Best Practices für garantierte Performance

Network Functions Virtualization (NFV) in Mobilfunknetzen

| Autor / Redakteur: Joseph Zeto / Andreas Donner

Durch ganzheitlichen Strategien können Netzbetreiber NFV optimal nutzen und so das Versprechen schneller Bereitstellung attraktiver, wettbewerbsfähiger neuer Dienste erfüllen.
Durch ganzheitlichen Strategien können Netzbetreiber NFV optimal nutzen und so das Versprechen schneller Bereitstellung attraktiver, wettbewerbsfähiger neuer Dienste erfüllen. (Bild: Ixia)

Die Netze von Service Providern unterliegen einem immer schnelleren Wandel. Inmitten dieser tiefgreifenden Veränderungen findet ein Paradigmenwechsel statt, der die Bereitstellung neuer Dienste beschleunigen, Kosten senken und Veränderungen selbst den Weg bereiten soll.

Anzeichen dieses Paradigmenwechsels finden sich beispielsweise in der Initiative hin zu Network Functions Virtualization (NFV). Dabei handelt es sich im Wesentlichen um die Übertragung der Netzsteuerung auf Software, um zusätzliche Flexibilität zu erlangen und die Gesamtbetriebskosten (TCO) zu verringern. Hierzu werden Funktionen wie Firewalls, Richtlinien und Routing von dedizierten Appliances auf virtualisierte, softwaregesteuerte Serverplattformen verlagert.

Doch war die Performance physischer Geräte bislang eine bekannte Größe, wird sie durch NFV wieder zur großen Unbekannten.

Die unübersehbaren Risiken hinsichtlich Einnahmen und Reputation sorgen dafür, dass eine Migration nur schrittweise stattfindet und hybride Umgebungen somit kein kurzfristiges Phänomen sein werden. Um die gewohnte Qualität beizubehalten und das Versprechen von NFV zu erfüllen, bedarf es einer „Lab-to-Live“-Validierung.

Bevor wir ausführlicher auf diesen Prozess eingehen, sollten wir uns aber kurz näher mit dem Thema Virtualisierung und den damit verbundenen treibenden Kräften und Herausforderungen befassen.

Ein Schritt in Richtung Software, Schlichtheit und Standardisierung

2012 erstmals von einer für Branchenspezifikationen zuständigen Arbeitsgruppe des Europäischen Instituts für Telekommunikationsnormen (ETSI) umrissen, ermöglicht NFV die Ausführung virtualisierter Netzfunktionen (VNF) über räumlich entfernte Topologien hinweg. Virtualisierung dient folgenden praktischen Zwecken:

  • Verlagerung von Netzfunktionen auf handelsübliche kommerzielle x86-Server
  • Abstraktion der Kontrolle auf Software durch Einführung einer Hypervisor-Schicht
  • Schaffung eines stärker anwendungsorientierten Netzes
  • Aneinanderreihung verschiedener Funktionen zu „Dienstketten“

Hieraus ergeben sich weitreichende Vorteile wie:

  • vereinfachte Bereitstellung
  • zusätzliche Elastizität zur bedarfsgesteuerten Skalierung von Diensten
  • verstärkte Automatisierung
  • reibungslosere Ressourcenzuweisung
  • verringerte Spezialisierung
  • deutlich geringere Betriebskosten

Für einen erfolgreichen Einsatz von NFV muss die Performance virtualisierter Systeme jedoch mindestens denen der zu ersetzenden Systeme entsprechen. Die Migration bringt zusätzlich zahlreiche neue Herausforderungen und Komplexitäten in folgenden Bereichen mit sich:

  • neue Geräte, Methoden und Abhängigkeiten
  • Geschwindigkeit
  • Mandantenfähigkeit
  • Skalierbarkeit
  • Management und Orchestrierung (M&O)
  • Transparenz
  • Sicherheit

Virtualisierung validieren

Netzbetreiber sind gefordert, einen Kompromiss aus Flexibilität und Kontrolle einerseits und Qualität und Kosten andererseits zu finden. In Mobilfunknetzen sind Funktionen auf der Kontrollebene in Evolved Packet Core (EPC) und IP Multimedia Subsystem (IMS) Core, wie etwa Call Session Control Function (CSCF), geeignete erste Kandidaten für eine Bewertung.

VNF müssen sowohl im Hinblick auf den konkreten Anwendungsfall als auch auf die Performance bewertet werden. Statt sich dabei auf Daten von Herstellern zu verlassen, sollten Netzbetreiber Strategien zur Validierung des Lifecycle von NFV verfolgen, die folgende Aspekte umfassen:

  • Evaluierung neuer Elemente (virtuelle Switches, Hypervisoren usw.) und Architekturmodelle
  • Replikation der Komplexitäten virtualisierter Wireless-Netze
  • Messung und Gewährleistung der Quality of Experience (QoE) für Mobilfunkteilnehmer
  • Simulation von Elastizität, VM-Migration und -Portierbarkeit, Sicherheitsangriffen und Kompatibilität mit Legacy-Systemen
  • Fortlaufende Überwachung virtueller Netze im Betrieb

Virtuelles Testen oder Virtualisierungstests

Hier ist eine Kombination aus herkömmlichen und virtualisierten Testlösungen gefragt. Im ersten Fall werden zu testende VNF auf dem Server bereitgestellt und physischen Netzwerkkarten-Schnittstellen (NICs) zugeordnet.

