ЦОД и 5G: как новое поколение мобильной связи изменит требования к центрам обработки данных

С развитием технологий мобильной связи мы наблюдаем, как каждое новое поколение меняет наши привычки и требования к коммуникациям. Если раньше сети 4G в основном помогали нам оставаться на связи и выходить в Интернет, то 5G открывает совершенно новые горизонты.

Это поколение сетей не только улучшает коммуникации, но и значительно усиливает взаимодействие между устройствами, а также службами Интернета вещей и искусственным интеллектом. В связи с этим центры обработки данных (ЦОД) должны адаптироваться к новым условиям.

В связи с этим центры обработки данных (ЦОД) должны адаптироваться к новым условиям. Поставщикам услуг ЦОД предстоит заранее продумать, как обновить свою инфраструктуру и какие новые подходы использовать для управления дата-центрами. Это включает как крупные дата-центры, так и небольшие граничные микро-ЦОД. Кроме того, важно изучить возможности автоматизации, чтобы обеспечить бесперебойную работу сетей 5G. В этой статье мы рассмотрим, как именно 5G изменит требования к центрам обработки данных и что нужно сделать для успешной адаптации к этим изменениям.

Можно указать три базовых сервиса сетей 5G, на которых строится всё разнообразие их услуг:

• eMBB: Усовершенствованный мобильный широкополосный доступ (Enhanced Mobile Broadband). Если в предыдущих поколениях основными сервисами были передача речи и доступ в Интернет, то в 5G основными услугами становятся видео высокого разрешения, вплоть до «иммерсивного видео», а также обработка больших объёмов данных. Объём данных видео, на порядки превышает объёмы передаваемых данных в сетях 4G.
• mMTC: Массовые коммуникации машинного типа (massive Machine Type Communication). Сети 5G могут обеспечивать не только подключения на сверхвысокой скорости, но также по специальным протоколам и относительно низкоскоростные многочисленные устройства Интернета вещей.
• uRLLC: Сверхнадежные коммуникации с низкой задержкой (ultra-Reliable Low Latency Communications). Для критичных услуг 5G, предоставляемых с высокой надёжностью, потребуется связь со сверхнизкой задержкой, вместо обычных 10-50 миллисекунд, сети 5G должны быть способны обеспечивать передачу информации с задержкой не более 1 миллисекунды.

Эти три главных группы базовых сервисов 5G должны обеспечивать огромное разнообразие услуг в сетях 5G: беспилотные автомобили; телемедицина; критические приложения, где требуется низкая задержка и высокая надёжность; умные дома и умные города; объёмное видео с высоким разрешением и эффектом погружения; обработка огромных массивов информации от датчиков и сенсоров Интернета Вещей, и многое, многое другое.

Для поддержки сетей 4G операторы ЦОД просто добавляли больше оборудования: увеличивали количество серверов, маршрутизаторов и коммутаторов, инженерных систем. Это приводило к росту потребления электроэнергии и расходов на охлаждение. Масштабирование такой архитектуры – весьма затратно и требует много времени. В сетях Интернета вещей (IoT) существует много устройств, требующих постоянного подключения и генерирующих большие объёмы данных. Это затрудняет управление и масштабирование услуг 4G для операторов связи и корпоративных сетей, приводит к значительному роста трафика, требующему значительных серверных ресурсов для его обработки.

Поэтому в дата-центрах начали использовать средства виртуализации (виртуальные машины и контейнеры), чтобы сократить количество физических серверов, повысить их удельную загрузку и оптимизировать инфраструктуру системы.

Требования к ЦОД для 5G меняются под воздействием значительно расширенного спектра услуг, основанных на базовых сервисах, указанных выше. Однако, сети 5G предусматривают ещё и много технологических изменений, дающих возможность предоставлять расширенный спектр услуг. Укажем основные из них:

1. NFV/SDN (Network Function Virtualization/Software Defined Network): Виртуализация сетевых функций и программно-конфигурируемые сети. Традиционные сети предыдущих поколений 2/3/4G проектировались и строились на базе специализированных аппаратных устройств. Развёртывание таких «монолитных» сетевых элементов приводило к длительным циклам проектирования и пуско-наладочных работ, к замедлению вывода на рынок новых продуктов и услуг.

