virtualizaÇÃo (sdn e nfv) com Ênfase em desempenho...
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UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ
DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE ELETRÔNICA
CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM GESTÃO DE SERVIÇOS DE
TELECOMUNICAÇÕES
EVERTON VINICIUS TEIXEIRA
VIRTUALIZAÇÃO (SDN E NFV) COM ÊNFASE EM
DESEMPENHO DE REDE
MONOGRAFIA
CURITIBA
2018
EVERTON VINICIUS TEIXEIRA
VIRTUALIZAÇÃO (SDN E NFV) COM ÊNFASE EM
DESEMPENHO DE REDE
Monografia apresentado como requisito parcial para
obtenção do título de Especialista em Gestão
de Serviços de Telecomunicações da Universidade
Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR).
Prof° Alexandre S. P. Cardoso, MSc. (Orientador)
CURITIBA
2018
Ministério da Educação
Universidade Tecnológica Federal do Paraná
Câmpus Curitiba
Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação
IV CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO EM GESTÃO DE
TECNOLOGIA DA INFORMAÇÃO E COMUNICAÇÃO
TERMO DE APROVAÇÃO
VIRTUALIZAÇÃO (SDN E NFV) COM ÊNFASE EM DESEMPENHO DE REDE
Por
EVERTON VINICIUS TEIXEIRA
Esta monografia foi apresentada às 18:40 h do dia 27/11/2018 como requisito
parcial para a obtenção do título de Especialista no CURSO DE ESPECIALIZAÇÃO
EM GESTÃO DE SERVIÇOS DE TELECOMUNICAÇÕES, da Universidade
Tecnológica Federal do Paraná, Câmpus Curitiba. O candidato foi arguido pela
Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após
deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho:
1 Aprovado
2 Aprovado condicionado às correções Pós-banca, postagem da tarefa e liberação do Orientador.
3 Reprovado
____________________________________
Prof. Msc. Alexandre Jorge Miziara UTFPR - Examinador
______________________________________
Prof. Msc. Alexandre Szpyro Pereira Cardoso UTFPR – Orientador
______________________________________
Prof. Msc. Alexandre Jorge Miziara UTFPR – Coordenador do Curso
“A Folha de aprovação assinada encontra-se na coordenação do curso”
AGRADECIMENTOS
Gostaria de agradecer a todos os que, direta ou indiretamente, me ajudaram
a terminar este grande objetivo que representa a conclusão de mais uma etapa da
minha vida académica. Em particular, gostaria de fazer um agradecimento especial
a minha mãe e irmãos, Maura, Emerson, Mirian, Simei, Léia e Marcia por, ao longo
de todos estes anos de estudo, me apoiarem, se sacrificarem por mim e me
aturarem em todos os momentos. Obrigado por acreditarem em mim! Estar-vos-ei
eternamente grato por tudo! Quero também agradecer ao meu orientador,
Professor Alexandre Cardoso, pelas sugestões e pela oportunidade para realizar
esta monografia que muito gosto me deu. Quero agradecer a Universidade
Tecnológica Federal do Paraná e a todos os Professores que comigo se cruzaram
neste ano que aqui estive. Foi deles que tentei absorver o máximo de
conhecimentos e valores. Também a eles devo o que eu sou hoje. Um grande
obrigado a todos! Para terminar, um último agradecimento a todos os meus amigos
de sala que pude trocar várias experiencias e aprender muito, em especial a minha
amiga Larissa que caminhou ao meu lado nesse desafio, obrigado a todos por tudo!
Resumo
TEIXEIRA, Everton Vinicius. Virtualização (SDN e NFV) com Ênfase em
Desempenho de Rede. 2018. 51fls. Monografia, Especialização em gestão de
Serviços de Telecomunicações – Universidade Tecnológica Federal do Paraná.
Curitiba 2018.
As empresas de telecomunicações estão buscando sempre a atualização
de suas redes para conseguir novos clientes e disponibilizar melhores serviços
para os mesmos, com esse intuito surgiram as tecnologias conhecidas como SDN
( Software Defined Networking) e NFV (Network Functions Virtualization). Esse
trabalho visa explicar o que são e como essas tecnologias funcionam e também
estabelecer métricas para a medição de qualidade das redes convencionais e das
redes NFV e SDN afim de fazer uma comparação do desempenho das mesmas. A
metodologia utilizada para essa pesquisa foi exploratória cujo objetivo é a
formulação de questões ou de um problema, com tripla finalidade: desenvolver
hipóteses, aumentar a familiaridade do pesquisador com um ambiente, fato ou
fenômeno, para a realização de uma pesquisa futura mais precisa ou modificar e
clarificar conceitos. Será possível verificar que as tecnologias SDN e NFV podem
trazer ganhos, principalmente do ponto de vista financeiro, por serem tecnologias
promissoras e, avaliando as redes convencionais e utilizando as métricas que irão
ser descritas, podemos colocar como principal contribuição a verificação que as
redes SDN e NFV tem melhores desempenhos técnicos que suas antecessoras,
porém com uma alta complexidade e alto custo para implementação, mas que após
o funcionamento e ao longo do tempo esse custo vem se pagando com um baixo
OPEX (Operational Expenditure).
Palavras chave: SDN (Software Defined Networking). NFV (Network
Functions Virtualization), Virtualização, Desempenho de rede SDN/NFV.
ABSTRACT
Telecom companies are always searching to update their networks to
increase the number of new customers and provide for them better services, for this
purpose appeared technologies known as SDN (Software Defined Networking) and
NFV (Network Functions Virtualization). This work aims to explain what and how
are these technologies working and also to establish metrics for the conventional
networks quality measurement and the NFV and SDN networks in order to make a
comparison of their performance. The methodology used for this research was
exploratory which objective is the question or the problem formulation, with
threefold purpose: develop hypotheses, increase the familiarity of the researcher
with an environment, fact or phenomenon, carry out a more precise future research
or modify and clarify concepts. It will be possible to verify that SDN and NFV
technologies can bring gains, mainly from a financial point of view, by using
promising technologies, and evaluating conventional networks and using the
metrics that will be described, we can put the verification as a main contribution that
the SDN and NFV networks perform better than their predecessors, but with a high
complexity and high implementation cost, but over the time this cost’s will be paid
back trough a low OPEX (Operational Expenditure).
Keywords: SDN (Software Defined Networking). NFV (Network Functions
Virtualization), Virtualization, Network Perfomance SDN/NFV.
LISTA DE ILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Elementos básicos da topologia da rede ........................................... 13
Figura 2 - Sete topologias de rede ..................................................................... 14
Figura 3 – comparação entre redes tradicionais e SDN .................................... 16
Figura 4 – Framework SDN ............................................................................... 18
Figura 5 – amostra de desenvolvimento do NFV. ............................................... 20
Figura 6 –Visualização de uma rede tradicional comparada com a rede SDN 25
Figura 7– O funcionamento do SDN . ................................................................. 27
Figura 8 – O funcionamento do NFV . ................................................................ 28
Figura 9 – Duas opções de desenvolvimento de NFv usando NSOD. ................ 31
Figura 10 – performance x capacidade de programaçãoda rede ..................... 33
Figura 11 – Categorias de Opex. ........................................................................ 40
Figura 12 – o paradigma do gerenciamento de redes ....................................... 42
Figura 13 –paradigma do gerenciamento de redes com SDN implementado .... 43
LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS
API: Interface de Programação de Aplicações
Capex: Capital Expenditure
IEEE: Institute of Electrical and Electronics Engineers
LAN: Local Area Network
Opex: Operational Expenditure
SDN: Software Defined Network
SG&A: Selling, General & Administrative Expense
TELECOM: sigla para uma empresa de telecomunicações
TCO: Total cost of ownership
VLAN: Virtual Local Area Network
VNF: Virtual Network Function
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ................................................................................................... 10
1.1 Objetivos da pesquisa ........................................................................ 10
1.2 Justificativa teórica e prática .............................................................. 11
2 REVISÃO DA LITERATURA ............................................................................. 13
2.1 Rede Telecom atualmente ................................................................. 13
2.2 Software Defined Networking (SDN) .................................................. 15
2.3 Network Function Virtualization .......................................................... 19
2.4 Métricas das redes SDN/NFV x redes convencionais ........................ 20
3 METODOLOGIA ................................................................................................ 23
4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS ................................. 25
4.1 Funcionamento de uma rede SDN ..................................................... 25
4.2 Funcionamento e padrões de uma rede NFV ..................................... 27
4.3 Comparativo de desempenho entre redes convencionais e redes SDN
e NFV 31
5 CONCLUSÃO .................................................................................................... 49
REFERÊNCIAS .................................................................................................... 50
10
1 INTRODUÇÃO
As empresas de telecomunicações estão buscando sempre a atualização
de suas redes para conseguir novos clientes e lhes disponibilizar melhores
serviços, com esse intuito surgiram as tecnologias conhecidas como SDN (
Software Defined Networking) e NFV (Network Functions Virtualization), esse
trabalho visa explicar o que são e como essas tecnologias funcionam e também
estabelecer métricas para a medição de qualidade das redes convencionais e das
rede NFV e SDN afim de fazer uma comparação do desempenho das mesmas.
