А вы готовы к 5G-слайсингу?

Редакция

Ченгиз Алаэттиноглу (Cengiz Alaettinoglu), технический директор, Packet Design

Редакция

Один из интереснейших аспектов мобильной архитектуры 5G – это так называемый слайсинг, или сегментация сети (англ. network slicing), который наверняка найдет применение за пределами мобильных сетей, в сетях фиксированной связи либо за пределами мобильных и стационарных сетей. В этой статье мы поговорим о том, что такое 5G-слайсинг, о его особенностях и преимуществах для провайдеров услуг, базовых технологиях и быстродействии.

Что такое 5G-слайсинг?
Сетевой сегмент, или слайс (англ. network slice, буквально – «ломтик сети») – это динамически созданная логическая сквозная сеть с оптимизированной топологией, созданная под определенную задачу – для конкретного класса обслуживания или конкретного клиента. Оператор мобильной сети сможет «нарезать на ломтики» сетевые ресурсы (маршрутизаторы и каналы) вместе с вычислительными ресурсами и ресурсами хранения (для NFV и облачных приложе­ний) и выделять их сервисам. Эта технология появилась в рамках ориентированного на сотовую связь проекта 3GPP (3^rd Generation Partnership Project).
Оркестровка и быстродействие сетевого слайсинга
Две привлекательных особенности сетевого слайсинга – это оркестровка (orchestration) и изолированные гарантии производительности. Оркестратор может «нарезать» сеть на ломтики (или слайсы, англ. slice) вместе с вычислительными ресурсами и ресурсами хранения и запустить сетевой сервис в отдельном ломтике. Изолированные гарантии произво­дительности обеспечивают, что один слайс не может влиять на производительность другого слайса. При большом числе ломтиков это будет трудной задачей. Один сетевой слайс может обеспечивать критически важные сервисы (такие как реагирование в чрезвычайных ситуациях), другой – обслуживать традиционных пользователей сотовой связи, третий – быть выделен для устройств интернета вещей, а четвертый, скажем, будет выделен для пользователя MVNO (Mobile Virtual Network Operator)… и так далее.
Пользовательское оборудование (например, телефоны) будет способно подключаться к нескольким (до восьми) слай­сам сети одновременно для доступа к различным сервисам. Эти слайсы могут управляться и оперироваться независимо друг от друга с помощью оркестратора, который настраивает ресурсы сети, вычислительные ресурсы и ресурсы хранения под потребности каждого слайса.
Еще один вариант применения слайсинга, который рассматривают провайдеры услуг фиксированной связи, представля­ет собой портал, где предприятия смогут заказывать и автоматически оркестровать полную сквозную сеть с гарантиями уровня сервиса. Такая сеть использует SD-WAN для подключения корпоративных мобильных пользователей и филиалов к центрам данных, эксплуатируемым предприятием, провайдером услуг или высокоуровневым провайдером, таким как AWS или Azure. Сегодня предприятия должны заказывать каждый фрагмент такой сети отдельно, сами придумывать способ создания объемлющей сети, которая будет их объединять, и надеяться на то, что гарантии производительности окажутся подходящими для используемых приложений.
Гарантии производительности
Из последнего примера видно, что слайсинг действительно очень похож на облачное приложение с наложенной поверх него виртуальной сетью. Разница «только» в изолированных гарантиях производительности. Они подразделяются на две группы: жесткие и мягкие гарантии. Жесткие гарантии производительности было бы легко обеспечить с помощью TDM-сетей прошлых времен. Но те отошли в прошлое, вытесненные сетями IP/MPLS, поскольку статистическое мультиплексирование в технологии коммутации пакетов позволяет превышать лимит трафика, не жертвуя производи­тельностью, и значительно устойчивее ведет себя при отказах узлов и линий.

Сетевой сегмент, или слайс (англ. network slice, буквально – «ломтик сети») – это динамически созданная логическая сквозная сеть с оптимизированной топологией, созданная под определенную задачу – для конкретного класса обслу­живания или конкретного клиента.

Чтобы вообще можно было давать какие-то гарантии производительности, сетевая архитектура IP/MPLS использует дифференцированные сервисные биты в составе пакетов, дисциплину пересылки пакетов через маршрутизаторы, а также механизм политик на краю сети, чтобы обеспечить соответствие трафика профилю (например, чтобы сервис с высоким приоритетом не захватывал больше ресурсов, чем ему положено). Для жестких гарантий производительности, возможно, самым многообещающим решением будет политика ускоренной пересылки в сочетании с механизмом политик на краю сети. Однако ограничение трафика на краю сети означает отсутствие возможности превышения лимитов трафика. Для критически важных сервисов, где необходим своевременный ответ с жесткими гарантиями, это, возможно, единственный вариант.
Сценарий применения слайсинга
Рассмотрим потенциальное применение слайсинга в реальном мире. У Packet Design есть европейский заказчик, занима­ющийся передачей электроэнергии. Эта компания управляет сетью электропередачи национального масштаба, соединяя поставщиков энергии с потребителями путем включения и отключения различных «переключателей» в сети. Компания фактически содержит рынок, на котором цена электроэнергии колеблется в зависимости от спроса и предложения. Неуди­вительно, что безопасность для этого заказчика очень важна: территорию компании от возможных террористических атак охраняют военные.
Всякий раз, когда возникает сбой передачи электроэнергии, в том числе из-за плохой погоды, необходимо сразу же найти новый источник энергии, чтобы избежать обесточивания целых городов. Если альтернативный источник найти не удается, можно отрубить питание сталелитейного завода (по предварительному соглашению) и направить ток в города. Принятие решения и переключение сети должно произойти в течение 600 миллисекунд во избежание перебоев. Сегодня этот заказчик содержит собственную вычислительную сеть, так как ее работа критически важна. Если реализовать правильный набор гарантий производительности, можно будет переключиться на использование сетевого слайса. Это дало бы сетевому оператору новый источник дохода, а заказчику позволило бы сократить затраты – т.е. обе стороны оказались бы в выигры­ше.
На пути к широкому внедрению слайсинга
Хотя формального определения еще нет, мы ожидаем, что мягкие гарантии производительности будут более совместимы со статистическим мультиплексированием пакетов и позволят хотя бы немного превышать лимиты по трафику. Возможно, это удастся реализовать с помощью более мягких механизмов политик на краю. Превышение лимитов оборачивается лучшими экономическими показателями для сетевых операторов, так как очень мало сервисов/слайсов работает все время с пиковой нагрузкой, и уж точно не одновременно в разных слайсах.

