CHƯƠNG 1. GIỚI THIỆU VỀ ẢO HÓA CHỨC NĂNG MẠNG VÀ HỌC TĂNG CƯỜNG SÂU Chương đầu tiên sẽ giới thiệu về khái niệm, đặc điểm, kiến trúc và mô hình dịch vụ trong kiến trúc ảo hóa chức năng mạng. Tiếp đó tác giả sẽ giới thiệu về học tăng cường sâu, vai trò của học sâu trong học tăng cường sâu, phân loại các thuật toán và tóm tắt lịch sử phát triển của phương pháp này. Đây là những cơ sở lý thuyết quan trọng cho mô hình đề xuất của tác giả trong chương sau.1 Giới thiệu về ảo hóa chức năng mạng 1.1 Khái niệm Ảo hóa chức năng mạng (Network Functions Virtualization – NFV) là kiểu kiến trúc mạng dựa trên sự phát triển của công nghệ ảo hóa hệ thống thông tin, phục vụ cho việc ảo hóa toàn bộ các lớp chức năng mạng thành các khối hoặc chuỗi có thể kết nối với nhau nhằm tạo lập và cung cấp các dịch vụ truyền thông.
NFV dựa trên các kỹ thuật ảo hóa máy chủ truyền thống thường được sử dụng trong hệ thống thông tin doanh nghiệp. Một chức năng mạng được ảo hóa (Virtualized Network Function – VNF) được cài đặt trong một hoặc nhiều máy ảo hoặc container chạy nhiều phần mềm và tiến trình khác nhau. Các máy ảo hoặc container này được chạy trên các máy chủ khối lượng lớn, bộ chuyển mạch (switches) và thiết bị lưu trữ trên hạ tầng đám mây. Điều này làm giảm sự phụ thuộc vào phần cứng chuyên dụng đến từ nhà cung cấp.1 Tầm nhìn cho ảo hóa chức năng mạng [1] 1 Các chức năng mạng được ảo hóa có thể kể đến như bộ cân bằng tải, tường lửa, thiết bị phát hiện xâm nhập hoặc bộ tăng tốc WAN minh họa trong hình 1.
Việc tách chức năng mạng khỏi phần cứng tạo ra một kiến trúc mạng linh hoạt cho phép quản lý mạng một cách linh hoạt, triển khai mạng mới nhanh chóng với mức giảm đáng kể về chi phí vốn (Capital Expenditure - CAPEX) cũng như chi phí vận hành (Operating Expenditure – OPEX).2 Đặc điểm của NFV Trong phần này, tác giả sẽ nêu khái quát các mục tiêu mà NFV hướng tới cũng như những thuận lợi và khó khăn khi triển khai kiến trúc này. Cuối cùng, tác giả sẽ đưa ra một vài trường hợp sử dụng của NFV trong các lĩnh vực cụ thể. Tổng quan về các mục tiêu của NFV Về mục tiêu của NFV, sẽ có những nội dung như sau: • Cải thiện hiệu quả sử dụng vốn so với việc triển khai phần cứng chuyên dụng. Điều này đạt được bởi việc sử dụng phần cứng cho thuê thương mại (Commercial-off-the-shelf – COTS) như máy chủ có mục đích chung cũng như thiết bị lưu trữ, phục vụ cho việc cung cấp chức năng mạng (Network Functions – NFs) thông qua kỹ thuật ảo hóa phần mềm.
Những chức năng mạng này được gọi là các chức năng mạng được ảo hóa (Virtualized Network Functions – VNFs). Việc chia sẻ phần cứng và giảm số lượng phần cứng trong mạng cũng góp phần đạt được mục tiêu này. • Cải thiện tính linh hoạt trong việc gán các VNF cho phần cứng. Điều này hỗ trợ khả năng mở rộng và phân tách chức năng mạng, cho phép cài đặt phần mềm tại những địa điểm thích hợp nhất, ví dụ như tại cơ sở của khách hàng, tại các văn phòng trung tâm, trung tâm dữ liệu, … Điều này hỗ trợ cho việc thử nghiệm các phiên bản alpha/beta cho tới sản phẩm cuối cùng, tăng cường khả năng phục hồi thông qua ảo hóa và tạo điều kiện chia sẻ tài nguyên.