Alguns dos problemas das redes convencionais é que as mesmas têm um
custo de manutenção muito alto e também há uma grande dificuldade de
expansão, melhoria e oferta de novos serviços na rede existente, pensando nisso
iremos estudar as tecnologias acima citadas para verificar se as mesmas podem
sanar ou amenizar esses problemas.
Esse estudo está estruturado de uma forma onde em um primeiro momento
será explicado o que são as tecnologias usadas nas redes convencionais e
SDN/NFV e colocado as métricas para podermos fazer a comparação entre as
redes, e em segundo momento será explicado o funcionado das redes SDN e NFV
e usado as métricas anteriormente citadas para efetuarmos a comparação e
verificarmos possíveis ganhos dessa nova tecnologia.
Como resultado esse trabalho mostra-se como funcionam essas redes,
alguns desafios da implementação das mesmas e, por final, os ganhos que essas
redes trarão para as operadoras.
1.1 Objetivos da pesquisa
Apresenta-se a seguir o objetivo geral e os objetivos específicos da
pesquisa.
1.1.1 Objetivo geral
A proposta desse estudo é entender o que é e como funciona uma rede
virtualizada com os conceitos de SDN e NFV com o foco principal em quais
11
métricas terão que ser observadas para um bom funcionamento da mesma e
se possam também se há ganhos reais na implementação desses conceitos ,
tanto do ponto de vista técnico , quanto do ponto de vista administrativo.
1.1.2 Objetivos específicos
Verificar de maneira mais detalhada o que é e como funciona uma rede
virtualizada com os conceitos de Network Function Virtualization (NFV) e
Software Defined Networks (SDN);
• Quais são os benefícios da mesma em relação a uma rede convencional;
• Verificar se essa rede possibilitará novos serviços de telecomunicações;
• E como principal ponto verificar quais são os parâmetros necessários que
devem ser medidos para o correto funcionamento desse tipo de rede.
1.2 Justificativa teórica e prática
É um tema bastante atual no Brasil, com as principais operadoras
buscando essa inovação somente agora e, é uma tendência para a próxima
geração de redes de telecomunicações pois otimiza a rede
O entendimento e a aplicação do conceito de NFV e SDN ainda passa por
um processo de estudos e de experimentação no Brasil, com as principais
operadoras buscando essa inovação somente agora, principalmente pelo fato de
ser uma tendência para a próxima geração de redes de telecomunicações pois
otimiza e diminui custos de manutenção de rede e entender essas mudanças para
aplicá-las da melhor maneira é fundamental.
Este trabalho tem o intuito de discutir as tecnologias envolvidas nesses
conceitos utilizando algumas métricas a fim de compreender a complexidade.
12
13
2 REVISÃO DA LITERATURA
Neste capitulo serão apresentados os conceitos base para a compreensão
da monografia, será apresentado como é uma rede de uma TELECOM atualmente
e os novos conceitos de SDN e NFV, como se dará a evolução da rede atual para
estes novos conceitos de redes.
2.1 Rede Telecom atualmente
As redes de telecomunicações são constituídas por uma infinidade de
equipamentos baseados numa grande diversidade de tecnologias e em muitos
casos concebidos e instalados em épocas muito diferentes. (João, 2006)
Os elementos de rede englobam nomeadamente o equipamento de
comutação, o equipamento terminal, os servidores e os sistemas de sinalização e
de gestão. O equipamento de comutação inclui por exemplo as centrais de
comutação nas redes telefônicas ou os routers nas redes de dados e tem por
objetivo assegurar o encaminhamento apropriado da informação. Nas redes
telefônicas tradicionais a comutação é feita usando comutação de circuitos, ou
seja, antes do início da conversação estabelece-se por intermédio de sinalização
uma ligação bidirecional entre os utilizadores intervenientes (circuito). (João, 2006)
A topologia de rede é a ligação e relacionamento entre vários elementos da
rede. Existem dois elementos básicos na topologia da rede: os nós e os links.
Os nós representam routers, switches, servidores e telefones, entre outros,
tal como demonstra a Figura 1.
Figura 1 - Elementos básicos da topologia da rede. (João, 2006)
14
Além dos elementos básicos, apresentados na Figura 1, existe a estrutura
da topologia da rede, que consiste na ligação dos dois elementos básicos. Essa
ligação pode ser física ou lógica.
A ligação:
Física: é a rede real, o que se vê, ou seja, a parte física ou fibra que se
encontra nos nós;
Lógica: são as interfaces virtuais ou caminhos da rede construídos no
topo da infraestrutura física, como por exemplo, a camada 3 do modelo Open
Systems Interconnection (OSI) (camada de rede).
Relativamente às topologias propriamente ditas, existem pelo menos sete,
que estão listadas em seguida e representadas na Figura 2:
Em anel - ring ou circular;
Em malha (Amaral, 2010) – mesh;
Em estrela – star;
Em malha completa (Amaral, 2010) – fully connected;
Em encadeamento – line;
Em árvore – tree;
Em barramento (Amaral, 2010) – bus.
Figura 2 - Sete topologias de rede. (Amaral, 2010)
15
A partir da Figura 2 pode ser feita uma análise mais aprofundada das
topologias.
Sabe-se que as redes estão cada vez mais complexas e,
consequentemente, a sua configuração também se torna complexa e suscetível a
falhas. Isto leva a que as configurações manuais de uma rede possam levar horas
ou mesmo dias para ser implementadas. Quando um novo elemento básico da
rede é integrado, por exemplo um router, ele tem de ser configurado para que toda
a rede o conheça. Se se pensar em mais equipamentos, facilmente a rede se torna
bastante complexa e de grandes dimensões. No relatório refere-se que a
necessidade de novos equipamentos aumenta 50% por ano.
As redes tradicionais ainda são dependentes de hardware, têm baixa
eficiência e estão muito sujeitas a erros. A evolução destas redes levará a que a
configuração se torne mais abstrata, passando a ser mais automatizada com
recurso a software (Louro, 2014).
Agora que entendemos um pouco melhor como são as redes tradicionais de
Telecomunicações vamos entender as tecnologias de SDN e NFV.
2.2 Software Defined Networking (SDN)
Apesar que atualmente a rede ainda é bastante estática, uma das maneiras
encontradas para mudar isso é o SDN.
Apesar de o termo SDN não ser novo, em 1995 (Dryden, 1995) já havia
menções no jornal “Computer World”, somente há pouco tempo é que os estudos
em cima dele realmente se aprofundaram.
O objetivo da SDN (Software Defined Networking - Rede Definida por
Software) é permitir que os engenheiros e administradores de computação em
nuvem e de rede respondam rapidamente às mudanças nos requisitos de negócios
por meio de um console de controle centralizado. O SDN engloba vários tipos de
tecnologias de rede projetadas para tornar a rede mais flexível e ágil para suportar
o servidor virtualizado e a infraestrutura de armazenamento do data center
moderno. A rede definida por software originalmente definia uma abordagem para
projetar, construir e gerenciar redes que separa os planos de controle de rede ou
16
de rede de redes SDN (cérebros) e de encaminhamento (muscular), permitindo
que o controle de rede seja diretamente programável e a infraestrutura subjacente
seja abstraída. para aplicativos e serviços de rede para aplicativos como
computação em nuvem SDN ou redes móveis. (SdxCentral, 2018)
Agora que explicamos um pouco o conceito de redes SDN e de redes
tradicionais abaixo podemos ver uma figura de (Yang, 2013) que ajuda a comparar
esses conceitos.
Figura 3 – comparação entre redes tradicionais e SDN. (Yang, 2013)
Na Figura 3, pode-se notar que, utilizando o conceito de SDN, as
funcionalidades da rede passam a estar concentradas num ponto central
diferente do que acontece nas redes atuais. Cada vez que se cria uma máquina
virtual, a configuração da mesma pode levar muito tempo por isto, a rede SDN
faz a separação entre as funções de controle e de acesso assim, a rede é tratada
como uma entidade lógica, havendo abstração entre as aplicações e os serviços
da rede (Stallings, 2013).
