CC BY
116
Литература
1. Гренгаурд С. - Интернет вещей. Будущее уже здесь / пер. с англ. М. Трощено -Издательство «Альпина Паблишер», 2017. -188 с.
2. WISE-4012 - 4-ch Universal Input and 2-ch Digital Output IoT Wireless I/O Module. Datasheet.
3. WISE-3610- Wireless IoT Lora Network Gateway. Datasheet.
4. PSD-A40W Series - 40 Watts Compact Size DIN-Rail Power Supply. Datasheet
5.WISE-3610- Wireless IoT Lora Network Gateway. User Manual.
6.WISE-4012- IoT Ethernat I/O Module. User Manual.
7. Low-code programming for event-driven application, URL: nodered.org (Дата обращения 07.07.2020).
ТЕХНОЛОГИИ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ СЕТИ НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ 5G
В.И. Сластухина, Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, fahtazorka1205@mail.ru.
УДК 004.72_
Аннотация. Мобильные технологии прочно вошли в нашу жизнь и продолжают укреплять свои позиции. Эволюция систем мобильной связи от 4-го к 5-му поколению требует разработки и внедрения новых технологий, которые в свою очередь будут способны повысить скорость передачи данных, а также привести к уменьшению задержки в канале. Данная работа посвящена обзору технологии 5-го поколения и возможности виртуализации сетей мобильной связи с помощью 5-го поколения.
Ключевые слова: виртуализация; пятое поколение; скорость передачи; NFV;
SND.
TECHNOLOGIES FOR IMPLEMENTING A NEW 5th GENERATION NETWORK
Victorya Slastukhina, Siberian State University of Telecommunications and Informatics.
Annotation. Mobile technologies have firmly entered our lives and continue to strengthen their positions. The evolution of mobile communication systems from the 4th to the 5th generation requires the development and implementation of new technologies, which in turn will be able to increase the data transfer rate, as well as to reduce the delay in the channel. This work is devoted to the review of the 5th generation technology and the possibility of virtualization of mobile networks using the 5th generation. Keywords: virtualization; fifth generation; transfer rate; NFV; SND.
Введение
Каждое десятилетие сменяется поколение мобильной связи, но даже один стандарт не стоит на месте в течение своих десяти лет, он модернизируется, развивается, обновляется. На данный момент, принято считать, что крайним поколением является 4G, который работает повсеместно, но с каждым днем все
больше и чаще появляется информация о тестировании и внедрении небольших локаций сети 5G.
Сеть пятого поколения
Разработка и внедрение пятого поколения мобильных сетей станет прорывом в области связи за счёт следующих инноваций [1]:
• Массивы MIMO. Технология MIMO подразумевает использование на приемопередатчиках нескольких антенн. Технология, весьма успешно применяется в 4G сетях, и также найдет свое применение в сетях пятого поколения.
• Новые диапазоны. На сегодняшний день сети LTE занимают частоты ниже 3,5 ГГц. Стандарты 5G подразумевают использование более высокочастотных диапазонов, которые позволят избавиться от помех, однако заставят увеличить мощность передатчиков и более плотно размещать базовые станции.
• Network slicing (нарезка сети). Данная технология позволяет мобильным операторам разворачивать изолированные логически сети, каждая из которых будет выделена под определённые нужды.
• D2D (Device-to-device). Данная технология позволяет устройствам обмениваться данными напрямую при выполнении основного условия -нахождения недалеко друг от друга. Процесс обмена будет производиться без участия сети 5 G с помощью ядра, через которое будет проходить лишь сигнальный трафик. Главное преимущество такой технологии -возможность переноса передачи данных в нелицензируемую часть спектра, что позволит дополнительно разгрузить сеть. Пример технологии device-to-device представлен на рис. 1.
Рисунок 1
5G не просто усовершенствование имеющейся сети связи. Это качественная, новая технология, которая позволит модернизировать бизнес-модели во многих компаниях различных отраслевых областей. Считается, что сильнее всего развитие нового поколения повлияет на городскую инфраструктуру. А именно, одной из самых важных и основных технологий станет интернет вещей. Это не просто множество различных датчиков и устройств, которые объединены между собой как проводными, так и беспроводными каналами связи и подключены к сети интернет, это тесное объединение реального и виртуального миров, в которых общение производится между людьми и устройствами. Таким образом, сети пятого поколения позволят взаимодействовать между собой не только различным гаджетам и устройствам, но и всем сферам деятельности человека.
Любая новая разработка оператора требует разработки нового ПО или вовсе нового оборудования, поэтому сеть операторов постоянно расширяется. Все это сопровождается рядом определенных сложностей и ведет к удорожанию сети и к удорожанию услуг для абонентов.
