يُتوقع من شبكة5G واحدة أن تدعم في الوقت نفسه عوالم خدمية شديدة الاختلاف. قد يشاهد مستخدم فيديو عالي الدقة، وقد يستخدم آخر اتصالًا يضم عددًا هائلًا من مستشعرات إنترنت الأشياء، بينما قد يحتاج عميل صناعي إلى زمن استجابة فائق الانخفاض وموثوقية أعلى لعملية إنتاج محلية. ولا تطلب هذه الخدمات من الشبكة النطاق الترددي نفسه أو التأخير نفسه أو مستوى الأمان نفسه أو كثافة الأجهزة نفسها أو سلوك التغطية نفسه.

إن بناء شبكة محمولة مادية منفصلة لكل نوع من الخدمات ليس واقعيًا. ستكون التكلفة مرتفعة جدًا، وستصعب إدارة الموارد، وسيكون النشر بطيئًا. يحل تقطيع الشبكة في 5GC هذه المشكلة بإنشاء شبكات خاصة منطقية فوق بنية تحتية مادية مشتركة. ويمكن تصميم كل شريحة بخصائصها الخدمية الخاصة مع إعادة استخدام موارد الوصول والنقل والحوسبة وشبكة النواة المشتركة.

بعبارة مبسطة، شريحة الشبكة هي شبكة منطقية مخصصة لمجموعة خدمة أو عميل صناعي أو فئة تطبيق محددة. وهي ليست مجرد مفهوم داخل نواة 5GC، بل فكرة من طرف إلى طرف قد تشمل شبكة الوصول 5G، وشبكة النقل أو الحامل، وشبكة نواة 5G. وتأتي قيمتها من موازنة هدفين: مشاركة الموارد المادية لتحقيق كفاءة التكلفة، والعزل المنطقي لتحقيق تمييز الخدمات.

لماذا توجد شرائح الشبكة

ترجع خلفية تقطيع الشبكة في 5GC إلى الاختلاف الكبير بين سيناريوهات خدمات 5G. والفئات الشائعة هي eMBB وmMTC وuRLLC. يركز النطاق العريض المتنقل المحسن على الإنتاجية العالية وتجربة المستخدم الغنية. وتركز الاتصالات الضخمة من نوع الآلة على عدد هائل من الأجهزة منخفضة المعدل. أما الاتصالات فائقة الموثوقية ومنخفضة الكمون فتركز على متطلبات صارمة لزمن الاستجابة والموثوقية وضمان الخدمة.

تؤدي هذه الفئات إلى أولويات مختلفة في تصميم الشبكة. قد تحتاج eMBB إلى إنتاجية عالية أو فائقة لكل جهاز وتغطية واسعة. وقد تتطلب mMTC كثافة ضخمة من الأجهزة ومعدل بيانات منخفضًا وتكلفة منخفضة لكل بت. وقد تتطلب uRLLC زمن استجابة شديد الانخفاض وموثوقية أعلى وتحكمًا أكثر صرامة في سلوك الخدمة. إن معاملة كل هذه الخدمات كحركة مرور عادية بأفضل جهد ستهدر إمكانات 5G.

يتيح تقطيع الشبكة للمشغل تلبية هذه الاحتياجات المختلفة من خلال الفصل المنطقي. ويمكن لشريحة نطاق عريض للمستهلكين، وشريحة تحكم صناعي، وشريحة لإنترنت الأشياء أن تشترك في البنية التحتية المادية، بينما تختلف سياسات الخدمة ووظائف النواة وسلوك QoS وقواعد التشغيل لكل منها. وهذا يوفر طريقة أكثر مرونة لبيع قدرات الشبكة المتنقلة وتشغيلها.

ما الذي تحتويه الشريحة

شريحة الشبكة هي شبكة منطقية توفر قدرات وخصائص شبكية محددة. وتمثل نسخة شريحة الشبكة، أو NSI، النسخة المنشورة فعليًا من تلك الشريحة. وهي تحتوي على مجموعة من مثيلات وظائف الشبكة والموارد اللازمة لتشغيلها، مثل موارد الحوسبة والتخزين والشبكات.

في نشر 5GC، يمكن مشاركة بعض الوظائف بين عدة شرائح، بينما يمكن تخصيص وظائف أخرى لشريحة واحدة. فعلى سبيل المثال، قد تشترك عدة شرائح في بعض التصاميم في وظائف مستوى التحكم العامة مثل AMF. وفي الوقت نفسه، يمكن لكل شريحة استخدام SMF وUPF خاصين بها حتى تتبع معالجة الجلسات وحركة مرور مستوى المستخدم متطلبات تلك الشريحة.

