Нарезка сети 5G
Нарезка сети 5G это сетевая архитектура , которая позволяет мультиплексировать виртуализированные — и независимые логические сети в одной физической сетевой инфраструктуре. [1] [2] Каждый сегмент сети представляет собой изолированную сквозную сеть, предназначенную для удовлетворения разнообразных требований, предъявляемых конкретным приложением. [3] [1]
По этой причине эта технология играет центральную роль в поддержке мобильных сетей 5G , которые предназначены для эффективного охвата множества услуг с очень разными требованиями к уровню обслуживания (SLR). Реализация этого сервис-ориентированного представления сети опирается на концепции программно-определяемой сети (SDN) и виртуализации сетевых функций (NFV), которые позволяют реализовать гибкие и масштабируемые сетевые фрагменты поверх общей сетевой инфраструктуры. [1] [4] [5]
С точки зрения бизнес-модели каждый сегмент сети администрируется оператором мобильной виртуальной сети (MVNO). Поставщик инфраструктуры (владелец телекоммуникационной инфраструктуры) сдает свои физические ресурсы в аренду MVNO, которые совместно используют базовую физическую сеть. В зависимости от доступности назначенных ресурсов MVNO может автономно развертывать несколько сетевых сегментов, настроенных для различных приложений, предоставляемых его собственным пользователям. [1] [6] [7] [8]
История
[ редактировать ]Историю сегментации сети можно проследить до конца 80-х годов, когда в сетевой области появилась концепция «фрагмента». Оверлейные сети представляли собой первую форму разделения сети, поскольку разнородные сетевые ресурсы объединялись для создания виртуальных сетей в рамках общей инфраструктуры. Однако у них не было механизма, который мог бы обеспечить их программируемость. [9] [10]
В начале 2000-х годов PlanetLab представила среду виртуализации, которая позволяла группам пользователей программировать сетевые функции для получения изолированных и специфичных для приложения фрагментов. Появление технологий SDN в 2009 году еще больше расширило возможности программирования за счет открытых интерфейсов, которые позволили реализовать полностью настраиваемые и масштабируемые сетевые сегменты. [9] [10]
В контексте мобильных сетей разделение сети развилось из концепции совместного использования RAN , которая изначально была представлена в LTE . стандарте [11] Примерами такой технологии являются сети радиодоступа с несколькими операторами (MORAN) и базовые сети с несколькими операторами (MOCN), которые позволяют сетевым операторам совместно использовать общие ресурсы LTE в одной сети радиодоступа (RAN).
Ключевые понятия
[ редактировать ]Сетевая парадигма «один размер подходит всем», использовавшаяся в прошлых мобильных сетях ( 2G , 3G и 4G ), больше не подходит для эффективного решения рыночной модели, состоящей из очень разных приложений, таких как машинная связь , сверхнадежная связь с низкой задержкой. связь и улучшенная доставка контента через мобильную широкополосную связь. [1] [3] [12]
Нарезка сети становится важным методом в сетях 5G, позволяющим удовлетворить такие разные и, возможно, контрастирующие требования к качеству обслуживания (QoS) с использованием единой физической сетевой инфраструктуры. [1] [13]
Основная идея разделения сети состоит в том, чтобы «разрезать» исходную сетевую архитектуру на несколько логических и независимых сетей, которые настроены для эффективного удовлетворения различных требований к услугам. Для количественной реализации такой концепции используется несколько методов: [1] [2] [4] [5]
- Сетевые функции: они выражают элементарные сетевые функции, которые используются в качестве «строительных блоков» для создания каждого фрагмента сети.
- Виртуализация: обеспечивает абстрактное представление физических ресурсов по единой и однородной схеме. Кроме того, он обеспечивает масштабируемое развертывание слайсов на основе NFV, что позволяет отделить каждый экземпляр сетевой функции от сетевого оборудования, на котором он работает.
- Оркестрация : это процесс, который позволяет координировать все различные сетевые компоненты, участвующие в жизненном цикле каждого сегмента сети. В этом контексте SDN используется для обеспечения динамической и гибкой конфигурации слайсов.