В сетях 5G вместо физического оборудования используются виртуальные сетевые функции VNF (Virtual Network Function), которые эмулируют работу физического оборудования на базе стандартного, и относительно недорогого, серверного оборудования в ЦОД (COTS – Commercial Off The Shelf). Поэтому, можно сказать, что операторы сети 5G не просто «используют» внешние дата-центры для размещения различных систем (например, OSS/BSS), а сами «живут» в ЦОД, используя виртуальные сетевые функции VNF вместо физического оборудования (см. рисунок справа).

Виртуализация сети на базе NFV органично влечёт следующие два изменения, технологической основой которых также являются дата-центры.

2. Network Slicing: Нарезка сети. Виртуализация позволяет не только гибко перераспределять вычислительные ресурсы ЦОД в опорной сети оператора связи, но и выделять логические изолированные друг от друга виртуальные слои (слайсы) сети, так, что загрузка ресурсов в одном слое не будет влиять на качество услуг в другом.
3. Edge Computing (Граничные вычисления/сети). В сетях 5G ЦОД используются не только на уровне управления сетью и приложений и для построения опорной сети и сети агрегации оператора, но также и на уровне доступа (модульные и контейнерные ЦОД).

Таким образом, инновации в ЦОД для 5G тесно связаны между собой и способны создать преимущества в синергии этих инноваций.

1. AT&T

   AT&T – крупнейший в США, и один из крупнейших в мире операторов фиксированной и мобильной связи. Ещё в 2015 г. в связи с взрывным ростом трафика, вызванным распространением смартфонов и планшетов и грядущим переходом к сетям 5G, было задумано «полное переосмысление концепции сети». Такое переосмысление на основе виртуальных сетевых функций даёт возможность адекватного роста ёмкости сети по мере роста трафика, в то время как затраты на развитие сети остаются на приемлемом уровне. К настоящему времени AT&T удалось перевести большинство своих сетевых элементов на технологию NFV, которые работают в ЦОД как программные сущности. Причем, не только телеком-функции AT&T виртуализируются в дата-центрах, в т.ч. облачных, но и ИТ-функции (биллинг, управление, базы данных и пр.), которые ранее были у оператора в виде отдельной корпоративной IP-сети. Поэтому теперь в AT&T нет отдельных департаментов по ИТ и коммерческой телеком-сети, что позволило ещё больше сократить внутренние затраты.

2. China Mobile

   Крупнейший оператор мобильной связи в Китае China Mobile около 10 лет назад осознал возможности технологии NFV для быстрой масштабируемости и внедрения новых и улучшенных услуг. К настоящему времени по данным компании, «China Mobile построила колоссальную сеть NFV, в которой работает 178 тысяч серверов, поддерживающую более 370 миллионов пользователей 5G и 270 миллионов пользователей IMS (IP Multimedia Subsystem)». China Mobile построила пилотную сеть NFV в 2015 году и перевела её в коммерческую эксплуатацию в 2018 году. К настоящему времени China Mobile виртуализировала более 85% всех сетевых функций. В результате была достигнута надёжность предоставления услуг телекоммуникационного уровня 99,999%.

3. DOCOMO

   Крупнейший японский оператор DOCOMO с 2015 ведёт проект по переводу своей сети на виртуальные функции. В настоящее время виртуализировано уже боле 90% сети оператора, в которых задействовано более 400 тыс. виртуальных процессоров vCPU (см. рисунок ниже).

