E2E Network Slicing : le découpage du réseau de bout en bout (Partie 1)

Le découpage du réseau (Network Slicing)

Au cours de cet article, nous allons décrire plus précisément le découpage du réseau de mobiles en reprenant plusieurs articles précédents sur la virtualisation et la programmation du réseau (NFV/SDN).

La vision du NFV dans cet article reprend les travaux de l’organisme de spécification ETSI et les fonctionnalités du SDN s’appuie sur le travail de l’ONF.

Ainsi, le SDN est vu comme un contrôleur de tranche de réseaux et un contrôleur du plan de transport, et le NFV gère l’allocation des ressources virtuellement (déploiement, dimensionnement et relachement).

Je remercie Antoine Mouquet (Expert 3GPP – Orange), Nicolas Bihannic (Chercheur Orange Labs) et le professeur Adlen Ksentini (Eurecom Sophia Antipolis) pour les échanges qui ont permis d’améliorer considérablement cet article.

Le déploiement d’un réseau 5G s’effectue en deux étapes :

  • La première étape est le déploiement d’un accès radioélectrique 5G. La 5G-NSA est la 5G non autonome. Pour le déploiement à venir (5G NSA option 3), le cœur de réseau est le réseau 4G (EPC) et l’accès radioélectrique 5G est contrôlé par une station de base 4G grâce au mécanisme de double connectivité ;
  • La deuxième étape est nommée 5G-SA, il s’agit de la 5G autonome. Le cœur de réseau est entièrement 5G permettant ainsi d’apporter de la souplesse du cœur de réseau en exploitant la virtualisation des fonctions réseaux.

Le découpage du réseau s’appuie sur la virtualisation du cœur de réseau et la virtualisation de l’accès radioélectrique. Le découpage de réseau est la solution permettant d’apporter une qualité de service spécifique (SLA : Service Level Agreement) pour les utilisateurs en fonction des usages suivants :

  • les usagers de smartphone ;
  • les entreprises ;
  • des processus verticaux (IoT) ;
  • le marché de gros (wholesale business).

L’objectif de cet article est d’expliquer le fonctionnement du découpage du réseau (network slicing). Ce découpage doit nécessairement être mis en œuvre pour pouvoir répondre aux exigences des différents services auxquels la 5G souhaite répondre. La spécification 3GPP a normalisé à ce jour 4 catégories : smartphones (eMBB), les terminaux IoT (mMTC), les communications critiques (URLLC), les véhicules connectés (autonomes : V2X), mais les opérateurs peuvent mettre en œuvre d’autres fonctionnalités dédiées.

L’article est décomposé en quatre parties techniques :

  1. la description d’un réseau basé sur les services et identifications des services ;
  2. la description d’une tranche de réseau et mise en œuvre de la virtualisation ;
  3. la virtualisation du cœur de réseaux ;
  4. la virtualisation de l’accès radioélectrique.

En conclusion, nous reviendrons sur la virtualisation des fonctions du réseau et l’avantage de cette architecture.

I) Un réseau basé sur les services (SBA : Service Based Architecture)

Le réseau de 5ème génération est avant tout un réseau cellulaire devant assurer la continuité des services offerts par le réseau de mobiles 4G. Il est ainsi conçu pour répondre aux exigences des smartphones à très haut débit, et aux exigences du marché des objets connectés.

Toutefois, le réseau de mobiles 5G s’ouvre également à des applications nécessitant des latences faibles pour des communications critiques avec une convergence des marchés PMR (Private Mobile Radio), et des offres TETRA, GSM-R (voir la spécification FRMCS : Future Railway Mobile Communication System).

L’un des objectifs des spécifications 5G est de définir un déploiement automatique de fonctions réseaux afin de répondre aux différentes exigences à respecter (KPI : Key Performance Indicator) spécifique à chaque type de services à mettre en œuvre. La stratégie est de réduire le délai de la mise sur le marché d’un service Tiers players. On parle ainsi de services verticaux et pour identifier les besoins, nous allons dans un premier temps lister de manière non exhaustive un panel de secteurs :

