네트워크 기능 가상화

3. 배경

통신 산업은 전통적으로 안정성, 프로토콜 준수 및 품질에 대한 엄격한 표준을 따르며, 높은 신뢰성과 성능을 나타내는 장비를 캐리어 등급이라고 칭했다.^[3] 과거에는 이러한 방식이 잘 작동했지만, 긴 제품 주기, 느린 개발 속도, 맞춤형 주문형 반도체(ASIC)와 같은 특정 하드웨어 의존성 등의 문제점을 야기했다.^[3] 이는 새로운 서비스 출시 지연, 네트워크 시스템 및 인프라 확장의 어려움, 상호 운용성 문제, CAPEX/OPEX 증가로 이어졌다.

구글 토크, 스카이프, 넷플릭스와 같이 공용 인터넷에서 대규모로 운영되는 민첩한 조직들의 통신 서비스 제공 경쟁이 심화되면서, 통신 사업자들은 혁신적인 방법을 모색하게 되었다.^[3][51] NFV는 대용량 멀티미디어 시대의 네트워크 운영 개선 방안에 대한 주요 네트워크 사업자 및 통신 사업자 간의 논의에서 시작되었다. 전체적인 목적은 표준 IT 가상화 기술을 활용하여 다양한 종류의 네트워크 장비를 업계 표준의 대용량 서버, 스위치, 스토리지에 통합하는 것이며, 이는 데이터 센터, 네트워크 노드, 및 최종 사용자의 구내에 배치할 수 있다.^[49]

4. 프레임워크

NFV 프레임워크는 크게 세 가지 주요 구성 요소로 이루어진다.^[9]

# 가상화된 네트워크 기능(VNF)은 네트워크 기능 가상화 인프라(NFVI)에 배포될 수 있는 네트워크 기능의 소프트웨어 구현이다.^[10]

# 네트워크 기능 가상화 인프라(NFVI)는 NFV가 배포되는 환경을 구축하는 모든 하드웨어 및 소프트웨어 구성 요소의 총칭이다. NFV 인프라는 여러 위치에 걸쳐 있을 수 있다. 이러한 위치 간의 연결을 제공하는 네트워크는 NFVI의 일부로 간주된다.

# 네트워크 기능 가상화 관리 및 오케스트레이션 아키텍처 프레임워크(NFV-MANO 아키텍처 프레임워크)는 NFVI 및 VNF를 관리하고 오케스트레이션하기 위해 이러한 블록이 정보를 교환하는 데 사용되는 모든 기능 블록, 데이터 저장소, 참조 지점 및 인터페이스의 모음이다.

NFVI와 NFV-MANO의 빌딩 블록은 NFV 플랫폼이다. NFVI 역할에서 가상 및 물리적 처리 및 저장 리소스와 가상화 소프트웨어로 구성된다. NFV-MANO 역할에서는 하드웨어 컨트롤러에서 작동하는 VNF 및 NFVI 관리자와 가상화 소프트웨어로 구성된다. NFV 플랫폼은 플랫폼 구성 요소 관리 및 모니터링, 장애 복구, 효과적인 보안 제공에 사용되는 캐리어급 기능을 구현하며, 이는 공공 통신 사업자 네트워크에 필요하다.^[58]

4. 1. 가상화된 네트워크 기능 (VNF)

5. 실용적인 측면

NFV 설계를 따르는 서비스 제공자는 하나 이상의 가상화된 네트워크 기능, 즉 ''VNF''를 구현한다.^[11][60] VNF 자체만으로는 제공자의 고객에게 사용 가능한 제품이나 서비스를 자동으로 제공하지 않는다. 더 복잡한 서비스를 구축하기 위해 여러 VNF를 순차적으로 사용하여 서비스를 제공하는 ''서비스 체이닝''의 개념이 사용된다.^[11][60]

NFV 구현의 또 다른 측면은 ''오케스트레이션'' 프로세스이다. 고도로 안정적이고 확장 가능한 서비스를 구축하기 위해 NFV는 네트워크가 VNF 인스턴스를 인스턴스화하고, 모니터링하고, 복구하며, (서비스 제공자 비즈니스에 가장 중요한 부분인) 제공된 서비스에 대한 요금을 청구할 수 있어야 한다.^[11] 이러한 속성은 캐리어급^[11] 기능이라고 하며, 고가용성, 보안, 낮은 운영 및 유지 관리 비용을 제공하기 위해 오케스트레이션 계층에 할당된다.^[11][60] 중요하게도 오케스트레이션 계층은 VNF 내부의 기본 기술에 관계없이 VNF를 관리할 수 있어야 한다. 예를 들어, 오케스트레이션 계층은 VMware vSphere에서 실행되는 공급업체 X의 SBC VNF뿐만 아니라 KVM에서 실행되는 공급업체 Y의 IMS VNF도 효과적으로 관리할 수 있어야 한다.^[11][60]

6. 분산 NFV

NFV에 대한 초기 인식은 가상화된 기능을 데이터 센터에서 구현해야 한다는 것이었다.^[12] 그러나 NFV는 가상화된 기능의 물리적 위치에 대해 가능한 가장 광범위한 유연성을 전제하고 강조한다.^[12]

