CC BY
41TECHNICAL SCIENCE
Антонова Вероника Михайловна, к.т.н., доц., МГТУ им. Н.Э. Баумана, н.с. ИРЭ РАН им Котельникова
Бурцева Анна Андреевна, студент, МГТУ им. Н.Э. Баумана Маликов Андрей Юрьевич студент, МТУСИ DOI: 10.24412/2520-6990-2021-592-36-41 ПОСТРОЕНИЕ УЧАСТКА СЕТИ ПЯТОГО ПОКОЛЕНИЯ В ПРОГРАММЕ ИМИТАЦИОННОГО
МОДЕЛИРОВАНИЯ ANYLOGIC
Antonova Veronika Mikhailovna,
Ph.D., Associate Professor, MSTU named after N.E. Bauman, researcher IRE RAS named after Kotelnikov
Burtseva Anna Andreevna, student, Moscow State Technical University N.E. Bauman
Malikov Andrey Yurievich
student, MTUCI
CONSTRUCTION OF A FIFTH GENERATION NETWORK SECTION IN ANYLOGIC
SIMULATION PROGRAM
Аннотация.
Статья посвящена исследованию возможности одновременного подключения большого количества абонентов, которые могут пользоваться услугами базовой станции. Это необходимо для понимания возможности недопущения атаки «отказ в обслуживании», что является частным случаем перегрузки сети. Abstract.
The aim of the article is to study of the possibility of simultaneous connection of lots of user who can use different services of the base station. This is necessary to understand the possibility of not allowing a denial-of-service attack, that is a special case of a network reboot.
Ключевые слова M2M, 5G, моделирование.
Keywords: M2M, 5G, simulation.
Множество устройств, подключенных к сети Интернет, обменивающихся между собой информацией, образуют стремительно развивающийся сегмент Интернета вещей (англ., Internet of Things). Европейский институт по стандартизации ETSI (European Telecommunications Standards Institute) с целью обозначения такого рода связи применяет термин "межмашинное взаимодействие" (M2M, Machine-to-Machine). При возникновении экстренных ситуаций и мгновенном срабатывании большого количества датчиков прогнозируется взрывной рост трафика, поступающего на обслуживание, при этом в различных элементах сети может возникнуть перегрузка. Обслуживание межмашинного трафика начинается на базовых станциях, сопряженных с узлами управления мобильностью (ММЕ, Mobility Management Entity). Узлы управления мобильностью отвечают за сигнализацию между ядром сети и пользовательскими устройствами и участвуют в процессах активации и дезактивации сетевых ресурсов. В случае выявления перегруженности узлов управления мобильностью необходимо своевременно балансировать и перенаправить трафик в другие узлы MME, тем самым, разгружая соответствующие элементы сети. Балансировка нагрузкой осуществляется вероятностной стратегией маршрутизации трафика от каждой базовой
станции, которая соединена с несколькими узлами MME. Важной оптимизационной задачей является определение промежутка времени коррекции и порога перегрузок, который указывает на загруженность узла управления мобильностью.
1. Будущее облачных сервисов
В настоящее время крайне популярными и распространенными становятся облачные серверы, обладающие множеством преимуществ, что и обеспечивает их востребованность. К тому же, сегодня существует огромное количество облачных хранилищ, таких как Google Cloud Platform, Amazon Web Services, Azure, IBM bluemix и другие. По этой причине трафик может проходить большие расстояния от пользователя до места хранения данных.
На ранней стадии коммерческого развертывания 5G, за исключением смартфонов, предполагается, что ключевым 5G продуктом будет непосредственно ноутбук с подключением к Sky Office. Sky Office - это концепция переноса вычислительных мощностей ноутбука в облако, при оснащении ноутбука встроенным 5G модемом. Таким образом, в облаке могут размещаться не только файлы пользователя (Cloud Drive), но и программное обеспечение, как игровые программные продукты (Cloud Games) или MS Office 365 (Cloud Office).
«етуушшим-лшшаи» 2©21 / technical science
37
Рис.1.1. Концепция Sky Office
В случае, если сети сотовой связи обеспечат задержку в единицы миллисекунд и предоставят выделенный надежный канал связи на безлимитной основе (Network Slice), то в таком случае работа со Sky Office в дальнейшем может стать популярным способом применения ноутбука. При всем этом потребитель получит ряд интересных и полезных потребительских качеств, которые недостижимы при использовании обычного ноутбука.
