Podział sieci 5G
Dzielenie sieci 5G to architektura sieci , która umożliwia multipleksowanie zwirtualizowanych i niezależnych sieci logicznych w tej samej fizycznej infrastrukturze sieciowej . Każdy wycinek sieci to izolowana sieć typu end-to-end, dostosowana do spełnienia różnorodnych wymagań określonych aplikacji.
Z tego powodu technologia ta odgrywa kluczową rolę we wspieraniu sieci komórkowych 5G , które są zaprojektowane tak, aby skutecznie obsługiwać mnóstwo usług o bardzo różnych wymaganiach dotyczących poziomu usług (SLR). Realizacja tego zorientowanego na usługi spojrzenia na sieć opiera się na koncepcjach sieci definiowanych programowo (SDN) i wirtualizacji funkcji sieciowych (NFV), które umożliwiają implementację elastycznych i skalowalnych segmentów sieci na szczycie wspólnej infrastruktury sieciowej.
Z punktu widzenia modelu biznesowego każdy wycinek sieci jest administrowany przez wirtualnego operatora sieci mobilnej (MVNO). Dostawca infrastruktury (właściciel infrastruktury telekomunikacyjnej) dzierżawi swoje zasoby fizyczne operatorom MVNO, którzy współużytkują podstawową sieć fizyczną. W zależności od dostępności przydzielonych zasobów, MVNO może samodzielnie wdrażać wiele segmentów sieci, które są dostosowane do różnych aplikacji udostępnianych jego własnym użytkownikom.
Historia
Historię dzielenia sieci można prześledzić do późnych lat 80., kiedy to w dziedzinie sieci wprowadzono pojęcie „wycinka”. Sieci nakładkowe zapewniły pierwszą formę dzielenia sieci od czasu połączenia heterogenicznych zasobów sieciowych w celu utworzenia sieci wirtualnych na wspólnej infrastrukturze. Brakowało im jednak mechanizmu, który umożliwiałby ich programowalność.
Na początku XXI wieku firma PlanetLab wprowadziła platformę wirtualizacji, która umożliwiła grupom użytkowników programowanie funkcji sieciowych w celu uzyskania izolowanych i specyficznych dla aplikacji wycinków. Pojawienie się technologii SDN w 2009 r. dodatkowo rozszerzyło możliwości programowalności poprzez otwarte interfejsy, które umożliwiły realizację w pełni konfigurowalnych i skalowalnych segmentów sieci.
W kontekście sieci mobilnych, network slicing wyewoluował z koncepcji współdzielenia RAN , która została pierwotnie wprowadzona w standardzie LTE . Przykładami takiej technologii są sieci dostępu radiowego dla wielu operatorów (MORAN) i sieci szkieletowe dla wielu operatorów (MOCN), które umożliwiają operatorom sieci współdzielenie wspólnych zasobów LTE w ramach tej samej sieci dostępu radiowego (RAN).
Kluczowe idee
Paradygmat sieci „jeden rozmiar dla wszystkich” stosowany w poprzednich sieciach mobilnych ( 2G , 3G i 4G ) nie jest już dostosowany do efektywnego rozwiązania modelu rynkowego składającego się z bardzo różnych aplikacji, takich jak komunikacja typu maszynowego , ultraniezawodne niskie opóźnienia komunikacji i ulepszonego mobilnego szerokopasmowego dostarczania treści.
Podział sieci staje się podstawową techniką w sieciach 5G, aby sprostać tak różnym i być może przeciwstawnym wymaganiom jakości usług (QoS) przy wykorzystaniu jednej fizycznej infrastruktury sieciowej.
Podstawową ideą podziału sieci jest „podział” oryginalnej architektury sieci na wiele logicznych i niezależnych sieci, które są skonfigurowane tak, aby skutecznie spełniać wymagania różnych usług. Aby ilościowo zrealizować taką koncepcję, stosuje się kilka technik:
- Funkcje sieciowe: wyrażają podstawowe funkcje sieciowe, które są używane jako „cegiełki” do tworzenia każdego wycinka sieci.
- Wirtualizacja: zapewnia abstrakcyjną reprezentację zasobów fizycznych w ujednoliconym i jednorodnym schemacie. Ponadto umożliwia skalowalne wdrażanie segmentów w oparciu o NFV, które umożliwia oddzielenie każdej instancji funkcji sieciowej od sprzętu sieciowego, na którym działa.