Виртуализация в сетях пятого поколения
Виртуализация сетевых технологий (NFV) и программно-определяемые сети (SND) это отдельные самостоятельные технологии, однако рассмотрение их лучше проводить вместе, поскольку одна дополняет другую.
Эффективной технологией, позволяющей сократить объем оборудования и упростить обслуживание инфраструктуры, может стать программно-определяемая сеть SDN (Software-Defined Networks). Данная технология способствует цифровой трансформации и переводу сервисов на облачные технологии. Основой принципа является дистанционное управление сетью и устройствами передачи данных, проще говоря, программно.
Принцип управления сетью подразумевает разделение функционалом управления и разделение пересылкой пакетов, а планирование сети и координирование трафика осуществляется программным путем. Именно такой подход переносит интеллектуальную оставляющую устройств на выделенный сервер, и как следствие, упрощает и удешевляет использование сетевых элементов (маршрутизаторов и коммутаторов).
Идея SDN предусматривает следующее [1]:
• отделение управления сетевым оборудованием от управления передачей данных за счет создания специального ПО;
• переход от управления отдельными экземплярами сетевого оборудования к управлению сетью в целом;
• создание интеллектуального программно-управляемого интерфейса между сетевыми приложениями и транспортной средой сети.
Архитектура SDN состоит из трех уровней:
• нижний уровень - это инфраструктурный уровень, представляющий собой набор сетевых устройств (коммутаторы и канал передачи данных);
• средний уровень - это уровень управления, включающий в себя сетевую операционную систему, которая обеспечивает приложениям сетевые сервисы и программный интерфейс для управления сетевыми устройствами и сетью;
• верхний уровень - это уровень сетевых приложений, данный уровень необходим для гибкого и эффективного управления сетью.
Программно-определяемые сети обладают рядом достоинств [1]:
• за счет ускорения перемещения трафика повышается производительность сети;
• логическая централизация функций управления;
• замена сложного и специфического аппаратного обеспечения решениями виртуализации и программными средствами;
• независимость развития программного и аппаратного обеспечения сети.
Однако, как и в любой технологии не все идеально. Программно-определяемые сети имеют свои предполагаемые недостатки:
• канал взаимодействия контроллера с коммутаторами;
• стыковка с традиционной сетью;
• безопасность SDN;
• обеспечение защиты главных элементов ПКС-сети;
• контроллеров и взаимодействия между ними;
• обеспечение безопасности протоколов контроллер-коммутатор;
• обеспечение безопасности программного обеспечения ПКС-сети и приложений контроллера.
Виртуализация сетевых функций NFV (Network Functions Visualization) позволяет виртуализировать функции сетевых элементов операторов мобильной связи, вместе с этим позволяет реализовать «сеть по запросу». NFV предполагает разделение аппаратной и вычислительной частей. За выполнение сетевых функций отвечает частное аппаратное обеспечение. Данная технология позволяет виртуализировать эти функции, т.е. переводит на уровень ПО. Таким образом, если в традиционной модели для каждой сетевой функции необходимо свое оборудование, то в модели NFV достаточно одного физического фундамента. Все данные будут обрабатываться и храниться в виртуальной среде («Cloud»). А функция передачи пользовательского трафика останется за классическим оборудованием.
Такой подход к организации сетей пятого поколения отвечает прослеживающейся тенденции беспроводной связи, а именно конвергентности. Конвергентность предполагает интеграцию обособленных объектов сети в единый вычислительный комплекс. Это в том числе важно и для «умных» устройств в целях обмена информацией в режиме онлайн [5].
Виртуализация сетевых функций имеет ряд преимуществ [1]:
• повышает производительность сетей, одновременно оптимизируя издержки операторов за счет сокращения расходов на приобретение и техническое обслуживание оборудования, а также меньшее энергопотребление сети;
• на базе NFV проще создавать и запускать новые услуги.
В первую очередь данная технология будет востребована у операторов связи, которые готовят к запуску высокоскоростное поколение мобильной связи 5G. С помощью NFV операторы смогут получить богатый мультимедийный контент и новые сервисы.
Немаловажную роль играет облачная инфраструктура Cloud RAN, которая является частью сети радиодоступа NG-RAN, приходящая на смену традиционной сети радиодоступа (RAN) в сетях пятого поколения. Данная сеть основана на реализации моделей базовой станции для сетей 5G - gNB с использованием технологии виртуализации NFV и имеет ряд преимуществ:
• обеспечение реализации программно-определяемых мультистандартных базовых станций NR/E-UTRA;
• гибкость и масштабируемость виртуальных решений;
• размещение оборудования базовых станций в ЦОД высокой степени надежности и безопасности.
