NFV là gì? Tìm hiểu công nghệ ảo hóa chức năng mạng

NFV (Network Functions Virtualization) là công nghệ ảo hóa các chức năng mạng như firewall, router hay load balancer để chúng có thể chạy dưới dạng phần mềm thay vì phụ thuộc vào thiết bị phần cứng chuyên dụng. Nhờ đó, hệ thống mạng có thể triển khai và mở rộng linh hoạt hơn.

Trong bài viết này, hãy cùng tìm hiểu NFV là gì, cách hoạt động, kiến trúc và những ứng dụng phổ biến của NFV trong hạ tầng mạng hiện đại.

NFV là gì?

NFV (Network Functions Virtualization) là công nghệ ảo hóa chức năng mạng, cho phép triển khai các chức năng mạng dưới dạng phần mềm thay vì phụ thuộc hoàn toàn vào thiết bị phần cứng chuyên dụng.

Các chức năng có thể được triển khai theo mô hình NFV bao gồm:

• Firewall.
• Router.
• Load Balancer.
• VPN Gateway.
• NAT.
• Một số chức năng xử lý và kiểm soát lưu lượng mạng.

Ví dụ, thay vì phải sử dụng một thiết bị firewall vật lý riêng, doanh nghiệp có thể triển khai firewall dưới dạng phần mềm trên hạ tầng máy chủ hoặc môi trường ảo hóa phù hợp.

Điểm quan trọng của NFV nằm ở việc tách chức năng mạng khỏi phần cứng chuyên dụng. Nhờ đó, doanh nghiệp và nhà cung cấp dịch vụ có thể triển khai, mở rộng và quản lý các chức năng mạng linh hoạt hơn.

Tại sao NFV ra đời?

Trong mô hình mạng truyền thống, mỗi loại chức năng thường được cung cấp thông qua một appliance chuyên dụng.

Khi cần thêm một chức năng mới hoặc mở rộng hệ thống, đơn vị vận hành có thể phải:

• Mua thêm thiết bị.
• Lắp đặt tại Data Center.
• Cấu hình phần cứng.
• Kết nối thiết bị với hệ thống hiện tại.
• Phân bổ thêm điện năng và không gian rack.
• Quản lý nhiều dòng thiết bị khác nhau.

Mô hình này có thể đáp ứng tốt những môi trường yêu cầu phần cứng chuyên biệt nhưng lại hạn chế khả năng mở rộng linh hoạt.

NFV được phát triển nhằm đưa cách vận hành mạng gần hơn với mô hình của điện toán đám mây: tài nguyên hạ tầng được dùng chung, còn chức năng được cung cấp bằng phần mềm.

Điều này đặc biệt quan trọng khi mạng viễn thông, Data Center và hệ thống cloud ngày càng có quy mô lớn và yêu cầu khả năng tự động hóa cao hơn.

Kiến trúc NFV gồm những thành phần nào?

Kiến trúc NFV tạo ra nền tảng để triển khai và quản lý các chức năng mạng dưới dạng phần mềm, thay vì gắn chúng với những thiết bị phần cứng chuyên dụng. Kiến trúc cơ bản của NFV gồm ba lớp chính: Virtualized Network Functions (VNF), Network Functions Virtualization Infrastructure (NFVI) và Management and Orchestration (MANO).

Virtualized Network Functions (VNF)

Virtualized Network Functions (VNF) là các chức năng hoặc dịch vụ mạng trước đây thường chạy trên phần cứng vật lý nhưng được chuyển sang môi trường ảo hóa.

Một số VNF phổ biến có thể bao gồm:

• Routing;
• Firewall;
• Cấu hình IP;
• Hệ thống phát hiện xâm nhập;
• SD-WAN;
• Chương trình chia sẻ file.

Các VNF có thể được liên kết với nhau thông qua cơ chế Service Chaining. Cơ chế này giúp nhà vận hành mạng tự động hóa quá trình cấp phát tài nguyên cho các dịch vụ trên mạng.

Việc quản lý tập trung các chức năng cũng giúp nhà vận hành kiểm soát mạng tốt hơn, đồng thời điều hướng traffic và workload đến những server có tài nguyên khả dụng nhằm giảm nguy cơ gián đoạn dịch vụ.

Network Functions Virtualization Infrastructure (NFVI)

Network Functions Virtualization Infrastructure (NFVI) là lớp hạ tầng cung cấp tài nguyên cần thiết để xây dựng môi trường NFV, bao gồm:

• Server;
• Storage;
• Switch;
• Tài nguyên compute.

Để tách các chức năng mạng khỏi phần cứng vật lý, NFVI sử dụng một lớp ảo hóa được tạo bởi Hypervisor, còn được gọi là Virtual Machine Monitor (VMM).

Hypervisor tạo ra lớp phần mềm cho phép hình thành nhiều máy ảo từ một máy vật lý. Các máy ảo có thể hoạt động song song và chạy trên hệ điều hành riêng.

