Segmentarea rețelelor de telecomunicații 5G
Sfetcu, Nicolae (2025), O analiză a resurselor tehnologice la nivel global, IT & C, 4:2, DOI: 10.58679/IT95488, https://www.internetmobile.ro/segmentarea-retelelor-de-telecomunicatii-5g/
5G Telecommunication Network Slicing
Abstract
5G network slicing is a revolutionary architecture that enables the creation of multiple virtual networks on a single shared physical infrastructure, each tailored to the specific requirements of different applications. This approach allows network operators to efficiently allocate resources, ensuring optimal performance for a wide range of services, from enhanced mobile broadband networks to ultra-reliable, low-latency communications.
Keywords: 5G, telecommunications, network slicing, 5G architecture, 5G security
Rezumat
Segmentarea rețelelor 5G reprezintă o arhitectură revoluționară care permite crearea mai multor rețele virtuale pe o singură infrastructură fizică comună, fiecare fiind adaptată cerințelor specifice ale diverselor aplicații. Această abordare permite operatorilor de rețea să aloce eficient resursele, asigurând performanță optimă pentru o gamă variată de servicii, de la rețele mobile de bandă largă îmbunătățit până la comunicații ultra-fiabile cu latență scăzută.
Cuvinte cheie: 5G, telecomunicații, segmentarea rețelei, arhitectura 5G, securitatea 5G
IT & C, Volumul 4, Numărul 1, Martie 2025, pp. xxx
ISSN 2821 – 8469, ISSN – L 2821 – 8469, DOI: 10.58679/IT95488
URL: https://www.internetmobile.ro/segmentarea-retelelor-de-telecomunicatii-5g/
© 2025 Nicolae Sfetcu. Responsabilitatea conținutului, interpretărilor și opiniilor exprimate revine exclusiv autorilor.
Segmentarea rețelelor de telecomunicații 5G
Ing. fiz. Nicolae SFETCU[1], MPhil
nicolae@sfetcu.com
[1] Cercetător – Academia Română – Comitetul Român de Istoria și Filosofia Științei și Tehnicii (CRIFST), Divizia de Istoria Științei (DIS), ORCID: 0000-0002-0162-9973
Introducere
Segmentarea rețelei 5G reprezintă o arhitectură revoluționară care permite crearea mai multor rețele virtuale pe o singură infrastructură fizică comună, fiecare fiind adaptată cerințelor specifice ale diverselor aplicații. Această abordare permite operatorilor de rețea să aloce eficient resursele, asigurând performanță optimă pentru o gamă variată de servicii, de la rețele mobile de bandă largă îmbunătățit până la comunicații ultra-fiabile cu latență scăzută (Wikipedia 2024).
Conform lui (ENISA 2019), una dintre caracteristicile cheie ale 5G va fi oportunitatea pentru segmentarea rețelei (network slicing, NS) (Craven 2020): permite crearea flexibilă și eficientă a rețelelor logice specializate de la un capăt la altul, pe lângă infrastructura de rețea partajată.
Tehnologii cheie
Două tehnologii esențiale sunt esențiale pentru implementarea segmentării rețelei. Segmentarea de rețea aparține categoriei paradigmei de rețea de virtualizare, împreună cu rețeaua definită de software (Software-Defined Networking, SDN) și virtualizarea funcției de rețea (Network Function Virtualization, NFV).
Rețele definite prin software (SDN): SDN separă planul de control de cel al datelor, permițând gestionarea centralizată și programabilitatea rețelei. Această separare facilitează configurarea dinamică și alocarea eficientă a resurselor.
Virtualizarea funcțiilor de rețea (NFV): NFV abstractizează funcțiile rețelei din hardware-ul proprietar, permițând rularea lor ca instanțe software pe servere standard. Această virtualizare îmbunătățește flexibilitatea și scalabilitatea (Wikipedia 2024).
Folosind SDN și NFV, operatorii pot implementa segmente de rețea flexibile și scalabile pe o infrastructură comună, abordând cerințele diverse ale serviciilor 5G (Wikipedia 2024).