17
2.2.1 Estrutura da rede SDN
Os provedores de rede definidos por software oferecem uma ampla seleção
de arquiteturas concorrentes, mas em sua forma mais simples, o método de rede
definido por software centraliza o controle da rede, separando a lógica de controle
aos recursos do computador fora do dispositivo. Todas as soluções de rede
definidas por software têm alguma versão de um SDN Controller, bem como APIs
de southbound e APIs de northbound.
SDN Controllers: Controladores - Os “cérebros” da rede. Os SDN Controllers
oferecem uma visão centralizada da rede geral e permitem que os administradores
de rede ditem aos sistemas subjacentes (como switches e roteadores) como o
plano de encaminhamento deve lidar com o tráfego de rede.
APIs do Southbound: a SDN usa API’s Southbound para transmitir
informações aos switches e roteadores "abaixo". O OpenFlow, considerado o
primeiro padrão em SDN, era a API southbound original e permanece como um
dos protocolos mais comuns. Apesar de alguns considerarem o OpenFlow e o SDN
como um deles, o OpenFlow é apenas uma parte da solução.
APIs do Northbound: o Networking definido por software usa as APIs do
northbound para se comunicar com os aplicativos e a lógica de negócios "acima".
Isso ajuda os administradores de rede a moldar o tráfego e a implantar serviços
programaticamente. (SdxCentral, 2018)
Para ajudar a ilustrar o framework da SDN temos a imagem abaixo.
18
Figura 4 – Framework SDN. (SdxCentral, 2018)
2.2.1.1 Southbound APIs e Northbound APIs:
Em uma arquitetura de Rede Definida por Software (ou Software Defined
Network - SDN), as Interfaces de Programa de Aplicativo (ou Application
Programming Interface - APIs) southbound (ou APIs southbound SDN) são usadas
para comunicação entre o controlador SDN e os switches e roteadores da rede.
Eles podem ser abertos ou proprietários.
Em uma arquitetura de rede definida por software (SDN), as interfaces de
programa de aplicativo (APIs) northbound são geralmente APIs de descanso SDN
usadas para comunicação entre o SDN Controller e os serviços e aplicativos
executados na rede. As northbound APIs podem ser usadas para facilitar a
inovação e permitir a orquestração eficiente e a automação da rede para se alinhar
às necessidades de diferentes aplicativos por meio da programação da rede SDN.
(SdxCentral, 2018)
19
2.3 Network Function Virtualization
Este conceito originou-se de provedores de serviços que buscavam acelerar
a implantação de novos serviços de rede para suportar seus objetivos de receita e
crescimento. As restrições dos dispositivos baseados em hardware levaram-nos a
aplicar tecnologias de virtualização de TI padrão às suas redes. Para acelerar o
progresso em direção a esse objetivo comum, vários provedores se uniram e
criaram o Instituto Europeu de Padrões de Telecomunicações (ETSI). (SDxCentral,
2018).
A virtualização de funções de rede (NFV) (também conhecida como função
de rede virtual (VNF)) oferece uma nova maneira de projetar, implantar e gerenciar
serviços de rede. O NFV separa as funções de rede, como conversão de endereço
de rede (NAT), firewall, detecção de intrusão, serviço de nomes de domínio (DNS)
e armazenamento em cache, para citar alguns, de dispositivos de hardware
proprietários para serem executados em software.
Ele foi projetado para consolidar e fornecer os componentes de rede
necessários para suportar uma infraestrutura totalmente virtualizada, incluindo
servidores virtuais, armazenamento e até mesmo outras redes. Ele utiliza
tecnologias de virtualização de TI padrão que são executadas em hardware de alto
volume de serviços, switches e armazenamento para virtualizar funções de rede.
É aplicável a qualquer plano de processamento de dados ou função de plano de
controle em infraestruturas de rede com e sem fio.
Em suma, o NFV vem tentar corrigir alguns pontos aonde as operadoras
julgam que o SDN não resolve. Enquanto o SDN tende a criar redes abstratas,
para que mais rapidamente se possam criar inovações na mesma, o NFV, tem
outros objetivos, como a redução do CapEx (reduzir o capital necessário para o
investimento numa nova plataforma) e do Opex (reduzir o espaço, energia, custos
de operação e de manutenção e requisitos de refrigeração para equipamentos
físicos podendo, assim, dar lugar a mais máquinas virtuais) e também Agilizar e
flexibilizar a implementação desta arquitetura de modo a responder à procura por
parte das empresas/clientes. (Pate, 2013).
Abaixo podemos ver um exemplo de aplicação NFV.
20
Figura 5 – amostra de desenvolvimento do NFV (SDxCentral, 2018).
2.4 Métricas das redes SDN/NFV x redes convencionais
Para podermos fazer as devidas comparações entre as redes existentes e
as redes SDN/NFV iremos usar dois tipos de métricas, as métricas que expressam
o desempenho da rede em si, como latência, largura de banda e disponibilidade
da rede, e outras métricas que são mais usadas do ponto de vista de negócio,
nesse caso: uma operadora de telecomunicações.
2.4.1 Latência
Latência é o tempo total gasto por um quadro desde a origem até o destino.
Esse tempo absoluto é a soma dos atrasos do processamento nos elementos da
rede e o atraso de propagação ao longo do meio de transmissão
Para medir a latência, um quadro de teste contendo uma marca de tempo
(timestamp) é transmitido pela rede. A marca de tempo é então analisada quando
o quadro é recebido. Para que isso ocorra, o quadro de teste precisa voltar ao
testador original por um laço de retorno (atraso de ida e volta). Uma grande latência
não indica que ocorrerá degradação da voz, o que pode ocorrer é uma perda de
21
sincronização. Por exemplo, para que se obtenha uma boa qualidade em conexões
telefônicas, a latência deve possuir um valor abaixo do patamar de 150 ms. Para
que isso ocorra, devem ser tomadas algumas medidas de forma a estabelecer as
alterações que deverão ser tomadas para que ocorra a diminuição do tempo de
empacotamento, transmissão e transporte dos dados. (BURGESS, 2004).
2.4.2 Largura de Banda
A largura de banda para a transmissão de voz depende de vários fatores e
pode ser calculada com facilidade de acordo com informações de diagnóstico,
quantização da voz, algoritmos de compressão, etc.
Além da transmissão de voz, as redes também são usadas com outras
finalidades. Como a transmissão de voz em uma conversação telefônica deve
ocorrer em tempo real, tais dados devem possuir uma prioridade em relação a
outros dados com menor importância.
Obviamente, a decisão de se usar uma largura de banda maior ou menor
deve ser tomada conforme as necessidades e prioridades da rede. Vale ressaltar
que uma banda muito estreita para a transmissão de voz influencia negativamente
na qualidade do serviço. (BURGESS, 2004).
2.4.3 Agilidade, flexibilidade e capacidade de programação e gerenciamento
Os termos acima citados são usados nas operadoras para podermos medir
o quanto uma rede é ágil e suscetível a mudanças, e as capacidades de
programação e gerenciamento são importantes para sabermos o quanto podemos
manusear uma rede sem danifica-la ou causar travamentos. (BURGESS, 2004).
2.4.4 CAPEX
CAPEX é a sigla da expressão inglesa “CapitalExpenditure” (em português,
despesas de capital ou investimento em bens de capital) que indica a quantidade
22
de dinheiro gasto na compra de bens de capital de uma determinada empresa. Por
exemplo, comprar uma impressora. (Binário, 2018).
2.4.5 OPEX
OPEX é a sigla da expressão inglesa “OperationalExpenditure” (em
português, despesas operacionais) que se refere ao custo associado à
manutenção dos equipamentos, gastos de consumíveis e outras despesas
operacionais. Por exemplo, comprar um contrato de manutenção para a
impressora ou fazer o outsourcing (terceirizar) da impressão de seu escritório.
(Binário, 2018).
2.4.6 Inovação
A Inovação é importante porque permite que as organizações criem tipos de
aplicativos, serviços e modelos de negócios que podem oferecer novos fluxos de
receita e mais valor a partir da rede. (Sakir, 2013).
23
3 METODOLOGIA
A metodologia de pesquisa utilizada neste trabalho foi exploratória cujo
objetivo é a formulação de questões ou de um problema, com tripla finalidade:
desenvolver hipóteses, aumentar a familiaridade do pesquisador com um
ambiente, fato ou fenômeno, para a realização de uma pesquisa futura mais
precisa ou modificar e clarificar conceitos.
Foi também utilizado o método da pesquisa bibliográfica que é
desenvolvida com base em material já elaborado, constituído principalmente de
livros e artigos científicos. (GIL,2008)
No presente trabalho, o autor optou por um problema voltado ao
desempenho de redes com os conceitos SDN e NFV, com o intuito de aumentar a
familiaridade com as novas tecnologias.