ينشئ ذلك تمييزًا واضحًا بين الأجزاء المشتركة والأجزاء الخاصة بالشريحة. يقلل الجزء المشترك التكرار ويوفر الموارد، بينما يمنح الجزء الخاص كل خدمة سلوكها ومسار بياناتها ومعالجتها الخاصة. وفي كثير من التصاميم، قد يصل UE واحد أيضًا إلى أكثر من شريحة، مع استخدام جلسات PDU مختلفة لمسارات مرتبطة بشرائح مختلفة.

لا يتطلب تقطيع الشبكة تشغيل كل وظيفة على خادم مادي منفصل. يمكن لوظائف الشرائح المختلفة العمل على مجموعة خوادم X86 نفسها مع الحفاظ على العزل عبر المحاكاة الافتراضية وKVM ومساحات أسماء الحاويات وآليات VPN وسياسات الإدارة. وهذا أحد الأسباب التي تجعل التقطيع أكثر عملية من بناء شبكات مادية منفصلة.

كيف تعمل هوية الشريحة

يعتمد اختيار الشريحة على المعرّفات. المعرّف الرئيسي هو S-NSSAI، أي معلومات المساعدة على اختيار شريحة شبكة واحدة، وهو يحدد شريحة شبكة واحدة بصورة فريدة. أما NSSAI فهو مجموعة من عدة S-NSSAI، ولذلك يمثل مجموعة من الشرائح وليس شريحة واحدة فقط.

يتكون S-NSSAI من جزأين رئيسيين. يحدد SST، أي نوع الشريحة/الخدمة، نوع الشريحة. وتشمل قيم SST الشائعة 1 لـeMBB و2 لـURLLC و3 لـMIOT و4 لـV2X. ويُستخدم SD، أي مميّز الشريحة، للتمييز بين شرائح مختلفة من النوع نفسه. ويكون ذلك مفيدًا عندما تنتمي شريحتان إلى فئة الخدمة نفسها لكنهما تخدمان عملاء أو مناطق أو سياسات تجارية مختلفة.

توجد عدة مصطلحات NSSAI مهمة في الإجراءات الفعلية. يمكن إعداد Configured NSSAI مسبقًا في UE أو إرساله بواسطة AMF، ويساعد UE على إنشاء معلومات الشريحة المطلوبة. ويشير Subscribed NSSAI إلى بيانات الاشتراك في الشرائح المخزنة للمستخدم. ويحمل UE Requested NSSAI في طلب التسجيل. أما Allowed NSSAI فهو مجموعة الشرائح المسموح لـUE بالوصول إليها في منطقة التسجيل الحالية. ويخبر Rejected NSSAI جهاز UE بأي عمليات وصول إلى الشرائح تم رفضها.

لا يقرر UE وحده مجموعة الشرائح المسموح بها. فهي تتأثر بسياسة NSSF وبيانات اشتراك UDM وقدرة AMF على الدعم وظروف منطقة التسجيل. ويرسل AMF النتيجة النهائية المسموح بها إلى UE في رسالة قبول التسجيل. ويمكن السماح لـUE بالوصول إلى ما يصل إلى ثماني شرائح في الوقت نفسه، ما يعني أن Allowed NSSAI يمكن أن يحتوي على ما يصل إلى ثمانية S-NSSAI.

كيف يُتخذ قرار الاختيار

تقدم 5G وظيفة NSSF، أي وظيفة اختيار شريحة الشبكة، للمساعدة على اختيار نسخة شريحة مناسبة، واختيار نقطة دخول AMF للشريحة، وتحديد Allowed NSSAI. يحدث اختيار الشريحة في مرحلتين رئيسيتين. تقع المرحلة الأولى أثناء التسجيل الأولي، حيث تختار الشبكة AMF المرتبط بالشريحة وتحدد مجموعة الشرائح المسموح بها لـUE. وتقع المرحلة الثانية أثناء إنشاء جلسة PDU، حيث يتم اختيار SMF وUPF ومعالجة مستوى المستخدم ذات الصلة.

أثناء التسجيل، يمكن لـUE اختيار Requested NSSAI استنادًا إلى Configured NSSAI أو Allowed NSSAI محفوظ سابقًا. وعندما يحتاج gNB إلى اختيار AMF، يمكنه استخدام 5G-S-TMSI أو GUAMI إذا كانا متاحين. وإذا لم تكن هذه المعرّفات متاحة، فيمكن لـgNB استخدام Requested NSSAI لتوجيه اختيار AMF. وإذا لم تساعد أي من هذه الشروط، فقد تُرسل الرسالة إلى AMF افتراضي.