Segmentarea de rețea poate profita de SDN și NFV, dar poate fi văzută ca o tehnologie independentă (Olimid and Nencioni 2020).
Arhitectura segmentării 5G
Arhitectura rețelei 5G este de obicei delimitată în trei straturi principale (Wikipedia 2024):
Stratul de servicii: Interacționează direct cu entitățile de afaceri, transpunându-le cerințele în caracteristici specifice rețelei. Fiecare serviciu este reprezentat ca o instanță de serviciu, încapsulând toate atributele de rețea necesare pentru a îndeplini acordurile de nivel de serviciu dorite (Wikipedia 2024).
Stratul funcțiilor de rețea: Cuprinde o suită de funcții de rețea virtualizate (VNF) care îndeplinesc sarcini distincte. Aceste VNF-uri sunt orchestrate pentru a forma segmente de rețea end-to-end, fiecare configurată pentru a satisface cerințele unice ale instanțelor de serviciu corespunzătoare.
Stratul infrastructurii: Constă din componentele fizice ale rețelei, inclusiv centrele de date, routerele și stațiile de bază. Acest nivel oferă resursele de bază pe baza cărora sunt construite și operate rețelele virtuale.
Un controler centralizat de segmente de rețea supraveghează aceste straturi, gestionând ciclul de viață al fiecărei secțiuni și asigurând o coordonare perfectă între ele (Wikipedia 2024).
Comunicarea între mașini autonome, de exemplu, necesită o latență minimă (timpul de întârziere necesar unui semnal pentru a călători), dar nu neapărat debit mare (cantitatea de date pe care o rețea o poate procesa pe secundă) în timp ce un caz de utilizare, cum ar fi realitatea augmentată, va necesita mai multă lățime de bandă (ENISA 2019).
Componentele de segmentare a rețelei sunt prezentate în raport cu elementele afectate ale arhitecturii rețelei, așa cum este descris în diferitele „Zoom-ins”. Această referință încrucișată / cartografiere este un mijloc alternativ pentru descrierea funcțiilor de segmentare a 5G. Dependența segmentelor cu diferitele componente ale arhitecturii generice 5G este prezentată în figura de mai jos (ENISA 2019):
Figura 5: Arhitectura de segmentare a rețelei. Zoom-in
Elementele sistemului de management al segmentări 3GPP (3GPP Slicing Management System) sunt următoarele:
- Element – Scurtă descriere
- Stratul de instanță de servicii (Service Instance Layer) (servicii de comunicații) – Stratul de instanță de servicii reprezintă serviciile (servicii pentru utilizatorii finali sau servicii comerciale) care urmează să fie acceptate. Fiecare serviciu de comunicare este reprezentat de o instanță de serviciu.
De obicei, serviciile pot fi furnizate de operatorul de rețea sau de terți. În conformitate cu aceasta, o instanță de serviciu poate reprezenta fie un serviciu de operator, fie un serviciu furnizat de terți. (3GPP TR 23.799 V14.0.0 (2016-12) 2016)). - Funcția de gestionare a serviciilor de comunicații (Communication Service Management Function, CSMF) – Această funcție este responsabilă de traducerea cerinței legate de serviciul de comunicații la cerințele legate de segmentarea de rețea. CSMF comunică cu funcția Network Slice Management Function (NSMF).
- Funcția de gestionare a segmentării rețelei (Network Slice Management Function, NSMF) – Această funcție este responsabilă pentru gestionarea (inclusiv ciclul de viață) al NSI-urilor. Deriva cerințele legate de subrețeaua segmentului de rețea din cerințele legate de segmentul de rețea.
NSMF comunică cu NSSMF și CSMF. - Funcția de gestionare a subrețelei segmentului de rețea (Network Slice Subnet Management Function, NSSMF) – Această funcție este responsabilă pentru gestionarea și orchestrarea instanțelor de subrețea ale segmentului de rețea.