Влияние и применение
[ редактировать ]С коммерческой точки зрения разделение сети позволяет оператору мобильной связи создавать конкретные виртуальные сети, которые обслуживают конкретных клиентов и варианты использования. Определенные приложения, такие как мобильная широкополосная связь, межмашинная связь (например, в производстве или логистике) или «умные» автомобили, выиграют от использования различных аспектов технологии 5G. Одному может потребоваться более высокая скорость, другому — низкая задержка и третьему — доступ к ресурсам периферийных вычислений . Создавая отдельные сегменты, которые определяют приоритетность конкретных ресурсов, оператор 5G может предлагать индивидуальные решения для конкретных отраслей. [14] [15] : 3 Некоторые источники утверждают, что это произведет революцию в таких отраслях, как маркетинг, дополненная реальность или мобильные игры. [16] [17] в то время как другие более осторожны, указывая на неравномерность покрытия сети и слабую реализацию преимуществ, помимо увеличения скорости. [18] [19]
Нарезка будет очень полезна для MVNO, поскольку на уровне могут поддерживаться различные варианты использования на основе таких параметров, как низкая задержка, высокая скорость для потоковой передачи видео для MVNO, ориентированных на OTT, аналогично операции телеметрии могут иметь более низкий параметр скорости и т. д.
Нарезка также может повысить непрерывность обслуживания за счет улучшенного роуминга между сетями за счет создания виртуальной сети, работающей на физической инфраструктуре, охватывающей несколько локальных или национальных сетей; или разрешив хост-сети создать оптимизированную виртуальную сеть, повторяющую сеть, предлагаемую домашней сетью роумингового устройства. [15] : 6
Обзор архитектуры
[ редактировать ]Хотя существуют разные предложения по архитектуре сетевых срезов, [20] [21] [22] можно определить общую архитектуру, которая отображает общие элементы каждого решения в общую и унифицированную структуру. С точки зрения высокого уровня, архитектуру сегментирования сети можно рассматривать как состоящую из двух основных блоков, один из которых предназначен для фактической реализации фрагментов, а другой — для управления и настройки фрагментов. [3] Первый блок спроектирован как многоуровневая архитектура, состоящая из трех уровней (уровень обслуживания, уровень сетевых функций, уровень инфраструктуры), каждый из которых способствует определению и развертыванию слайса с различными задачами. Второй блок спроектирован как централизованный сетевой объект, обычно называемый контроллером сетевых срезов , который отслеживает и управляет функциями между тремя уровнями, чтобы эффективно координировать сосуществование нескольких срезов. [9]
Сервисный уровень
[ редактировать ]Уровень обслуживания напрямую взаимодействует с сетевыми бизнес-объектами (например, MVNO и сторонними поставщиками услуг), которые совместно используют базовую физическую сеть, и обеспечивает единое видение требований к услугам. Каждая услуга формально представлена как экземпляр службы , который включает в себя все характеристики сети в форме требований SLA, которые, как ожидается, будут полностью удовлетворены путем создания подходящего слайса. [20]
Сетевой функциональный уровень
[ редактировать ]Уровень сетевых функций отвечает за создание каждого сегмента сети в соответствии с запросами экземпляра службы, поступающими с верхнего уровня. Он состоит из набора сетевых функций , которые воплощают четко определенное поведение и интерфейсы. Несколько сетевых функций размещаются в инфраструктуре виртуальной сети и объединяются в цепочку для создания экземпляра сквозного фрагмента сети, который отражает характеристики сети, запрошенные службой. [1] [4] Конфигурация сетевых функций осуществляется посредством набора сетевых операций , позволяющих управлять их полным жизненным циклом (от их размещения при создании слайса до их отмены, когда предоставленная функция больше не нужна). [3]
Чтобы повысить эффективность использования ресурсов, одна и та же сетевая функция может одновременно использоваться разными слайсами за счет увеличения сложности управления операциями. И наоборот, взаимно однозначное сопоставление между каждой сетевой функцией и каждым срезом упрощает процедуры настройки, но может привести к неэффективному и неэффективному использованию ресурсов. [1] [5]