- Orkiestracja : jest to proces, który umożliwia koordynację wszystkich różnych komponentów sieci, które są zaangażowane w cykl życia każdego segmentu sieci. W tym kontekście wykorzystuje się SDN, aby umożliwić dynamiczną i elastyczną konfigurację segmentów.
Wpływ i zastosowania
W kategoriach komercyjnych podział sieci umożliwia operatorowi telefonii komórkowej tworzenie określonych sieci wirtualnych, dostosowanych do konkretnych klientów i przypadków użycia. Niektóre zastosowania – takie jak mobilna łączność szerokopasmowa, komunikacja między maszynami (np. w produkcji lub logistyce) lub inteligentne samochody – odniosą korzyści z wykorzystania różnych aspektów technologii 5G. Jeden może wymagać wyższych prędkości, inny małych opóźnień, a jeszcze inny dostęp do zasobów przetwarzania brzegowego . Tworząc oddzielne segmenty, które nadają priorytet określonym zasobom, operator 5G może oferować rozwiązania dostosowane do konkretnych branż. Niektóre źródła twierdzą, że zrewolucjonizuje to branże, takie jak marketing, rzeczywistość rozszerzona lub gry mobilne, podczas gdy inne są bardziej ostrożne, wskazując na nierówny zasięg sieci i słaby zasięg korzyści wykraczających poza zwiększoną prędkość.
Slicing będzie bardzo przydatny dla MVNO, ponieważ różne przypadki użycia mogą być obsługiwane w warstwie opartej na parametrach, takich jak niskie opóźnienie, wysoka prędkość przesyłania strumieniowego wideo dla MVNO skoncentrowanych na OTT, podobnie operacje telemetryczne mogą mieć niższy parametr prędkości i tak dalej.
Podział może również poprawić ciągłość usług poprzez ulepszony roaming w sieciach, tworząc wirtualną sieć działającą na infrastrukturze fizycznej, która obejmuje wiele sieci lokalnych lub krajowych; lub pozwalając sieci hosta na utworzenie zoptymalizowanej sieci wirtualnej, która replikuje tę oferowaną przez sieć domową urządzenia roamingowego.
Przegląd architektury
Chociaż istnieją różne propozycje architektur segmentów sieci, możliwe jest zdefiniowanie ogólnej architektury, która odwzorowuje wspólne elementy każdego rozwiązania na ogólne i ujednolicone ramy. Z perspektywy wysokiego poziomu architekturę podziału sieci można uznać za złożoną z dwóch bloków głównych, jednego przeznaczonego do rzeczywistej implementacji segmentu, a drugiego przeznaczonego do zarządzania i konfiguracji segmentów. Pierwszy blok został zaprojektowany jako wielowarstwowa architektura złożona z trzech warstw (warstwa usług, warstwa funkcji sieciowych, warstwa infrastruktury), z których każda przyczynia się do zdefiniowania i wdrożenia segmentu za pomocą odrębnych zadań. Drugi blok jest zaprojektowany jako scentralizowana jednostka sieciowa, ogólnie określana jako kontroler segmentu sieci , który monitoruje i zarządza funkcjami między trzema warstwami, aby skutecznie koordynować współistnienie wielu segmentów.
Warstwa usług
Warstwa usług łączy się bezpośrednio z sieciowymi podmiotami biznesowymi (np. MVNO i zewnętrznymi dostawcami usług), które współużytkują podstawową sieć fizyczną i zapewnia ujednoliconą wizję wymagań dotyczących usług. Każda usługa jest formalnie reprezentowana jako instancja usługi , która zawiera wszystkie cechy sieci w postaci wymagań SLA, które mają być w pełni spełnione przez utworzenie odpowiedniego wycinka.
Warstwa funkcji sieciowych
Warstwa funkcji sieciowych odpowiada za tworzenie każdego segmentu sieci zgodnie z żądaniami instancji usługi pochodzącymi z wyższej warstwy. Składa się z zestawu funkcji sieciowych , które zawierają dobrze zdefiniowane zachowania i interfejsy. Wiele funkcji sieciowych jest umieszczonych w infrastrukturze sieci wirtualnej i połączonych ze sobą w celu utworzenia instancji segmentu sieci typu end-to-end, która odzwierciedla charakterystykę sieci wymaganą przez usługę. Konfiguracja funkcji sieciowych odbywa się za pomocą zestawu operacji sieciowych , które umożliwiają zarządzanie ich pełnym cyklem życia (od ich umieszczenia w momencie utworzenia segmentu do ich de-alokacji, gdy dana funkcja nie jest już potrzebna).