O trabalho iniciou-se através de revisões bibliográficas sobre os
diversos assuntos envolvidos, a saber: o que são as redes SDN e NFV e métricas
para comparar essas tecnologias com as redes convencionais. Após esta fase foi
analisado o funcionamento dessas novas tecnologias.
Depois disso foram feitas comparações usando as métricas
anteriormente apresentada afim de visualizar os prós e contras da implementação
desse tipo de tecnologia nas redes das operadoras de telecomunicações. Tendo
como base as análises realizadas, foi possível apresentar as conclusões
pertinentes, compondo assim o texto final do trabalho. (Sakir, 2013).
24
25
4 APRESENTAÇÃO E DISCUSSÃO DOS RESULTADOS
No capitulo dois foi explicado o que é uma rede SDN e NFV, nesse capitulo
iremos discorrer sobre o funcionamento dessas redes para verificar possíveis
vantagens e desvantagens em relação as redes convencionais.
4.1 Funcionamento de uma rede SDN
Para entendermos o funcionamento de uma rede SDN devemos entender
também o funcionamento das redes tradicionais, a figura 6 ajuda nesse
entendimento.
Figura 6 –Visualização de uma rede tradicional comparada com a rede SDN (Sakir, 2013).
Como mostrado na figura 6 parte (a) temos uma abordagem tradicional
(cada nó da rede possui seu próprio controle e plano de gerenciamento) e na parte
(b) uma abordagem SDN (o plano de controle é extraído do nó da rede).
Nas redes tradicionais, como mostrado na Fig. 6, os planos de controle e
dados são combinados em uma rede nó.
O plano de controle é responsável pela configuração do nó e programar os
caminhos para ser usado para fluxos de dados. Uma vez que esses caminhos
tenham determinado, eles são empurrados para baixo plano de dados.
26
Encaminhamento de dados no hardware nível é baseado nesta informação de
controle.
Nesta abordagem tradicional, uma vez que o fluxo gestão (política de
encaminhamento) foi definida, a única maneira de fazer um ajuste na política é
através de alterações na configuração dos dispositivos.
Isso se mostrou restritivo para operadores de rede que estão dispostos a
escalar suas redes em resposta para mudar as demandas de tráfego, aumentando
o uso de dispositivos móveis e com um aumento de complexidade.
A partir desses requisitos com foco em serviços, a SDN emergiu. O controle
é movido para fora dos nós da rede individuais e é separado do controlador
centralizado. Os comutadores SDN são controlados por um sistema operacional
de rede (NOS) que coleta informações usando o API mostrado na Fig. 6 e manipula
seu plano de encaminhamento, fornecendo um modelo abstrato da topologia de
rede para o controlador SDN que hospeda os aplicativos.
O controlador pode, portanto, explorar o tráfego da rede para otimizar o
gerenciamento de fluxo e suporte aos requisitos do usuário de escalabilidade e
flexibilidade. Por exemplo, largura de banda pode ser alocado dinamicamente nos
planos de dados da aplicação.
Na Fig. 7, uma vez o primeiro pacote de um novo fluxo chega ao interruptor
do remetente (passo 1), o switch verifica uma regra de fluxo para este pacote em
o cache SDN (etapa 2). Se uma entrada correspondente for encontrada, as
instruções associadas ao específico fluxo entrante são executadas (por exemplo,
contador de atualização, campos de pacote / correspondência, conjunto de ações,
metadados). Pacotes são encaminhados para o receptor (etapa 5). Se nenhuma
correspondência for encontrada na tabela de fluxo, o pacote pode ser encaminhado
para o controlador um canal seguro (etapa 3). Usando a SouthBound API (por
exemplo, OpenFlow, ForCES, PCEP), o controlador pode adicionar, atualizar e
excluir entradas de fluxo, ambos reativamente (em resposta a pacotes) e
proativamente. O controlador executa o roteamento algoritmo e adiciona uma nova
entrada de encaminhamento para a mesa de fluxo no interruptor e para cada um
dos interruptores relevantes ao longo do caminho do fluxo (passo 4). O interruptor
27
encaminha o pacote para a porta apropriada para enviar o pacote para o receptor
(passo 5). (Sakir, 2013).
Figura 7– O funcionamento do SDN (Sakir, 2013).
4.2 Funcionamento e padrões de uma rede NFV
Existem duas opções de padrões para redes NFV mais usadas, uma que
podemos chamar de servidor único (bare metal) e a outra de máquina virtual (VM),
disponível para implantar funções de rede em um servidor de commodity para obter
desempenho ou uso de recursos como o da computação em nuvem. Para atingir
o nível de serviço controlável, existem outras duas opções (ou seja, dentro e fora)
para implantar os switches OpenFlow para aplicar serviços isolamento para nós de
rede habilitados para NFV. Misturando estas opções para implementar funções de
rede e switches OpenFlow produz três padrões de implantação mostrados na Fig.8
(Hitoshi, 2014).
28
Figura 8 – O funcionamento do NFV (Hitoshi, 2014).
4.2.1 Funções de rede em ambiente de servidor único
O lado esquerdo da Fig.8 mostra o primeiro padrão de funções de rede: em
servidor único(bare metal). Nesse padrão alguns aplicativos podem solicitar uma
função de rede para melhorar seu desempenho, abordar aplicações de segurança
ou melhorar o gerenciamento. E também as funções de rede desse padrão podem
ser controladas e gerenciadas no nível de serviço. (Hitoshi, 2014).
4.2.2 Funções de rede no ambiente virtualizado com NIC diretamente anexada
O meio da Fig.8 mostra o segundo padrão de implementação de funções de
rede: na VM. A política de gestão nos casos em que uma função de rede ou serviço
de rede é mapeado para portas de rede física pode ser adequado. Neste padrão,
a largura de banda da porta física pode ser inteiramente alocada a uma função de
rede dedicada. Por outro lado, O desempenho isolado é necessário para evitar a
29
interferência entre a rede e funções no mesmo servidor. Um OpenFlow switch deve
ser aplicado na rede subjacente a infraestrutura para obter uma gestão de nível de
serviço. (Hitoshi, 2014).
4.2.3 Funções de rede no ambiente virtualizado com um switch virtual OpenFlow
O lado direito da Fig.8 mostra o terceiro padrão de implantação de funções de
rede: na VM com um comutador virtual OpenFlow.
Este padrão pode ser adequado para aumentar a eficiência de uso de recursos
do servidor, bem como para implantar dinamicamente diferentes funções de rede
no mesmo servidor de mercadorias. Dentro esse padrão, o isolamento de
desempenho e o isolamento de tráfego em o nível de serviço são funções muito
importantes para evitar o serviço degradação da qualidade.
Em todos os três padrões, também é possível aplicar comutadores de rede
(switches L2, switches L3) para o underlay e infraestrutura no lugar de switches
OpenFlow. Decidindo qual padrão é o mais adequado para fornecer serviços de
rede que depende em grande parte dos requisitos de operação de serviço e
requisitos de política de gerenciamento. (Hitoshi, 2014).
4.2.4 API de gerenciamento
Do ponto de vista da gestão, existem quatro APIs sistemas de gerenciamento
de rede podem usar para controlar, gerenciar e monitorar diferentes tipos de
instâncias. Estes são para física servidores, VM, funções de rede ou switches
OpenFlow (Fig.8).
Um comutador OpenFlow é controlado através de um controlador OpenFlow
que podem suportar o protocolo OpenFlow e / ou o OF-Config protocolo. Uma VM
é implantada, controlada e gerenciada usando um gerenciador de MV como o
libvirt. Desde rede funções precisam de APIs orientadas a serviços para serem
controladas diretamente ou indiretamente, cada serviço de rede tem uma operação
específica política e SLA. (Hitoshi, 2014).
30
4.2.5 Capacidade de dimensionamento de serviço de rede
Um switch OpenFlow basicamente reconhece quinze pacotes de cabeçalho na
versão 1.3 do OpenFlow para pacotes para a direção desejável, pesquisando a
correspondência entrada de fluxo em tabelas de fluxo. Consequentemente, a pré-
configuração de entradas de fluxo são muito importantes em suprimir o número de
ações de pacotes de entrada entre o comutador OpenFlow e Controlador
OpenFlow, um alto número dos quais degrada o pacote taxa de transferência.
Em redes de operadoras, o gerenciamento de sessões muito complicado é
normalmente utilizado para fornecer serviços de rede, o que significa que O
OpenFlow não é adequado para serviços de rede de operadora porque muitas
ações de pacotes de entrada junto com a sessão mudanças de estado podem
degradar o desempenho. Se o OpenFlow for usado, é necessário executar uma
pré-configuração muito complicada de regras de fluxo com antecedência toda vez
que um estado de sessão muda ou funções de rede são implantadas. Por outro
lado, o OpenFlow é uma boa solução para aplicativos sem estado.