따라서 이상적으로 가상화된 기능은 가장 효과적이고 비용이 적게 드는 위치에 있어야 한다. 이는 서비스 제공업체가 데이터 센터, 네트워크 노드, 고객 구내 등 모든 가능한 위치에 NFV를 자유롭게 배치할 수 있어야 함을 의미한다. 분산 NFV(D-NFV)로 알려진 이 접근 방식은 NFV가 개발되고 표준화되면서 처음부터 강조되었으며, 최근에 발표된 NFV ISG 문서에서 두드러지게 나타난다.^[12]

일부 경우 서비스 제공업체가 고객 구내에 이 가상화된 기능을 배치하는 데 명확한 이점이 있다. 이러한 이점은 경제성에서 성능, 가상화되는 기능의 실현 가능성에 이르기까지 다양하다.^[13]

D-NFV의 최초의 ETSI NFV ISG 승인 공개 멀티 벤더 개념 증명(PoC)은 2014년 6월 시카고에서 Cyan, Inc. , RAD, Fortinet 및 Certes Networks에 의해 수행되었으며 CenturyLink가 후원했다. 이 PoC는 Fortinet의 차세대 방화벽(NGFW)과 Certes Networks의 가상 암호화/복호화 엔진을 가상 네트워크 기능(VNF)으로 실행하는 RAD의 전용 고객 에지 D-NFV 장비를 기반으로 하며 Cyan의 Blue Planet 시스템이 전체 생태계를 오케스트레이션했다.^[14] RAD의 D-NFV 솔루션은 고객 에지에서 가상화 엔진 역할을 하는 D-NFV x86 서버 모듈을 갖춘 레이어 2/레이어 3 네트워크 종단 장치(NTU)로, 해당 달 말에 상용화되었다.^[15] 2014년 동안 RAD는 또한 새로운 NFV 애플리케이션을 전문으로 하는 벤더 및 국제 시스템 통합업체의 생태계인 D-NFV 얼라이언스를 조직했다.^[16]

7. NFV 모듈성

VNF는 소프트웨어 컴포넌트(VNFC)로 구성되며, VNFC는 하나 이상의 이미지로 패키징된다.^[17] VNFC는 스케일 업/아웃이 가능해야 한다.^[17] 유연한 (가상) CPU 할당을 통해 네트워크 관리 계층은 단일 시스템 또는 플랫폼에서 처리량, 성능 및 확장성을 위해 VNFC를 스케일 업(수직적 확장)하거나, 여러 플랫폼에서 여러 VNFC 인스턴스를 활성화하여 스케일 아웃(수평적 확장)하여 성능 및 아키텍처 사양에 도달할 수 있다.^[17] 이러한 아키텍처 청사진의 초기 도입자는 이미 NFV 모듈성 원칙을 구현했다.^[17]

8. SDN과의 관계

네트워크 기능 가상화(NFV)는 소프트웨어 정의 네트워킹(SDN)과 매우 상호 보완적인 관계를 갖는다.^[18] SDN은 제어 평면과 데이터 평면을 분리하고, 중앙 집중식 제어 평면이 노스바운드 및 사우스바운드 인터페이스를 통해 상위 애플리케이션 및 물리적 네트워크 장비와 상호 작용하는 방식을 사용한다.^[18]

NFV는 SDN 개념에 의존하지 않지만, SDN은 NFV 인프라의 관리 및 오케스트레이션을 개선하는 데 활용될 수 있다.^[18][19] NFV 인프라의 모든 네트워크 제어 기능은 SDN 개념을 사용하여 수행할 수 있으며, NFV는 서비스 제공업체 환경에서 주요 SDN 사용 사례 중 하나로 간주될 수 있다.^[21] 예를 들어, 각 NFV 인프라 사이트 내에서 VIM은 SDN 컨트롤러에 의존하여 NS를 구성하는 VNF 및 PNF를 상호 연결하는 오버레이 네트워크(예: VXLAN)를 설정하고 구성할 수 있다.^[21] 또한, 중앙 집중식 컨트롤러가 분산 전달 기능을 제어하는 경우처럼, 많은 SDN 사용 사례가 NFV 이니셔티브에서 도입된 개념을 통합할 수 있다.^[21]

NFV와 딥 패킷 검사(DPI)는 SDN 기능을 효율적으로 보완할 수 있다.^[67] SDN과 마찬가지로 NFV를 성공시키려면 적절한 표준과 오픈 소스 소프트웨어가 필요하다.^[49]

9. 산업 영향

네트워크 기능 가상화(NFV)는 초기 단계임에도 불구하고 널리 채택되고 있으며, 이동 기지국 가상화, 서비스형 플랫폼(PaaS), 콘텐츠 전송 네트워크(CDN), 고정 액세스, 홈 환경 등 다양한 응용 분야에 적용되고 있다.^[22]