Aby zwiększyć efektywność wykorzystania zasobów, ta sama funkcja sieciowa może być współdzielona jednocześnie przez różne segmenty kosztem wzrostu złożoności zarządzania operacjami. I odwrotnie, mapowanie jeden do jednego między każdą funkcją sieciową i każdym segmentem ułatwia procedury konfiguracyjne, ale może prowadzić do słabego i nieefektywnego wykorzystania zasobów.
Warstwa infrastruktury
Warstwa infrastruktury reprezentuje rzeczywistą fizyczną topologię sieci (sieć dostępu radiowego, sieć transportowa i sieć rdzeniowa), w której każdy segment sieci jest multipleksowany i zapewnia fizyczne zasoby sieciowe do hostowania kilku funkcji sieciowych składających się na każdy segment.
Domena sieciowa dostępnych zasobów obejmuje heterogeniczny zestaw elementów infrastruktury, takich jak centra danych (zasoby pamięci masowej i mocy obliczeniowej), urządzenia umożliwiające łączność sieciową, takie jak routery (zasoby sieciowe) i stacje bazowe (zasoby pasma radiowego).
Kontroler plasterka sieci
koordynator sieci , który łączy się z różnymi funkcjami wykonywanymi przez każdą warstwę, aby w spójny sposób zarządzać każdym żądaniem segmentu. Zaletą takiego elementu sieciowego jest to, że umożliwia wydajne i elastyczne tworzenie warstw, które można rekonfigurować w trakcie jego cyklu życia. Operacyjnie kontroler segmentu sieci odpowiada za kilka zadań, które zapewniają bardziej efektywną koordynację między wyżej wymienionymi warstwami:
- Kompleksowe zarządzanie usługami : mapowanie różnych instancji usług wyrażonych w kategoriach wymagań SLA z odpowiednimi funkcjami sieciowymi zdolnymi do spełnienia ograniczeń usługi.
- Definicja zasobów wirtualnych : wirtualizacja fizycznych zasobów sieciowych w celu uproszczenia operacji zarządzania zasobami przeprowadzanych w celu przydzielenia funkcji sieciowych.
- Zarządzanie cyklem życia segmentów : monitorowanie wydajności segmentów we wszystkich trzech warstwach w celu dynamicznej rekonfiguracji każdego wycinka w celu uwzględnienia ewentualnych modyfikacji wymagań SLA.
Ze względu na złożoność wykonywanych zadań, które mają różne cele, kontroler segmentu sieci może składać się z wielu orkiestratorów, którzy niezależnie zarządzają podzbiorem funkcjonalności każdej warstwy. Aby spełnić wymagania dotyczące usług, różne jednostki orkiestracji muszą ze sobą koordynować, wymieniając ogólne informacje o stanie operacji związanych z tworzeniem i wdrażaniem wycinka.
Izolacja plasterka
Izolacja segmentów jest ważnym wymogiem, który pozwala na egzekwowanie podstawowej koncepcji podziału sieci dotyczącej jednoczesnego współistnienia wielu segmentów współdzielących tę samą infrastrukturę. Właściwość tę uzyskuje się poprzez narzucenie, że wydajność każdego wycinka nie może mieć żadnego wpływu na wydajność drugiego wycinka. Zaletą tego wyboru projektu jest to, że ulepsza architekturę segmentu sieci w dwóch głównych aspektach:
- Bezpieczeństwo plasterków : ataki cybernetyczne lub awarie wpływają tylko na docelowy plasterek i mają ograniczony wpływ na cykl życia innych istniejących plasterków.
- Prywatność plasterków : prywatne informacje związane z każdym plasterkiem (np. statystyki użytkowników, model biznesowy MVNO) nie są udostępniane innym plasterkom.
Gwarantowanie QoS
Slicing stał się ważną częścią sieci 5G, ale nie możemy zapominać o zagwarantowaniu QoS. Niektóre badania wykazały, że sformułowanie problemu z QoS jako problemu stochastycznego pozwala nam zmaksymalizować średnią przepustowość AP, przy jednoczesnym spełnieniu ograniczeń związanych z QoS.