Уровень инфраструктуры
[ редактировать ]Уровень инфраструктуры представляет собой фактическую топологию физической сети (сеть радиодоступа, транспортная сеть и базовая сеть), на которой мультиплексируется каждый сегмент сети, и он предоставляет физические сетевые ресурсы для размещения нескольких сетевых функций, составляющих каждый фрагмент. [23]
Сетевой домен доступных ресурсов включает в себя разнородный набор компонентов инфраструктуры, таких как центры обработки данных (ресурсы хранения и вычислительной мощности), устройства, обеспечивающие сетевое подключение, такие как маршрутизаторы (сетевые ресурсы) и базовые станции (ресурсы радиополосы). [13]
Контроллер сетевого среза
[ редактировать ]Контроллер сетевых срезов определяется как сетевой оркестратор , который взаимодействует с различными функциями, выполняемыми каждым уровнем, для согласованного управления каждым запросом среза. Преимущество такого сетевого элемента заключается в том, что он позволяет эффективно и гибко создавать фрагменты, которые можно реконфигурировать в течение их жизненного цикла. [4] В оперативном плане контроллер сетевого среза выполняет несколько задач, которые обеспечивают более эффективную координацию между вышеупомянутыми уровнями: [2] [3] [9]
- Сквозное управление услугами : сопоставление различных экземпляров услуг, выраженных в терминах требований SLA, с подходящими сетевыми функциями, способными удовлетворить ограничения обслуживания.
- Определение виртуальных ресурсов : виртуализация физических сетевых ресурсов с целью упрощения операций по управлению ресурсами, выполняемых для распределения сетевых функций.
- Управление жизненным циклом слайсов : мониторинг производительности слайсов на всех трех уровнях для динамической реконфигурации каждого слайса с учетом возможных изменений требований SLA.
Из-за сложности выполняемых задач, направленных на разные цели, контроллер сетевого среза может состоять из нескольких оркестраторов, которые независимо управляют подмножеством функций каждого уровня. Чтобы выполнить требования к сервису, различные объекты оркестровки должны координировать свои действия друг с другом, обмениваясь информацией высокого уровня о состоянии операций, участвующих в создании и развертывании слайсов. [5]
Изоляция среза
[ редактировать ]Изоляция срезов является важным требованием, которое позволяет реализовать основную концепцию разделения сети, заключающуюся в одновременном сосуществовании нескольких срезов, совместно использующих одну и ту же инфраструктуру. [1] Это свойство достигается за счет того, что производительность каждого слайса не должна оказывать никакого влияния на производительность другого слайса. Преимущество этого выбора дизайна заключается в том, что он улучшает архитектуру сетевого среза в двух основных аспектах: [1] [3]
- Безопасность среза : кибератаки или сбои затрагивают только целевой срез и оказывают ограниченное влияние на жизненный цикл других существующих срезов.
- Конфиденциальность среза : личная информация, относящаяся к каждому срезу (например, статистика пользователей, бизнес-модель MVNO), не передается другим слайсам.
Гарантия качества обслуживания
[ редактировать ]Нарезка стала важной частью сетей 5G, но нам не нужно забывать гарантировать качество обслуживания. Некоторые исследования показали, что формулировка проблемы с QoS как стохастической задачи позволяет нам максимизировать среднюю пропускную способность точки доступа, одновременно удовлетворяя ограничениям, связанным с QoS. [1] [24]
Монетизация нарезки сети 5G
[ редактировать ]Ускоренная монетизация услуг 5G — одна из тем, которая больше всего интересует сетевых операторов, поскольку затраты на строительство и обслуживание сетей 5G высоки, а спрос на услуги 5G сложно спрогнозировать. Нарезка сети 5G — один из эффективных способов предложить индивидуальные услуги для различных отраслей, таких как производство, транспорт и здравоохранение. В сочетании с AIOps , автоматизацией на основе машинного обучения и искусственного интеллекта и оптимизацией жизненного цикла 5G это может сократить эксплуатационные расходы и увеличить доходы сетевых операторов.
