5G i segmentacja sieci
Kiedy szeroko mówi się o 5G, najczęściej omawianą technologią jest Network Slicing. Operatorzy sieci, tacy jak KT, SK Telecom, China Mobile, DT, KDDI, NTT, oraz dostawcy sprzętu, tacy jak Ericsson, Nokia i Huawei, uważają Network Slicing za idealną architekturę sieciową dla ery 5G.
Ta nowa technologia umożliwia operatorom podział wielu wirtualnych sieci typu end-to-end w ramach infrastruktury sprzętowej, a każdy segment sieci jest logicznie izolowany od urządzenia, sieci dostępowej, sieci transportowej i sieci szkieletowej, co pozwala na spełnienie różnych wymagań dotyczących charakterystyki różnych typów usług.
Dla każdego segmentu sieciowego (Network Slice) dedykowane zasoby, takie jak serwery wirtualne, przepustowość sieci i jakość usług (QoS), są w pełni zagwarantowane. Ponieważ segmenty są od siebie odizolowane, błędy lub awarie w jednym segmencie nie wpłyną na komunikację w pozostałych segmentach.
Dlaczego 5G potrzebuje segmentacji sieci?
Od przeszłości do obecnej sieci 4G, sieci komórkowe obsługują głównie telefony komórkowe i zazwyczaj jedynie częściowo je optymalizują. Jednak w erze 5G sieci komórkowe muszą obsługiwać urządzenia o różnych typach i wymaganiach. Wiele z wymienionych scenariuszy zastosowań obejmuje mobilny internet szerokopasmowy, szerokopasmowy internet rzeczy (IoT) oraz internet rzeczy o znaczeniu krytycznym. Wszystkie wymagają różnych typów sieci i mają różne wymagania dotyczące mobilności, rozliczania, bezpieczeństwa, kontroli reguł, opóźnień, niezawodności itd.
Na przykład, szeroko zakrojona usługa Internetu Rzeczy (IoT) łączy stacjonarne czujniki do pomiaru temperatury, wilgotności, opadów deszczu itp. Nie wymaga przełączania połączeń, aktualizacji lokalizacji ani innych funkcji głównych telefonów obsługujących sieć komórkową. Ponadto, krytyczne dla misji usługi Internetu Rzeczy (IoT), takie jak autonomiczne kierowanie pojazdami i zdalne sterowanie robotami, wymagają opóźnień rzędu kilku milisekund, co znacznie różni się od mobilnych usług szerokopasmowych.
Główne scenariusze zastosowań 5G
Czy to oznacza, że potrzebujemy dedykowanej sieci dla każdej usługi? Na przykład, jedna obsługuje telefony komórkowe 5G, druga obsługuje masowy Internet Rzeczy 5G, a trzecia obsługuje krytyczny Internet Rzeczy 5G. Nie jest to konieczne, ponieważ możemy użyć segmentacji sieci, aby oddzielić wiele sieci logicznych od oddzielnej sieci fizycznej, co jest bardzo opłacalnym rozwiązaniem!
Wymagania aplikacji dla segmentacji sieci
Poniżej przedstawiono fragment sieci 5G opisany w dokumencie 5G opublikowanym przez NGMN:
Jak wdrażamy kompleksowe segmentowanie sieci?
(1)Sieć dostępu bezprzewodowego 5G i sieć szkieletowa: NFV
W dzisiejszej sieci komórkowej, głównym urządzeniem jest telefon komórkowy. RAN (DU i RU) oraz funkcje rdzeniowe są zbudowane z dedykowanego sprzętu sieciowego dostarczanego przez dostawców RAN. Aby wdrożyć segmentację sieci, wirtualizacja funkcji sieciowych (NFV) jest warunkiem wstępnym. Zasadniczo, główną ideą NFV jest wdrożenie oprogramowania funkcji sieciowych (tj. MME, S/P-GW i PCRF w rdzeniu pakietów oraz DU w RAN) w maszynach wirtualnych na serwerach komercyjnych, a nie oddzielnie w ich dedykowanych urządzeniach sieciowych. W ten sposób RAN jest traktowany jako chmura brzegowa, podczas gdy funkcja rdzeniowa jest traktowana jako chmura rdzeniowa. Połączenie między VMS znajdującymi się na brzegu a w chmurze rdzeniowej jest konfigurowane za pomocą SDN. Następnie tworzony jest segment dla każdej usługi (tj. segment telefoniczny, segment masowego Internetu Rzeczy, segment krytycznego Internetu Rzeczy itd.).
Jak wdrożyć Network Slicing(I)?