  • La réalité augmentée et la réalité virtuelle : l’humain interagit avec son environnement nécessitant une latence de 7 à 15 ms, un débit de 250 Mbps (3D/ 12k) à 2.34 Gbps pour de la 3D 24 k et une perte de paquets de 10-6; Le Wi-VR (Weak Interactive VR) peut nécessiter une latence RTT de 10 ms (Ultimate VR) ;
  • Le secteur de l’automobile avec des connectivités pouvant gérer des services de loisir (Infotainment), de télématique (IoT), de sécurité routière (partage d’informations, assistance à la conduite, conduite coopérative, gestion d’une file de camions (platooning), opération à distance) ;
  • Le secteur de l’énergie et du smart-grid (latence < 10 ms, disponiblité de 99,999% et un TEB de 10-9) ;
  • Le secteur de la santé (tracking de patient ou de matériel, soin à distance, soin en urgence) avec le téléchargement d’imagerie radio jusqu’à la télé-chirurgie ;
  • Le secteur de l’industrie 4.0 (smart factory) : automatisation du processus de fabrication, logistiques, maintenance prédictive, systèmes cyber-physiques (C2C : Control To Control Communication), robots mobiles;
  • Le secteur de l’IoT avec la technologie LPWAN qui permet à titre d’exemple la gestion des déchets, le suivi des mobiles, la mesure de consommation (gaz, électricité, eau, …), la détection de fuite, le parking intelligent ;
  • La sécurité publique (Push To Talk, vidéo, …) répondant aux exigences du réseau TETRA;
  • Le secteur du smart-cities (lampadaire intelligent, sécurité publique par détection de bruit).

La liste est non exhaustive, et chaque service nécessite des caractéristiques que l’on peut résumer avec les critères suivants :

  • latence ;
  • débit ;
  • sécurité de la communication;
  • mobilité ;
  • localisation ;
  • accessibilité ;
  • disponibilité ;
  • résilience ;
  • densité de connexion.

Les indicateurs de performance doivent être respectés au niveau du cœur de réseau et de l’accès radioélectrique.

Figure 1 : Des exemples de services 5G

II) Description d’une tranche de réseau et mise en œuvre de la virtualisation

II-1) Définition

La spécification 3GPP défini :

  • Un modèle d’une tranche de réseau (Network Slice Template). Le NST est une description complète d’une tranche de réseau en listant les fonctions virtuelles, les ressources matérielles nécessaires pour chaque fonction en vue de gérer le plan de trafic de bout en bout. Ce modèle sert de référence pour instancier une tranche de réseau ;
  • Une instance de tranche de réseau (NSI : Network Slice Instance) correspond aux entités du réseau de mobile qui répondent aux indicateurs de performances demandés par le support opérationnel et fonctionnel (OSS/BSS). Une entité est une ressource matérielle et une fonction logicielle déployée au moment de la création de l’instance. Afin de simplifier le réseau de mobile, chaque instance se décompose de sous-instance (SNI : Sub Network Instance) qui sont partagées. Ainsi, une instance de tranche de réseau est composée d’une sous-instance RAN (Radio Access Network), d’une sous-instance de cœur de réseau 5G CN (Core Network). Une sous-instance SNI peut appartenir à plusieurs instances de tranche de réseau ;
  • Un support opérationnel et de supervision. Afin de s’assurer que les indicateurs de performances soient respectés à tout instant, la tranche de réseau (NS : Network Slice) contrôle l’instance de tranche de réseau (NSI) à partir de fonctions de gestion et de supervision. La supervision permet d’alerter le contrôleur si les performances se dégradent et le contrôleur va pouvoir gérer de nouvelles entités ou mettre à l’échelle une ou plusieurs entités (scalability and elasticity).

La supervision d’une tranche de réseau est essentielle pour valider la qualité de service (QoS) et le respect des indicateurs de performance.

L’isolation opérationnelle de chaque tranche permet aux utilisateurs verticaux (OTT ou entreprise) de pouvoir configurer, superviser, contrôler leur tranche de réseau de manière indépendante.

L’isolation au niveau du réseau signifie que les clients verticaux ont des ressources dédiées. La description des slices permet à un utilisateur de profiter de fonctions réseaux dédiées et d’un accès radioélectrique partagé. Le client étant ici le demandeur de service auprès d’un opérateur, et l’utilisateur est celui qui utilise le service en bout de chaîne (terminal).

L’isolation opérationnelle permet donc de partager des ressources matérielles et logicielles comme des hébergeurs de cloud, en isolant les fonctions réseaux entre elles.