NFVI đồng thời cung cấp khả năng kết nối giữa các tài nguyên, giúp nhiều máy vật lý và máy ảo có thể hoạt động trong một hệ thống mạng thống nhất.

Management, Automation and Network Orchestration (MANO)

NFV MANO là framework dùng để quản lý quá trình triển khai, cấp phát tài nguyên, giám sát và hiệu suất của các chức năng mạng ảo hóa.

MANO cũng cung cấp giao diện để NFVI có thể giao tiếp và tương tác với các hệ thống hỗ trợ vận hành OSS (Operations Support Systems) và hệ thống hỗ trợ kinh doanh BSS (Business Support Systems) hiện có.

NFV MANO gồm ba thành phần chính:

NFV Orchestration

NFV Orchestration hỗ trợ triển khai các chức năng mạng mới và cấp phát tài nguyên cho những VNF đang hoạt động.

Thành phần này cũng thực hiện xác thực các yêu cầu sử dụng tài nguyên NFVI.

Virtualized Infrastructure Manager (VIM)

Virtualized Infrastructure Manager (VIM) quản lý vòng đời của phần mềm, tài nguyên ảo và hạ tầng mạng vật lý.

VIM có thể quản lý nhiều tài nguyên NFVI hoặc tập trung vào một nhóm tài nguyên cụ thể tùy theo nhu cầu. Hệ thống cũng duy trì thông tin về tài nguyên vật lý và tài nguyên ảo, giúp nhà vận hành duy trì hoạt động mạng và triển khai các dịch vụ mới.

Virtualized Network Function Manager (VNFM)

Virtualized Network Function Manager (VNFM) đảm nhiệm việc quản lý vòng đời của các chức năng mạng ảo hóa.

Các hoạt động quản lý VNF bao gồm:

• Khởi tạo VNF instance;
• Mở rộng hoặc thu hẹp;
• Nâng cấp;
• Chấm dứt VNF khi không còn cần thiết.

Nhìn chung, ba lớp VNF, NFVI và MANO phối hợp với nhau để hình thành kiến trúc NFV: VNF cung cấp các chức năng mạng ảo hóa, NFVI cung cấp hạ tầng để vận hành chúng, còn MANO đảm nhiệm việc quản lý và điều phối môi trường NFV.

Những chức năng mạng nào có thể sử dụng NFV?

NFV có thể được áp dụng cho nhiều loại network function khác nhau.

Firewall

Firewall có thể được triển khai dưới dạng phần mềm thay vì yêu cầu một appliance vật lý riêng.

Router

Một số chức năng định tuyến có thể được triển khai dưới dạng Virtual Router trên hạ tầng điện toán.

Load Balancer

Load Balancer dạng phần mềm có thể phân phối traffic giữa nhiều máy chủ hoặc dịch vụ.

VPN

Các chức năng VPN Gateway có thể được triển khai dưới dạng virtual network appliance nhằm hỗ trợ kết nối an toàn giữa người dùng, văn phòng và hệ thống.

NAT và Gateway

Các chức năng chuyển đổi địa chỉ mạng hoặc gateway cũng có thể được triển khai theo mô hình phần mềm.

Ngoài những ví dụ trên, NFV còn được sử dụng rộng rãi trong hạ tầng của các nhà cung cấp dịch vụ viễn thông.

Lợi ích của NFV

Giảm phụ thuộc vào thiết bị phần cứng chuyên dụng

Một trong những lợi ích quan trọng nhất của NFV là cho phép network function hoạt động trên hạ tầng điện toán dùng chung thay vì yêu cầu một thiết bị riêng cho từng chức năng.

Điều này giúp kiến trúc hạ tầng linh hoạt hơn.

Triển khai dịch vụ nhanh hơn

Việc triển khai một network function dưới dạng phần mềm thường linh hoạt hơn so với quá trình mua, vận chuyển, lắp đặt và cấu hình một thiết bị vật lý mới.

Nhà cung cấp dịch vụ có thể rút ngắn thời gian đưa một số dịch vụ mạng mới vào vận hành.

Khả năng mở rộng linh hoạt

Khi lưu lượng tăng, hệ thống có thể cấp thêm tài nguyên hoặc triển khai thêm network function phù hợp.

Khi nhu cầu giảm, tài nguyên có thể được thu hồi để phục vụ workload khác.

Tối ưu tài nguyên hạ tầng

Thay vì mỗi chức năng sử dụng một appliance riêng, nhiều chức năng có thể khai thác chung hạ tầng compute, storage và network.

Điều này giúp tăng khả năng sử dụng tài nguyên hiệu quả hơn, đặc biệt trong những Data Center có quy mô lớn.

Hỗ trợ tự động hóa

Do network function được triển khai dưới dạng phần mềm, nhiều công việc có thể được tích hợp với hệ thống orchestration và automation.

Ví dụ:

• Provisioning.
• Scaling.
• Monitoring.
• Recovery.
• Lifecycle management.

Đây là một trong những yếu tố giúp NFV phù hợp với mô hình Cloud và Telco Cloud.