Bei neuen virtuellen Ansätzen werden virtualisierte Testports auf Ebene des Hypervisors eingefügt, um auf demselben oder einem anderen Server als emulierte VNF zu fungieren. Mit beiden Varianten lassen sich dieselben Tests durchführen und dieselben KPIs messen.

Zur Vermeidung von Leistungsengpässen gilt es, neue und gängige Infrastrukturelemente gründlich zu evaluieren. Regelmäßige Vorgänge wie CPU-Nutzung und Lese-/Schreibzugriffe auf den Speicher können Probleme auf dem zugrundeliegenden Server verursachen. Durch Tests kann eine konsistente und vorhersehbare Performance auf verschiedenen Plattformen sichergestellt werden, wenn virtuelle Maschinen (VMs) bereitgestellt und zwischen Servern unterschiedlicher Art verschoben werden.

Virtuelle Switches können eigenständige Einheiten oder in Hypervisoren integriert sein. Es kann sich dabei proprietäre oder Open-Source-Technologie handeln, die je nach Hersteller eine komplexe oder einfache Funktionalität aufweist. Netzbetreiber müssen Performance und Ressourcennutzung gegeneinander abwägen, indem sie bei Tests die E/A-Leistung als Ausgangswert heranziehen und anschließend virtuelle Funktionen aufsetzen (siehe Abbildung 1).

Hypervisoren gestatten den virtuellen Zugriff auf zugrunde liegende Rechenressourcen und ermöglichen beispielsweise das schnelle Starten und Anhalten von VMs, das Erstellen von Snapshots und die Migration von VMs. Für Netzbetreiber sind dabei neben der Gesamtperformance die Anforderungen und Auswirkungen dieser Funktionen von Interesse.

Im Bereich Management und Orchestrierung (M&O) macht die Verwaltung von virtualisierten Funktionen ein deutlich höheres Maß an Automatisierung erforderlich. Bei Tests muss die Fähigkeit des Systems überprüft werden, Änderungen zu unterstützen und Verbindungen in den VMs selbst herzustellen.

Testfall 1: Kombination aus herkömmlichem und virtualisiertem EPC

Herausforderungen im Zusammenhang mit hybriden Netzen: Elemente des virtualisierten EPC (vEPC) müssen mit Elementen des herkömmlichen EPC interagieren und externe Elemente müssen mit beiden EPCs interagieren.

Bei diesem Test müssen der Core des Radio Access Network (RAN) und des IMS sowie ein möglicher fremder EPC simuliert werden. Hierzu sollten mehrere Testszenarien durchlaufen werden:

  • Handover zwischen eNodeBs, einem vEPC und einem herkömmlichen EPC
  • systemübergreifende Handover zwischen lokalen Systemen und fremden EPCs
  • Simulation von Fehlern bei einer VNF, durch die Sitzungen als Failover-Mechanismus auf den herkömmlichen EPC übertragen werden

Testfall 2: IMS-Virtualisierung

Bestandteile der Testarchitektursind mehrere virtualisierte IMS-Netze und Anwendungsserver (AS), die in unterschiedlichen Cloud-Umgebungen getestet werden, da ein IMS meist an unterschiedlichen geografischen Standorten implementiert wird, ein „echtes“ IMS, welches das herkömmliche (aktuelle) IMS repräsentiert sowie Simulationen von UE-Datenverkehr für alle Anwendungen

Mit diesen Tests sollten folgende Aspekte gemessen werden:

  • VoLTE-QoS: MOS-Wert (Mean Opinion Score) zur Gewährleistung einer ausreichenden Sprachqualität
  • Latenz: Dauer des Verbindungsaufbaus und Zeit der Verbindung sowie Reaktionszeiten von Anwendungen
  • Kapazität: die maximale Anzahl ununterbrochener Verbindungen bei akzeptabler QoS

Ferner sollte bei den Tests die Zahl simulierter UEs schnell angehoben werden, um das System kurzzeitig stark zu belasten.

Qualität für die Zukunft

Angesichts des zunehmenden Umfangs und der steigenden Komplexität virtualisierter Umgebungen kann Echtzeit-Monitoring zur Optimierung von Performance und Sicherheit beitragen. Dabei gilt es, neue und sich verändernde Herausforderungen zu bewältigen:

  • Lokalisierung von Problemen, die zunehmend auf Servern auftreten
  • Einblicke in Ost-West-Datenverkehr zwischen VMs und gemeinsam genutzten Servern
  • Gewährleistung von Compliance und Prüfpfaden
  • Load Balancing des Datenverkehrs beim Verschieben von VMs zwischen physischen Servern

Ein neues Framework schickt sich an, Transparenzlücken zu schließen und Schwachstellen auszumerzen. Virtualisierungs-Taps (vTaps) erfassen den Ost-West-Datenverkehr zwischen VMs und leiten ihn an ein spezifisches physisches oder virtuelles Monitoring-Tool weiter, ohne den Produktionsdatenverkehr zu beeinträchtigen.

Joseph Zeto
Joseph Zeto (Bild: Ixia)

Durch die Umsetzung der hier beschriebenen ganzheitlichen Strategien können Netzbetreiber die Virtualisierung von Netzfunktionen entmystifizieren und so das Versprechen der schnelleren Bereitstellung attraktiver, wettbewerbsfähiger neuer Dienste erfüllen.

Über den Autor

Joseph Zeto ist Senior Director of Product Marketing bei Ixia.

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