnh quy mô VNF, cập nhật hoặc nâng cấp, và cuối cùng là chấm dứt hoạt động của VNF để giải phóng toàn bộ nguồn lực.
VIM quản lý và kiểm soát các thành phần NFVI nhằm đáp ứng hiệu quả nhu cầu về dịch vụ mạng đa dạng Đối với tài nguyên máy tính, VIM quản lý cả tài nguyên vật lý và ảo, bao gồm máy chủ, máy ảo, CPU và bộ nhớ Trong lĩnh vực mạng, VIM đảm nhiệm việc kiểm soát các thiết bị mạng, liên kết, định tuyến, định địa chỉ và đảm bảo chất lượng dịch vụ (QoS).
Trước khi triển khai VNF vào mạng lưới sản xuất, nhà cung cấp dịch vụ cần thực hiện thử nghiệm và xác nhận các VNF với yêu cầu cao về tính khả dụng và hiệu suất Tuy nhiên, hiện nay, việc ngăn chặn hoặc phát hiện sự suy giảm hiệu suất do các VNF của bên thứ ba gây ra là một thách thức lớn Các đặc điểm của máy chủ phần cứng, như kiến trúc bộ xử lý, tốc độ đồng hồ, và băng thông, có ảnh hưởng sâu sắc đến hiệu suất của VNF Trong NFV, việc phân bổ tài nguyên cho nhiều máy chủ là cần thiết để mở rộng quy mô cho số lượng lớn thiết bị và dịch vụ Hiểu rõ đặc trưng của các VNF và cách chúng mở rộng quy mô với các loại nguồn lực khác nhau là bước quan trọng để tối ưu hóa hiệu suất Nghiên cứu cần phát triển các công cụ để xác định các thiết lập ảo hóa và tùy chọn cấu hình, đồng thời tự động chia tỷ lệ phân bổ tài nguyên VNF theo khối lượng công việc Việc phát triển các thuật toán tìm kiếm hiệu quả cho các cấu hình và cài đặt phần cứng sẽ giúp cải thiện đáng kể quá trình triển khai, từ đó nâng cao niềm tin của nhà cung cấp dịch vụ.
Để hỗ trợ các nhà khai thác mạng trong lĩnh vực NFV, việc đánh giá chuẩn mạng của VNF và tính toán hiệu suất trong triển khai là rất quan trọng cho việc phân bổ tài nguyên Một quy trình điển hình để đặc tính hiệu suất của VNF bao gồm thử nghiệm cho mỗi cấu hình với các công nghệ ảo hóa như Intel DPDK, SR-IOV và VT-d, được cấu hình theo từng tình huống cụ thể Các thử nghiệm này được thực hiện với các cấu hình và vị trí VM khác nhau, có thể trên cùng một máy chủ hoặc trên nhiều máy chủ, ảnh hưởng đến hiệu suất thực tế Trong mỗi máy chủ, các thuật toán lập lịch lõi khác nhau như ghim lõi và lập lịch lõi thích ứng cũng được thử nghiệm Ngoài ra, các kịch bản triển khai khác nhau như sử dụng một máy ảo mạnh duy nhất hoặc nhiều máy ảo có thể được cấu hình Cuối cùng, để phản ánh hiệu suất thực tế trong mạng, cần thử nghiệm với lưu lượng mạng đa dạng, không chỉ dựa vào lưu lượng giả để kiểm tra thông lượng mà còn bao gồm lưu lượng phần mềm ứng dụng.
Hình 3 2: Đặc tính của VNF 3.5.2 Cải tiến hiệu suất NFV
Các công ty viễn thông đang chuyển đổi thông tin liên lạc sang mạng IP tiêu chuẩn và dần dần chuyển máy tính sang các máy chủ chuẩn ngành Sự xuất hiện của công nghệ 5G đang thúc đẩy phát triển các dịch vụ thời gian thực mới trong lĩnh vực thực tế tăng.
Trong môi trường NFV, các chức năng mạng phức tạp được tách thành các đơn vị nhỏ hơn và được điều phối trên đám mây ảo hóa và cơ sở hạ tầng cạnh Các chức năng này bao gồm xử lý mặt phẳng điều khiển và mặt phẳng dữ liệu, được đóng gói trong máy ảo như một VNF Chuỗi dịch vụ xác định cách định tuyến các gói mạng qua các VNF, trong khi thành phần cốt lõi của NFV là mạng linh hoạt cao, cho phép thực hiện chuỗi dịch vụ một cách hiệu quả và năng động.
