چرا 5G به برش شبکه نیاز دارد، چگونه می‌توان برش شبکه 5G را پیاده‌سازی کرد؟

5G و برش شبکه
وقتی صحبت از 5G می‌شود، Network Slicing بیشترین بحث را در بین آنها به خود اختصاص می‌دهد. اپراتورهای شبکه مانند KT، SK Telecom، China Mobile، DT، KDDI، NTT و فروشندگان تجهیزات مانند اریکسون، نوکیا و هواوی همگی معتقدند که Network Slicing معماری شبکه ایده‌آل برای دوران 5G است.
این فناوری جدید به اپراتورها اجازه می‌دهد تا چندین شبکه مجازی انتها به انتها را در یک زیرساخت سخت‌افزاری تقسیم کنند و هر بخش شبکه به طور منطقی از دستگاه، شبکه دسترسی، شبکه انتقال و شبکه اصلی جدا می‌شود تا ویژگی‌های مختلف انواع مختلف خدمات را برآورده کند.
برای هر بخش شبکه، منابع اختصاصی مانند سرورهای مجازی، پهنای باند شبکه و کیفیت خدمات کاملاً تضمین شده است. از آنجایی که بخش‌ها از یکدیگر ایزوله هستند، خطاها یا خرابی‌ها در یک بخش، ارتباط بخش‌های دیگر را تحت تأثیر قرار نمی‌دهد.

چرا 5G به برش شبکه نیاز دارد؟
از گذشته تا شبکه 4G فعلی، شبکه‌های تلفن همراه عمدتاً به تلفن‌های همراه خدمات ارائه می‌دادند و عموماً فقط برخی بهینه‌سازی‌ها را برای تلفن‌های همراه انجام می‌دادند. با این حال، در دوران 5G، شبکه‌های تلفن همراه باید به دستگاه‌هایی با انواع و الزامات مختلف خدمات ارائه دهند. بسیاری از سناریوهای کاربردی ذکر شده شامل پهنای باند تلفن همراه، اینترنت اشیا در مقیاس بزرگ و اینترنت اشیا با ماموریت حیاتی است. همه آنها به انواع مختلفی از شبکه‌ها نیاز دارند و الزامات متفاوتی در زمینه تحرک، حسابداری، امنیت، کنترل سیاست، تأخیر، قابلیت اطمینان و غیره دارند.
برای مثال، یک سرویس اینترنت اشیا در مقیاس بزرگ، حسگرهای ثابت را برای اندازه‌گیری دما، رطوبت، بارندگی و غیره متصل می‌کند. نیازی به انتقال داده، به‌روزرسانی موقعیت مکانی و سایر ویژگی‌های تلفن‌های اصلی سرویس‌دهنده در شبکه تلفن همراه نیست. علاوه بر این، سرویس‌های اینترنت اشیا با ماموریت حیاتی مانند رانندگی خودکار و کنترل از راه دور ربات‌ها نیاز به تأخیر انتها به انتها در حد چند میلی‌ثانیه دارند که با سرویس‌های پهنای باند تلفن همراه بسیار متفاوت است.

سناریوهای اصلی کاربرد 5G
آیا این به این معنی است که برای هر سرویس به یک شبکه اختصاصی نیاز داریم؟ برای مثال، یکی به تلفن‌های همراه 5G، یکی به اینترنت اشیا حجیم 5G و یکی به اینترنت اشیا حیاتی 5G خدمات ارائه می‌دهد. ما نیازی به این کار نداریم، زیرا می‌توانیم از برش شبکه برای جداسازی چندین شبکه منطقی از یک شبکه فیزیکی جداگانه استفاده کنیم که رویکردی بسیار مقرون به صرفه است!

الزامات برنامه برای برش شبکه
برش شبکه 5G که در گزارش رسمی 5G منتشر شده توسط NGMN شرح داده شده است، در زیر نشان داده شده است:

چگونه می‌توانیم برش شبکه‌ای سرتاسری (end-to-end Network Slicing) را پیاده‌سازی کنیم؟
(1) شبکه دسترسی بی‌سیم 5G و شبکه اصلی: NFV
در شبکه تلفن همراه امروزی، دستگاه اصلی، تلفن همراه است. RAN (DU و RU) و عملکردهای اصلی از تجهیزات شبکه اختصاصی ارائه شده توسط فروشندگان RAN ساخته می‌شوند. برای پیاده‌سازی برش شبکه، مجازی‌سازی عملکرد شبکه (NFV) یک پیش‌نیاز است. اساساً، ایده اصلی NFV استقرار نرم‌افزار عملکرد شبکه (یعنی MME، S/P-GW و PCRF در هسته بسته و DU در RAN) است که همگی در ماشین‌های مجازی روی سرورهای تجاری به جای جداگانه در دستگاه‌های شبکه اختصاصی آنها، مستقر می‌شوند. به این ترتیب، RAN به عنوان ابر لبه در نظر گرفته می‌شود، در حالی که عملکرد اصلی به عنوان ابر هسته در نظر گرفته می‌شود. اتصال بین VMS واقع در لبه و در ابر هسته با استفاده از SDN پیکربندی شده است. سپس، برای هر سرویس (یعنی برش تلفن، برش اینترنت اشیا عظیم، برش اینترنت اشیا حیاتی ماموریت و غیره) یک برش ایجاد می‌شود.