يحسن Requested S-NSSAI المحاولة الأولى لاختيار AMF. فبدلًا من الاختيار دون معلومات، يمتلك gNB معلومات مرتبطة بالشريحة تزيد احتمال اختيار AMF مناسب. وإذا كان AMF المختار قادرًا على خدمة الشريحة المطلوبة وكان UE يمتلك إذن الاشتراك، فيمكن لـAMF إرسال قبول التسجيل مع Allowed NSSAI المناسب.

إذا لم يستطع AMF خدمة الشريحة المطلوبة، أو إذا لم يكن UE مشتركًا فيها، فقد يحتاج AMF إلى الاستعلام من NSSF. ويمكن لـNSSF إعادة Allowed NSSAI مختلف وAMF مناسب. وبعد ذلك يمكن إعادة توجيه طلب التسجيل مباشرة أو بصورة غير مباشرة إلى AMF الصحيح. ويحافظ ذلك على مرونة عملية الاختيار مع بقائها خاضعة للاشتراك والسياسة وقدرة الشبكة.

لماذا يهم العزل

العزل أحد الأسباب الرئيسية التي تجعل المؤسسات والعملاء الصناعيين يهتمون بالتقطيع. يجب أن تتصرف كل شريحة كشبكة خاصة منطقية حتى مع مشاركة الموارد المادية. ولا ينبغي للشرائح المختلفة أن ترى بعضها أو تؤثر في بعضها بحرية. ويدعم ذلك الأمان والاستقلال التشغيلي والتحكم في مستوى الخدمة.

يمكن تنفيذ العزل على عدة طبقات. يفصل اختيار الشريحة مسار الوصول إلى الخدمة. وتفصل الآلات الافتراضية أو الحاويات بيئات الحوسبة. ويمكن لآليات مساحات الأسماء عزل الموارد على مستوى الحاوية. كما يمكن لـVPN وفصل النقل حماية مسارات الحركة. ويمكن للتحكم في السياسات تعريف قواعد QoS وخدمة مختلفة. ويمكن لأنظمة الإدارة أيضًا فصل الرؤية المتاحة لكل عميل والصلاحيات التشغيلية.

على مستوى الأعمال، يجعل العزل تقديم خدمة مخصصة أسهل. قد تحتاج شريحة مصنع إلى موثوقية أعلى وزمن استجابة أقل. وقد تحتاج شريحة فيديو عريض النطاق إلى إنتاجية عالية. وقد تحتاج شريحة إنترنت الأشياء إلى سعة كبيرة من الأجهزة وتكلفة إشارات منخفضة. ويمكن تشكيل كل شريحة وفق متطلبات مختلفة مع تجنب تكلفة شبكة مادية منفصلة بالكامل.

أهمية إدارة دورة الحياة

شرائح الشبكة ليست كائنات ثابتة. فمثل وظائف الشبكة، لديها دورة حياة. ويمكن إعداد الشريحة وإنشاؤها وتهيئتها وتفعيلها ومراقبتها وتوسيعها أو تقليصها وتعديلها وتعطيلها وإنهاؤها. وتعد إدارة دورة الحياة مهمة لأن التقطيع لا يصبح مفيدًا تجاريًا إلا عندما يمكن إنشاء الشرائح وتغييرها وإزالتها بكفاءة.

يمكن تقسيم دورة الحياة إلى أربع مراحل. الأولى هي الإعداد، وتشمل تصميم قالب الشريحة والتزويد المسبق وإعداد بيئة الشبكة. والثانية هي الإنشاء والتهيئة والتفعيل، حيث تُنشأ الشريحة وتُحمّل إعدادات الخدمة وتدخل الخدمة. والثالثة هي التشغيل، حيث تتم مراقبة مؤشرات KPI والإنذارات والتقارير وأداء الخدمة. وبناءً على النتائج، قد يفعّل النظام الاستشفاء الذاتي أو التوسع التلقائي. والرابعة هي الإخراج من الخدمة، حيث يمكن نقل المستخدمين وتعطيل الشريحة وتحرير الموارد.

تُدار هذه العملية عادةً بواسطة مدير الشرائح بالتعاون مع MANO. ويتضمن MANO التنسيق وإدارة VNF وإدارة البنية التحتية الافتراضية. وتتولى وظائف EMS أو NMS إدارة عناصر الشبكة والتهيئة والإنذارات والأداء والعمليات المرتبطة بالأمان. وتساعد هذه الأنظمة معًا على تحويل تصميم الشريحة إلى خدمة شبكة منشورة وقابلة للإدارة.

