Um estudo sobre isolamento de fatias de redes 5G baseado em ferramentas nativas de computação em nuvem e borda

Abstract

A evolução das redes móveis revolucionaram a forma de comunicação e de como interagimos entre nós. Desde a primeira geração de rede móveis, que possibilitou a comunicação por voz sem a necessidade de cabos e em movimentos, até as redes mais recentes, cada nova geração trouxe avanços significativos em velocidade, capacidade e confiabilidade. O desenvolvimento da segunda geração (2G) permitiu a troca de mensagens de texto (SMS), a terceira geração (3G) viabilizou o acesso à internet móvel, a quarta geração (4G) ampliou a largura de banda para streaming e aplicativos em tempo real, e o quinta geração de redes móveis (5G) está transformando setores com sua baixa latência e alta taxa de transmissão, impulsionando inovações como a Internet das Coisas (IoT) e a automação industrial. A 5G traz mudanças significativas onde o núcleo 5G foi redesenhado atendendo os conceitos da tecnologia de comunicação como a utilização da Service-based Architecture (SBA). Onde Network Function (NF) que compõem a SBA se comunicam entre si por meio de Service Based Interfaces (SBI), garantindo flexibilidade para a criação e evolução dos serviços que compõe a rede 5G, bem como oportunidades para pesquisa na área. Outro fator importante da evolução 5G e a mudança de paradigma, que é o conceito de fatiamento e isolamento da infraestrutura de rede. Este é considerado a chave para a evolução da 5G para atender as diversas aplicações, pois permite múltiplas redes lógicas ou cenários funcionem simultaneamente na mesma infraestrutura comum. Porém, é importante que o tráfego de uma fatia rede não interfira no de outra, para que os requisitos da fatia de rede sejam atendidos. Em redes móveis privadas de baixo custo e que dependem de ferramentas open source o isolamento pode ser um problema, principalmente ao integrar em plataformas de borda e nuvem. Para reduzir os efeitos de uma fatia interfira em outra, este estudo propõe o uso de mecanismos de alocação de recursos para minimizar o problema. Através de experimentos simulando tráfego de rede, os resultados mostram que limitações de CPU melhoram o desempenho de fatias priorizadas, enquanto restrições de memória têm impacto mínimo. Os experimentos realizados geraram dados e scripts que foram disponibilizados para futuras pesquisas e aplicações de aprendizado de máquina.

The evolution of mobile networks has revolutionized communication and the way we interact with each other. From the first generation of mobile networks, which enabled voice communication without the need for cables and while in motion, to the most recent networks, each new generation has brought significant advances in speed, capacity, and reliability. The development of the second generation (2G) allowed text messaging (SMS), the third generation (3G) enabled mobile internet access, the fourth generation (4G) expanded bandwidth for streaming and real-time applications, and 5G is transforming industries with its low latency and high transmission rates, driving innovations such as the Internet of Things (IoT) and industrial automation. 5G introduces significant changes, as its core network has been redesigned to align with communication technology concepts such as the adoption of SBA. In this architecture, NF components communicate with each other through SBI, ensuring flexibility in the creation and evolution of services that compose the 5G network, as well as providing opportunities for research in the field. Another key factor in the evolution of 5G is the paradigm shift introduced by the concept of network slicing and infrastructure isolation. This is considered essential for the advancement of 5G in supporting diverse applications, as it enables multiple logical networks or functional scenarios to operate simultaneously on the same shared infrastructure. However, it is crucial to ensure that network traffic from one slice does not interfere with another so that each slice’s requirements are maintained. In low-cost private mobile networks that rely on open-source tools, isolation can be a challenge, particularly when integrating with edge/cloud platforms. To mitigate the impact of one slice interfering with another, this study proposes the use of resource allocation mechanisms to minimize the issue. Through experiments simulating network traffic, the results indicate that CPU limitations improve the performance of prioritized slices, whereas memory constraints have minimal impact. The conducted experiments generated data and scripts, which have been made available for future research and machine learning applications.