5G وتقطيع الشبكة
عندما يُذكر الجيل الخامس على نطاق واسع، تُعدّ تقنية تقطيع الشبكة (Network Slicing) التقنية الأكثر تداولاً. يعتقد مُشغّلو الشبكات، مثل KT وSK Telecom وChina Mobile وDT وKDDI وNTT، بالإضافة إلى مُورّدي المعدات مثل Ericsson وNokia وHuawei، أن تقطيع الشبكة هو البنية التحتية المثالية للشبكات في عصر الجيل الخامس.
تتيح هذه التقنية الجديدة للمشغلين تقسيم شبكات متعددة من البداية إلى النهاية في البنية التحتية للأجهزة، ويتم عزل كل شريحة شبكة منطقيًا عن الجهاز وشبكة الوصول وشبكة النقل والشبكة الأساسية لتلبية الخصائص المختلفة للأنواع المختلفة من الخدمات.
لكل شريحة شبكة، تُضمن موارد مخصصة، مثل الخوادم الافتراضية، وعرض النطاق الترددي للشبكة، وجودة الخدمة. ونظرًا لعزل الشرائح عن بعضها البعض، فإن أي أخطاء أو أعطال في شريحة واحدة لن تؤثر على اتصالات الشرائح الأخرى.
لماذا تحتاج تقنية 5G إلى تقطيع الشبكة؟
من شبكات الجيل الرابع (4G) السابقة إلى الحالية، تخدم شبكات الهاتف المحمول الهواتف المحمولة بشكل رئيسي، وعادةً ما تقتصر على تحسينها. أما في عصر الجيل الخامس (5G)، فتحتاج شبكات الهاتف المحمول إلى خدمة أجهزة متنوعة الأنواع والمتطلبات. تشمل العديد من تطبيقاتها المذكورة النطاق العريض المتنقل، وإنترنت الأشياء واسع النطاق، وإنترنت الأشياء بالغ الأهمية. وتتطلب جميعها أنواعًا مختلفة من الشبكات، ولها متطلبات مختلفة في مجالات التنقل، والمحاسبة، والأمان، ومراقبة السياسات، وزمن الوصول، والموثوقية، وغيرها.
على سبيل المثال، تربط خدمة إنترنت الأشياء واسعة النطاق أجهزة استشعار ثابتة لقياس درجة الحرارة والرطوبة وهطول الأمطار، وما إلى ذلك. ولا حاجة لعمليات التسليم وتحديثات الموقع وغيرها من ميزات الهواتف الرئيسية المُخدِّمة في شبكة الهاتف المحمول. كما تتطلب خدمات إنترنت الأشياء بالغة الأهمية، مثل القيادة الذاتية والتحكم عن بُعد في الروبوتات، زمن وصول شامل يصل إلى عدة ملي ثانية، وهو ما يختلف تمامًا عن خدمات النطاق العريض المتنقل.
سيناريوهات التطبيق الرئيسية لتقنية الجيل الخامس
هل يعني هذا أننا بحاجة إلى شبكة مخصصة لكل خدمة؟ على سبيل المثال، شبكة تخدم هواتف الجيل الخامس المحمولة، وشبكة تخدم إنترنت الأشياء الضخم، وشبكة تخدم إنترنت الأشياء المهم. لسنا بحاجة إلى ذلك، إذ يمكننا استخدام تقسيم الشبكة لفصل شبكات منطقية متعددة عن شبكة مادية منفصلة، وهو نهج فعال للغاية من حيث التكلفة!
متطلبات تطبيق تقطيع الشبكة
يظهر أدناه شريحة شبكة 5G الموضحة في الورقة البيضاء 5G التي أصدرتها NGMN:
كيف نقوم بتنفيذ تقطيع الشبكة من البداية إلى النهاية؟
(1) شبكة الوصول اللاسلكي 5G والشبكة الأساسية: NFV
في شبكات الهاتف المحمول اليوم، يُعد الهاتف المحمول الجهاز الرئيسي. تُبنى شبكة الوصول الراديوي (RAN) (DU وRU) والوظائف الأساسية من معدات شبكة مخصصة يوفرها موردو شبكات الوصول الراديوي. يُعدّ المحاكاة الافتراضية لوظائف الشبكة (NFV) شرطًا أساسيًا لتطبيق تقسيم الشبكة. تتمثل الفكرة الأساسية لمحاكاة وظائف الشبكة (NFV) في نشر برامج وظائف الشبكة (مثل MME وS/P-GW وPCRF في نواة الحزمة وDU في شبكة الوصول الراديوي) جميعها في الأجهزة الافتراضية على الخوادم التجارية بدلاً من نشرها بشكل منفصل في أجهزة الشبكة المخصصة. وبهذه الطريقة، تُعامل شبكة الوصول الراديوي (RAN) كسحابة طرفية، بينما تُعامل الوظيفة الأساسية كسحابة أساسية. يتم تكوين الاتصال بين نظام إدارة الفيديو (VMS) الموجود على الحافة وفي السحابة الأساسية باستخدام شبكة برمجية مُعرّفة بالبرمجيات (SDN). بعد ذلك، تُنشأ شريحة لكل خدمة (مثل شريحة الهاتف، وشريحة إنترنت الأشياء الضخمة، وشريحة إنترنت الأشياء الحرجة، إلخ).
