لماذا تحتاج تقنية الجيل الخامس إلى تقسيم الشبكة، وكيف يتم تطبيق تقسيم شبكة الجيل الخامس؟

تقنية الجيل الخامس وتقسيم الشبكة
عند الحديث عن تقنية الجيل الخامس (5G)، تُعدّ تقنية تقسيم الشبكة (Network Slicing) الأكثر تداولاً. ويعتقد مشغلو الشبكات مثل KT وSK Telecom وChina Mobile وDT وKDDI وNTT، بالإضافة إلى موردي المعدات مثل Ericsson وNokia وHuawei، أن تقنية تقسيم الشبكة هي بنية الشبكة المثالية لعصر الجيل الخامس.
تتيح هذه التقنية الجديدة للمشغلين تقسيم شبكات افتراضية متعددة من طرف إلى طرف في بنية تحتية للأجهزة، ويتم عزل كل شريحة شبكة منطقيًا عن الجهاز وشبكة الوصول وشبكة النقل والشبكة الأساسية لتلبية الخصائص المختلفة لأنواع الخدمات المختلفة.
لكل شريحة شبكة، تُضمن موارد مخصصة بالكامل، مثل الخوادم الافتراضية وعرض النطاق الترددي للشبكة وجودة الخدمة. ولأن الشرائح معزولة عن بعضها، فإن الأخطاء أو الأعطال في شريحة واحدة لن تؤثر على اتصال الشرائح الأخرى.

لماذا تحتاج تقنية الجيل الخامس إلى تقسيم الشبكة؟
منذ الماضي وحتى شبكات الجيل الرابع الحالية، كانت شبكات الهاتف المحمول تخدم الهواتف المحمولة بشكل أساسي، وتقتصر عادةً على بعض التحسينات المخصصة لها. أما في عصر الجيل الخامس، فقد باتت الشبكات بحاجة إلى خدمة أجهزة متنوعة ذات متطلبات مختلفة. تشمل العديد من سيناريوهات التطبيقات المذكورة النطاق العريض المتنقل، وإنترنت الأشياء واسع النطاق، وإنترنت الأشياء ذي المهام الحرجة. وكلها تتطلب أنواعًا مختلفة من الشبكات، ولها متطلبات متباينة في مجالات التنقل، والمحاسبة، والأمان، والتحكم في السياسات، وزمن الاستجابة، 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 تسليم البيانات أو تحديثات الموقع أو غيرها من ميزات الهواتف الرئيسية في شبكة الهاتف المحمول. إضافةً إلى ذلك، تتطلب خدمات إنترنت الأشياء بالغة الأهمية، مثل القيادة الذاتية والتحكم عن بُعد بالروبوتات، زمن استجابة من طرف إلى طرف يبلغ بضعة أجزاء من الثانية، وهو ما يختلف تمامًا عن خدمات النطاق العريض للهاتف المحمول.

سيناريوهات التطبيق الرئيسية لتقنية الجيل الخامس
هل يعني هذا أننا نحتاج إلى شبكة مخصصة لكل خدمة؟ على سبيل المثال، شبكة للهواتف المحمولة بتقنية الجيل الخامس، وأخرى لخدمة إنترنت الأشياء الضخمة بتقنية الجيل الخامس، وثالثة لخدمة إنترنت الأشياء بالغة الأهمية بتقنية الجيل الخامس. لسنا بحاجة إلى ذلك، إذ يمكننا استخدام تقنية تقسيم الشبكة لفصل عدة شبكات منطقية من شبكة مادية منفصلة، ​​وهو حلٌّ فعال من حيث التكلفة!

متطلبات التطبيق لتقسيم الشبكة
يظهر أدناه جزء شبكة الجيل الخامس الموصوف في الورقة البيضاء الخاصة بالجيل الخامس الصادرة عن NGMN:

كيف نقوم بتطبيق تقنية تقسيم الشبكة من طرف إلى طرف؟
(1) شبكة الوصول اللاسلكي من الجيل الخامس والشبكة الأساسية: NFV
في شبكات الهاتف المحمول الحالية، يُعد الهاتف المحمول الجهاز الرئيسي. وتُبنى وظائف الشبكة اللاسلكية (RAN) (وحدات التوزيع ووحدات الراديو) والوظائف الأساسية باستخدام معدات شبكة مخصصة يوفرها موردو الشبكة اللاسلكية. ولتطبيق تقنية تقسيم الشبكة، تُعد تقنية محاكاة وظائف الشبكة (NFV) شرطًا أساسيًا. وتتلخص الفكرة الرئيسية لتقنية NFV في نشر برمجيات وظائف الشبكة (مثل MME وS/P-GW وPCRF في الشبكة الأساسية للحزم، ووحدات التوزيع في الشبكة اللاسلكية) جميعها على أجهزة افتراضية في الخوادم التجارية، بدلًا من نشرها بشكل منفصل على أجهزة الشبكة المخصصة. وبهذه الطريقة، تُعامل الشبكة اللاسلكية كسحابة طرفية، بينما تُعامل الوظائف الأساسية كسحابة أساسية. ويتم تكوين الاتصال بين الأجهزة الافتراضية الموجودة على الحافة وفي السحابة الأساسية باستخدام تقنية الشبكات المعرفة بالبرمجيات (SDN). بعد ذلك، يتم إنشاء شريحة لكل خدمة (مثل شريحة الهاتف، وشريحة إنترنت الأشياء الضخمة، وشريحة إنترنت الأشياء ذات المهام الحرجة، إلخ).

