Purpose and implementation of network function virtualization in 5G mobile networks

Standard 5G mobilnih mreža obećava značajno povećanje propusnosti, smanjenje odziva, povećanu sigurnost, pokrivenost i pouzdanost mobilne mreže. 5G mobilna mreža prva je generacija mobilne mreže u kojoj će sve mrežne funkcije biti virtualizirane. Također zahtjeva i apsolutnu separaciju signalizacijskog prometa od podatkovnog prometa. Virtualizacija predstavlja sloj apstrakcije između hardvera i operacijskih sustava. Ona nam omogućava da hardverski dio računala podijelimo na više dijelova po potrebi i prikažemo na način koji želimo prema vanjskim korisnicima. Postoji više vrsta virtualizacije. Kod potpune virtualizacije hypervisor direktno upravlja hardverom te ga „predstavlja“ virtualnim računalima. Virtualizacija na razini operacijskog sustava predstavlja vrstu virtualizacije kod koje operacijski sustav upravlja resursima a hypervisor koristi ono što mu je dostupno od strane operacijskog sustava u tom trenutku. Hibridna virtualizacija je vrsta virtualizacije u kojoj se dio istog fizičkog hardvera dodjeljuje operacijskom sustavu, a drugim dijelom upravlja hypervisor. Virtualne funkcije trebale bi biti sposobne iskoristiti skoro cijele performanse hardvera. To je naravno moguće ali se koriste razne metode ubrzavanja i optimizacija procesiranja unutar sustava. Korištenjem većih blokova radne memorije smanjuje se mapa s pokazivačima na blokove radne memorije, čime se ubrzava radnja dohvaćanja blokova memorije iz radne memorije. Ako osiguramo da jedna virtualna funkcija koristi jezgre procesora s istom NUMA oznakom znatno ćemo smanjiti ne jedinstveni pristup radnoj memoriji, te dodatno povećati performanse virtualnih funkcija. Zaobilaženjem jezgre operacijskog sustava, samim time i sporog načina na koji jezgra obrađuje pakete, moguće je ostvariti korištenjem DPDK-a. Tom metodom kao i SRIOV-em optimiziran je i ubrzan ulaz i izlaz paketa u virtualne mrežne funkcije. Virtualne mrežne funkcije 5G mobilne mreže koristit će ove metode ubrzavanja i optimizacije obrade kako bi uspjele dobiti i do 10 puta veće performanse iz hardvera. Računalni oblak, kada se implementira u mobilnim mrežama, služi kao metoda odvajanja dijelova mreže. Privatni računalni oblak je vrsta računalnog oblaka koja se koristi za potrebe implementacija mobilnih mreža. Ovakva vrsta oblaka dozvoljava mobilnim operaterima upravljanje svim svojim fizičkim resursima. Infrastruktura kao usluga trenutno se koristi unutar podatkovnih centara mobilnih operatera. Ovom vrstom usluge izložen je samo fizički dio infrastrukture pružateljima usluge. Postoje dvije vrste skaliranja računalnog oblaka, vertikalno skaliranje predstavlja povećanje performansi hardvera koji virtualna mrežna funkcija koristi, npr. dodavanje dodatnih modula radne memorije ili zamjena procesora za one s većim radnim taktom. Horizontalno skaliranje podrazumijeva dodavanje novog hardvera u oblak te instalaciju mrežnih funkcija na novi hardver. Izvjesno je da će adaptacija na novu arhitekturu 5G mreže potrajati. Iz tog razloga smišljene su prijelazne arhitekture koje će iskoristiti radijski pristupni dio 5G mreže za povećanje performansi, te CUPS kako bi približili arhitekturu 4G mreže željenoj arhitekturu 5G mreže.The 5G Mobile Network promises a significant increase in bandwidth, reduced latency, increased security, coverage, and mobile network reliability. The 5G mobile network is the first generation of a mobile network in which all network functions will be virtualized. It also requires the absolute separation of control traffic from data traffic. Virtualization represents a layer of abstraction between hardware and operating systems. It allows us to divide the computer's hardware into multiple parts and present it to external users. There are several types of virtualization. With bare metal virtualization, the hypervisor directly manages hardware and "presents" it to virtual computers. OS Virtualization is the type of virtualization in which the operating system manages the resources and the hypervisor uses parts of resources that are given to him by OS. Hybrid virtualization is a kind of virtualization where one part of the same physical hardware is assigned to the operating system, and the other is managed by the hypervisor. Virtual functions should be able to take advantage of almost the entire hardware performance. This is of course possible, but various acceleration methods and optimization of processing within the system are used. By using Hugepages, the map that contains memory block pointers is reduced, thus accelerating the task of retrieving memory blocks from the working memory. If we ensure that a virtual function uses a processor core with the same NUMA ID, we will considerably reduce the non-uniform memory access and further increase the performance of virtual functions. Avoiding the kernel of the operating system, and the slow way in which the kernel is processing the packets, is possible to accomplish using DPDK. Alongside this method SRIOV also optimizes the fast input and output of the packet to virtual network functions. Virtual networking features of the 5G mobile network will use these acceleration and optimization methods for processing to get up to 10 times higher hardware performance than without using the before mentioned methods. Cloud computing, when implemented in mobile networks, serves as a method for separating network parts. A private cloud is used for the needs of mobile network deployment. This type of cloud allows mobile operators to manage all their physical resources. Infrastructure as a service is currently being used within data centers of mobile operators. This type of service is only exposing the physical part of infrastructure to service providers. There are two types of computer scaling, vertical scaling is the enhancement of the hardware performance that the virtual network function uses, for example by adding additional memory modules or replacing the processor for those with a higher base clock. Horizontal scaling involves adding new hardware to the cloud and installing network functions on the new hardware. Adaptation to the new 5G network architecture will certainly take some time. For this reason, the non-standalone architectures will use the radio access part of the 5G network to increase performance and CUPS design to close the gap between the 4G and 5G architecture