Конечно, воплощение решения Sky Office требует выстраивания целой экосистемы при участии сразу нескольких отраслей, таких как: производителей операционных систем и программного обеспечения, производителей ноутбуков, операторов сотовой связи, облачных сервис-провайдеров, производителей чипсетов, производителей eSIM и модулей 5G. Но несмотря на сложность имплемента-ции, в ближайшем будущем ожидается, что Sky Office будет иметь быстрый рост в Китае и других странах.
2. Интернет вещей
Интернет вещей (англ. Internet of Things, IoT) — это концепция вычислительной сети физических предметов («вещей»), которые оборудованы встроенными технологиями с целью взаимодействия
друг с другом или с внешней средой: умный транспорт или подключенные автомобили (Connected Cars), умный город (Smart City), умные сети (Smart Grid) в энергетике, умные машины и целые фабрики, кроме того потребительский сектор - носимые устройства (Wearables), подключенные устройства (Connected Devices или Appliances), умный дом (Smart Home) (включая умные многоквартирные дома) и т.д. всё вносит дополнительные нагрузки на сети передачи данных.
Устройства IoT на конечных узлах (на периферии или границах сети) подключаются к облаку или серверу для их интеллектуальной обработки и последующей аналитики. Некоторые решения подсоединяются напрямую, другие — через шлюзы, как показано на рис.2.1. Шлюзы объединяют трафик из энергоэффективной сети дальнего радиуса действия в локальные и глобальные сети с большей пропускной способностью. С целью удовлетворения разных потребностей приложений в зависимости от зоны покрытия, времени задержки, пропускной способности, энергоэффективности и стоимости разработчикам доступен целый ряд радиоинтерфейсов различных по характеристикам и возможностям.
Датчики и исполнительные устройства
Рис.2.1. Доступ к облаку обеспечивается через различные шлюзы по самым разнообразным путям
3. Решения комиссии ГКРЧ для развертывания сетей 50
Пилотные зоны 5G: выделить полосы радиочастот 4800-4990 МГц и 25,25-29,5 ГГц для использования радиоэлектронными средствами сетей связи пятого поколения в рамках пилотных зон для проведения научных, исследовательских, опытных, экспериментальных и конструкторских работ до 31.07.2021 г.
Коммерческие сети 5G: выделить на 10 лет неопределенному кругу лиц для использования РЭС 5G полосу 24,25-24,65 ГГц, в том числе для создания технологических сетей связи, на территории Российской Федерации (использование РЭС российского происхождения при их наличии в Едином реестре российской радиоэлектронной продукции).
4. Описание эксперимента и принципа работы
Проведение исследования на одновременное количество абонентов, которые могут пользоваться услугами базовой станции, необходимо для понимания возможности реализации атаки «отказ в обслуживании», что является частным случаем перегрузки сети. Отказ от обслуживания- это поток ложных запросов, которые пытаются блокировать выбранный ресурс либо путем атаки на канал связи, который "забивается" огромной массой бесполезных данных, или же атакой непосредственно на сервер, обслуживающий данный ресурс.
Принцип работы
Трафик межмашинного взаимодействия (M2M-трафик) после обслуживания на базовой станции поступает на один из MME-узлов, которые прикреплены к базовой станции. Узел управления мобильностью (MME) обеспечивает возможность переключения между базовыми станциями и работу в роуминге.
В работе будет показан участок сети 5G, созданный в Anylogic. К сети подключаются разные типы устройств: телефоны, смартфоны, автомобили, IoT. На первом этапе происходит соединение, как и в обычной сотовой сети, с базовыми станциями и коммутаторами. Затем в зависимости от запроса, если нужно, на уровне виртуализации предоставляется доступ к нужной сети для получения требуемой услуги: мобильный интернет, интернет вещей (IoT), телефония, умный транспорт (automotive).
В проекте создаются несколько типов агентов:
- Base является описанием базовых станций, с которыми соединяются устройства абонентов сети, такие как телефоны, смартфоны, автомобили, устройства интернета вещей. Выводится анимация из картинок базовых станций, коммутатора и белых шестиугольников, которые используются для обозначения активных сот. За видимость шестиугольника соты отвечает переменная ceil, принимающая значения от 1 до 6, в случае если связь с абонентом установлена.
О links
Л. л
^ ceil
Рис.4.1. Тип агента Base
В модели отображается та сота, чей порядковый номер совпадает с переменной ceil, что задается кодом в свойстве видимости многоугольников, рис.4.2.
Рис.4.2. Отображение сот
- DataCenter является описанием центров, которые предоставляют услуги для абонентов (телефония, мобильный интернет, IoT, automotive), рис.4.3.