القوالب تتيح NSaaS

يصف قالب الشريحة وظائف الشبكة والمواصفات والموارد والاتصالات ومعلمات الخدمة المطلوبة. وقد يظهر للعملاء الخارجيين كقالب شريحة، بينما قد يحتاج داخل بيئة المشغل إلى التحويل إلى قالب خدمة شبكة يستطيع MANO فهمه. ويمكن استخدام صيغ مثل HOT وOVF وTOSCA بحسب بيئة التنسيق.

يبدأ تصميم القالب من متطلبات العميل. يحتاج المشغل إلى فهم احتياجات QoS والنطاق الترددي وحجم المستخدمين المتصلين والتكرار والأمان وتغطية الخدمة. ثم تُترجم هذه المتطلبات إلى موارد شبكة ومعلمات 5GC، مثل 5QI والتحكم المرتبط بالسياسات. وبعد ذلك يمكن تحميل القالب إلى مدير الشرائح أو المنسق لإدارة دورة الحياة.

ينشئ ذلك مفهوم Network Slice as a Service، أو NSaaS. في نموذج مثالي، يمكن لعميل صناعي اختيار قالب شريحة عبر الإنترنت، وتقديم متطلبات الخدمة، وإكمال الطلب، واستلام معلمات الشريحة بعد الإنشاء الآلي. يرسل متجر الشرائح أو بوابة العميل الطلب إلى BOSS والمنسق. ويتعاون المنسق مع VNFM وVIM وEMS أو NMS لإنشاء الشريحة وتخصيص الموارد وتهيئة وظائف الشبكة وتأكيد جاهزية الخدمة.

والنتيجة هي نموذج تجاري جديد. فبدلًا من المفاوضات الطويلة خارج الإنترنت والتفعيل اليدوي، قد يحصل العميل على بوابة إدارة ذاتية وتزويد أسرع وتوسع مرن. ويمكن لعميل صغير أن يبدأ بشريحة تدعم 500 مستخدم، ويشغلها لمدة عام، ثم يوسعها إلى 1000 مستخدم. وإذا انتهت الخدمة، يمكن حذف الشريحة وتحرير الموارد. وهذه هي القيمة العملية للتقطيع: خدمة مخصصة، ووقت أقصر للوصول إلى السوق، وإعادة استخدام أفضل للموارد.

الأسئلة الشائعة

هل يمكن أن توجد شريحة شبكة من دون عتاد مادي مخصص؟

نعم. الشريحة شبكة منطقية. ويمكنها مشاركة الخوادم المادية وموارد النقل وبنية الوصول، مع استخدام المحاكاة الافتراضية والحاويات والتحكم في السياسات للحفاظ على الفصل.

لماذا يحتاج UE واحد إلى عدة شرائح؟

قد يشغل UE أنواعًا مختلفة من الخدمات في الوقت نفسه. فعلى سبيل المثال، قد تستخدم جلسة PDU واحدة شريحة خدمة مؤسسية، بينما تستخدم أخرى شريحة إنترنت عامة أو شريحة مرتبطة بـIMS.

ما الذي يحدد قبول طلب الشريحة؟

يعتمد القبول على بيانات الاشتراك وقدرة AMF وسياسة NSSF وظروف منطقة التسجيل وما إذا كان S-NSSAI المطلوب مدعومًا في سياق الشبكة الحالي.

لماذا نحتاج إلى SD إذا كان SST يحدد نوع الشريحة بالفعل؟

يحدد SST نوع الخدمة، بينما يميز SD بين شرائح مختلفة ضمن النوع نفسه. وهذا يسمح بتعايش عدة شرائح eMBB أو URLLC أو IoT ذات معانٍ تجارية مختلفة.

كيف يقلل التقطيع زمن النشر التجاري؟

تقلل القوالب والتنسيق والإدارة الآلية لدورة الحياة أعمال التصميم والنشر اليدوية. ويمكن تنفيذ التوسع والتفعيل وتحرير الموارد بسرعة أكبر بكثير من بناء شبكة مخصصة بالطريقة التقليدية.

تقطيع الشبكة في 5GC ليس مجرد بنية تقنية. بل هو طريقة لتجميع قدرات الشبكة المتنقلة في شبكات منطقية ومعزولة ومخصصة للخدمة. ومن خلال الجمع بين البنية التحتية المشتركة وهوية الشريحة والاختيار المنضبط وإدارة دورة الحياة والتنسيق القائم على القوالب، يمكن للمشغلين دعم قطاعات وأنواع خدمات مختلفة من دون بناء شبكة مادية منفصلة لكل عميل.