Нарезка базовой сети 5G
[ редактировать ]В базовой архитектуре 3GPP 5G функции плоскости пользователя и плоскости управления разделены. Возможности плоскости управления, например, управление сеансами, аутентификация доступа, управление политиками и хранение пользовательских данных, не зависят от функциональности плоскости пользователя. Плоскость пользователя управляет пересылкой, инкапсуляцией или декапсуляцией пакетов и соответствующими особенностями транспортного уровня. Такое разделение приводит к распределению функций пользовательской плоскости близко к границе сегментов сети (например, чтобы уменьшить задержку) и к независимости от плоскости управления. [1] Основными объектами базовой сети 5G являются функция сервера аутентификации (AUSF), функция сети хранения неструктурированных данных (UDSF), функция воздействия на сеть (NEF), функция хранилища NF (NRF), функция управления политикой (PCF), унифицированное управление данными (UDM). ), Функция выбора сегмента сети (NSSF), Функция управления услугами связи (CSMF), AMF, SMF и UPF. AMF (как функция CP) управляет UE, которые прошли аутентификацию для использования услуг оператора, и управляет мобильностью UE через gNB. SMF (опять же часть CP) управляет сеансами UE, тогда как AMF передает сообщения управления сеансом между UE и SMF. УПФ (в составе УП) осуществляет обработку и пересылку пользовательских данных. NSSF (как функция CP) отвечает за управление и оркестровку сетевых фрагментов. CSMF (как функция CP) преобразует требования к услугам в требования, относящиеся к сетевым срезам. [1] Функции базовой сети 5G можно разделить на части для поддержки определенных услуг для разных UE. Благодаря модульной природе ядра 5G сетевые функции ядра 5G можно разделить и совместно использовать между различными частями сети, чтобы снизить сложность управления. [1] В общем, мы можем выполнить нарезку базовой сети 5G двумя способами. Мы можем реализовать выделенные функции базовой сети для каждого сегмента сети. В этой архитектуре каждый сегмент сети имеет набор полностью выделенных функций базовой сети (например, AUSF, AMF, SMF и UDM). UE могут получать доступ к различным услугам из сетевых сегментов и различных базовых сетей. В качестве альтернативы мы можем разделить некоторые функции плоскости управления между срезами сети, в то время как другие, такие как функции плоскости пользователя, зависят от слайса (например, UPF). AMF обычно используется несколькими фрагментами сети, тогда как SMF и UPF обычно выделяются для определенных фрагментов сети. Функция AMF будет совместно использоваться различными слайсами сети, чтобы уменьшить сигнализацию управления мобильностью, когда UE одновременно использует услуги разных слайсов сети. Например, управление местоположением UE или сигнализация управления между UE и старым AMF будут сокращены, когда оно будет подключено к новому AMF другого сегмента сети. Кроме того, UDM и NSSF обычно используются всеми сетевыми фрагментами, чтобы уменьшить сложность управления сетевыми фрагментами. [1]
Безопасность нарезки сети
[ редактировать ]Появление сегментирования сети также открывает новые проблемы безопасности и конфиденциальности, в первую очередь связанные с такими аспектами, как безопасность жизненного цикла сегментирования сети, межфрагментарная безопасность, внутрифрагментарная безопасность, безопасность брокера срезов, автоматическая сеть и безопасность управления, а также блокчейн. безопасность. [25] Поэтому повышение безопасности, конфиденциальности и доверия к сегментированию сети стало ключевым направлением исследований, направленным на реализацию истинных возможностей 5G. Предлагаются различные решения безопасности для устранения угроз безопасности, проблем и проблем разделения сети. Эти решения включают в себя решения на основе искусственного интеллекта, оркестрацию безопасности, решения на основе блокчейна, соглашение об уровне обслуживания безопасности (SSLA) и решения на основе политик, решения на основе мониторинга безопасности, изоляцию срезов, встроенную безопасность и конфиденциальность, а также обеспечение безопасности. как услуга. [25]
См. также
[ редактировать ]- АПН
- НГАП
- 5G
- Виртуализация сети
- Программно-определяемая сеть
- Сетевая оркестровка
- Сетевой сервис
- Полосы частот 5G NR
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я дж к л м н тот п Джалалян, Азад; Юсефи, Салех; Кунц, Томас (01 июня 2023 г.). «Нарезка сети в виртуализированном ядре 5G с совместным использованием VNF» . Журнал сетевых и компьютерных приложений . 215 : 103631. doi : 10.1016/j.jnca.2023.103631 . ISSN 1084-8045 .