• Đổi mới dịch vụ một cách nhanh chóng thông qua việc triển khai dịch vụ dựa trên phần mềm. • Cải thiện hiệu quả hoạt động nhờ các quy trình vận hành tự động hóa. • Giảm mức sử dụng điện năng nhờ việc dịch chuyển tải lượng (workload) và ngắt nguồn các thiết bị phần cứng không sử dụng. • Chuẩn hóa và tạo các giao diện giữa các VNF, cơ sở hạ tầng mạng cũng như các thực thể quản lý liên quan, nhờ vậy mà các thiết bị từ các nhà cung cấp khác nhau có thể liên kết và hoạt động trao đổi thông tin.
2 Lợi ích của NFV Việc ứng dụng ảo hóa chức năng mạng đem lại nhiều lợi ích cho các nhà khai thác mạng, góp phần thay đổi mạnh mẽ toàn cảnh ngành viễn thông: • Giảm chi phí thiết bị và giảm tiêu thụ điện năng thông qua việc hợp nhất thiết bị và khai thác tính kinh tế theo quy mô ngành công nghiệp công nghệ thông tin. • Tăng tốc độ thương mại hóa bằng cách giảm chu kỳ đổi mới của nhà khai thác mạng. Quy mô kinh tế cần thiết cho các khoản đầu tư dành cho chức năng mạng phụ thuộc phần cứng không còn áp dụng cho các chức năng mạng phát triển dựa trên phần mềm, tạo điều kiện cho phương thức phát triển tính năng mới trở nên nhanh hơn. Điều này giúp cho các nhà khai thác mạng giảm đáng kể chu kỳ phát triển của chức năng mạng.
• Cho phép việc chạy sản phẩm chính thức, thử nghiệm và tham chiếu trên cùng một cơ sở hạ tầng. Qua đó giúp cho việc kiểm tra và tích hợp hiệu quả hơn, giảm chi phí phát triển và thời gian ra mắt thị trường. • Mang tới những dịch vụ nhắm tới các mục tiêu dựa trên vị trí địa lý và tập khách hàng cụ thể. Dịch vụ có thể nhanh chóng mở rộng cũng như thu hẹp tùy theo nhu cầu.
Thêm nữa, tốc độ dịch vụ được cải thiện bởi khả năng cung cấp từ xa trong phần mềm mà không cần phải cài đặt thủ công trên phần cứng. • Tạo điều kiện cho nhiều hệ sinh thái đa dạng và khuyến khích sự mở rộng. Điều này mở cửa thị trường thiết bị ảo cho những nhà phát triển phần mềm thuần túy cũng như giới học thuật; khuyến khích đổi mới để mang lại các dịch vụ mới và dòng doanh thu mới một cách nhanh chóng với rủi ro thấp. • Tối ưu hóa cấu hình mạng hoặc mô hình mạng gần thời gian thực dựa trên lưu lượng truy cập thực tế, mô hình di động/dữ liệu và nhu cầu dịch vụ.
Ví dụ, việc tối ưu hóa vị trí và phân bổ tài nguyên cho các chức năng mạng một cách tự động gần thời gian thực cung cấp khả năng bảo vệ hệ thống khỏi những hỏng hóc không có khả năng phục hồi đầy đủ. • Hỗ trợ hình thức nhiều khách thuê (multi-tenancy) bằng cách cho phép nhà khai thác mạng cung cấp các dịch vụ phù hợp và kết nối nhiều người dùng, nhiều ứng dụng, hệ thống nội bộ hoặc mạng khác. Tất cả cùng tồn tại trên một phần cứng với sự phân tách an toàn thích hợp cho việc quản trị. • Giảm mức tiêu thụ năng lượng bằng cách khai thác các tính năng quản lý năng lượng trong các máy chủ tiêu chuẩn và thiết bị lưu trữ, cũng như củng cố tải lượng và tối ưu vị trí.