Para lidar com demandas inesperadas de recursos, o scale-out dinâmico e
scale-in são importantes para os recursos do NFV. Se escalar é para ser executado
para um serviço de rede já ativo, pacote profundo inspeção e um encaminhamento
baseado em políticas é necessário para separar o tráfego convergente de entrada
em tráfego específico grupos. Neste caso, o OpenFlow não é uma solução
apropriada por causa de sua capacidade limitada de análise de pacotes. Para
elástico serviços de rede, cada categoria de função de rede deve ter os seguintes
recursos:
- Inspeção profunda de pacotes (DPI) orientada a serviço de rede.
- Distribuição de cargas de trabalho baseada em políticas.
Esse tipo de função de rede, que chamamos de rede Distribuidor Orientado a
Serviços (NSOD), é aplicado nos três padrões de implantação mostrados na Fig.8.
Mais escalável padrão de implantação são mostrados na Fig.9.
A figura 9 mostra que existem dois tipos de implantação padrões, modelo anexo
direto em que NSOD é diretamente anexado a uma placa de rede física e modelo
interno OpenFlow que todas as instâncias se conectam através de um OpenFlow
31
interruptor. O modelo anexado direto é adequado para uma operação política em
que a largura de banda da porta é totalmente alocada a um serviço de rede,
enquanto que apenas o gerenciamento de fluxo interno é necessário para
interconectar VMs NFV (ou instâncias). Por outro lado, o modelo interno do
OpenFlow tem uma gerência baseada em OpenFlow com todas as VMs NFV. Este
permite que vários tipos diferentes de serviços de rede compartilhem a mesma
porta física, obtendo assim o uso eficaz de recursos. Nestes dois modelos, o
Openflow é usado para o encaminhamento de fluxo básico e tem uma facilidade
para suprimir ações de pacotes de entrada. (Hitoshi, 2014).
Figura 9 – Duas opções de desenvolvimento de NFV usando NSOD (Hitoshi, 2014).
4.3 Comparativo de desempenho entre redes convencionais e redes SDN e NFV
Para fazer esse comparativo iremos usar as métricas que foram expostas
no item 2.4 que dividimos em métricas técnicas (itens 2.4.1 até 2.4.3) que no
contexto desse trabalho são indicadores mais voltados a performance da rede e
métricas de gestão que são os indicadores mais voltados a economia (itens 2.4.4
até 2.4.6). Apenas esclarecendo o termo redes convencionais usado nesse título,
32
o mesmo fica de forma genérica pois pode ser considerado qualquer hardware ou
software que a operadora venha a ter refletindo a realidade das operadoras de todo
o mundo que em suas redes tem hardware e software de diversos fornecedores.
4.3.1 Métricas técnicas
Um desafio fundamental da SDN é como lidar com alto desempenho de alta
segurança e altamente programáveis fluxos de processamento de pacotes de uma
maneira eficiente. Existem dois elementos a serem considerados: desempenho e
programação / flexibilidade.
Nesta seção, o desempenho refere-se especificamente para a velocidade
de processamento do nó da rede considerando tanto a taxa de transferência
quanto a latência. Programabilidade significa a capacidade de mudar e / ou aceitar
um novo conjunto de instruções para alterar o comportamento funcional.
Flexibilidade é a capacidade de adaptar sistemas para suportar novos imprevistos
recursos (por exemplo, aplicativos, protocolos, segurança medidas).
Há uma série de iniciativas em curso para permitir a programação da rede
existente tecnologias em conformidade com as os objetivos da SDN. Além desses,
a programação e o problema de desempenho da SDN permanecem um desafio
para alcançar a largura de banda do nó além 100 Gb / s. (Sakir, 2013)
A Figura 10 descreve as principais tecnologias usadas para processamento
de rede em termos de relacionamento (trade-off) entre programabilidade /
flexibilidade e desempenho.
33
Figura 10 – processamento da rede performance x capacidade de programação (Sakir, 2013).
Processadores de uso geral (CPUs / GPPs) fornece a maior flexibilidade.
Programação de alto nível linguagens e ferramentas de design permitem maior
abstração de design e o rápido desenvolvimento de funções complexas de
processamento de pacotes.
A limitação da implementação da CPU, no entanto, é o seu desempenho e
dissipação de energia, restringido pela arquitetura de propósito geral. No entanto,
processadores multicore, como aqueles da família Intel Xeon, podem alcançar
várias dezenas de gigabits de taxa de transferência por balanceamento de carga
tráfego em vários núcleos. Processadores de fluxo de rede (NPUs / NFPs) são
arquiteturas de processadores otimizados para rede em processamento.
Instruções e interconexões são adaptados para processar dados em pacotes.
Aceleradores dedicados de hardware e várias interfaces tecnológicas são usadas
para aceleração enquanto se reduz a dissipação de energia. No entanto, a
flexibilidade de implementação é reduzida à medida que conhecimento detalhado
do dispositivo é necessário para definir a função de processamento de pacotes /
fluxos e aproveitar ao máximo o paralelismo do dispositivo capacidades de
processamento. O estado da arte NPUs (por exemplo, Netronome) prometem
34
processamento de fluxo desempenho de mais de 200 Gb / s taxa de linha por
dispositivo e mais de 100 Mpackets / s.
Dispositivos lógicos programáveis (PLDs) ou campo matrizes de portas
programáveis (FPGAs) têm evoluído para uma tecnologia de telecomunicação e
processamento de rede. Em comparação com microprocessadores, Os PLDs são
configurados usando hardware ferramentas de design. Esta tecnologia é ideal para
implementar caminhos de dados altamente paralelos que são personalizados para
o processamento de rede individual funções. Tecnologias PLD (por exemplo,
Tabula) pode alcançar o processamento de caminho de dados personalizado de
mais de 200 Gb / s por dispositivo (por exemplo, 200 Mpackets / s comutação).
(Sakir, 2013)
Produtos padrão específicos de aplicativos (ASSPs) são a pedra angular do
alto desempenho redes. Eles são projetados e otimizados para funções ou
produtos amplamente utilizados visando alto volume. A desvantagem de ASSPs é
a sua flexibilidade limitada. Domínios ASSP principais são produtos de camadas
físicas e de enlace de dados, comutação, e produtos sem fio. Nos últimos anos,
SDNespecífico ASSPs foram introduzidos pela Intel, Broadcom e Marvell visando
principalmente alto desempenho Comutação Ethernet com virtualização e suporte
OpenFlow para mais de 500 Gb / s comutação.
Circuitos integrados específicos para aplicações (ASICs) são dispositivos
proprietários personalizados fornecedores de sistemas (por exemplo, Cisco,
Huawei, Juniper) quando os produtos padrão estão indisponíveis e programáveis
soluções são incapazes de atender o desempenho limitado.
Como um aplicativo específico, os ASICs oferecem a menor flexibilidade
fornecendo o mais alto desempenho, potência e benefícios de custo. Espera-se
que os produtos SDN compreendem ASICs proprietários para implementar o Plano
de dados SDN. Tendo em conta a programação / desempenho troca de tecnologias
de processamento de dados, é evidente que apenas uma abordagem híbrida
fornece uma solução tecnológica eficaz para SDN. As principais funções do nó
SDN podem ser decompostas em clusters de subfunções, tais que específicas de
recursos tecnologias (dentro ou através nós) são usados para satisfazer o melhor
35
desempenho vs. trade-off de programabilidade em termos de poder dissipação,
custo e escalabilidade.
Por exemplo, construindo uma plataforma baseada em dispositivos
personalizados (por exemplo, PLDs / ASSPs) combinados com NPUs / NFPs e
uma CPU / GPP uma arquitetura programável híbrida. Tal uma plataforma pode
suportar o encaminhamento rápido em flui na rede junto com a programação e
processamento controlado para tráfego encapsulado e novos fluxos. Um objetivo
da SDN é desenvolver redes construídas em hardware de uso geral. A combinação
de tecnologias, conforme descrito na arquitetura híbrida, suporta esse objetivo.
Com uma interface programável construída em hardware padrão, uma rede
equipada multivendor se torna uma possibilidade. (Sakir, 2013)
Supondo que os requisitos de desempenho podem ser alcançados dentro
de uma arquitetura híbrida programável, uma outra questão que geram discussões,
é a escalabilidade em SDN.
A questão pode ser dividida em escalabilidade do controlador e
escalabilidade de nó de rede. O foco aqui está na escalabilidade do controlador
em que três desafios específicos foram identificados: O primeiro é a latência
introduzida pela troca de rede informações entre vários nós e um único controlador.
A segunda é como os controladores SDN se comunicam com outros controladores
usando o APIs leste e oeste. O terceiro desafio é o tamanho e a operação do back-
end do controlador base de dados.