كيفية تنفيذ أحد تقنيات Network Slicing(I)؟
يوضح الشكل أدناه كيفية إضفاء طابع افتراضي على كل تطبيق خاص بالخدمة وتثبيته في كل شريحة. على سبيل المثال، يمكن تهيئة التقطيع كما يلي:
(1) تقطيع UHD: إضفاء طابع افتراضي على خوادم DU و5G core (UP) وذاكرة التخزين المؤقت في السحابة الطرفية، وإضفاء طابع افتراضي على خوادم 5G core (CP) وMVO في السحابة الأساسية
(2) تقطيع الهاتف: توفير إمكانية افتراضية لنواة 5G (UP وCP) وخوادم IMS مع إمكانيات تنقل كاملة في السحابة الأساسية
(3) تقطيع إنترنت الأشياء على نطاق واسع (على سبيل المثال، شبكات الاستشعار): إن إضفاء طابع افتراضي على نواة 5G بسيطة وخفيفة الوزن في السحابة الأساسية لا يوفر إمكانيات إدارة التنقل
(4) تقطيع إنترنت الأشياء المهم للمهمة: إضفاء الطابع الافتراضي على أنوية الجيل الخامس (UP) والخوادم المرتبطة بها (على سبيل المثال، خوادم V2X) في السحابة الطرفية لتقليل زمن انتقال البيانات
حتى الآن، احتجنا إلى إنشاء شرائح مخصصة للخدمات ذات المتطلبات المختلفة. وتُوضع وظائف الشبكة الافتراضية في مواقع مختلفة في كل شريحة (مثل السحابة الطرفية أو السحابة الأساسية) وفقًا لخصائص الخدمة المختلفة. إضافةً إلى ذلك، قد تكون بعض وظائف الشبكة، مثل الفوترة والتحكم في السياسات، ضرورية في بعض الشرائح دون غيرها. ويمكن للمشغلين تخصيص شرائح الشبكة بالطريقة التي يرغبون بها، وهي على الأرجح الطريقة الأكثر فعالية من حيث التكلفة.
كيفية تنفيذ أحد تقنيات Network Slicing(I)؟
(2) تقسيم الشبكة بين الحافة والسحابة الأساسية: IP/MPLS-SDN
الشبكات المُعرّفة بالبرمجيات، على الرغم من بساطتها عند طرحها، إلا أنها تزداد تعقيدًا. باستخدام تقنية Overlay كمثال، يمكن لتقنية SDN توفير اتصال شبكي بين الأجهزة الافتراضية على البنية التحتية للشبكة الحالية.
تقطيع الشبكة من البداية إلى النهاية
أولاً، نتناول كيفية ضمان أمان اتصال الشبكة بين السحابة الطرفية والآلات الافتراضية للسحابة الأساسية. يجب أن تُبنى الشبكة بين الآلات الافتراضية على أساس IP/MPLS-SDN وTransport SDN. في هذه الورقة، نركز على IP/MPLS-SDN التي يوفرها موردو أجهزة التوجيه. تقدم كل من إريكسون وجونيبر منتجات بنية شبكة IP/MPLS SDN. تختلف العمليات قليلاً، لكن الاتصال بين أنظمة إدارة الأجهزة الافتراضية القائمة على SDN متشابه للغاية.
في السحابة الأساسية، توجد خوادم افتراضية. في برنامج Hypervisor الخاص بالخادم، شغّل vRouter/vSwitch المدمج. توفر وحدة تحكم SDN تكوين النفق بين الخادم الافتراضي وموجه DC G/W (موجه PE الذي يُنشئ شبكة VPN MPLS L3 في مركز بيانات السحابة). أنشئ أنفاق SDN (مثل MPLS GRE أو VXLAN) بين كل جهاز افتراضي (مثل نواة إنترنت الأشياء 5G) وموجهات DC G/W في السحابة الأساسية.
بعد ذلك، تُدير وحدة تحكم SDN عملية الربط بين هذه الأنفاق وشبكة VPN من المستوى الثالث MPLS، مثل شبكة VPN لإنترنت الأشياء. وتُطبّق العملية نفسها في السحابة الطرفية، حيث تُنشئ شريحة إنترنت الأشياء متصلة من السحابة الطرفية إلى العمود الفقري لـ IP/MPLS وصولاً إلى السحابة الأساسية. ويمكن تنفيذ هذه العملية بناءً على التقنيات والمعايير المتطورة والمتاحة حتى الآن.
(3) تقسيم الشبكة بين الحافة والسحابة الأساسية: IP/MPLS-SDN
ما تبقى الآن هو شبكة الجدار الأمامي المتنقلة. كيف نفصل هذه الشبكة الأمامية المتنقلة بين السحابة الطرفية ووحدة RU للجيل الخامس؟ أولًا، يجب تعريف شبكة النقل الأمامي للجيل الخامس. هناك بعض الخيارات قيد النقاش (مثل إدخال شبكة توجيه جديدة قائمة على الحزم من خلال إعادة تعريف وظائف DU وRU)، ولكن لم يتم وضع تعريف موحد حتى الآن. الشكل التالي هو رسم تخطيطي عُرض في مجموعة عمل ITU IMT 2020، ويُقدم مثالًا على شبكة نقل أمامي افتراضية.
مثال على تقسيم شبكة 5G C-RAN بواسطة منظمة الاتحاد الدولي للاتصالات
وقت النشر: 2 فبراير 2024