- Instanța segmentului de rețea (Network Slice Instance, NSI) – Segmentul de rețea este o rețea logică care oferă capacități specifice de rețea și caracteristici ale rețelei. Instanța segmentului de rețea este o reprezentare a unui set de funcții de rețea și a resurselor asociate (de exemplu, resurse de calcul, stocare și rețea) care susțin segmentul de rețea. (3GPP TS 23.501 V16.5.1 (2020-08) 2020)
- Instanță de subrețea a segmentului de rețea (Network Slice Subnet Instance, NSSI) – Subrețeaua segmentului de rețea reprezintă un grup de funcții de rețea (inclusiv resursele lor corespunzătoare) care formează parte sau componente complete ale unei porțiuni de rețea. Gruparea funcțiilor de rețea permite gestionarea fiecărui grup de funcții de rețea să se desfășoare independent de segmentul de rețea.
- Funcții de rețea (Network Functions, NF) – Funcții de rețea de bază (Core Network Functions, CNF) – Funcții de rețea de acces (Access Network Functions, gNB) – O instanță de segment de rețea (NSI) conține funcții de rețea, inclusiv planul de control al rețelei de bază și funcțiile de rețea ale planului de utilizator din rețeaua de domiciliu și funcții de acces în rețeaua de deservire (3GPP TS 23.501 V16.5.1 (2020-08) 2020). Versiunea 16 a specificației 3GPP include o inter-funcționare îmbunătățită cu LTE Evolved Packet Core (EPC).
- NFV MANO – NFV MANO include NFV Orchestrator (NFVO), manager VNF (VNFM) și administrator de infrastructură virtualizată (VIM).
- Sistem de management al elementelor (Element Management System, EMS) – Managementul elementelor este responsabil pentru gestionarea FCAPS a funcțiilor de rețea utilizate în instanța segmentelor de rețea.
- Sistem de suport al operațiilor (Operations Support System, OSS) – Funcțiile OSS asigură gestionarea și orchestrarea sistemelor, inclusiv cele vechi, și pot avea vizibilitate completă a serviciilor furnizate de funcțiile de rețea moștenite în rețeaua unui operator.
- Stratul Resurse – Funcțiile de rețea vor rula ca niște componente software deasupra infrastructurii hardware. Virtualizarea permite un mediu elastic, automatizat, în care serviciile de rețea, calcul și stocare se pot extinde sau contracta după cum este necesar. Multe resurse pot fi acum găzduite ca servicii software și instanțiate dinamic în diferite segmente de rețea.
- Interfața pe baza serviciior funcțiilor de management (Management Functions Service Based Interface, SBI) – Gestionarea rețelei 3GPP este asigurată de serviciile de management. Serviciile de gestionare își oferă serviciile prin interfețe de servicii standardizate compuse din componente specificate individual.
- Os-Ma-nfvo Punctul de referință Os-Ma-nfvo poate fi utilizat pentru interacțiunea dintre funcțiile de gestionare a segmentării 3GPP și NFV-MANO.
Pentru a interfața corect cu NFV-MANO, NSMF și / sau NSSMF folosesc interfața NFV MANO, expusă în punctele de referință Os-Ma-nfvo, Ve-Vnfm-em și Ve-Vnfm-vnf (ultimele două nu sunt afișate în figură) datorită limitărilor grafice).
Aplicații și cazuri de utilizare
Se așteaptă ca sistemul 5G să ofere suport optimizat pentru o varietate de servicii de comunicații diferite, încărcări diferite de trafic și comunități diferite de utilizatori finali (3GPP TS 28.530 V16.2.0 (2020-07) 2020). Un beneficiu clar al segmentării rețelei 5G pentru operatori va fi capacitatea de a adapta funcționalitățile și alocarea resurselor rețelei pentru clienți specifici și segmente de piață particulare.
Automatizare industrială: Facilitează monitorizarea și controlul în timp real în procesele de producție, sporind eficiența și productivitatea.
Sănătate: Sprijină telemedicina și operații la distanță prin furnizarea de conexiuni fiabile, cu latență scăzută, esențiale pentru procedurile medicale critice.
Transport: Îmbunătățește comunicațiile vehicul-la-totul (V2X), contribuind la dezvoltarea sistemelor de conducere autonomă și de transport inteligente.