Considerando a primeira questão, uma distribuição ou infra-estrutura de
controlador peer-to-peer iria compartilhar a carga de comunicação do controlador.
No entanto, esta abordagem não elimina o segundo desafio de interações de
controlador para controlador, para o qual uma visão geral da rede é requerida.
Redes de pacotes tradicionais se prestam para soluções escaláveis porque não
exigem estado extenso a ser mantido entre unidades do sistema. Cada nó da rede
é autônomo, exigindo apenas conhecimento limitado de seus vizinhos. Protocolos
de roteamento foram projetados para controlar o tráfego com isso em mente. Para
criar redes resilientes, caminhos alternativos e equipamentos secundários são
requeridos. Pode então ser necessário manter algum estado entre os sistemas
para garantir que caso ocorra uma falha, haja pouca ou nenhuma interrupção em
36
serviço. Sistemas típicos que exigem esta funcionalidade incluem elementos de
rede tais como balanceadores de carga e firewalls.
Dentro de um ambiente SDN puro, um único controlador ou grupo de
controladores forneceria serviços de controle de encaminhamento para um número
maior de nós de encaminhamento de dados, permitindo assim visibilidade dos
recursos da rede.
Outras abordagens que correspondem aos objetivos do SDN com
protocolos de roteamento existentes envolvem adição de uma camada de
orquestração que expõe uma API que os elementos do aplicativo podem usar para
solicitar desempenho desejado da camada de transporte. (Sakir, 2013)
Uma extensão da camada de aplicação de otimização de trafego (aplicattion
layer traffic optimization ALTO) foi proposto por várias organizações em que o
servidor ALTO hospeda informações agregadas para qual cada controlador tem
um link. O objetivo de ALTO é guiar aplicativos em sua seleção de um dos vários
hosts capazes de fornecer o recurso desejado. Uma arquitetura vertical com fluxo
de informações bidirecionais entre cada O controlador SDN e o servidor ALTO são
propostos para apoiar a visão de rede global.
Em termos de melhoramento do desempenho do aplicativo, ALTO com SDN
seria uma ferramenta poderosa. Uma solução específica para a escalabilidade do
controlador é HyperFlow. HyperFlow é um aplicativo de controle que fica no
controlador NOX e funciona com um sistema de propagação de eventos. O
HyperFlow é uma aplicação que seletivamente publica eventos que altera o estado
do sistema e outros controladores repetindo todos os eventos publicados para
reconstruir o Estado. Por este meio todos os controladores compartilham a mesma
visão consistente em toda a rede.
De fato, esse conceito de fornecer a rede visualizando e distribuindo o
estado por vários controladores é destacado em uma série de soluções para a
escalabilidade do controlador. Onix é uma plataforma de controle distribuída para
abstrações que particiona e distribui a rede em múltiplos controladores. Então se
conclui que a flexibilidade da SDN fornece uma oportunidade em termos de
gerenciamento de rede e escalabilidade funcional. No caminho para alcançar a
37
escalabilidade total para SDN, uma abordagem evolucionária para a programação
de rede será necessária. Por exemplo, com a arquitetura híbrida um volume de
consultas pode ser resolvido na CPU do nó, o que seria caso contrário, ser
transferido para o controlador para em processamento. Isso pode reduzir
potencialmente o tamanho do banco de dados no controlador e simultaneamente
reduzir a comunicação entre o controlador e seus nós. (Sakir, 2013)
Outro ponto importante a se considerar é a interoperabilidade da rede e
padronização da mesma.
Seria simples implantar uma infraestrutura completamente nova baseada na
tecnologia SDN. Para isso, todos os elementos e dispositivos no a rede seria
habilitada para SDN. No entanto, existe uma vasta base instalada de redes de
apoio sistemas vitais e empresas hoje. Simplesmente “Trocar” essas redes por
novas infraestruturas não serão possível, e só é bem adequado para ambientes
fechados, como data centers e redes de campus.
A transição para SDN, portanto, requer suporte simultâneo de equipamentos
SDN e legados. O elemento de cálculo do caminho IETF (PCE) poderia ajudar na
gradual ou parcial migração para SDN. Com o PCE, o cálculo do caminho
componente da rede é movido de o nó de rede para uma função centralizada,
enquanto os nós de rede tradicionais que não usam o PCE continuam para usar
sua função de cálculo de caminho existente.
Um protocolo específico (PCEP) permite comunicação entre os elementos
da rede. No entanto, o PCE não fornece SDN completo. O controlador SDN
centralizado suporta computação de caminho para o fluxo em vários nós da rede.
É necessário mais desenvolvimento para alcançar uma infraestrutura híbrida entre
SDN e a rede tradicional. Essa interoperabilidade requer o apoio de um protocolo
que tanto introduz os requisitos para interfaces de comunicação SDN e fornece
compatibilidade com versões anteriores com roteamento IP e multiprotocolo
existentes tecnologias de planos de controle de comutação de etiquetas (MPLS).
Tal solução reduziria o custo, risco e interrupção para empresas e redes de
operadoras em transição para SDN. Introduzir um novo protocolo requer
consideração de padronização e onde está padronização será de maior benefício.
38
O Instituto Europeu de Normas de Telecomunicações (ETSI) Virtualização da
Função de Rede (NFV) Industry Specification Group pretende padronizar
componentes dentro da rede principal que pode ser virtualizado para fornecer
escalabilidade e eficiência desses serviços. Elemento de encaminhamento e
controle do Grupo de Trabalho de Separação (ForCES) IETF tem trabalhado na
padronização de interfaces, mecanismos e protocolos com o objetivo de separar o
plano de controle do plano encaminhamento de roteadores IP. O ONF está
padronizando o OpenFlow como um protocolo de comunicação dentro a rede e
está dirigindo os padrões de protocolos relacionados, como o gerenciamento
OpenFlow e protocolo de configuração. Muitas linguagens de programação, como
Frenetic e Procera também estão sendo propostas para resolver link da API do
northbound. O trabalho do IETF, ETSI, ONF e outros grupos de trabalho da
indústria devem ser coordenados para aproveitar os padrões existentes de
trabalho em rede, propondo e desenvolvendo padrões mais eficazes para apoiar a
migração do modelo de rede tradicional para SDN. (Sakir, 2013)
Alguns exemplos de tecnologias bem-sucedidas são o DPDK da Intel e
Netmap que fizeram alguns testes usando os conceitos de SDN e NFV.
No caso da Intel foram feitos testes em uma plataforma com suporte ao
DPDK composta por um Intel Xeon E5-2600 de 1 soquete, memória DDR3 e
controlador PCI Express, que atingiu a marca de 80Mpps no processamento L3 de
pacotes de 64 Bytes. Os resultados representam uma diminuição na latência de
memória de 120ns para 70ns aproximadamente, incluindo o tempo de recebimento
do pacote. (Raphael,2018)
E no caso da netmap que é uma estrutura que permite sistemas
operacionais genéricos suportarem taxas de comunicação de milhões de pacotes
por segundo com interfaces de 1 a 10 Gbps, sem a necessidade de hardware
personalizado ou alterações nos aplicativos.
Foi testado em FreeBSD e Linux com adaptadores diversos de rede de 1 a
10 Gbps. O protótipo desenvolvido em [53], apontou que um único núcleo rodando
a 900 MHz, pode enviar ou receber 14,88 Mbps, o que corresponde à taxa de pico
em links de 10 Gbps. Esse resultado foi considerado mais de 20 vezes mais rápido
do que o obtido com APIs convencionais. Testes ainda apontam que foi possível
39
obter aumentos de velocidade de 5 vezes ou mais no Click e em outras aplicações
de encaminhamento de pacotes, utilizando uma biblioteca de emulação Pcap
rodando sobre no Netmap. (Raphael,2018)
Com os dados apresentados acima, podemos concluir que há uma
tendência das redes que usam os conceitos de SDN e NFV serem mais ágeis,
flexíveis e terem uma melhor capacidade, com tantos ganhos do ponto de vista
técnico temos que saber se esse tipo de tecnologia é viável do ponto de vista
financeiro considerando que a mesma não é barata e requer um grande
investimento inicial (CAPEX).
4.3.2 Métricas de gestão
Como dito no final do capítulo anterior vimos que as tecnologias de SDN e
NFV tem grandes ganhos tecnológicos, nesse capitulo iremos explorar a parte de
gestão financeira, utilizando como base os conceitos de CAPEX e OPEX.
