Towards a Methodology to Assess Quality of 5G Slicing

Abstract

Skivedeling av nettverk muliggjøre at flere tjenester og applikasjoner med ulike ytelseskrav kan operere parallelt på en delt nettverksinfrastruktur. Ved å benytte programvaredefinert nettverk (SDN) og nettverksfunksjonsvirtualisering (NFV), forventes skivedeling å kunne tilby dedikerte ende-til-ende isolerte nettverk som følger strenge ytelseskrav og garantier. Fra og med 5G, utgivelse 15, har skivedeling av nettverk blitt innført av 3GPP i 5G standarden. Dette åpner for at vertikale bransjer som har vært nødt til å bruke interne eller tilpassede nettverksløsninger på grunn av strenge kommunikasjonskrav nå kan se til 5G. Dette krever imidlertid en pålitelig og stabil implementering av nettverkskiver som kan tilby nøkkelfunksjoner som ytelsesgarantier, skiveisolasjon, dynamisk ressursomfordeling og skalerbarhet.

I denne avhandlingen har vi undersøkt i hvilken grad mekanismer for skivedeling av nettverk kan realiseres ved bruk av dataplanbaserte ressursallokeringsmekanismer. Vi har undersøkt tilgjengelige mekanismer, opprettet flere belastningsscenarioer og skrevet ruterkonfigurasjoner for å undersøke effektiviteten til mekanismene. Vi designet og satt sammen et fysisk testmiljø for å måle graden av isolasjonen mellom to isolerte virtuelle nettverk i en Cisco ISR 4221-ruter. Målingene viser at ingen enkelt mekanisme er den universelle løsningen for å gi ytelsesisolasjon, ressursomfordeling og skalerbarhet. For tilfellet med bare to skiver brukt i denne avhandlingen, en skive for alminnelig datatrafikk og en skive for kritisk datatrafikk, gir streng prioritet den mest optimale løsningen. Målingene viser at bruk av prioritering muliggjør både ytelsesisolasjon og ressursomfordeling.

Network slicing is envisioned to enable multiple services and applications with different service requirements to operate in parallel on a shared network infrastructure. By utilizing software-defined networking (SDN) and network function virtualization (NFV), slicing is expected to provide dedicated end-to-end isolated networks adhering to strict service requirements and performance guarantees. As of 5G release 15, network slicing has been implemented by 3GPP in the standard. This is tempting vertical industries, that have had to use in-house or custom network solutions due to their stringent communication requirements, to consider 5G infrastructure. However, this requires a reliable and stable implementation of network slicing, an implementation able to provide key features such as performance guarantees, slice isolation, dynamic resource reallocation, and scalability.

In this thesis, we have investigated to which extent features of network slicing can be realized by data plane resource allocation mechanisms. We have investigated available mechanisms, created multiple load scenarios, and written router configurations to investigate the effectiveness of the mechanisms. We designed and assembled a physical testbed for measuring the performance isolation between two isolated virtual networks in a Cisco ISR 4221 router. The measurements show that no single mechanism is the one-fits-all solution for providing performance isolation, resource reallocation, and scalability. For the case of only two slices used in this thesis, a best-effort slice and a critical slice, strict priority yields the most optimal solution. The measurements show that the use of strict priority enables both performance isolation and resource reallocation.