- ^ Jump up to: а б с Рост, П.; Манвейлер, К.; Михалопулос, Д.С.; Сартори, К.; Сцианкалепор, В.; Састри, Н.; Холланд, О.; Таяде, С.; Хан, Б. (2017). «Нарезка сети для обеспечения масштабируемости и гибкости мобильных сетей 5G». Журнал коммуникаций IEEE . 55 (5): 72–79. arXiv : 1704.02129 . Бибкод : 2017arXiv170402129R . дои : 10.1109/MCOM.2017.1600920 . ISSN 0163-6804 . S2CID 4082069 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Фукас, X.; Патунас, Г.; Эльмокашфи, А.; Марина, МК (2017). «Сетевое разделение в 5G: исследование и проблемы» (PDF) . Журнал коммуникаций IEEE . 55 (5): 94–100. дои : 10.1109/MCOM.2017.1600951 . hdl : 20.500.11820/cd5f221d-27ef-4ac3-9120-8292d9e25102 . ISSN 0163-6804 . S2CID 206456479 .
- ^ Jump up to: а б с д Юсуф, ФЗ; Бредель, М.; Шаллер, С.; Шнайдер, Ф. (2018). «NFV и SDN — ключевые технологии для сетей 5G». Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 35 (11): 2468–2478. arXiv : 1806.07316 . Бибкод : 2018arXiv180607316Z . дои : 10.1109/JSAC.2017.2760418 . ISSN 0733-8716 . S2CID 19639125 .
- ^ Jump up to: а б с д Ордонес-Лусена, Дж.; Амейгейрас, П.; Лопес, Д.; Рамос-Муньос, Джей Джей; Лорка, Дж.; Фольгейра, Дж. (2017). «Сетевое разделение для 5G с SDN/NFV: концепции, архитектура и проблемы». Журнал коммуникаций IEEE . 55 (5): 80–87. arXiv : 1703.04676 . Бибкод : 2017arXiv170304676O дои : 10.1109/MCOM.2017.1600935 . hdl : 10481/45368 . ISSN 0163-6804 . S2CID 206456434 .
- ^ Чжу, Кун; Хоссейн, Экрам (2016). «Виртуализация сотовых сетей 5G как иерархический комбинаторный аукцион». Транзакции IEEE на мобильных компьютерах . 15 (10): 2640–2654. arXiv : 1511.08256 . дои : 10.1109/tmc.2015.2506578 . ISSN 1536-1233 . S2CID 2319612 .
- ^ Нарезка сети — требования к варианту использования . GSMA. Апрель 2018.
- ^ Д'Оро, Сальваторе; Рестучча, Франческо; Мелодия, Томмазо; Палаццо, Серджио (2018). «Нарезка сети распределенного радиодоступа низкой сложности: алгоритмы и экспериментальные результаты». Транзакции IEEE/ACM в сети . 26 (6): 2815–2828. arXiv : 1803.07586 . Бибкод : 2018arXiv180307586D . дои : 10.1109/tnet.2018.2878965 . ISSN 1063-6692 . S2CID 3843197 .
- ^ Jump up to: а б с д Афолаби, Ибрагим; Талеб, Тарик; Самданис, Константинос; Ксентини, Адлен; Флинк, Ханну (2018). «Сетевое разделение и программное обеспечение: обзор принципов, технологий и решений» . Опросы и учебные пособия IEEE по коммуникациям . 20 (3): 2429–2453. дои : 10.1109/comst.2018.2815638 . ISSN 1553-877X . S2CID 52059869 .