Ví dụ, dựa vào kỹ thuật ảo hóa, ta có thể tập trung tải lượng vào một số ít lượng máy chủ trong giờ thấp điểm như nửa 3 đêm, nhờ vậy mà các máy chủ còn lại có thể tắt đi hoặc đưa vào chế độ tiết kiệm năng lượng. • Cải thiện hiệu quả hoạt động bằng cách tận dụng tính đồng nhất cao của nền tảng mạng vật lý và tính tương thích đối với các nền tảng hỗ trợ khác: o Cơ chế điều phối hệ thống thông tin cung cấp khả năng cài đặt tự động, nhân rộng, mở rộng dung tích và tái sử dụng các máy ảo (Virtual Machine – VM). o Loại bỏ nhu cầu phần cứng dành riêng cho ứng dụng. Cơ sở kỹ năng dành cho việc vận hành các máy chủ khối lượng lớn ngày càng rộng và ít bị phân mảnh hơn so với các thiết bị mạng dành riêng cho viễn thông ngày nay.
o Giảm nhiều loại thiết bị sử dụng cho việc lập kế hoạch và dự phòng. Các công cụ giả định được phát triển nhằm mục đích tự động hóa và đối phó với sự gia tăng độ phức tạp của phần mềm ảo hóa. o Sửa chữa tạm thời các lỗi bằng cách tự động cấu hình lại và di chuyển tải lượng mạng sang dung lượng dự phòng thông qua việc sử dụng cơ chế điều phối hệ thống thông tin. Điều này có thể giảm chi phí vận hành 24/7 nhờ sự giảm thiểu các lỗi một cách tự động.
o Hỗ trợ nâng cấp phần mềm tại chỗ (In-Service Software Upgrade - ISSU) với việc đảo ngược dễ dàng cài đặt phiên bản cũ của thiết bị mạng được ảo hóa (Virtualized Network Appliance - VNA) thông qua máy ảo mới (VM). Giả sử lưu lượng truy cập có thể được chuyển từ máy ảo cũ sang máy ảo mới mà không làm gián đoạn dịch vụ. Đối với một số ứng dụng, có thể cần đồng bộ hóa trạng thái của máy ảo mới với máy ảo cũ. Thách thức của NFV Bên cạnh những lợi ích mang lại, NFV cũng đặt ra nhiều thách thức đòi hỏi các nhà khai thác mạng khi triển khai kiến trúc này phải tìm phương án giải quyết.
Những thách thức ấy bao gồm: • Khả năng di động/Khả năng tương tác: Khả năng chịu tải và thực thi của các thiết bị được ảo hóa khác nhau trong môi trường trung tâm dữ liệu tiêu chuẩn, được cung cấp bởi các nhà cung cấp khác nhau cho các nhà khai thác khác nhau. Thách thức là xác định một giao diện thống nhất phân tách rõ ràng các phiên bản phần mềm từ phần cứng bên dưới, đại diện bởi các máy ảo và chương trình giám sát (hypervisor). Tính di động và khả năng tương tác rất quan trọng vì nó tạo ra sự khác biệt hệ sinh thái cho nhà cung cấp thiết bị ảo và nhà cung cấp trung tâm dữ liệu, trong khi cả hai hệ sinh thái rõ ràng được kết hợp và phụ thuộc lẫn nhau. Tính di động cũng cho phép 4 người vận hành tự do tối ưu hóa vị trí và tài nguyên cần thiết của các thiết bị ảo mà không có sự ràng buộc nào.
• Đánh đổi hiệu năng: Vì cách tiếp cận ảo hóa chức năng mạng dựa trên phần cứng tiêu chuẩn của ngành (ví dụ như giảm thiểu phần cứng độc quyền như công cụ tăng tốc) nên phải tính đến khả năng hiệu suất suy giảm xảy ra. Thách thức là cách giữ cho sự suy giảm hiệu suất càng nhỏ càng tốt. Để làm được điều này, cần sử dụng các trình giám sát thích hợp và công nghệ phần mềm hiện đại, nhằm giảm thiểu các ảnh hưởng đến độ trễ, thông lượng và chi phí xử lý. Hiệu suất có sẵn của phần bên dưới nền tảng cần được chỉ định rõ ràng để các thiết bị ảo biết chúng có thể nhận được gì từ phần cứng.