^v» connections Q number
trafficType subToC enter [..] О
^ drawLine ф count
ф countl Q count2 ф count3 ф count4 £ check
Рис.4.3. Тип агента DataCenter
В данном агенте есть картинка датацентра и круг, который принимает разные цвета, в зависимости от предоставляемой дата-центром услуги. Цвет кругов у датацентров обозначает первого по очереди подключившегося к нему абонента. Зеленый круг - абонент телефон; серый - абонент автомобиль; синий - абонент сервер; хаки - абонент ПК.
- Тип агента Sub является описанием абонентов, которые сначала соединяются с базовыми станциями, потом их данные направляются в сеть виртуализации для получения доступа к нужным услугам, каждую из которых предоставляют определенные датацентры, рис.4.4.
' parameter Рис.4.4. Тип агента Sub
- SubToСenter описывает все подключения абонентов к датацентрам. Для появления нового соединения с датацентром очередного абонента со-
здается отдельный агент по типу SubToСenter, который заключается в агенте соответствующего датацентра, рис.4.5.
Q checkl
Рис.4.5. Тип агента SubToCenter
Логическая цепь программы, рис.4.6:
nerateSub queue convey queuel tonv4fJ sink
тт. ■ЕИ -^^-^ ^-^
1
Рис.4.6. Логическая цепь
В первом блоке создаются агенты абонентов с интенсивностью 0.5 в секунду, далее агенты следуют к первому конвейеру через блок queue (он на тот случай, если на конвейере не останется места). Компонент конвейера связан с полосой. После про-
хождения конвейера фигурка переместится к синему облаку и исчезнет ненадолго из области видимости. В конце логической цепи в блоке sink выполнится удаление из анимации линии связи абонента и датацентра.
Сеть виртуализации или «сеть по запросу»
Рис.4.7. Сеть виртуализации
Группы линий различных цветов видны или скрыты в зависимости от показателей популяции subs, например, группа зелёных линий в сети виртуализации задается для автомобильных абонентов.
В облаке услуг представлены 4 текстовые надписи: automotive, IoT, телефония и мобильный интернет. Они запрограммированы на отображение названия услуг, которые в текущий момент времени обмениваются информацией с датацентрами.
Свойства текст и цвета имеют динамическое значение, зависящее от показателей популяции dataСenter. В данных показателях суммируется количество абонентов, обратившихся за той или иной услугой, рис.4.8. Чем больше эти показатели, тем больше будут фоновые прямоугольники каждой услуги. Восклицательный знак - сигнализация о перегрузке датацентра.
Рис.4.8. Облако услуг Демонстрация работы программы представлена на рис.4.9.
Рис.4.9. Демонстрация работы программы
5. Расчет задержек на транспортной сети
На транспортной сети задержки рассчитываются по формуле:
(1.1)
где S - расстояние в км, Vсв - скорость света в вакууме, 0.6 - коэффициент распространения света в оптоволокне, Кр - время обработки пакета устройством, принимаем 0,075 мс, N1^ - количество хопов.
При осуществлении расчета задержки не учитываются радиорелейные линии, которые могут вносить значительную задержку. Для сервисов 5G, которые чувствительны к задержкам, следует отказаться от радиорелейных линий.
Заключение
Таким образом данное имитационное моделирование можно применять для расчета новых дата центров при предоставлении услуг всему миру.
Также хотелось отметить, что стандарт 5G обещает в корне изменить жизнь человечества, внедрив широкий перечень новых технологий. Остается только ждать окончания испытаний и запуска сетей 5G в мировом масштабе. Но, к сожалению, есть риски, связанные с решением по частотному спектру 5G, такие как недостаточная полоса для высоких скоростей и отсутствие mmWave
(millimeter wave) для построения минимальный задержек. Это окажет влияние на возможности реализации сервисов. Кроме того, законодательное регулирование правил применения оборудования 5G и содержащихся в них элементов сети может ограничить определенные сценарии использования сети.
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект №19-07-00525А)
Список источников
1. Юлия Сергеева Вся статистика интернета на 2020 год — цифры и тренды в мире и в России [Электронный ресурс] — 2020. — Режим доступа: https://www.web-canape.ru/business/internet-2020-globalnaya-statistika-i-trendy/.
2. Батор Батуев Технологии 5G: поэтапное внедрение и элементная база для абонентского оборудования // Беспроводные технологии — 2019. — №4. — С.18.
3. Владимир Рентюк С большими возможностями IoT приходят большие проблемы // Control Engineering Россия IIoT — 2019. — С.28.
4. Чукарин А.В. Оптимизация управления перегрузками в сети LTE с трафиком межмашинного взаимодействия / А.В. Чукарин, П.О. Абаев, Э.Р. Зарипова, И.Э. Синицын // T-Comm — 2015. — Том 9. — С.35.