Таким образом, переход опорных сетей операторов на технологии NFV при строительстве сетей 5G является неизбежной тенденцией. Использование ЦОД для виртуализации сетевых функций операторов является боле выгодным решением вследствие таких факторов, как:

• Снижение капитальных расходов оператора связи, вследствие того, что вместо приобретения оборудования для аппаратных сетевых функций в традиционном оборудовании, оператор имеет возможность использовать шаблоны виртуальных сетевых функций (VNF), составлять из них требуемые сетевые сервисы, услуги и приложения и запускать их на стандартных серверах в ЦОД в количестве, требуемом для бесперебойного предоставления услуг и приложений пользователям (по данным DOCOMO, в их проекте NFV снижение САРЕХ составило более 10%);

• Снижение операционных затрат, поскольку устраняется необходимость в найме узкоспециализированных и дорогостоящих специалистов для обслуживания аппаратного телеком-оборудования, его апгрейдов, и поддержания работоспособности; кроме того, операционные затраты на поддержание виртуальной инфраструктуры на базе стандартного оборудования ЦОД (COTS) обычно много ниже, чем на поддержание специализированного оборудования;
• Расширение возможностей в разработке и запуске новых услуг и приложений, поскольку устраняется необходимость долгого цикла проектирования, приобретения и запуска оборудования для новых функций на базе специализированного оборудования, в то время как для виртуальных функций этот процесс значительно ускоряется и облегчается, поскольку вновь разработанные виртуальные функции требуют только программирования и отладки на стандартном серверном оборудовании ЦОД.

Это лишь основные преимущества перехода операторских сетей на NFV, не считая ряда косвенных и следственных преимуществ.

Имея в виду насущную необходимость перехода на технологию NFV в ЦОД для операторов связи, возникает вопрос – как осуществить такой переход? Следует ли оператору строить собственные ЦОДы для создания необходимой инфраструктуры NFV, либо использовать услуги сторонних поставщиков услуг ЦОД по модели «colocation» (колокации)?

Выбор для операторов, на первый взгляд, очевиден – нужно строить собственные ЦОДы. Это популярный подход, который в технической литературе часто называется «walled garden» (букв. «огороженный сад»). Обычно руководители бизнеса подсознательно стремятся иметь и использовать «всё своё».

Однако, будет ли такой подход оптимальным – большой вопрос. На смену затратам на аппаратные решения для сетей связи, которые снижаются при внедрении NFV, приходят затраты (и немалые) на строительство собственных больших ЦОД (carrier-specific DC).

Более оптимальным с экономической точки зрения представляется подход использования сторонних (нейтральных) поставщиков услуг и инфраструктуры ЦОД (carrier-neutral DC), предоставляющих услуги размещения оборудования. Есть ряд причин выбора нейтрального ЦОД, такие как:

• Ещё большее снижение капитальных расходов: затраты на строительство ЦОД и приобретение серверного оборудования и на его техподдержку в случае аутсорсинга в carrier-neutral ЦОД заменяются операционным затратами на аренду его виртуальной инфраструктуры.
• Гибкость, которая позволяет операторам выбирать поставщиков услуг ЦОД на основе таких факторов, как цена, качество обслуживания и надёжность;
• Производительность – нейтральные ЦОД обычно имеют несколько точек подключения для разных операторов, со специализированным оборудованием маршрутизации для обеспечения низкой задержки передачи данных.
• Устойчивость – операторы, использующие нейтральные ЦОД, получают более высокую доступность услуг, которая приближается к 99,999%, поскольку они не зависят от одного оператора

Есть и другие преимущества нейтральных к оператору ЦОД.

Нейтральные ЦОД предлагают множество преимуществ для масштабного использования, но на данный момент первыми центрами обработки данных для сети 5G общего пользования, скорее всего, станут ЦОДы самих операторов связи. Таким путём шли, в частности, вышеуказанные операторы AT&T, China Mobile и DOCOMO.

Стратегией нейтральных дата-центров, вероятно, станут проекты по реализации корпоративных сетей (private) 5G. Многие крупные предприятия заинтересованы в ведомственных сетях 5G, поскольку они видят в них наилучшее сочетание обоих типов сетей: высокую производительность и малые задержки (public 5G) в сочетании с надёжностью и гибкостью предоставления услуг (private 5G). По данным ABI Research, рынок ведомственных сотовых сетей к 2030 году вырастет до 100 млрд долларов, по сравнению с 7 миллиардами долларов в 2023 году.