De exemplu, în Spania, segmentarea rețelei a fost implementată în sectoare precum conectivitatea industrială, securitatea porturilor, asistența medicală pentru asistență la distanță și serviciile de urgență pentru a îmbunătăți timpul de răspuns și fiabilitatea (Sánchez 2025).
Considerații privind securitatea
Deși segmentarea rețelei oferă numeroase beneficii, introduce și provocări unice de securitate:
Izolarea segmentărilor: Asigurarea faptului că fiecare secțiune de rețea funcționează independent este esențială pentru a preveni propagarea potențialelor amenințări între secțiuni. Izolarea eficientă protejează împotriva atacurilor care vizează felii specifice, protejând astfel ecosistemul de rețea mai larg (Wikipedia 2024).
Securitatea ciclului de viață: Abordarea problemelor de securitate de-a lungul întregului ciclu de viață al unei secțiuni de rețea – de la crearea și operarea până la dezafectare – este esențială. Această abordare cuprinzătoare ajută la atenuarea vulnerabilităților care ar putea fi exploatate în diferite etape
O înțelegere cuprinzătoare a acestor provocări este esențială pentru implementarea în siguranță a segmentării rețelei în rețelele 5G (Wikipedia 2024).
Securitate-ca-serviciu
Segmentele de rețea sunt utilizate pentru a implementa servicii la limita accesului multiplu pe o infrastructură cloud distribuită. Segmentele de rețea pot fi configurate pe baza tipului de serviciu (eMBB, mMTC, URLLC), client și aplicație pentru a oferi latența necesară, lățimea de bandă, QoS și securitatea. În timp ce segmentele oferă securitate inerentă prin segmentare, segmentele pot fi folosite și pentru a oferi servicii suplimentare de protecție și securitate de securitate specifice cazului de utilizare și cerințelor clienților (ENISA 2019).
Cu toate acestea, deși realizarea ofertelor de securitate ca serviciu (Security-as-a-Service, SECaaS) este fezabilă din punct de vedere tehnic, revine în cele din urmă operatorului de rețea mobil (Mobile Network Operator, MNO) să includă astfel de servicii în ofertă, în funcție de strategia de serviciu, contextul pieței și în raport cu cazurile de utilizare verticale.
Componentă conexă: Servicii de comunicare
Securitate end-to-end
Segmentele de rețea sunt rețele logice end-to-end, deci este firesc să se urmărească securitatea end-to-end. Conceptul de securitate end-to-end este strâns legat de conceptele de izolare și orchestrare. Mai mult, depinde de modelul de afaceri și de modelul de încredere asociat (Olimid and Nencioni 2020).
Versiunea 16 introduce mecanismul identificatorului de autorizare specific rețelei care permite autentificarea specifică a rețelei și mecanismele de autorizare care să completeze mecanismele de autentificare la nivel de rețea (ENISA 2019).
Componentă conexă: Instanța segmentării de rețea
Izolarea resurselor
Una dintre așteptările cheie ale segmentării rețelei este izolarea resurselor. Fiecare segment poate fi perceput ca un set izolat de resurse configurate prin mediul de rețea și care oferă un set definit de funcții. Nivelul și puterea de izolare pot varia în funcție de cerințe și scenarii de utilizare pentru segmentare (Kotulski et al. 2017).
Izolarea segmentelor poate fi luată în considerare în cel puțin patru zone (ENISA 2019):
- Izolarea traficului: segmentele de rețea trebuie să se asigure că fluxul de date al unui segment nu se mută pe altul.
- Izolarea lățimii de bandă: segmentele nu ar trebui să utilizeze nicio lățime de bandă alocată altor segmente.
- Izolarea procesării: în timp ce toate segmentele virtuale utilizează aceleași resurse fizice, este necesară procesarea independentă a pachetelor.
- Izolarea stocării: datele legate de un segment ar trebui stocate separat de datele utilizate de un alt segment (Gutz et al. 2012).