NFV의 잠재적 이점은 상당할 것으로 예상된다. 범용 표준화된 하드웨어에 배포된 네트워크 기능의 가상화는 자본 및 운영 비용과 서비스 및 제품 출시 시간을 줄일 것으로 예상된다.^[23][24] 많은 주요 네트워크 장비 공급업체가 NFV 지원을 발표했으며,^[25] 이는 장비 공급업체가 NFV 제품을 구축하는 데 사용하는 NFV 플랫폼을 제공하는 주요 소프트웨어 공급업체의 NFV 발표와 일치한다.^[26][27]

그러나 가상화의 예상되는 이점을 실현하기 위해 네트워크 장비 공급업체는 고가용성, 확장성, 성능 및 효과적인 네트워크 관리 기능을 달성하는 데 필요한 통신 사업자급 속성을 통합하기 위해 IT 가상화 기술을 개선하고 있다.^[28] 총 소유 비용(TCO)을 최소화하려면 통신 사업자급 기능을 최대한 효율적으로 구현해야 한다. NFV 솔루션은 중복 리소스를 효율적으로 사용하고,^[29] 성능 예측 가능성을 손상시키지 않으면서 컴퓨팅 리소스를 효율적으로 사용해야 한다.

NFV 플랫폼은 효율적인 통신 사업자급 NFV 솔루션을 달성하기 위한 기반이다.^[30] NFV 플랫폼 소프트웨어는 장애 및 트래픽 부하 변화로 인해 VNF를 동적으로 재할당하는 역할을 담당하므로 고가용성을 달성하는 데 중요한 역할을 한다. ETSI NFV Proof of Concept,^[31] ATIS,^[32] Open Platform for NFV Project,^[33] Carrier Network Virtualization Awards^[34] 및 다양한 공급업체 생태계^[35]와 같이 NFV 통신 사업자급 기능을 지정, 정렬 및 홍보하기 위한 수많은 이니셔티브가 진행 중이다.

NFV 플랫폼의 주요 구성 요소인 vSwitch는 VM 간 및 VM과 외부 네트워크 간의 연결을 제공하며, 그 성능은 VNF의 대역폭과 NFV 솔루션의 비용 효율성을 모두 결정한다. 표준 Open vSwitch(OVS)의 성능에는 NFVI 솔루션의 요구 사항을 충족하기 위해 해결해야 하는 단점이 있다.^[36] NFV 공급업체는 OVS 및 가속화된 Open vSwitch(AVS) 버전 모두에 대해 상당한 성능 개선을 보고하고 있다.^[37][38]

가상화는 NFV 솔루션에서 가용성이 지정, 측정 및 달성되는 방식을 변화시키고 있다. VNF가 기존의 기능 전용 장비를 대체함에 따라 장비 기반 가용성에서 서비스 기반, 엔드 투 엔드, 계층적 접근 방식으로 전환되고 있다.^[39][40]

10. 요소 관리

요소 관리는 가상화 네트워크 기능(VNF)의 장애, 구성, 회계, 실행 및 보안 관리 기능을 담당한다.^[49]

• 장애: 머신이 제대로 작동하는지 확인한다.
• 구성: 온라인 게임 등 특정 가상화 네트워크 기능을 구축한다.
• 회계: 올바른 답을 계산하여 머신을 적절하게 계속 실행한다.
• 실행: 매일의 작업을 계속 실행한다.
• 보안: 네트워크를 공격으로부터 보호한다.

11. 성능 연구

가상화 네트워크 기능(VNF)의 처리량, 지연 시간, 지터 및 단일 물리적 서버가 지원할 수 있는 VNF 수 측면에서의 NFV 확장성에 초점을 맞춘 성능 연구가 진행되었다.^[44][93]

openNetVM과 같은 오픈 소스 NFV 플랫폼이 개발되어 활용되고 있다.^[45][57] openNetVM은 DPDK(Data Plane Development Kit) 및 도커 컨테이너를 기반으로 하는 고성능 NFV 플랫폼이다. 네트워크 기능 배포 및 상호 연결을 통해 서비스 체인을 구축하기 위한 유연한 프레임워크를 제공하며, BSD 라이선스 하에 출시된 NSDI2014 및 HotMiddlebox2016 논문에 설명된 NetVM 플랫폼의 오픈 소스 버전이다. 소스 코드는 github:openNetVM에서 확인할 수 있다.^[46][94]

12. 클라우드 네이티브 네트워크 기능 (CNF)

2018년부터 많은 VNF 제공업체들이 자사의 VNF를 컨테이너 기반 아키텍처로 이전하기 시작했다. 이러한 VNF는 클라우드 네이티브 네트워크 기능(CNF)이라고도 하며, 인터넷 인프라에서 일반적으로 사용되는 많은 혁신 기술을 활용한다. 여기에는 자동 확장, 지속적인 전달/DevOps 배포 모델 지원, 플랫폼 간 공통 서비스 공유를 통한 효율성 향상이 포함된다. 서비스 검색 및 오케스트레이션을 통해 CNF 기반 네트워크는 인프라 리소스 장애에 더욱 탄력적으로 대응할 수 있다. 컨테이너를 활용하여 게스트 OS 제거를 통해 기존 가상화에 내재된 오버헤드를 없앰으로써 인프라 리소스 효율성을 크게 향상시킬 수 있다.

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