Например, один из крупнейших мировых поставщиков услуг ЦОД Equinix предлагает предприятиям, cтроящим корпоративные сети 5G, разместить функцию плоскости пользователя UPF сети 5G в своих ЦОД Equinix IBX® по модели colocation. Поскольку функция UPF – основа для агрегации и распределения трафика 5G, для предприятий крайне важно разместить свою UPF 5G на границе сети ЦОД, чтобы обеспечить подключение с низкой задержкой и эксплуатационную эффективность для своей корпоративной сети. ЦОДы Equinix доступны в более чем 70 городах по всему миру, это даёт их клиентам большую гибкость в выборе точки для подключения.

К инфраструктуре ЦОД (серверы, системы хранения, локальные и глобальные сети данных, системы управления) в условиях развёртывания сетей 5G предъявляется много новых требований. Среди основных из них, можно указать следующие:

1. Поддержка технологий виртуализации (NFV) и программно-конфигурируемых сетей (SDN/SD-WAN) для того, чтобы обеспечить замену аппаратного оборудования сетей связи на виртуальные сетевые функции VNF, тем самым повысить эффективность работы использования вычислительных ресурсов ЦОД, снизить энергопотребления и повысить автоматизацию управления.
2. Поддержка распределённой инфраструктуры обработки данных для создания архитектуры граничных вычислений в мобильной сети MEC (Mobile Edge Computing), что даёт возможность гибко перераспределять ресурсы сети радиодоступа в зависимости от загрузки пользовательским трафиком отдельных сот и позволяет снизить трафик в сети агрегации, а также опорной сети 5G (5G Core).
3. Поддержка технологий искусственного интеллекта ИИ (AI) и машинного обучения, что позволит проводить оперативное и автоматизированное управление распределённой вычислительной инфраструктурой дата-центров, уровня ядра, агрегации и граничной сети, чтобы обеспечить эффективное управление ресурсами и предоставлять новые сервисы и приложения всему спектру пользователей 5G.
4. Наличие гибкой и автоматизированной системы управления и оркестрации услуг и ресурсов NFV: MANO (Management and Orchestration), что необходимо для оперативного формирования услуг и сервисов по запросу и без задержек, а также для эффективного распределения рабочей нагрузки на вычислительные и сетевые ресурсы распределённой сети ЦОД в 5G.
5. Возможность подключения и управления модульных и контейнерных ЦОД на границе сети (Mobile Edge) и гибкое управление их ресурсами в распределённой сети, что позволяет объединить ресурсы вычислительной инфраструктуры распределённых дата-центров в единую управляемую и автоматизированную сеть.
6. Наличие платформ разработки услуг и приложений, а также возможность их предоставления пользователям через API, что даёт возможность операторам сетей 5G быстро разрабатывать и предоставлять новые услуги и приложения по требованиям рынка, тем самым повысить конкурентоспособность оператора 5G.
7. Возможность взаимодействия со сторонними платформами разработки и предоставления услуг сторонними провайдерами OTT (Over The Top) для ведения с ними совместного и взаимовыгодного бизнеса, таким образом, расширить спектр предоставляемых услуг и приложений, даже для тех групп пользователей, для которых разработка услуг самим оператором может быть нецелесообразна в силу небольшого объёма рынка или специфических требований небольших рынков или узкоспециальных приложений.

Нейтральные дата-центры представляют собой одну из основ для построения и функционирования сетей 5G, демонстрируя истинную конвергенцию информационно-коммуникационных технологий (ИКТ). В долгосрочной перспективе операторам связи будут более рассматривать эти площадки и использовать сервисы по модели Colocation, чем инвестировать в строительство собственных центров обработки данных.

Для крупных предприятий с ведомственными сетями связи (private 5G)  сотрудничество с нейтральными ЦОДами, такими как IXcellerate, также позволит значительно повысить эффективность использования ресурсов, улучшить быстродействие и оперативность в предоставлении новых услуг. Таким образом, нейтральные дата-центры становятся ключевым элементом успешной стратегии в эпоху 5G.