Всем привет! Мы занимается разработкой программного обеспечения для 5G сетей. Хотим рассказать про то, какие новшества в 5G сетях позволят самого пользователю (абоненту) управлять собственными устройствами и трафиком. Про то, что такое control and user plane separation (CUPS), network slicing, user plane function (UPF), и почему это всё может стать подходящими инструментами при взаимодействии с вашими собственными устройствами в мобильной сети. 

Наша первая статья посвящена тому, как исторически развивалась архитектура мобильных сетей и какие были предпосылки для того, чтобы начиная со спецификации 3GPP release 14 в 2017 году было введено разделение “управляющей” и “пользовательской” частей сети.

Краткая история развития мобильных сетей связи от 1G (NMT и AMPS) до 4G. 

Чуть больше сорока лет назад появились сети мобильной телефонной связи. Что нужно было сделать, чтобы телефония стала мобильной? Если очень упростить, то для этого нужно взять обычную телефонную станцию, приделать к ней радио и обеспечить возможность абоненту перемещаться между базовыми станциями. Первое поколение мобильных сетей было именно таким - АТС, радиоподсистема плюс два важных дополнения: аутентификация при подключении устройства к сети и мобильность между базовыми станциями. 

В 2G сетях добавились новые сервисы: возможность обмениваться SMS и передавать данные. Канал для передачи данных был отделен от голосового канала, новая технология называлась GPRS. Усложнилась архитектура сети, появились новые элементы. С развитием 3G и 4G сетей связи, увеличением скоростей передачи данных, поддержкой новых мультимедиа сервисов архитектура мобильной сети продолжила усложняться: новые функции управления сетью и трафиком пользователей, дополнительные сетевые элементы и интерфейсы. В целях масштабируемости и сохранения управляемости появились элементы децентрализации, логического и физического разнесения сетевых элементов. 

Сигнальный и пользовательский трафик

Для того, чтобы все устройства могли соединяться друг с другом и обмениваться сообщениями, в сети передаются два различных типа данных - сигнальный и пользовательский трафик. 

Сигнальный трафик - это информация, которая используется для управления и обеспечения функционирования сети. Он включает в себя команды и информационные сообщения, которые передаются между различными устройствами в сети, такими как маршрутизаторы, базовые станции и другие. Сигнальный трафик может содержать данные о настройках сети, управлении трафиком, команды на установление и разрыв соединений, параметры для контроля качества связи и другую информацию, необходимую для эффективной работы сети.

Пользовательский трафик - это данные, создаваемые и используемые самими пользователями: голосовые вызовы, текстовые сообщения, видео- и аудио-потоки,  файлы и другие данные, которые передаются через сеть от устройства к сервису или другому устройству.

Основное различие между сигнальным трафиком и пользовательским трафиком состоит в их назначении. Сигнальный трафик необходим для управления и контроля работы сети, тогда как пользовательский трафик представляет собой данные, созданные и передаваемые пользователями.

Историческая справка. “Сигнальный трафик” - устоявшееся название. Все современные телефонные и мобильные сети работают на базе протоколов ОКС7 - “общеканальая сигнализация №7”, появившихся в конце 1970-ых годов в ответ на растущую потребность в масштабировании телефонных сетей. ОКС7 стал первым набором протоколов, разделяющих команды АТС и пользовательский (голосовой) трафик по разным линиям. 

А существовавшая до этого ОКС5 (общеканальная сигнализация №5) использовала передачу команд в той же линии, что и голосовое соединение пользователя. Все современные любители продукции Apple косвенно обязаны именно ОКС5: свой первый капитал команда Стива Джобса и Стива Возняка сколотила на производстве устройств BlueBox, которые имитировали телефонные команды в голосовом канале и позволяли не оплачивать дорогие междугородние вызовы. 

Зачем потребовалось ещё раз разделять уже разделенный сигнальный и пользовательский трафик, и почему это особенно важно в 5G

По мере накопления опыта эксплуатации и формирования видения дальнейших перспектив использования мобильных сетей, возникли следующие вызовы:

1. Сигнальный и пользовательский (пакетный) трафик разделены по разным логическим каналам, но эти логические каналы до сих пор сходились в одних и тех же элементах сети. При этом скорость роста и потребности в обработке пользовательского трафика существенно превышают рост объемов сигнального трафика. Каким образом можно масштабировать обработку пользовательского трафика, не влияя на архитектуру и строение всего ядра мобильной сети? 