OPEX é um termo amplo, e muitas vezes é difícil saber o que é quando é
usado, sem a definição apropriada e contexto. Nenhuma denominação padrão é
suficiente para denominar OPEX em serviços de redes de telecomunicações. Para
os propósitos desta discussão, O OPEX é segregado em nove categorias definidas
abaixo. Esta representação engloba uma definição muito ampla do OPEX,
cobrindo a maior parte dos provedores de serviços:
• Vendas, gerais e administrativas (SG & A): por exemplo, marketing e
publicidade, salários executivos, apoio geral e administração necessária para
operar a empresa.
• Licenças regulatórias, impostos e taxas: Taxas exigidas pela autoridade
governamental, custo do espectro, concessão de franquia, e participação nos
lucros.
• Custos do dispositivo do cliente (para revenda): telefones e outros
equipamento das instalações adquirido e revendido ao cliente a custo reduzido
• Taxas de interconexão / roaming de operadoras: término e taxas de
roaming pagas a outra transportadora pelos serviços prestados
40
• Tarifas de rede alugadas: linhas de rede alugadas ou alugadas ou
equipamento
• Ambiental: energia, operações imobiliárias (por exemplo, locação espaço),
construção / manutenção central, e assim por diante
• Operações de rede: salários / benefícios / materiais para funcionários que
planejam, mantêm e administram os elementos de rede
• Operações de serviços: salários / benefícios / materiais para funcionários
que planejam, mantêm e administram os serviços e suporte aos clientes (incluindo
funções como cliente centros de atendimento e trabalho de campo para apoiar as
instalações do cliente ou conserto) que usam a rede.
• Operações de TI: salário / benefícios / material da equipe para funcionários
que planejam, mantêm e administram os sistemas "backend" que os serviços de
suporte fornecidos aos clientes, como sistemas de suporte a operações /
faturamento (OSS / BSS) 3. (Enrique, 2015).
Figura 11 – Categorias de Opex (Enrique, 2015).
A Figura 11 ilustra uma visão agregada das contribuições dessas categorias
para OPEX com base em um composto de dados de muitos operadores. As quatro
41
categorias de OPEX destacadas na Fig. 11 (ambiental, operações de rede,
operações de serviços e operações de TI) serão mais diretamente impactados
pelos atributos do NFV / SDN descritos anteriormente. Considerando o escopo
mais amplo de virtualização, no entanto, haverá um impacto mais amplo sobre
provedor de serviços OPEX. A manutenção e operação em andamento de
sistemas que executam a empresa (folha de pagamento, suporte de escritório
software, suporte de vendas, etc.), normalmente incluídos SG & A, também se
beneficiará significativamente da virtualização, que também reduzirá o OPEX
geral.
Os efeitos secundários do NFV também são esperados em várias outras
áreas. Por exemplo, virtualização dos dispositivos nas instalações do cliente
reduzirão a complexidade e o custo das instalações do equipamento do cliente
(CPE, por exemplo, set-top boxes e residencial / empresa). Isso terá um impacto
sobre subsídios de dispositivos que os provedores de serviços costumam oferecer
aos seus clientes, reduzindo assim o OPEX na categoria de custo do dispositivo.
Além disso, quando provedores de serviços em todo o mundo estiverem em
ambientes NFV / SDN completos, suas estruturas internas de custo irão cair.
Algumas dessas melhorias de TCO (Total cost of ownership) podem ser
repassadas, bem como a diminuições nas tarifas de interconexão e roaming, taxas
de serviços de rede, contribuindo ainda mais para a economia através destas
categorias OPEX.
Além disso, o NFV / SDN pode permitir novos modelos de negócios de
software. Hoje, o software de rede é fornecido com hardware e é tipicamente
considerado CAPEX. NFV / SDN permitirá fornecedores para repensar este
modelo, e novas estratégias (ou seja, pay-as you-go, taxas de direito de uso)
podem emergir algumas das o orçamento CAPEX do prestador de serviços em
OPEX nas licenças e categoria de taxas. (Enrique, 2015).
O atual paradigma de rede, ilustrado na Figura 12 apresenta uma série de
desafios para a rede das operadoras, em especial a gestão de anomalias e
atualizações no comportamento regular da rede são uma das principais fontes de
aumento de despesas de capital e operacionais. (Rui, 2018).
42
Figura 12 – Como é o paradigma do gerenciamento de redes, baseado em mão de Obra Humana, máquinas assistindo (Rui, 2018).
Atualmente, os operadores precisam fazer o melhor para detectar e mitigar
todos os tipos de problemas nas redes, como falhas de link, gargalos de
desempenho, ataques de segurança, degradação de QoS, erros de software, e
falhas de hardware, entre outros. Existem soluções que normalmente exigem
reconfiguração manual do equipamento e, em alguns casos, a única solução é a
instalação de novos equipamentos e funcionalidades como roteadores, NATs,
firewalls, sistemas de detecção de intrusão, balanceadores de carga, sondas, etc.
Essas tarefas não podem ser executadas sem afetar mesmo que por um tempo
limitado a normal operação da rede. Isso causa interrupções nos serviços e
violações nos SLAs (acordo de nível de serviço), incorrendo assim no aumento de
custos operacionais e de capital e comprometimento QoE dos usuários (Qualidade
da experiência). (Rui, 2018).
As pesquisas que foram feitas nos últimos anos na área de SDN e NFV
resultaram no surgimento de novas capacidades que melhoram significativamente
a agilidade, a flexibilidade e eficiência de custos para gerenciar funções de rede.
43
Essas capacidades são as bases para acionar uma mudança de paradigma
na maneira como as operações de rede planejadas e implantadas, chamadas de
gestão - Figura 13.
Figura 13 –paradigma do gerenciamento de redes com NFV/SDN implementados, baseado em máquinas, humanos assistindo (Rui, 2018).
Esta nova abordagem de gestão irá explorar a SDN, NFV e tecnologias de
computação em nuvem, juntas com algoritmos inovadores, para alcançar um
paradigma inteligente para auto-gestão inteligente de cenários complexos de rede.
Um dos principais impactos da introdução de sistemas autônomos é a
capacidades de reduzir significativamente os custos diretamente relacionados com
a gestão da rede. Tarefas essenciais de gerenciamento de rede são
automatizadas, o que permitirá uma redução notável na complexidade do
gerenciamento de rede, atualmente sendo realizado manualmente. Ações
Proativas e reativas são automatizadas para resolver / mitigar problemas de rede,
minimizando assim a atual manutenção intensiva de mão-de-obra e tarefas de
44
resolução de problemas para operadores de rede, para uma redução mais
significativa no OPEX.
A fim de fornecer um sistema gestão autônoma totalmente automatizado e
altamente inteligente, três propriedades-chave devem ser tratadas por arquitetura:
O primeiro está relacionado com monitoramento de rede automatizado. A
arquitetura deve permitir a implantação automática de NFV e aplicações,
normalmente conhecidas como sondas ou sensores, a infraestrutura de rede para
facilitar todo o sistema de monitoração distribuída. Estas aplicações virtuais estão
espalhadas pela rede de acesso e backbone infraestruturas para permitir ao
usuário final, serviço e sensibilização da rede através da coleta de métricas de
todos os elementos necessários na arquitetura de rede. A informação recolhida
deve ser verificada por algoritmos de análise de dados de feed (por exemplo,
análise de dados, mineração de dados, aprendizado de máquina) para criar
indicadores-chave que podem se traduzir em serviço afetando condições (falhas
de rede, desempenho gargalos, brechas de segurança, intrusões, etc.), condições
que podem evoluir para serviços sendo afetados, entre outros, ou seja, detecção
de situações onde a topologia de serviço sendo usada para entregar um serviço
aos usuários finais pode ser otimizado para minimizar os recursos sendo usados
ou o serviço QoS Ferramentas de inspeção de pacotes, como inclusão de sistemas
de detecção, processamento seletivo de pacotes e ferramentas, ferramentas de
perfis de usuários e monitoramento de rede Estes são alguns exemplos de
software usado para reunir medições para derivar essas métricas de alto nível.
(Rui, 2018).
O segundo aspecto fundamental que deve ser cumprido pela nova
arquitetura de gerenciamento é a gestão automática da manutenção de rede, ou
seja, a capacidade de definir alto nível medidas táticas corretivas e preventivas
para responder às condições diagnosticadas. Essas medidas podem corresponder
a ações reativas de a rede em resposta a corrigir / mitigar questões existentes de
rede de vários tipos, ou podem corresponder a ações proativas para prevenir a
evolução de uma condição diagnosticada para uma anomalia eficaz afetando os
serviços. Essas ações podem ser mapeadas para solicitar configuração
automatizada, escalabilidade, migração de VNFs existentes, a implantação de
45
novas VNF ou a reconfiguração da conectividade de serviços topologia lógica. (Rui,
2018).