Trong quá trình chuyển đổi NFV, một xu hướng nổi bật là sử dụng các nút máy tính nhỏ gọn, tiết kiệm điện, tích hợp với bộ nhớ lớn và kết nối tốc độ cao Các kiến trúc này, từ quy mô tủ rack đến trung tâm dữ liệu, sẽ đặt ra các yêu cầu mới về quy mô, băng thông và độ trễ cho mạng trung tâm dữ liệu trong tương lai Mỗi nút, hoạt động như một máy tính truyền thống với hệ điều hành riêng, bao gồm nhiều lõi bộ xử lý và bộ nhớ cục bộ Các nút này được kết nối qua kết cấu bộ nhớ tốc độ cao, gọi là kết nối bộ nhớ thế hệ tiếp theo (NGMI), giúp tăng tốc độ truyền thông nội bộ cho các ứng dụng NFV và cải thiện việc truyền gói tin giữa các VNF.
Các giải pháp triển khai NFV
3.6.1 Khối hạ tầng ảo hóa NFVI
Openstack là một trong những giải pháp xây dựng hạ tầng ảo hóa tiêu biểu nhất. Một số dự án con của OpenStack có thể kể đến như:
Compute (Nova): Quản lý tài nguyên tính toán (CPU, RAM) của các máy ảo.
Network (Neutron, networking-sfc): Quản lý tài nguyên mạng, khả năng liên kết giữa các máy ảo.
Storage (Cinder): Quản lý tài nguyên lưu trữ (HDD, SDD) của các máy ảo.
Orchestration (Heat): Điều phối các ứng dụng điện toán đám mây thông qua các template được định nghĩa sẵn.
Workflow (Mistral): Quản lý và thực hiện qui trình các tác vụ cho Tacker và các dịch vụ khác.
Telemetry (Ceilometer): Đo lường, thu thập dữ liệu từ các dịch vụ khác trong hệ thống OpenStack.
Nền tảng OpenStack cung cấp một cơ sở vững chắc cho kiến trúc NFV, hỗ trợ triển khai, điều phối và quản lý các VNF Nó cho phép quản lý nhiều trung tâm dữ liệu từ một giao diện duy nhất Kiến trúc mở và khả năng tương thích với nhiều dự án mô đun giúp các nhà mạng viễn thông và doanh nghiệp thiết kế hệ thống NFV theo nhu cầu riêng OpenStack còn mang lại nhiều ưu điểm khác.
OpenStack đã chứng minh khả năng của mình trên nhiều hệ thống điện toán đám mây lớn toàn cầu, bao gồm các tổ chức nổi tiếng như NASA, CERN, AT&T, China Mobile, SK Telecom và Ericsson.
Dự án Neutron (Networking) của OpenStack đã phát triển ổn định và được dùng trong nhiều hệ thống thực tế.
Đa phần các giải pháp MANO có sẵn trên thị trường đều hỗ trợ OpenStack.
Vào tháng 9/2014, Linux Foundation đã ra mắt nền tảng nguồn mở Open Platform for NFV Project (OPNFV) với mục tiêu tạo ra một nền tảng hợp nhất đáp ứng tiêu chuẩn khắt khe của các nhà cung cấp dịch vụ OPNFV giúp tăng tốc độ đưa các sản phẩm và dịch vụ mới liên quan đến NFV ra thị trường nhanh chóng Nền tảng này có mối quan hệ chặt chẽ với ETSI và nhiều tổ chức quốc tế khác để thiết lập các tiêu chuẩn mở một cách thống nhất.
Theo mô hình kiến trúc ETSI, OPNFV bao gồm hạ tầng ảo hóa NFVI và trình quản lý hạ tầng ảo hóa VIM trong khối MANO OPNFV tích hợp nhiều dự án như OpenStack, KVM, LXD, Ceph, và OpenDayLight, cùng với các giải pháp tối ưu cho tác vụ chuyển tiếp gói như FD.io, DPDK và ODP Nền tảng này hoạt động trên các kiến trúc phần cứng phổ thông như x86 của Intel và ARM OPNFV cũng tương thích với nhiều giải pháp điều phối và quản lý MANO khác như Tacker, OpenBaton và OSM.
Hình 3 3: Những mục tiêu chính của dự án OPNFV Những mục tiêu chính của dự án OPNFV là:
Tích hợp và kiểm thử một nền tảng nguồn mở nhằm phát triển các tính năng của NFV sẽ giúp tăng tốc độ phát triển sản phẩm mới.
Tham gia vào việc đóng góp và phát triển các dự án nguồn mở trong OPNFV là rất quan trọng để đảm bảo tính đồng nhất, tương thích và hiệu suất tổng thể của nền tảng.
Thiết lập một hệ sinh thái cho các giải pháp NFV dựa trên các tiêu chuẩn và phần mềm nguồn mở.
Thúc đẩy OPNFV thành 1 nền tảng NFV được nhiều người sử dụng.
Sử dụng OPNFV, tất cả các thành phần cần thiết được gói gọn trong một tệp ISO duy nhất để triển khai môi trường NFV Quá trình cấu hình được tự động hóa thông qua Ansible và Puppet, giúp kỹ sư tiết kiệm thời gian thiết lập và cấu hình hệ thống, từ đó có nhiều thời gian hơn để kiểm tra và thử nghiệm các giải pháp NFV.
