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Revue TELECOM 181 - La virtualisation des fonctions des réseaux de télécommunication

Articles Revue TELECOM

-

30/05/2017


LA VIRTUALISATION DES

FONCTIONS DES RESEAUX

DE TELECOMMUNICATION
 



Par Bruno Chatras dans la revue TELECOM n° 181


La virtualisation des équipements des réseaux de télécommunication va offrir aux opérateurs des facilités sans précédent en termes de flexibilité et de rapidité pour déployer des réseaux et services de communication à la demande.
 


Contexte

Les réseaux de télécommunication sont constitués de multiples équipements ayant chacun une fonction bien particulière. Pour la plupart, ces fonctions sont aujourd’hui indissociables de l’équipement qui les héberge, le couple étant vendu comme un produit intégré par les équipementiers du secteur. La virtualisation des fonctions des réseaux (NFV) vise à briser ce couplage, en appliquant les principes de l’informatique en nuage (cloud computing). Les logiciels de ces fonctions sont alors achetés indépendamment puis installés sur des serveurs informatiques banalisés, regroupés en vastes pools répartis sur un petit nombre de sites. Les serveurs sont typiquement équipés de processeurs polyvalents (par exemple, x86 d’Intel) par opposition à des processeurs spécialement conçus pour les réseaux. Le lecteur reconnaitra ici le principe des centres de données (data centers) déjà largement répandu pour l’hébergement d’autres types d’applications. La particularité de NFV réside dans les exigences de haute disponibilité et performance associées aux services de télécommunication.

Le terme NFV est apparu fin 2012 dans un Livre Blanc co-signé par 13 opérateurs, exposant les avantages d’une telle approche et invitant l’industrie à développer ce concept. En réponse, un groupe spécial réunissant des acteurs du secteur des télécommunications et de l’industrie informatique a été créé à l’ETSI1, avec pour mandat de développer les spécifications permettant la mise en œuvre de ce principe dans un environnement multi-vendeurs. La notion de « fonction réseau » est à prendre au sens le plus large. Elle désigne aussi bien des fonctions relevant des couches basses du modèle OSI (routeurs IP, commutateurs de trames Ethernet…) que des fonctions de nature applicative comme des serveurs de téléphonie ou de distribution de contenus vidéo.
 


Les avantages

Pour les opérateurs, les avantages espérés d’une telle approche sont une réduction des coûts d’investissement et d’exploitation mais surtout un gain sans précédent en matière d’agilité. La réduction des coûts d’investissement reste très hypothétique car des contraintes plus importantes sont à prendre en compte si l’on compare aux applications plus conventionnelles du Cloud. Par exemple une centralisation de l’ensemble des fonctions d’un réseau dans un seul centre de données n’est pas envisageable, des contraintes pesant sur la localisation de certaines fonctions. Ainsi, des fonctions intervenant sur les flux audio ou vidéo peuvent difficilement être déployées très loin des clients recevant les flux qu’elles traitent sous peine d’introduire des délais nuisant à la qualité de service perçue par ces clients.

















 


L’approche NFV, Source NFV White Paper2



La réduction des coûts d’exploitation devrait être plus sensible de par l’automatisation complète du déploiement des fonctions et de leur gestion. Ainsi on peut envisager l’adaptation automatique des ressources de calcul et de stockage allouées à une fonction réseau selon l’évolution du volume de trafic à traiter. Toutefois, au-delà de la réduction des coûts, c’est bien la flexibilité et la rapidité qu’apporte cette technologie pour déployer de nouveaux services et même déployer des réseaux à la demande qui justifient la transformation de l’industrie vers NFV. Ainsi, grâce à l’automatisation inhérente à l’approche NFV, le temps de déploiement d’un nouveau service réseau, voire d’un réseau personnalisé à la demande, devrait passer de l’ordre de quelques jours à quelques minutes. Ce n’est d’ailleurs pas un hasard si les premiers déploiements allant au-delà des démonstrations de principe sont pour la majorité dans le domaine des services aux entreprises, comme par exemple le déploiement de réseaux privés à la demande, virtualisés sur l’infrastructure de l’opérateur (aussi connu sous le nom de vE-CPE).
 


Le cadre architectural

Le cadre architectural de référence spécifié par l’ETSI3 identifie trois blocs fonctionnels constituant un système NFV :

 Les fonctions réseau virtualisées (VNF)
 L’infrastructure fournissant les ressources permettant à ces fonctions de s’exécuter et communiquer entre elles (NFVI)
 Les fonctions de gestion et d’orchestration (MANO) qui assurent l’association dynamique des ressources aux fonctions virtualisées.

L’infrastructure est constituée de pools serveurs de grande capacité, offrant des ressources de calcul, de stockage et de communication. Ces ressources sont partitionnées en machines virtuelles indépendantes par une couche logicielle spécifique (typiquement un hyperviseur), chaque machine virtuelle hébergeant le logiciel d’une fonction réseau ou d’une partie de celle-ci. Les machines virtuelles communiquent entre elles par des réseaux virtuels qui sont eux même des partitions du réseau physique de l’infrastructure.