Atualmente, a implantação de um serviço de rede pode implicar em longos
processos de aquisição de hardware, bem como geralmente uma complexa
transferência dos recém-desenvolvidos serviços para a equipe de operação e
testes que dependem também do conhecimento da equipe de desenvolvimento e
posterior treinamento da equipe de operação.
Duas tendências recentes mudam dramaticamente isso:
Por um lado, o acima mencionado NFV / SDN, que permite a rápida
configuração da rede, para acomodar novos serviços, e uma fusão das equipes de
desenvolvimento e operações de software, conhecido como DevOps, que elimina
a entrega e diminui o intervalo de tempo mencionado acima.
Além disso, há uma meta que implica nas melhorias nas Telecomunicações
fixadas para 2020, conhecido coletivamente como "5G", também temos que pensar
nisso, ou seja, para reduzir drasticamente o tempo de colocação no mercado de
novos serviços ("de 90 dias a 90 minutos"). As Operadoras de Telecom devem
rever completamente seus processos para estar de acordo com este objetivo. O
"5G" também empurra fortemente para barreiras significativamente mais baixas a
entrada de desenvolvedores / provedores de serviços, necessariamente vindo de
provedores de infraestrutura, o que significa que as telecomunicações
provavelmente terão que abrir suas infraestruturas para esses novos
serviços/fornecedores, sem afetar negativamente os serviços já implantados. (Rui,
2018).
Esse conjunto de procedimentos, ferramentas e técnicas que é DevOPS
permite que as organizações simplifiquem drasticamente desenvolvimento de
software e a operação dos mesmos,
Algumas dessas técnicas e procedimentos são:
Testes automatizados: para aumentar a qualidade do software entregue, os
testes devem ser executados muitas vezes (para cada mudança no software), que
é impossível fazer da forma tradicional. Portanto, o código é escrito para testar
código, tornando possível executar esses testes sem intervenção humana e como
46
muitas vezes conforme necessário. Esses testes devem considerar uma
abordagem em camadas, em que testes de nível inferior são executados com mais
frequência (frequentemente usando técnicas de dependências falsas,
especialmente lentas, como bancos de dados, rede, sistemas de arquivos, etc.) e
são mais rápidos de executar, enquanto a camada superior os testes são mais
lentos (porque não há falsificações sendo usadas) e, consequentemente, ocorrem
menos vezes;
Integração contínua: reduz os riscos por uma integração frequente e,
portanto, um menor número de alterações em cada integração: se uma integração
quebra, é muito mais fácil identificar a mudança ou código ofensivo. Dependendo
do tipo de tecnologia usada (linguagem de programação, frameworks, etc.), um
processo contínuo de compilação que liga dependências também pode ser
necessário;
Infraestrutura como código: quando a infraestrutura é virtualizada, é comum
poder defini-la através de código. Quando isso acontece, uma dimensão
completamente nova é aberta, desde técnicas que são mais geralmente usadas no
desenvolvimento de software, como controle de versão, testes automatizados, etc.,
também podem ser usadas na definição da infraestrutura. Esta atividade torna-se
um processo repetitivo, através do qual centenas ou até milhares de servidores
podem ser provisionados de forma consistente e em tempos relativamente curtos;
Gerenciamento de configuração: gerencia o ciclo de vida de configuração
dos sistemas, incluindo dependências entre diferentes configurações. Em seu
sentido mais amplo, a configuração da gestão também abrange funções como
análise de causa raiz (de um problema detectado), impactando na análise (de uma
mudança planejada), etc., tornando um recurso crucial na infraestrutura de TI de
hoje. (Rui, 2018).
Como verificamos a tecnologia do SDN e NFV pode trazer ganhos também
do ponto de vista financeiro onde as empresas de telecomunicações de maior porte
terão um desafio maior para implementar o SDN e NFV em suas redes justamente
devido a quantidade de equipamentos que as mesmas tem e terão necessidade
de um CAPEX maior comparado as empresas de pequeno/médio porte, mas para
47
todos os casos esse investimento inicial se pagará ao longo do tempo com gastos
menores de OPEX, conforme explicado ao longo do item 4.3.2.
48
49
5 CONCLUSÃO
Os conceitos SDN e NFV são tecnologias promissoras. Neste trabalho foi
discutido o que são, como funcionam e foram colocadas métricas para comparar
seu desempenho ao desempenho das redes convencionais.
Primeiramente foi descrito o que são os conceitos SDN e NFV e as métricas
utilizadas para comparação, que dividimos em duas partes, métricas técnicas que
são latência, largura de banda, agilidade, flexibilidade e capacidade de rede. Na
segunda parte usamos as métricas de gestão que são o CAPEX, OPEX e
inovações que essas tecnologias irão proporcionar.
Avaliando as redes convencionais e utilizando as métricas acima descritas
podemos colocar como principal contribuição a verificação que as redes SDN e
NFV tem melhores desempenhos técnicos que suas antecessoras, porém uma alta
complexidade para implementação, principalmente em grandes redes, essa
complexidade é espelhada em um alto custo CAPEX para o início do
funcionamento da tecnologia, mas que após esse funcionamento e ao longo do
tempo esse custo vem se pagando com um baixo OPEX.
Dessa forma foram atingidos os objetivos gerais e específicos pois todos os
pontos colocados nesses itens foram abordados ao longo do trabalho.
Algumas limitações interferiram neste estudo: a limitação de tempo para
pesquisa e a escassez de textos em português que abordassem o tema.
Para o futuro, recomenda-se que este trabalho seja utilizado como um
referencial teórico para aqueles pesquisadores que desejam aprofundar-se no
tema ou para operadoras de telecomunicações que queiram implementar essa
tecnologia em suas redes.
50
REFERÊNCIAS
Amaral. (março de 2010). Redes de computadores. <
https://jamaralnet.files.wordpress.com/2010/03/2semredes1.pdf > acesso em
24/06/2018
Binário (agosto de 2018) <https://www.binarionet.com.br/blog/a-diferenca-
entre-capex-e-opex/ > acesso em 07/08/2018
BURGESS, N. Testing Of Ethernet Services in Telecom Networks: RFC
2544. [S.l.]: Agilent Technologies, 2004.
Dryden, P. (10 de julho de 1995). AT&T aids telecommuters. Computer World,
8. acesso em 18/07/2018
Enrique 2015
<https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=7113227 > acesso
em 10/08/2018
GIL, Antonio Carlos. Como elaborar projetos de pesquisa. 4. ed. São Paulo:
Atlas, 2008.
Hitoshi 2014<
https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6855807 > acesso em
08/08/2018
JOÃO 2006 < http://cadeiras.iscte-iul.pt/STG/Acetatos/SRT_2006.pdf >
acesso em 24/06/2018
Louro 2014 <
https://www.iconline.ipleiria.pt/bitstream/10400.8/1905/2/Nuno%20Tiago%20Louro%2
0Sim%C3%B5es_MEI-CM.pdf > acesso em 24/06/2018
Pate, P. (julho de 2018). NFV and SDN: What’s the Difference? Acesso em
18/07/2018, <https://www.sdncentral.com/technology/nfv-and-sdn-whatsthe-
difference/2013/03/ >
Raphael (julho de 2018) Network Function Virtualization: Perspectivas,
Realidades e Desafios <http://www.dca.fee.unicamp.br/~chesteve/pubs/MC-
SBRC14-NFV.pdf > acesso em 09/08/2018
51
Rui 2018 <http://www.alticelabs.com/content/03_NFV.pdf > acesso em
10/08/2018
Sakir 2013
<https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=6553676 > acesso em
07/08/2018
SdxCentral (julho de 2018)
<https://www.sdxcentral.com/sdn/definitions/what-the-definition-of-software-
defined-networking-sdn/> acesso em 18/07/2018
SdxCentral (julho de 2018) <
https://www.sdxcentral.com/sdn/definitions/southbound-interface-api/> acesso em
18/07/2018
SdxCentral (julho de 2018) <
https://www.sdxcentral.com/sdn/definitions/north-bound-interfaces-api/> acesso
em 18/07/2018
SdxCentral (julho de 2018) <
https://www.sdxcentral.com/nfv/definitions/whats-network-functions-virtualization-
nfv/> acesso em 18/07/2018
Stallings, W. (julho de 2018). Software-Defined Networks and OpenFlow.
The Internet Protocol Journal, 2-14. <
https://www.box.com/shared/static/13xnhpmvwenlm2ahy1yp.pdf> Acesso em
18/07/2018
Vert 2017 < http://www.vert.com.br/blog-vert/software-defined-networking-
saiba-o-que-e-sdn-e-como-se-beneficiar-dessa-tendencia/ > acesso em 24/06/2018
Yang, F. (julho de 2018). SDN - The New Problem Solver.
<http://www.commscope.com/Blog/SDN--The-Problem-Solver/> Acesso em
18/07/2018