Sau khi khảo sát và thử nghiệm, nhóm nhận thấy yêu cầu phần cứng của OPNFV quá cao, chỉ phù hợp với các công ty hoặc phòng nghiên cứu lớn Do đó, nhóm quyết định không sử dụng OPNFV mà sẽ tự xây dựng hạ tầng ảo hóa NFV dựa trên nền tảng OpenStack.
3.6.2 Khối điều phối và quản lý – NFV MANO
OpenBaton là một dự án mã nguồn mở về khối MANO, phát triển theo tiêu chuẩn ETSI bởi Viện nghiên cứu Fraunhofer Fokus (Đức) Dự án này là lựa chọn lý tưởng để tìm hiểu về hệ thống MANO nhờ vào những ưu điểm như khả năng cấu hình và triển khai dễ dàng, cho phép thêm bớt các thành phần dưới dạng plugin, cùng với công cụ quản lý trực quan, thân thiện với người dùng Hơn nữa, tài liệu hướng dẫn và đặc tả của OpenBaton rất chi tiết và dễ hiểu.
Dự án vẫn còn non trẻ và chưa hoàn thiện nhiều tính năng, trong đó có việc hỗ trợ khởi tạo một VNF Forwarding Graph hoàn chỉnh Thêm vào đó, quy mô cộng đồng và nhóm phát triển nhỏ, chủ yếu do một trường đại học tại Đức dẫn dắt, dẫn đến độ ổn định và khả năng hỗ trợ người dùng còn hạn chế.
Trình điều phối NFVO đóng vai trò quan trọng trong việc quản lý và điều phối các hoạt động của hệ thống, bao gồm việc quản lý thông tin của các VNF/NS và tương tác hiệu quả với nhiều trình quản lý VNFM và VIM khác nhau.
OpenBaton cung cấp một trình quản lý VNF phổ thông (generic VNFM) có khả năng mở rộng để hỗ trợ nhiều loại VNF khác nhau Bên cạnh đó, generic VNFM đi kèm với generic EMS, có chức năng thực thi các đoạn script cấu hình trong các máy ảo nhằm chạy các VNF hiệu quả.
Trình điều khiển tương tác với VIM: OpenStack, OpenVim, Hiện OpenBaton chỉ mới hỗ trợ cho việc tương tác với giải pháp OpenStack và OpenVIM.
Hệ thống kiểm soát lỗi và tự động mở rộng: xử lý các tác vụ quản trị VNF cũng như kiểm soát lỗi trong quá trình hoạt động.
Một giao diện quản lý trên web để dễ dàng quản trị các VNFs và hệ thống giám sát dựa trên Zabbix.
Open Source Mano (OSM) là dự án mã nguồn mở do ETSI hỗ trợ, nhằm phát triển sản phẩm MANO chất lượng cao cho công nghệ NFV, tương thích với nhiều loại sản phẩm và VNF OSM cung cấp trình điều phối NFVO và quản lý VNF phổ thông, nhưng hiện tại chỉ mới phát hành bản OSM 2.0, dẫn đến tài liệu hướng dẫn vẫn chưa đầy đủ.
Về mặt kiến trúc, OSM bao hàm toàn bộ khối MANO, bao gồm:
NFVO, hay Trình điều phối Network Service, đảm nhiệm việc quản lý và điều phối các hoạt động trong hệ thống, bao gồm quản lý các Network Service (NS) và Virtual Network Function (VNF), cũng như tương tác với các trình quản lý VNF khác nhau Bên cạnh đó, trình điều phối tài nguyên có chức năng quản lý tài nguyên ảo hóa, với khả năng kết nối linh hoạt đến nhiều loại Virtual Infrastructure Manager (VIM) như OpenVIM, OpenStack, VMware, AWS, và các SDN Controller như OpenDayLight, ONOS, Floodlight.
VNFM: Giải pháp OSM cung cấp một trình quản lý VNF phổ thông, tương tự như các giải pháp MANO khác, và hỗ trợ người dùng kết nối tới các VNFM chuyên biệt dành cho các VNF cụ thể của họ.
Kết luận
Trong chương 3, chúng ta đã khám phá tổng quan về công nghệ hóa chức năng mạng, bao gồm quá trình phát triển, kiến trúc, các lợi ích, các use case và tiềm năng phát triển của nó Đồng thời, chúng ta cũng đã tìm hiểu và đánh giá các giải pháp NFV như OpenStack và OPNFV để đáp ứng nhu cầu hiện tại.
Công nghệ NFV đang thu hút sự quan tâm và triển khai từ các nhà mạng lớn trên toàn cầu, bao gồm Viettel và VNPT tại Việt Nam, nhằm nâng cao hệ thống mạng core Sự phát triển này mở ra cơ hội tiềm năng cho ngành công nghệ thông tin.