Что касается оптимальной топологии для сетевых ломтиков, лучшими кандидатами будут VPN уровней 2 и 3. Судя по всему, для реализации слайсинга новые сетевые протоколы не понадобятся. Разумеется, это не помешает инженерам разрабатывать новые решения для того, чтобы облегчить развертывание, мониторинг, обнаружение сетевых слайсов и управление ими. Очень интересным нам представляется VPN+, предложение, которое распространяет VPN уровня 3 на 5G-слайсинг. Кстати говоря, приложение SDN Path Provisioning App в составе Packet Design Explorer Suite, совместно с оркестратором от одного из наших партнеров (см. Packet Design partners with Ciena BluePlanet и NEC/Netcracker ), может оказывать услуги VPN+ с путями низкой загрузки с сегментной маршрутизацией между динамически создаваемыми VRF для VPN уровня 3.
Еще одна технология, о которой часто говорят в связи со слайсингом, это Flex-Ethernet. Flex-Ethernet может создать субка­нал по тому же самому физическому носителю, но с собственной дисциплиной времени работы. Некоторые проприетарные расширения Flex-Ethernet убирают коммутацию пакетов при хранении и пересылке, так что получается в каком-то смысле аналог TDM, гарантирующий высокие уровни сервиса. Однако, как уже упоминалось, такая система не масштабируется и непроизводительно расходует ресурсы сети.
Рабочая группа IETF Deterministic Networking (DetNet) также работает над детерминистскими путями данных, которые позволяют лимитировать уровень потери данных, задержки и ее вариации ( jitter), а также повысить надежность.
Однако эта группа слишком ориентирована на коммутацию пакетов и мыслит в основном в направлении очередей, политик на краю сети, временнОго планирования и предотвращения сбоев. DetNet может резервировать ресурсы по потокам и обеспечивает, возможно, лучшие жесткие гарантии по сравнению с простой дифференциацией IP-сервисов.
Роль аналитики в слайсинге
Зачем же нам нужна аналитика? Для того, чтобы управлять сетью с жесткими, мягкими гарантиями и «лучшим из возможного» (best-effort guarantees), сетевым операто­рам необходимо отслеживать топологию, трафик и производительность каждого слайса, а также агрегированной базовой сети. Например, если какой-то слайс перегружен, сетевой оператор должен как-то узнать, можно ли нарастить ему ресурсы (и насколько), не жертвуя работой других слайсов. Для этого оператору нужно знать топологию слайса, его пути и объемы трафика по каждому классу пересылки, показатели задержки/вариации/потерь, а также то, какие еще слайсы используют те же самые ресурсы базовой сети и на какую величину. Возможно, единственным вариантом решения проблемы станет перенаправление части путей слайса на недогруженные участки базовой сети.
Хорошая система аналитики должна предоставлять все эти данные и содержать SDN-приложение для создания путей, которое будет прокладывать такие пути автоматически, но так, чтобы при этом критически важные слайсы не выходили за границы «безопасной/собственной» сети как в IP/MPLS, так и в нижележащей топологии оптических каналов. Чтобы упростить эту задачу, уже ведутся работы по стандартизации управления и оркестровки слайсинга (Network Slicing Management and Orchestration, MANO).
Еще одна важная проблема касается развертывания технологии в зрелых системах. Нетрудно вообразить себе развертывание с нуля, где каждый сервис будет локализован в том или ином слайсе сети. Но сегодня сети уже передают трафик, относящийся к нескольким классам обслуживания, с различными политиками пересылки и политиками на краю. Как нарезать на слайсы зрелую сеть? Поскольку вопрос этот прозвучал почти как риторический, ответим в том же стиле: очень, очень аккуратно. Разумеется, с помощью аналитики топологии/трафика/производительности иногда возможно оценить сетевые потребности старых приложений, перенести их в «старый» слайс и добавить к нему новые слайсы.

Заключение
Слайсинг – это новая, увлекательная технология, которая может принести провайдерам услуг новые доходы. В то же время создание слайсов и управление ими немыслимо без серьезной аналитики. Поэтому вопрос стоит так: готовы ли вы и ваша сеть к слайсингу?