Помимо этого, Cloud RAN управляет большим количеством радиомодулей и охватывает большую территорию радиопокрытия, тем самым обеспечивая оптимальное использование частотного ресурса, эффективную работу алгоритмов
45
компенсации помех ICIC (координация межсотовой интерференции), многоточечной передачи CoMP (координация приема и передачи для обслуживания абонента несколькими сотами) и Intra-RAT-хендоверов (обеспечивает сохранение связи при перемещении абонента между сотами).
Технологии SDN и NFV направлены на оптимизацию работы сети, но используют различные методы достижения цели. SDN предполагает разделение плоскости управления сетью и транспорта для обеспечения централизованного управления сетью для более эффективного использования ресурсов сети. NFV, в свою очередь, для оптимизации сети переносит сетевые функции (такие как DNS, DHCP и т.д.) в виртуальную среду, отделяя их от аппаратного обеспечения.
Данные технологии могут реализовываться как отдельно, так и совместно друг с другом. В табл. 1 приведены принципиальные отличия между ними.
Таблица 1.
Категория SDN NFV
Направление Логическое разделение Перенос сетевых функций от
развития управления и специализированных
пользовательских данных, устройств на универсальные
централизация управления и сервера
настройка сетей
Сфера Корпоративные сети, Центры Операторы связи
применения Обработки Данных / Облака
Устройства Сервера, сетевые устройства Сервера, сетевые устройства
Приложение Оркестровка облаков и сетей Маршрутизаторы,
передачи данных Межсетевые экраны, Шлюзы, CDN, балансировщики нагрузки, оптимизаторы WAN и т.д.
Новые OpenFlow -
протоколы
Стандарты Open Networking Forum (ONF) ETSI NFV Working Group
Главными преимуществами технологий SDN и NFV для операторов связи являются:
• упрощение и централизация управления, повышение эффективности бизнеса, снижение операционных затрат;
• быстрое развертывание новых услуг;
• создание новых рынков путем перехода к облачным услугам:
1) сдвиг операторского бизнеса от предоставления каналов связи к предоставлению облачных услуг;
2) операторы могут предоставлять инфраструктуру дата-центров как услугу (IaaS) с интеграцией ресурсов каналов связи и облачных IT-ресурсов.
• эффективное использование ресурсов телекоммуникационной сети путем централизации управления ресурсами, виртуализации ресурсов дата-центров.
Технология OpenFlow
OpenFlow - это протокол управления процессом обработки данных, передающихся по сети передачи данных маршрутизаторами и коммутаторами,
реализующий технологию программно-конфигурируемой сети. Его разработка началась в рамках исследовательского проекта, целью которого была разработка сетевых архитектур и протоколов в реальной среде [11].
Основная идея OpenFlow проста, она основывается на наблюдениях, что, несмотря на различия между сотнями моделей коммутаторов и маршрутизаторов, все они содержат таблицу передачи, которая определяет базовую функцию передачи данных - для каждого входящего пакета переправить его как можно быстрее на определенный исходящий интерфейс.
Каждая запись такой таблицы передачи OpenFlow является «правилом» и связана «потоком» данных (flow) (см. рис. 2). Поток определяется заголовком пакета - например, комбинацией MAC-адресов, /P-адресов и номеров портов источника и получателя данных. Не все элементы этой комбинации должны быть определены - например, поток может быть определен как весь трафик к некоторому хосту.
Следующим элементом таблицы является - «действие» (action), которое определяет требуемую обработку пакетов потока:
• Передать пакет на порт коммутатора.
• Передать пакет контроллеру по защищенному каналу. Контроллер является управляющим центром сети, поэтому если поток только что образовался и контроллер пока не знает, что с ним делать, первый пакет неизвестного потока отправляется контроллеру для определения правил и действий по этому потоку.
• Отбросить пакет. Как правило, данное действие конфигурируется вручную, но также может и автоматически, например, в борьбе с хакерскими атаками.
• Направление пакета на стандартную обработку.
Последний элемент содержит статистику, которая несет информацию о продолжительности потока, числу полученных и переданных пакетов.
правило ( rule) действие ( action) статистика ( statistics)
Г г
таймеры и счетчики пакетов
передать на порт
передать контроллеру
отбросить пакет
передать на стандартную обработку
Switch Ethernet Ethernet Ethernet VLAN VLAN IP IP IP IP ToS TCP TCP
Port src dst Type id Priority src dst Protocol Bits dst src
Рисунок 2
Каждый коммутатор ОрепГ1оч* содержит несколько таблиц потока, каждая такая таблица содержит несколько записей потока. Такая модель открывает уникальные возможности. Коммутатор ОрепЕ1ом может быть чем угодно - от простого коммутатора до сетевого экрана и маршрутизатора.