 

كيفية تطبيق إحدى تقنيات تقسيم الشبكة (I)؟
يوضح الشكل أدناه كيفية محاكاة كل تطبيق خاص بخدمة معينة وتثبيته في كل شريحة. على سبيل المثال، يمكن تهيئة تقسيم الشبكة كما يلي:
(1) تقطيع UHD: محاكاة خوادم DU وخوادم 5G الأساسية (UP) وخوادم التخزين المؤقت في السحابة الطرفية، ومحاكاة خوادم 5G الأساسية (CP) وخوادم MVO في السحابة الأساسية
(2) تقسيم الهاتف: محاكاة افتراضية لخوادم الجيل الخامس (UP وCP) وخوادم IMS مع إمكانيات تنقل كاملة في السحابة الأساسية
(3) تقسيم إنترنت الأشياء على نطاق واسع (مثل شبكات الاستشعار): لا توفر عملية محاكاة نواة 5G بسيطة وخفيفة الوزن في السحابة الأساسية إمكانيات إدارة التنقل.
(4) تقسيم إنترنت الأشياء ذي الأهمية البالغة: محاكاة نوى الجيل الخامس (UP) والخوادم المرتبطة بها (مثل خوادم V2X) في السحابة الطرفية لتقليل زمن انتقال الإرسال
حتى الآن، كنا بحاجة إلى إنشاء شرائح مخصصة للخدمات ذات المتطلبات المختلفة. وتُوضع وظائف الشبكة الافتراضية في مواقع مختلفة ضمن كل شريحة (مثل: الحوسبة الطرفية أو الحوسبة 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 تقسيم الشبكة بالطريقة التي تناسبهم، وربما تكون هذه الطريقة هي الأكثر فعالية من حيث التكلفة.

كيفية تطبيق إحدى تقنيات تقسيم الشبكة (I)؟
(2) تقسيم الشبكة بين الحافة والسحابة الأساسية: IP/MPLS-SDN
على الرغم من بساطة مفهوم الشبكات المعرفة بالبرمجيات عند ظهورها لأول مرة، إلا أنها أصبحت أكثر تعقيدًا. فعلى سبيل المثال، يمكن لتقنية الشبكات المعرفة بالبرمجيات (SDN) توفير اتصال شبكي بين الأجهزة الافتراضية على البنية التحتية للشبكة الحالية، وذلك من خلال تقنية التراكب (Overlay).

تقسيم الشبكة من البداية إلى النهاية
أولًا، نتناول كيفية ضمان أمان اتصال الشبكة بين الحوسبة السحابية الطرفية والآلات الافتراضية في الحوسبة السحابية الأساسية. يجب تنفيذ الشبكة بين هذه الآلات الافتراضية باستخدام بروتوكول IP/MPLS-SDN وتقنية Transport SDN. في هذه الورقة، نركز على بروتوكول IP/MPLS-SDN الذي توفره شركات تصنيع أجهزة التوجيه. تقدم كل من إريكسون وجونيبر منتجات معمارية لشبكات IP/MPLS SDN. تختلف العمليات اختلافًا طفيفًا، لكن الاتصال بين الآلات الافتراضية القائمة على تقنية SDN متشابه جدًا.
تحتوي السحابة الأساسية على خوادم افتراضية. في برنامج إدارة الخوادم الافتراضية، شغّل جهاز التوجيه/المحول الافتراضي المدمج. يوفر متحكم الشبكة المعرفة بالبرمجيات (SDN) إعدادات النفق بين الخادم الافتراضي وجهاز توجيه بوابة مركز البيانات (جهاز توجيه PE الذي يُنشئ شبكة VPN من الطبقة الثالثة MPLS في مركز بيانات السحابة). أنشئ أنفاق SDN (مثل MPLS GRE أو VXLAN) بين كل جهاز افتراضي (مثل شبكة إنترنت الأشياء 5G الأساسية) وأجهزة توجيه بوابة مركز البيانات في السحابة الأساسية.
يتولى متحكم الشبكة المعرفة بالبرمجيات (SDN) إدارة عملية الربط بين هذه الأنفاق وشبكة MPLS L3 VPN، مثل شبكة إنترنت الأشياء VPN. وتُطبق العملية نفسها في الحوسبة الطرفية، حيث يتم إنشاء شريحة إنترنت الأشياء متصلة من الحوسبة الطرفية إلى العمود الفقري لشبكة IP/MPLS وصولاً إلى مركز الشبكة. ويمكن تنفيذ هذه العملية بالاعتماد على التقنيات والمعايير الناضجة والمتاحة حاليًا.
(3) تقسيم الشبكة بين الحافة والسحابة الأساسية: IP/MPLS-SDN
ما تبقى الآن هو شبكة النقل الأمامي للأجهزة المحمولة. كيف نفصل هذه الشبكة بين الحوسبة السحابية الطرفية ووحدة الراديو 5G؟ أولًا، يجب تعريف شبكة النقل الأمامي للجيل الخامس. هناك بعض الخيارات قيد المناقشة (مثل استحداث شبكة توجيه جديدة قائمة على الحزم من خلال إعادة تعريف وظائف وحدات التوزيع ووحدات الراديو)، ولكن لم يتم وضع تعريف موحد لها حتى الآن. يوضح الشكل التالي مخططًا قدمته مجموعة عمل ITM 2020 التابعة للاتحاد الدولي للاتصالات، ويُعطي مثالًا على شبكة نقل أمامي افتراضية.

مثال على تقسيم شبكة الجيل الخامس C-RAN من قبل منظمة الاتحاد الدولي للاتصالات