Componentă conexă: Instanța segmentării de rețea, Resurse partajate
Management și orchestrare securizate
Arhitectura segmentului de rețea MANO este o provocare din perspectiva modelului de afaceri datorită varietății de scenarii cu actori diferiți, medii multi-domeniu și mai multor straturi de ocupanți imbricați, care pot juca roluri diferite și au drepturi diferite. Din punct de vedere tehnic, aceasta înseamnă complexitate și flexibilitate ridicate, ceea ce aduce riscuri de securitate mai mari. 3GPP definește cerințele pentru securitatea serviciilor de gestionare, care includ utilizarea protocoalelor de comunicații securizate pentru protecția interacțiunilor la interfețele serviciilor de gestionare și autorizarea cererilor de servicii de gestionare (3GPP TS 33.501 V16.3.0 (2020-07), n.d.), dar trebuie menționat că cele mai recente specificații 3GPP nu sunt încă implementate (ENISA 2019).
O altă problemă relevantă este gestionarea informațiilor de jurnal specifice porțiunii de rețea pentru a sprijini analiza post-incident. Astfel de informații pot include dovada tranzitului, atestarea de la distanță, precum și date care să susțină analiza cauzei principale.
Componente conexe: NSMF, NFV-MANO, Os-Ma-NFVO, SBI
Model de încredere
În 5G sunt avute în vedere trei modele pentru părțile interesate (ENISA 2019).
- MNO deține și administrează atât rețeaua de acces, cât și rețeaua de bază.
- Un MNO deține și administrează rețeaua de bază, rețeaua de acces este partajată între mai mulți operatori (adică, partajarea RAN).
- Doar o parte a rețelei este deținută și / sau administrată de MNO, alte părți fiind deținute și / sau administrate de o terță parte.
API-urile și funcțiile de gestionare corespunzătoare 3GPP sunt necesare pentru a sprijini acest acces extins și controlul capacităților oferite de MNO, și pentru a face acest lucru într-un mod sigur. Partea terță are un control tot mai mare asupra capacităților de rețea care îi susțin serviciul. Cu toate acestea, acest control este limitat la ceea ce este permis de MNO prin intermediul API-urilor furnizate
Componente conexe: SBI, Os-Ma-nfvo
Implicații regulatorii și comerciale
Implementarea segmentării rețelei necesită o analiză atentă a cadrelor de reglementare și a modelelor de afaceri (Sparks et al. 2025):
Aspecte regulatorii: Operatorii trebuie să navigheze în medii de reglementare complexe pentru a asigura conformitatea, în special atunci când definesc și gestionează segmente de rețea care răspund nevoilor specifice ale pieței. GSMA a explorat aceste considerații, oferind linii directoare pentru a alinia implementările de segmentare cu reglementările existente (Sparks et al. 2025).
Strategii de monetizare: Segmentarea rețelei permite operatorilor să ofere servicii personalizate diverselor industrii, cum ar fi producția, transportul și asistența medicală. Prin valorificarea AIOps, învățarea automată și automatizarea bazată pe inteligență artificială, operatorii pot optimiza ciclul de viață 5G, reducând cheltuielile operaționale și crescând veniturile (Wikipedia 2024).
Evoluții recente
În versiunea 16 a specificației 3GPP, funcția de segmentare a rețelei este îmbunătățită cu următoarele caracteristici (ENISA 2019):
- Îmbunătățirea interacțiunii între LTE Evolved Packet Core (EPC) și 5G Core pentru a gestiona mobilitatea echipamentelor utilizatorului și a segmentului de rețea alocat între rețele
- Un nou mecanism de autentificare și autorizare specifică de rețea (NSSAA) care permite autentificarea și autorizarea separate pe rețea. Declanșatorul NSSAA se bazează pe informațiile de abonament din UDM și politica operatorului și poate fi efectuat atunci când UE indică suport pentru caracteristică (3GPP TR 21.916 V0.5.0 (2020-07) 2020).