L’isolation au niveau réseau (figure 2) permet de proposer des ressources dédiées, à la fois au niveau du cœur de réseau, mais également au niveau de l’accès radioélectrique (RAN dédié). Des applications comme la sécurité civile ou le smart-grid peuvent nécessiter une isolation du réseau. Les réseaux PNI-NPN (Public Network Integrated Non-Public Network) sont des réseaux dédiés dont l’accès radioélectrique peuvent être partagés avec le réseau PLMN.

Figure 2 : Les ressources dédiées ou partagées du réseau de mobiles 5G

A l’instar des solutions portées par les hébergeurs cloud, il n’est pas nécessaire de déployer une tranche de réseau (slice) par client vertical, mais de partager le slice entre plusieurs clients.

II-2) Gestion d’une NSI (Network Slice Instance)

L’instance est mise en œuvre à partir d’un gabarit et la procédure de déploiement et d’activation d’un slice est défini par les étapes suivantes (figure 3, 3GPP SA5).

Figure 3 : Gestion d’un slice. De l’activation à la désactivation

La procédure (figure 3) met en œuvre les entités du réseau de mobiles 5G en gérant la durée de vie des instances à partir des fonctionnalités NFV décrites par l’organisme ETSI (se référer à l’article : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/tag/5g-nfv/).

Une tranche de réseau NSI peut contenir des fonctions réseaux physiques (PNF : Physical Network Function) ou virtuelles (VNF : Virtual Network Function).

Le réseau de transport n’est pas défini dans le cadre du travail de l’organisme 3GPP.

II-3) La virtualisation des fonctions du réseau

La figure 4 rappelle l’architecture système pour la mise en œuvre de fonctions virtuelles.

Figure 4 : L’architecture ETSI NFV

On identifie 3 groupes :

Le premier groupe est le système de gestion des réseaux de mobiles. Il est composé :

  • d’un support système OSS (Operation Support System). Le support OSS est une suite logicielle permettant d’administrer le réseau opérateur et de superviser les ressources. Le support OSS maintient un inventaire des entités réseaux, provisionne des services, configure les entités et récupère les éléments de supervision de chaque entité réseau ;
  • d’un support commercial (Business Support System). Le support BSS gère le déploiement de services à la demande des clients. Il offre ainsi les outils logiciels pour gérer les commandes jusqu’à la mise en paiement des services.
  • D’un support de gestion et de supervision (EM/DM). La gestion EM/DM permet de contrôler et de superviser les fonctions virtuelles et les ressources matérielles.

Le deuxième groupe est le système de gestion et d’orchestration des ressources matérielles et virtuelles (NVF – MANO : Management and Orchestration). Il a pour rôle :

  • sous l’ordre du support système OSS, l’orchestrateur MANO ordonne le déploiement ou la libération de fonctions virtuelles en respectant les contraintes matérielles inhérentes à chaque fonction ;
  • de superviser le bon fonctionnement des fonctions logicielles et des ressources matérielles allouées ;
  • de contrôler le déploiement de machines virtuelles ou de containeurs, de vérifier l’allocation de ressources et de libérer les ressources ;
  • de conserver des contextes sur les ressources utilisées, les ressources restantes, les images des fonctions virtuelles et les gabarits de chaque fonction virtuelle.

Le 3ème groupe correspond aux machines physiques et au déploiement des instances, ainsi que les fonction de routage.

II-4) Le système de gestion des réseaux de mobiles

II-4-1) OSS/BSS et NM

La phase de préparation est réalisée au niveau du support système OSS/BSS par la fonction Gestion de Réseau (NM : Network Management) via un contrôleur de slice. On peut trouver également l’acronyme NSMF (Network Slicing Management Function). Ce dernier soumet l’ordre à un orchestrateur (à travers le point de référence Os-Ma-nfvo) qui va pouvoir gérer l’infrastructure de virtualisation à partir du modèle de slice.

Le NSMF prend en charge le déploiement du end-to-end slice. On pourrait le nommer un end-to-end slice orchestrateur.

Le gestionnaire de réseau (NM) fourni les fonctions de gestion du réseau de mobiles, ce qui inclut les fonctions de virtualisation. Le NM supporte les fonctions de gestion FCAPS (fault, configuration, accounting, performance, security) du cœur de réseau 5GC et du réseau IMS. Il supervise le FCAPS spécifique pour maintenir et exposer le SLA.

Dans le cas de la gestion de slice, c’est le gestionnaire de réseau MN qui initie la gestion du cycle de vie de chaque fonction virtuelle (figure 3).