Hạn chế và thách thức của NFV

NFV mang lại nhiều lợi ích nhưng không có nghĩa mọi thiết bị mạng đều có thể được chuyển sang phần mềm mà không cần cân nhắc.

Yêu cầu về hiệu năng

Một số network function phải xử lý lượng traffic rất lớn. Nếu hạ tầng compute hoặc network phía dưới không đủ khả năng đáp ứng, hiệu suất toàn hệ thống có thể bị ảnh hưởng.

Các chỉ số như throughput, latency, packet processing và CPU utilization cần được theo dõi chặt chẽ.

Hệ thống quản lý phức tạp

Khi số lượng VNF tăng, doanh nghiệp phải quản lý nhiều workload, tài nguyên và kết nối mạng hơn.

Do đó, orchestration trở thành một phần quan trọng của kiến trúc NFV.

Yêu cầu tính sẵn sàng cao

Các chức năng như firewall, router hay gateway có thể nằm trên đường truyền của nhiều dịch vụ quan trọng.

Hệ thống cần được thiết kế với cơ chế High Availability và dự phòng phù hợp để hạn chế Single Point of Failure.

Bảo mật

NFV tạo thêm các lớp như virtualization, API và orchestration. Do đó, chiến lược bảo mật không chỉ tập trung vào network function mà phải bao phủ cả hạ tầng phía dưới và hệ thống quản lý.

NFV và SDN khác nhau như thế nào?

NFV và SDN thường được nhắc cùng nhau nhưng không phải cùng một công nghệ.

Có thể hiểu ngắn gọn:

NFV thay đổi nơi chức năng mạng được thực thi, còn SDN thay đổi cách mạng được điều khiển.

Hai công nghệ có thể hoạt động độc lập nhưng khi kết hợp sẽ giúp hệ thống mạng trở nên linh hoạt và dễ tự động hóa hơn.

NFV được ứng dụng ở đâu?

Mạng viễn thông

Đây là một trong những lĩnh vực ứng dụng NFV lớn nhất. Các nhà mạng có thể chuyển một số network function từ thiết bị chuyên dụng sang nền tảng phần mềm.

Telco Cloud

NFV giúp hình thành nền tảng để nhiều chức năng mạng được triển khai dưới dạng workload trên hạ tầng cloud.

Điều này hỗ trợ khả năng tự động hóa, mở rộng và phân bổ tài nguyên linh hoạt hơn.

Mạng 5G

5G yêu cầu hạ tầng có khả năng triển khai và thay đổi network function linh hoạt. NFV đóng vai trò quan trọng trong việc đưa nhiều chức năng mạng từ mô hình appliance sang mô hình software-based.

Data Center

NFV cũng có thể được sử dụng trong Data Center để triển khai các chức năng như firewall, router, load balancer hoặc gateway trên nền tảng ảo hóa.

Edge Computing

Một số network function có thể được triển khai gần người dùng hoặc nguồn dữ liệu nhằm giảm khoảng cách truyền tải và hỗ trợ các ứng dụng yêu cầu độ trễ thấp.

NFV và xu hướng Cloud-native

NFV ban đầu gắn nhiều với VNF chạy trên máy ảo, nhưng hạ tầng mạng hiện đại đang dần chuyển sang kiến trúc cloud-native.

Bên cạnh VNF, CNF (Cloud-native Network Function) ngày càng được quan tâm. CNF thường sử dụng container và các nền tảng orchestration như Kubernetes để triển khai chức năng mạng theo kiến trúc cloud-native.

Điều này không có nghĩa VNF biến mất hoàn toàn. Trong thực tế, VNF và CNF có thể cùng tồn tại tùy theo yêu cầu của hệ thống, ứng dụng và lộ trình hiện đại hóa hạ tầng.

Câu hỏi thường gặp về NFV

NFV viết tắt của gì?

NFV là viết tắt của Network Functions Virtualization, có nghĩa là ảo hóa chức năng mạng.

VNF và NFV có giống nhau không?

Không. NFV là mô hình và kiến trúc ảo hóa chức năng mạng, còn VNF là một chức năng mạng cụ thể được triển khai dưới dạng phần mềm trong môi trường NFV.

NFV có phải SDN không?

Không. NFV tập trung vào việc ảo hóa network function, còn SDN tập trung vào cách điều khiển và lập trình mạng.

NFVI có vai trò gì?

NFVI cung cấp các tài nguyên compute, storage và networking cần thiết để các network function hoạt động.

NFV có chỉ sử dụng máy ảo không?

Không. NFV truyền thống sử dụng nhiều VNF chạy trên VM, nhưng các kiến trúc mới cũng đang phát triển theo hướng container và Cloud-native Network Function.

Kết luận

NFV là công nghệ ảo hóa chức năng mạng, cho phép những chức năng như firewall, router, load balancer hay gateway được triển khai dưới dạng phần mềm thay vì luôn phải gắn với thiết bị phần cứng chuyên dụng.