С помощью протокола контроллер обменивается информацией с подконтрольным ему коммутатором OpenFlow. В основную задачу такого коммутатора входит передача пакета с одного порта на другой без задержки с осуществлением некоторой обработки в соответствии с правилами. При этом коммутатор сообщает контроллеру о своих возможностях и конфигурации, а также информирует об изменениях в своем состоянии. На контроллер, а точнее на приложение, его использующее, возлагается задача определения общей картины и конфигурирование коммутаторов. Именно они задают топологию сети и оптимальные маршруты. С помощью контроллера устанавливаются нужные правила, производится слежение за состоянием устройств, осуществляется мониторинг трафика и сбор статистических данных.
При получении пакета из него извлекают метаданные и другие поля пакета. Затем происходит сравнение полей с записями в таблице потоков по соответствующему полю «protocol». Результат с наивысшим приоритетом является лучшим, и обработка такого пакета начинается первой. Каждая запись в таблице имеет свой приоритет, а его уровень определяет, как дальше будет обработан пакет. Как только выбрано правило, к пакету применяется определенное действие (action). Возможным действием может быть отправка в порт, отправка на контроллер или отброска.
OpenFlow не способна обработать программную часть SDN, при этом она великолепно справляется с обеспечением простых базовых функций управления аппаратным обеспечением - коммутаторами. Производители сетевого оборудования, и в первую очередь - производители коммутаторов, заявляют о своей поддержке OpenFlow, программный интерфейс от контроллера к приложениям либо вообще недоступен, либо является собственной разработкой производителя.
Заключение
Ключевой особенностью любого поколения является скорость передачи данных. Однако это не единственная характеристика. Не стоит забывать о таких показателях как емкость сети, задержка при передаче пакетов и прочих факторах. С учетом развития интернета вещей и планирования подключения к сети 5G колоссального количества устройств необходимо серьезно улучшать основной параметр, в связи с этим были определены основные требования к 5-му поколению [1, 5]:
• пропускная способность сети до 20 Гбит/сек по линии «вниз» и до 10
Гбит/сек в обратном направлении;
• поддержка одновременного подключения до 100 млн. устройств/км2;
• задержка передачи данных не более 1 мс;
• распределение между различными услугами необходимого частотного
ресурса.
Без выполнения данных требований развитие сетей 5-го поколения будет достаточно проблематичным.
Литература
1. URL http://1234g.ru/ (дата обращения - август 2020 г.).
2. URL http://www.tadviser.ru/index.php/Статья:Развитие_сетеИ_5G_в_России (дата обращения - август 2020 г.).
3. URL https://intuit.ru/studies/mini_mba/3417/courses/624/lecture/13586 (дата обращения - август 2020 г.).
4. URL https://m.habr.com/ru/company/vasexperts/blog/359352/ (дата обращения -август 2020 г.).
5. URL https://nag.ru/articles/article/30498/tehnologii-5g-setey.html (дата обращения - август 2020 г.).
6. URL https://shalaginov.com/2018/01/18/ (дата обращения - сентябрь2020 г.).
7. URL https://www.cnews.ru/news/top/2019-09-23_kak_budut_stroitsya_seti (дата обращения - сентябрь 2020 г.).
8. URL https://www.etsi.org/deliver/etsi_gs/NFV/001_099/002/01.01.01_60/gs_NF V002v010101p.pdf (дата обращения - август 2020 г.).
9. URL https://www.etsi.org/technologies/5g (дата обращения - сентябрь 2020 г.).
10. URL https://www.itu.int/dms_pub/itu-d/opb/pref/D-PREF-BB.5G_01-2018-PDF-R.pdf (дата обращения - сентябрь 2020 г.).
11. URL https://www.osp.ru/os/2011/08/13011110 (дата обращения - 09. 2020).
12. Гениев А. Виртуальные сети: как телеком-операторы уводят вычисления в «облака» / Артем Гениев // Forbes, - 2017. - 19 апр.
13. Лю Ю., Романова А. NFV - Network Functions Virtualization, виртуализация сетевых функций // Коммерсантъ, 2015. - 29 окт.
14. Михайлов П.А., Радченко Г.И. Методы моделирования и оценки производительности облачных систем // Вестник ЮУрГУ, 2014. - С. 109-123.
15. Степунин А.Н. Мобильная связь на пути к 6G / - Вологда: Инфа-Инженерия, 2017. - 380 с.
16. Тихвинский В.О., Бочечка Г.С. Перспективы сети 5G и требования к качеству их обслуживания // Электросвязь, 2014. - № 11. - С. 40.