 

چگونه یکی از روش‌های Network Slicing(I) را پیاده‌سازی کنیم؟
شکل زیر نشان می‌دهد که چگونه هر برنامه کاربردی مختص به سرویس می‌تواند مجازی‌سازی و در هر برش نصب شود. به عنوان مثال، برش را می‌توان به صورت زیر پیکربندی کرد:
(1) برش UHD: مجازی‌سازی سرورهای DU، هسته 5G (UP) و حافظه پنهان در ابر لبه، و مجازی‌سازی سرورهای هسته 5G (CP) و MVO در ابر هسته
(2) برش تلفن: مجازی‌سازی هسته‌های 5G (UP و CP) و سرورهای IMS با قابلیت‌های کامل تحرک در ابر اصلی
(3) برش اینترنت اشیا در مقیاس بزرگ (مثلاً شبکه‌های حسگر): مجازی‌سازی یک هسته 5G ساده و سبک در ابر اصلی، هیچ قابلیت مدیریت تحرکی ندارد.
(4) برش اینترنت اشیا با ماموریت حیاتی: مجازی‌سازی هسته‌های 5G (UP) و سرورهای مرتبط (مثلاً سرورهای V2X) در ابر لبه‌ای برای به حداقل رساندن تأخیر انتقال
تاکنون، ما نیاز به ایجاد برش‌های اختصاصی برای سرویس‌هایی با الزامات مختلف داشته‌ایم. و عملکردهای شبکه مجازی در مکان‌های مختلف در هر برش (یعنی ابر لبه یا ابر هسته) با توجه به ویژگی‌های مختلف سرویس قرار می‌گیرند. علاوه بر این، برخی از عملکردهای شبکه، مانند صورتحساب، کنترل سیاست و غیره، ممکن است در برخی برش‌ها ضروری باشند، اما در برخی دیگر نه. اپراتورها می‌توانند برش شبکه را به روشی که می‌خواهند، و احتمالاً مقرون به صرفه‌ترین روش، سفارشی کنند.

چگونه یکی از روش‌های Network Slicing(I) را پیاده‌سازی کنیم؟
(2) تقسیم‌بندی شبکه بین ابر لبه و ابر هسته: IP/MPLS-SDN
شبکه نرم‌افزارمحور، اگرچه در ابتدا مفهومی ساده بود، اما به طور فزاینده‌ای پیچیده می‌شود. به عنوان مثال، با در نظر گرفتن شکل Overlay، فناوری SDN می‌تواند اتصال شبکه‌ای بین ماشین‌های مجازی روی زیرساخت شبکه موجود را فراهم کند.

برش شبکه از ابتدا تا انتها
در ابتدا، به بررسی چگونگی اطمینان از ایمن بودن اتصال شبکه بین ابر لبه‌ای و ماشین‌های مجازی ابر اصلی می‌پردازیم. شبکه بین ماشین‌های مجازی باید بر اساس IP/MPLS-SDN و Transport SDN پیاده‌سازی شود. در این مقاله، ما بر روی IP/MPLS-SDN ارائه شده توسط فروشندگان روتر تمرکز می‌کنیم. اریکسون و جونیپر هر دو محصولات معماری شبکه IP/MPLS SDN را ارائه می‌دهند. عملیات کمی متفاوت است، اما اتصال بین VMS مبتنی بر SDN بسیار مشابه است.
در ابر هسته، سرورهای مجازی‌سازی شده قرار دارند. در هایپروایزر سرور، vRouter/vSwitch داخلی را اجرا کنید. کنترل‌کننده SDN پیکربندی تونل بین سرور مجازی‌سازی شده و روتر DC G/W (روتر PE که MPLS L3 VPN را در مرکز داده ابری ایجاد می‌کند) را فراهم می‌کند. تونل‌های SDN (یعنی MPLS GRE یا VXLAN) را بین هر ماشین مجازی (مثلاً هسته 5G IoT) و روترهای DC G/W در ابر هسته ایجاد کنید.
سپس کنترل‌کننده SDN، نگاشت بین این تونل‌ها و MPLS L3 VPN، مانند IoT VPN، را مدیریت می‌کند. این فرآیند در Edge Cloud نیز به همین صورت است و یک قطعه IoT متصل از Edge Cloud به ستون فقرات IP/MPLS و در تمام مسیر به Core Cloud ایجاد می‌کند. این فرآیند می‌تواند بر اساس فناوری‌ها و استانداردهایی که تاکنون بالغ و در دسترس بوده‌اند، پیاده‌سازی شود.
(3) تقسیم‌بندی شبکه بین ابر لبه‌ای و ابر هسته: IP/MPLS-SDN
آنچه اکنون باقی مانده است، شبکه fronthawall موبایل است. چگونه می‌توانیم این شبکه fronthold موبایل را بین edge cloud و RU 5G برش دهیم؟ اول از همه، ابتدا باید شبکه front-haul 5G تعریف شود. برخی گزینه‌ها در حال بررسی هستند (مثلاً معرفی یک شبکه forward جدید مبتنی بر بسته با تعریف مجدد عملکرد DU و RU)، اما هنوز هیچ تعریف استانداردی ارائه نشده است. شکل زیر نموداری است که در گروه کاری ITU IMT 2020 ارائه شده است و نمونه‌ای از یک شبکه fronthaul مجازی را نشان می‌دهد.

نمونه‌ای از برش شبکه 5G C-RAN توسط سازمان ITU