Application of Intents in a Fully Functional Simulated 5G Testbed

Il numero crescente di dispositivi e sensori che richiedono connessione tra di loro, sta causando un notevole aumento delle sfide per le attuali infrastrutture di rete. Le tecnologie esistenti faticano a tenere il passo con questa progressiva domanda, che include la necessità di trasmissioni dati ad altissima velocità e latenze estremamente basse. La transizione dai sistemi monolitici (come le reti 4G), che sono intrinsecamente poco estendibili e scalabili, verso sistemi distribuiti che possono essere configurati e testati in modo più rapido, rappresenta l’evoluzione naturale che il settore delle telecomunicazioni deve seguire. In questo contesto, tecnologie come il Cloud Computing (che fornisce infrastrutture, piattaforme e software come servizi), il Software Defined Networking (che utilizza un controller centralizzato per gestire tutte le configurazioni dei dispositivi di una rete, con l’obiettivo di rendere la rete più flessibile) e la Network Functions Virtualization (che permette di virtualizzare il comportamento di dispositivi di rete, rendendone più semplice la gestione), costituiscono le basi per affrontare queste sfide.

Una possibile soluzione a questi problemi è rappresentata dalla nuova rete 5G, che combina tra loro tutte queste tecnologie. Tuttavia, anche queste innovazioni presentano limiti che difficilmente possono essere superati senza un cambio di paradigma. Ad esempio, un ambiente cloud centralizzato non offre la possibilità di computare i dati in prossimità degli utenti finali, e quindi di garantire latenze ridotte. Al contrario, è altrettanto vero che in una infrastruttura edge, ossia un ambiente cloud in cui la computazione avviene in nodi molto vicini agli utilizzatori finali, non è possibile disporre di tutta la potenza computazionale che invece un cloud centrale permetterebbe di avere.

Il modello emergente chiamato Cloud-to-Edge continuum, offre una soluzione ibrida per ottenere i vantaggi di un cloud centralizzato (grandi quantità di risorse scalabili) e di un’infrastruttura edge (possibilità di offrire servizi tramite nodi di calcolo vicini agli utenti finali). Utilizzando questa soluzione, un’organizzazione che desidera fornire servizi con bassa latenza ai propri clienti, richiede a un cloud provider centralizzato di pubblicare i propri servizi. Poiché il cloud provider non dispone dei nodi edge, collabora con gli Internet Service Provider locali, che forniscono i nodi edge 5G necessari per soddisfare la richiesta. Al fine di semplificare la distribuzione dei servizi e automatizzare le attività correlate, viene inoltre implementata una Intent Based Network (IBN). Le organizzazioni possono inviare al cloud provider degli “intent”, che definiscono il comportamento desiderato e i parametri di Quality of Service (QoS) del servizio. Il provider comunica quindi gli intent ai nodi edge gestiti dagli Internet Service Provider, che si occupano di soddisfarli e mantenerli in modo completamente automatico. Ad esempio, un servizio potrebbe richiedere latenze che non superino mai i 10 ms. Un intent per quel servizio dovrebbe quindi definire una soglia di 10 ms come limite di latenza, e la rete dovrebbe essere in grado di adattarsi automaticamente per garantire che le latenze per quel servizio non superino mai tale soglia.

Obiettivi e progetto implementato

La principale lacuna che la tesi si propone di colmare, è la mancanza nella letteratura di una Testbed 5G completa in grado di simulare lo scenario descritto in precedenza. Tra gli altri obiettivi, la Testbed deve utilizzare software Open Source e che sia conforme agli ultimi standard internazionali nel campo delle telecomunicazioni.

La Testbed implementata è costituita da una piattaforma cloud che ospita una rete 5G completa, e da un orchestratore di rete che permette di fornire ai clienti finali i servizi delle organizzazioni. Infine, la Testbed comprende una estensione software dell’orchestratore di rete sviluppata per implementare una primordiale versione di Intent Based Network. Questa componente, permette di validare i requisiti computazionali dei servizi proposti dalle organizzazioni prima di metterli a disposizione dei clienti. Senza l’estensione infatti, non sarebbe possibile sapere a priori se il cloud disponga della quantità di risorse necessarie a far funzionare correttamente un servizio.

Risultati ottenuti e sviluppi futuri

Gli obiettivi prefissati sono stati raggiunti e sono stati ottenuti risultati incoraggianti nei test che sono stati eseguiti sull’infrastruttura. Nello specifico, è stata resa operativa una intera rete 5G comprensiva sia della parte radio (simulata), che della parte Core (il cervello della rete). Sui nodi edge sono stati caricati, mediante un orchestratore di rete, alcuni esempi di servizi che le organizzazioni potrebbero fornire ai clienti. Il processo mediante il quale un servizio è reso fruibile ad un cliente, deve seguire una serie di operazioni che richiedono tempo per essere completate. Tutte queste operazioni devono essere eseguite sia nel caso in cui ci siano sufficienti risorse disponibili sul cloud, che nel caso in cui non ce ne siano a sufficienza.

L’estensione sviluppata interviene subito prima di eseguire il ciclo di operazioni necessarie per rendere un servizio fruibile, introducendo così un leggero ritardo nel suo ciclo di vita. Il ritardo introdotto dall’estensione sviluppata è tuttavia necessario per evitare lo spreco di tempo che sarebbe causato dal tentativo di lanciare il servizio senza sufficienti risorse disponibili sul cloud. In effetti, se la quantità di risorse sul cloud non è sufficiente per soddisfare quanto richiesto da un intent, l’estensione implementata è in grado di rilevare il problema e impedire il caricamento del servizio.

Gli impatti che l’infrastruttura implementata avrà in futuro riguarderanno scenari del mondo reale, come quello proposto dal progetto Multilayered Urban Sustainability Action (MUSA) , finanziato dal Piano Nazionale di Ripresa e Resilienza (PNRR). MUSA si impegna nell’ambiziosa sfida di trasformare l’area metropolitana di Milano in un ecosistema innovativo, con l’obiettivo di creare un modello replicabile a livello nazionale ed europeo. Gli investimenti dedicati a tale progetto includono anche il settore delle telecomunicazioni. Infatti, i fondi destinati al progetto MUSA consentiranno di installare antenne fisiche 5G presso l’Università Degli Studi di Milano, permettendo così di sperimentare l’architettura presentata nella tesi anche su apparecchiature reali e non simulate.