Poniższy rysunek pokazuje, jak można wirtualizować i instalować każdą aplikację specyficzną dla danej usługi w każdym segmencie. Na przykład, segmentowanie można skonfigurować w następujący sposób:
(1)Krojenie UHD: wirtualizacja serwerów DU, rdzenia 5G (UP) i pamięci podręcznej w chmurze brzegowej oraz wirtualizacja serwerów rdzenia 5G (CP) i MVO w chmurze rdzeniowej
(2) Segmentacja telefoniczna: wirtualizacja rdzeni 5G (UP i CP) oraz serwerów IMS z pełną mobilnością w chmurze rdzeniowej
(3) Wielkoskalowe segmentowanie Internetu Rzeczy (np. sieci czujników): Wirtualizacja prostego i lekkiego rdzenia 5G w chmurze rdzeniowej nie zapewnia możliwości zarządzania mobilnością
(4) Krytyczne dla misji segmentowanie IoT: Wirtualizacja rdzeni 5G (UP) i powiązanych serwerów (np. serwerów V2X) w chmurze brzegowej w celu minimalizacji opóźnień transmisji
Do tej pory musieliśmy tworzyć dedykowane segmenty sieci dla usług o różnych wymaganiach. Wirtualne funkcje sieciowe są umieszczane w różnych lokalizacjach w każdym segmencie (tj. w chmurze brzegowej lub rdzeniowej), zgodnie z różnymi cechami usługi. Ponadto niektóre funkcje sieciowe, takie jak rozliczenia, kontrola polityk itp., mogą być niezbędne w niektórych segmentach, ale nie w innych. Operatorzy mogą dostosowywać segmentację sieci według własnych potrzeb, prawdopodobnie w najbardziej opłacalny sposób.
Jak wdrożyć Network Slicing(I)?
(2) Podział sieci między chmurą brzegową i rdzeniową: IP/MPLS-SDN
Sieci definiowane programowo, choć początkowo stanowiły prostą koncepcję, stają się coraz bardziej złożone. Biorąc za przykład technologię Overlay, SDN może zapewnić połączenie sieciowe między maszynami wirtualnymi w istniejącej infrastrukturze sieciowej.
Kompleksowe segmentowanie sieci
Najpierw przyjrzymy się, jak zapewnić bezpieczeństwo połączenia sieciowego między chmurą brzegową a maszynami wirtualnymi w chmurze rdzeniowej. Sieć między maszynami wirtualnymi musi zostać wdrożona w oparciu o IP/MPLS-SDN i Transport SDN. W tym artykule skupiamy się na IP/MPLS-SDN oferowanym przez dostawców routerów. Zarówno Ericsson, jak i Juniper oferują produkty z architekturą sieci IP/MPLS SDN. Operacje różnią się nieznacznie, ale łączność między systemami VMS opartymi na SDN jest bardzo podobna.
W chmurze rdzeniowej znajdują się serwery zwirtualizowane. W hiperwizorze serwera należy uruchomić wbudowany vRouter/vSwitch. Kontroler SDN zapewnia konfigurację tunelu między serwerem zwirtualizowanym a routerem DC G/W (routerem PE, który tworzy sieć VPN MPLS L3 w centrum danych w chmurze). Utwórz tunele SDN (tj. MPLS GRE lub VXLAN) między każdą maszyną wirtualną (np. rdzeniem 5G IoT) a routerami DC G/W w chmurze rdzeniowej.
Kontroler SDN zarządza następnie mapowaniem między tymi tunelami a siecią VPN MPLS L3, taką jak IoT VPN. Proces przebiega podobnie w chmurze brzegowej, tworząc segment IoT połączony od chmury brzegowej do szkieletu IP/MPLS, aż do chmury rdzeniowej. Proces ten można wdrożyć w oparciu o dojrzałe i dostępne technologie i standardy.
(3) Podział sieci między chmurą brzegową i rdzeniową: IP/MPLS-SDN
Pozostaje mobilna sieć fronthaul. Jak rozdzielić tę mobilną sieć fronthaul między chmurą brzegową a jednostką rutingową 5G? Przede wszystkim należy zdefiniować sieć fronthaul 5G. Rozważane są pewne opcje (np. wprowadzenie nowej sieci forwardingowej opartej na pakietach poprzez redefinicję funkcjonalności jednostki rutingowej i jednostki rutingowej), ale nie opracowano jeszcze standardowej definicji. Poniższy rysunek to diagram przedstawiony przez grupę roboczą ITU IMT 2020 i przykład zwirtualizowanej sieci fronthaul.
Przykład podziału sieci 5G C-RAN według organizacji ITU
Czas publikacji: 02-02-2024