De la începutul lui 2025, segmentarea rețelei a trecut de la un concept teoretic la o realitate practică în cadrul rețelelor 5G. De exemplu, Verizon a introdus apeluri video îmbunătățite, utilizând segmentarea rețelei pentru a oferi o calitate optimizată a sunetului și a video-ului în aplicațiile de apelare, chiar și în timpul congestionării rețelei. Acest serviciu este disponibil în peste 150 de zone metropolitane și necesită ca utilizatorii să fie în planul Verizon Unlimited Ultimate (Johnson 2024).
Concluzie
Aceste evoluții subliniază rolul esențial al segmentării în evoluția continuă a rețelelor 5G, demonstrând potențialul său de a revoluționa industriile prin soluții de conectivitate eficiente și securizate.
Bibliografie
- 3GPP TR 21.916 V0.5.0 (2020-07). 2020. “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Release 16 Description; Summary of Rel-16 Work Items, (Release 16).” https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/21_series/21.916/.
- 3GPP TR 23.799 V14.0.0 (2016-12). 2016. “Technical Report 3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Study on Architecture for Next Generation System (Release 14).”
- 3GPP TS 23.501 V16.5.1 (2020-08). 2020. “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; System Architecture for the 5G System (5GS); Stage 2 (Release 16).” https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/33_series/33.501/33501-g40.zip.
- 3GPP TS 28.530 V16.2.0 (2020-07). 2020. “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Management and Orchestration; Concepts, Use Cases and Requirements (Release 16).” https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/33_series/33.501/33501-g40.zip.
- 3GPP TS 33.501 V16.3.0 (2020-07). n.d. “3rd Generation Partnership Project; Technical Specification Group Services and System Aspects; Security Architecture and Procedures for 5G System.” https://www.3gpp.org/ftp/Specs/archive/33_series/33.501/.
- Craven, Connor. 2020. “What Is 5G Network Slicing?” SDxCentral. 2020. https://www.sdxcentral.com/5g/definitions/key-elements-5g-network/5g-network-slicing/.
- ENISA. 2019. “ENISA Threat Landscape for 5G Networks Report.” Report/Study. ENISA. 2019. https://www.enisa.europa.eu/publications/enisa-threat-landscape-report-for-5g-networks.
- Gutz, Stephen, Alec Story, Cole Schlesinger, and Nate Foster. 2012. “Splendid Isolation: A Slice Abstraction for Software-Defined Networks.” https://conferences.sigcomm.org/sigcomm/2012/paper/hotsdn/p79.pdf.
- Johnson, Allison. 2024. “Verizon Is Using 5G Network Slicing to Offer Better Video Calling — for a Price.” The Verge. December 12, 2024. https://www.theverge.com/2024/12/12/24319785/verizon-5g-sa-network-slicing-enhanced-video-calling.
- Kotulski, Zbigniew, Tomasz Nowak, Mariusz Sepczuk, Marcin Tunia, Rafał Artych, Krzysztof Bocianiak, Tomasz Ośko, and Jean-Philippe Wary. 2017. “On End-to-End Approach for Slice Isolation in 5G Networks. Fundamental Challenges.” In Annals of Computer Science and Information Systems, 11:783–92. https://annals-csis.org/Volume_11/drp/228.html.
- Olimid, Ruxandra F., and Gianfranco Nencioni. 2020. “5G Network Slicing: A Security Overview.” IEEE Access 8:99999–9. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2020.2997702.
- Sánchez, Sergio. 2025. “‘Network Slicing’: de concepto teórico a una realidad gracias a la red 5G.” El País. January 31, 2025. https://elpais.com/proyecto-tendencias/2025-01-31/network-slicing-de-concepto-teorico-a-una-realidad-gracias-a-la-red-5g.html.
- Sparks, Kevin, Marvin Sirbu, Jack Nasielski, Lynn Merrill, Kevin Leddy, Padma Krishnaswamy, Walter Johnston, et al. 2025. “5G NETWORK SLICING WHITEPAPER.”
- Wikipedia. 2024. “5G Network Slicing.” In Wikipedia. https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=5G_network_slicing&oldid=1247352253.
Articol cu Acces Deschis (Open Access) distribuit în conformitate cu termenii licenței de atribuire Creative Commons CC BY SA 4.0 (https://creativecommons.org/licenses/by-sa/4.0/).