2. С развитием интернета вещей появляются сценарии, в которых пользователь хотел бы полностью управлять пакетным трафиком своих мобильных устройств. Какие для этого могут быть возможности, кроме костылей в виде выделения отдельных Access Point Name (APN), сверх-дорогого и сложного строительства частной сети (private mobile network, PMO) или также крайне недешёвого и обременённого лицензионно-разрешительной нагрузкой запуска собственного виртуального мобильного оператора (MVNO)? Может ли пользователь, управляющий всего лишь сотнями или тысячами устройств, получить экономически оправданный инструмент управления собственным трафиком? Может ли этот инструмент предоставляться в режиме “личного кабинета” и сервиса самообслуживания? 

3. Каким образом эффективно использовать возможности по виртуализации вычислительных ресурсов и контейнеризации приложений? Каким образом улучшить совместимость решений различных поставщиков на одной сети и снизить зависимость оператора связи от вендора? И другие технические вопросы схожего толка.

В спецификации 3GPP Release 14 в 2017 году появилась концепция, которая называется CUPS - control and user plane separation.  CUPS вводит разделение обработки пользовательского и сигнального трафика по разным логическим модулям, а также определяет интерфейс взаимодействия между этими модулями. Предполагалось, что концепция CUPS может быть реализована одним из следующих способов:

• Логическое разделение внутри уже существующих сетевых элементов и функций в legacy сетях. Например, такое логическое разделение может быть внутри элементов Service Gateway (SGW) и Packet Gateway (PGW)

• Опциональное разделение обработки сигнального и пользовательского трафика в 4G, например, разделение пакетного шлюза PGW на PGW-C и PGW-U.

• Обязательное разделение в 5G сетях: выделение user plane function (UPF) как отдельной обязательной функции.

Прямой эффект от такого разделения - возможности для оператора связи динамически наращивать, разносить по разным узлам и изменять элементы, обрабатывающие пользовательский трафик, не затрагивая конфигурацию основной части ядра мобильной сети. Однако кроме прямого эффекта есть ещё несколько косвенных полезностей:

• оператор связи (теоретически) может одновременно использовать решения и элементы по обработке пользовательского трафика от различных поставщиков, не затрагивая строение основной части ядра мобильной сети;

• оператор может строить цепочки обработки пользовательского трафика и оптимизировать нагрузку на магистральных сетях за счет использования локальных кэшей с данными и граничных вычислений: content delivery network (CDN) и multi-access edge computing (MEC) соответственно;

• оператор может выделить виртуализированный сегмент сети, обрабатывающий пользовательский трафик, эксклюзивно для определенного предприятия и всех его устройств, но не затрагивая остальные устройства других абонентов - это называется network slicing;

• оператор может передать функции обработки пользовательского трафика на сторону пользователя, с использованием user plane function (UPF).

Таким образом, использование CUPS дает как для оператора, так и для абонентов следующие преимущества:

1. Гибкость и масштабируемость: концепция CUPS позволяет независимо масштабировать и обновлять управляющие и пользовательские сегменты сети. Это позволяет операторам связи более гибко адаптироваться к изменяющимся требованиям сети, внедрять новые функции и сервисы, а также оптимизировать использование ресурсов сети.

2. Поддержка новых технологий и сервисов: выделение элементов обработки пользовательского трафика CUPS обеспечивает более простую интеграцию новых технологий и сервисов в сеть, таких как виртуализация функций сети (network function virtualization, NFV) и network slicing в 5G. Это позволяет быстрее внедрять новые инновационные решения и сервисы для пользователей.

3. Оптимизация производительности сети: архитектура CUPS позволяет оптимизировать производительность сети путем распределения трафика между узлами управления и центрами обработки данных, не перестраивая управляющую часть сети. Это помогает снизить задержки, улучшить качество обслуживания и повысить эффективность сети.