Le cadre architectural NFV
 

Les fonctions de gestion et d’orchestration sont le cerveau d’un système NFV. Elles prennent en charge le cycle de vie des fonctions virtualisées, de leur instanciation à leur suppression, en passant par les changements d’échelle (on parle d’élasticité). Leur comportement est piloté par une série de descripteurs contenant les caractéristiques des fonctions réseau à déployer et les instructions nécessaires à leur assemblage pour former un service cohérent. Ainsi, un descripteur de fonction réseau (VNFD) est un fichier fourni par le vendeur de la fonction virtualisée, permettant de déterminer les ressources nécessaires pour la déployer (ex : nombre de machine virtuelles, type de connectivité interne et externe) ainsi que les contraintes à respecter (par exemple ne pas déployer deux composants ou deux instances de la même fonction sur un même serveur physique pour des raisons de fiabilité ou au contraire le faire pour des raisons de performance).
 


Performance et fiabilité

NFV présente une équation difficile à résoudre au premier abord : les fonctions réseau virtualisées doivent continuer d’offrir des performances et un niveau de fiabilité élevés tout en s’exécutant sur des serveurs informatiques banalisés. Ainsi, concernant la fiabilité, c’est la conception même de leur logiciel qui est à repenser pour s’assurer qu’elles peuvent survivre à la défaillance d’un serveur (on parle de « design for failure »). Pour conserver de hautes performances en termes de volume de trafic écoulé et de temps de traitement d’un paquet, l’industrie a recours à des solutions dites d’accélération. Il s’agit soit d’optimiser le logiciel de ces fonctions pour qu’il utilise les ressources de calcul de manière optimale (on parle d’accélération logicielle), soit d’adjoindre au processeur principal, des processeurs auxiliaires (par exemple embarqués dans une carte réseau) vers lesquels décharger l’exécution de certaines tâches fortement consommatrices de ressources de calcul (on parle d’accélération matérielle). Le recours à cette forme d’accélération crée souvent une dépendance du logiciel au matériel mais des travaux sont en cours à l’ETSI pour normaliser une couche d’abstraction permettant aux applications d’exploiter ces facilités via des API indépendantes du matériel.
 


La fertilisation croisée entre NFV et SDN

NFV et SDN sont les deux facettes d’une transformation générale de l’industrie des télécommunications vers les technologies de l’information (on parle parfois de l’ITzation). Alors que NFV vise essentiellement à changer la manière dont sont déployées et gérées les fonctions des réseaux, l’objectif principal de la technologie SDN est de rendre programmables par des applications les fonctions réseau impliquées dans l’acheminement de flux de données. Les deux concepts sont donc plutôt orthogonaux mais peuvent s’apporter mutuellement bien des avantages. Tout d’abord, une mise en œuvre efficace des principes de NFV suppose d’être capable d’établir automatiquement et quasi instantanément des réseaux virtuels permettant aux machines virtuelles constituant une même fonction ou un même service réseau de communiquer entre elles. Pour ce faire, les fonctions de gestion et d’orchestration vont alors s’appuyer sur un contrôleur SDN pour programmer les fonctions de routage de l’infrastructure. Inversement un contrôleur SDN est lui-même une fonction réseau dont la virtualisation peu apporter beaucoup d’avantages en termes de disponibilité et de tenue en charge.
 


Perspectives

NFV est appelé à jouer un rôle dans la conception et le déploiement des réseaux dits 5G. En particulier, un des principes de l’architecture de ces réseaux est de pouvoir facilement déployer à la demande des variantes d’un même réseau, optimisées pour des familles d’applications particulières (ex : Internet des objets ou téléphonie) ou des clients particuliers. Ce principe est connu sous le terme de « network slicing ». Il apparait assez naturellement que la technologie NFV sera la solution permettant sa mise en œuvre concrète. Enfin, notons que NFV n’est pas qu’une transformation technique de l’industrie des télécommunications mais aussi un changement profond touchant aussi bien les relations entre industriels et opérateurs que l’organisation du travail et des compétences pour les deux types d’entreprises. Ainsi le simple fait de gérer et exploiter séparément les fonctions des réseaux de télécommunication et l’infrastructure physique qui les héberge est une transformation majeure.


1/
http://www.etsi.org/technologies-clusters/technologies/nfv
2/ https://portal.etsi.org/nfv/nfv_white_paper.pdf
3/ ETSI GS NFV 002 : NFV Architectural Framework


L'auteur


Bruno Chatras
 
est vice-président du groupe de travail ETSI NFV chargé d’établir les standards pour la virtualisation des fonctions des réseaux. Il intervient sur ce sujet dans le cadre de plusieurs formations de Télécom ParisTech. Il est membre de la communauté d’experts d’Orange sur les réseaux du futur.
 brunochatras

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