- ^ Jump up to: а б Багаа, Милуд; Талеб, Тарик; Гебремариам, Антене Атумо; Гранелли, Фабрицио; Кириха, Ёсиаки; Ду, Пинг; Накао, Акихиро (2017). «Сквозная нарезка сети для мобильных сетей 5G» . Журнал обработки информации . 25 : 153–163. дои : 10.2197/ipsjjip.25.153 . hdl : 11572/171819 . ISSN 1882-6652 .
- ^ «Обмен РАН» . www.3gpp.org . Проверено 03 июля 2019 г.
- ^ Шафи, Мансур; Молиш, Андреас Ф.; Смит, Питер Дж.; Хауштайн, Томас; Чжу, Пейин ; Де Силва, Прасан; Тафвессон, Фредрик; Бенджеббур, Анасс; Вундер, Герхард (2017). «5G: Учебный обзор стандартов, испытаний, проблем, развертывания и практики» . Журнал IEEE по избранным областям коммуникаций . 35 (6): 1201–1221. дои : 10.1109/jsac.2017.2692307 . ISSN 0733-8716 .
- ^ Jump up to: а б Чжан, Х.; Лю, Н.; Чу, X.; Лонг, К.; Агвами, А.; Люн, ВКМ (2017). «5G на основе сегментирования сети и будущие мобильные сети: мобильность, управление ресурсами и проблемы». Журнал коммуникаций IEEE . 55 (8): 138–145. arXiv : 1704.07038 . Бибкод : 2017arXiv170407038Z . дои : 10.1109/MCOM.2017.1600940 . ISSN 0163-6804 . S2CID 6755704 .
- ^ «Что такое нарезка сети 5G?» . SDXCentral.com . Проверено 20 февраля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б «Введение в нарезку сети» (PDF) . GSMA.com . Проверено 20 февраля 2020 г.
- ^ Штейн, Юваль. «Периферийные вычисления и разделение сетей сделают 5G удобным для геймеров» . Быстрый режим . Проверено 20 февраля 2020 г.
- ^ Ньюман, Дэниел. «4 причины, по которым 5G имеет решающее значение для массового внедрения AR и VR» . Форбс . Проверено 20 февраля 2020 г.
- ^ Ломас, Наташа (2 марта 2019 г.). «Телефоны 5G уже здесь, но не спешите обновляться» . ТехКранч . Проверено 20 февраля 2020 г.
- ^ «Изменит ли 5G опыт интерактивного маркетинга» . gms-worldwide.com . 28 августа 2019 г. Проверено 20 февраля 2020 г.
- ^ Jump up to: а б Описание концепции разделения сети . НГМН Альянс. 2016.
- ^ Посмотреть на архитектуру 5G . 5ГППП. 2017.
- ^ «Сетевое разделение и стандарт сервисов и систем 3GPP (SA)» . Программно-конфигурируемые сети IEEE . Декабрь 2017 года . Проверено 03 июля 2019 г.
- ^ Цзян, М.; Кондолучи, М.; Махмуди, Т. (2016). «Управление нарезкой сети и расстановка приоритетов; расстановка приоритетов в мобильных системах 5G» . Европейская беспроводная связь 2016; 22-я Европейская конференция беспроводной связи : 1–6. ISBN 9783800742219 .
- ^ Ришар, Матиас (2020). «Нарезка с гарантированным качеством обслуживания в сетях WiFi» . Транзакции IEEE по управлению сетями и услугами . 17 (3): 1822–1837. дои : 10.1109/TNSM.2020.3005594 . hdl : 10902/20839 . S2CID 221590556 .
- ^ Jump up to: а б Алвис, Чамита Де; Порамбаж, Павани; Дев, Капал; Гадекаллу, Типпа Редди; Лиянаге, Мадхусанка (2023). «Опрос по безопасности сегментирования сети: атаки, проблемы, решения и направления исследований» . Обзоры и учебные пособия IEEE по коммуникациям : 1–1. дои : 10.1109/COMST.2023.3312349 . hdl : 10547/625983 . ISSN 1553-877X .