4. Разделение ответственности между разными элементами сети и их поставщиками: CUPS является одной из архитектурных концепций, которая способствует реализации  различных OpenXXX проектов: OpenRAN, OpenCore. И позволяет различным поставщикам оборудования, разработчикам приложений, да и самим операторам связи  разрабатывать и внедрять свои решения относительно независимо друг от друга. Это способствует более быстрому развитию экосистемы мобильных сетей и повышению конкуренции на рынке связи.

Если для 4G разделение обработки сигнального и пользовательского трафика было скорее приятной опцией, чем жесткой необходимостью, то для 5G сетей реализация CUPS является критически важной и вот почему. В отличие от сетей 4G, в 5G будут возможны:

• на два-три порядка более высокая плотность абонентских устройств на ту же площадь покрытия, чем в сетях 4G; 

• на один-два порядка более высокая скорость на каждое подключенное устройство, чем в 4G;

• до 10 раз меньшая задержка при прохождении трафика от устройства до сервиса через мобильную сеть, чем в 4G. 

Несмотря на то, что львиная доля инноваций в 5G относится к New Radio (5G NR), реализовать низкую задержку в единицы миллисекунд без локального приземления трафика не получится, и здесь без концепции CUPS никак не обойтись. 

Во-вторых, архитектура CUPS - это снижение нагрузки на магистральные каналы связи для случаев, когда и пользователь, и ресурсы находятся локально. Концепция CUPS позволяет “дважды” сократить нагрузку на магистральных каналах - от мобильного устройства до ядра операторской сети и от ядра сети обратно до локального ресурса. 

В-третьих, CUPS - это возможность выделять трафик и передавать обработку трафика на сторону пользователя. Функция, которая обрабатывает трафик абонента мобильной сети 5G, называется user plane function (UPF). UPF является обязательным компонентом в архитектуре сетей 5G и отвечает за маршрутизацию трафика, QoS (Quality of Service), за применение функций сетевой безопасности и т.п. 

В следующих статьях мы подробнее расскажем про network slicing и UPF как новые возможности управления вашим трафиком. 

Резюме:

1. Сигнальный трафик - команды, которые необходимы для управления сетью и установления соединений. Пользовательский трафик - это данные, которые передает пользователь. 

2. Разнесение сигнального и пользовательского трафика в разные каналы появилось в конце 1970-ых как ответ на необходимость масштабирование телефонных сетей. 

3. Однако элементы, обрабатывающие сигнальный и пользовательский трафик, все время оставались физически и/или логически объединенными. 

4. По мере развития мобильных сетей, в 5G (и частично в 4G) появилась концепция control and user plane separation (CUPS) - разделение сегментов сети, обрабатывающих сигнальный и пользовательский трафик. Сетевые элементы и функции из этих сегментов соединены между собой стандартными интерфейсами. 

5. CUPS дает ряд преимуществ:

   1. Для оператора связи - возможность развивать и динамически изменять “пользовательскую” часть сети без влияния на “управляющую” часть сети. 

   2. Для оператора связи - возможность внедрять решения новых поставщиков без влияния на всю сеть, снижение зависимости от конкретного вендора. 

   3. Для абонентов — возможность получить под свой контроль и управление трафик своих мобильных устройств, без необходимости строить собственного (виртуального) мобильного оператора связи или частную мобильную сеть.

6. Network Slicing — технология, которая позволяет создавать виртуальные экземпляры мобильной сети.

7. UPF — user plane function, функция, которая отвечает за обработку пользовательского трафика в 5G сетях.

Disclaimer and remarks:

1. Мы специализируемся на ядре операторской сети и занимаемся именно функциями ядра. Ядро 5G сильно отличается от Evolved Packet Core в 4G сети. Тем не менее, ещё больше различаются радиочасти сетей 4G и 5G. У читателя не должно создаться ложного впечатления, что все изменения между 4G и 5G произошли только в ядре.

2. Если подходить формально, то разделение элементов, обрабатывающих сигнальный и пользовательский трафик в сетях телефонной связи, произошло ещё в решениях для IP телефонии. Однако для упрощения понимания мы не стали делать на этом акцент в статье.

3. @v0rdychв комментариях напомнил, что ещё один пример разделения сигнального и пользовательского трафика - технология Direct Tunnel, появившаяся в 3G сетях. С помощью Direct Tunnel также можно было исключить часть узлов сети из маршрута пользовательского трафика и сократить его путь от пользовательского устройства до выхода из сети оператора.