II-4-2) EM

Le gestionnaire d’élément (EM : Element Manager) est responsable de la gestion FCAPS au niveau d’un élément logiciel VNF (Virtual Network Function) ou d’un élément matériel (NE : Network Element). Les fonctions du gestionnaire d’entité correspondent à :

  • la gestion de fautes;
  • la gestion de la configuration ;
  • la gestion des éléments de facturation ;
  • la collection des mesures de performance à effectuer ;
  • la gestion des éléments de sécurité.

Un gestionnaire d’éléments peut gérer des fonctions virtuelles à travers des interfaces propriétaires. Un gestionnaire d’éléments peut aussi être une fonction réseau virtuelle.

 

II-4-3) NFV-MANO

II.4.3.1) NFVO

L’orchestrateur joue un rôle primordial :

  • Il gère l’orchestration de ressources : il coordonne l’attribution des ressources matérielles : l’orchestrateur autorise, met à l’échelle, libère les ressources physiques (NFVI : Network Function Virtualization Infrastructure) parmi l’ensemble des DataCenters (DC). Il ordonne les ordres au gestionnaire de ressource matérielle (VIM : Virtualized Infrastructure Manager) à travers le point de référence Or-Vi ;
  • Il gère l’orchestration de service : il contrôle l’établissement ou la libération d’une ou plusieurs fonctions virtuelles VNF en ordonnant l’ordre au gestionnaire VNFM via l’interface Or-Vnfm.
  • il gère la topologie des NSI (nommé VNF Forwarding Graph dans l’article : http://blogs.univ-poitiers.fr/f-launay/2018/02/04/network-functions-virtualisation-nfv-pour-le-reseau-4g5g/)

Pour gérer les services réseaux, l’orchestrateur s’appuie sur des catalogues de ressources définissant le gabarit souhaité :

  • Catalogue VNFD contient le descripteur de chaque instance VNF en terme de déploiement et de fonctionnement (pour la gestion FCAPS) ;
  • Catalogue de service permet de lister l’ensemble des fonctions VNF à cascader pour obtenir un sous réseau d’instances (SNI) ;
  • Catalogue NFVI contenant les ressources nécessaires pour mettre en œuvre un service NFV.

II.4.3.2) VNFM

Le gestionnaire VNFM (Virtual Network Function Manager) gère :

  • Le cycle de vie des fonctions virtuelles VNF : création, mise à l’échelle, maintenance et libération des instances VNF ;
  • Supervise et détecte les fautes (FCAPS) des fonctions virtuelles VNF.

Il expose :

  • une interface nord à l’orchestrateur à travers le point de référence Or-Vnfm ;
  • une interface sud pour injecter des règles au gestionnaire de ressource à travers le point de référence vi-Vnfm.

II.4.3) VIM

Une infrastructure matérielle est un serveur COTS hébergeant un hyperviseur. L’infrastructure est découpée en domaine, chaque domaine porte une VM ou un containeur.

Le gestionnaire VIM gère :

  • les ressources des infrastructures NFVI (stockage, CPU, carte réseau, …) d’un domaine ;
  • les ressources virtuelles (machines virtuelles et/ou containeur) du domaine ;
  • l’hyperviseur.

Ainsi, le gestionnaire VIM gère le cycle de vie des ressources virtuelles allouées à un domaine, conserve l’appairage entre la machine virtuelle et la machine physique, analyse via un agent les performances matérielles, logicielles et virtuelles et gère les performances et les fautes.

Il expose :

  • une interface nord à l’orchestrateur à travers le point de référence Or-Vi ;
  • une interface nord au gestionnaire de machine virtuelle VMF à travers le point de référence vi-Vnfm.

II.4.4) Pour aller plus loin

Il y a une différence entre le gestionnaire d’éléments (EM) et le gestionnaire de fonctions réseau virtuelles (VNFM) : Le gestionnaire d’éléments EM supervise la partie fonctionnelle du réseau de mobiles alors que le gestionnaire VNMF gère les entités virtuelles.

L’infrastructure NFVI est décomposée en plusieurs parties :

  • les ressources matérielles : CPU, mémoire RAM, carte réseau. Un commutateur (exemple TOR) et un élément de stockage fait également parti des ressources matérielles ;
  • la couche de virtualisation : Cette couche permet de faire abstraction des ressources matérielles en offrant des ressources logiques. Cette abstraction est réalisée par l’hyperviseur.

La suite dans un autre article.

 

 

 

 

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