רשת מוגדרת תוכנה

רשת מוגדרת תוכנה (Software Defined Network – SDN) עבור רשתות Wi-Fi ציבוריות. מאת: ליאור משען ויעל שביט, אלווריון

רקע:  השימוש הגדל והולך ביישומי וידאו, ברשתות חברתיות והחדירה הגוברת של טלפונים חכמים וטאבלטים לשוק מביאה לגידול משמעותי בכמות התעבורה שמפעילים סלולריים נדרשים להעביר על גבי הרשתות שלהם. דו”ח שפורסם על ידי סיסקו בפברואר 2013 צופה כי מגמה זו תואץ עוד יותר עם תעבורה שתעלה מ-0.9 אקסה-בייט (exabytes) לחודש בשנת 2012 ותגיע ל-11.2 אקסה-בייט לחודש בשנת 2017, שיעור צמיחה שנתי ממוצע
(CAGR) של 66%. מובן היום כי גם פריסת רשתות בטכנולוגית דור 4 (LTE) לא תספיק לכמות התעבורה העצומה הצפויה. במקום זאת, מפעילים סלולריים מאמצים תמהיל של מספר טכנולוגיות אלחוטיות ובכלל זה LTE, תאים סלולריים קטנים (small micro cells),
ו-Wi-Fi. הדו”ח של סיסקו צופה כי עד שנת 2017, 46% מהתעבורה על גבי רשתות סלולריות תועבר דרך תאים סלולריים קטנים ו-Wi-Fi ולא דרך תאים סלולריים גדולים. טכנולוגית Wi-Fi היא ללא ספק אחד הכלים המרכזיים שמפעילים סלולריים משתמשים בו כבר היום כדי להתמודד עם האתגר של תעבורת נתונים הולכת וגדלה. מלבד הצורך הגדל בקיבולת, לשימוש ב-Wi-Fi יש יתרונות נוספים, ובכלל זה הפחתת העלות להעברת ביט מידע (כעשירית מהעלות ברשתות LTE) וקיומו של חיבור Wi-Fi בכל טלפון חכם וטאבלט (כמו גם במחשבים ניידים) המאפשר חוויית משתמש באיכות גבוהה ומאובטחת. התעשייה וועדות התקינה מכוונים את המשך הפיתוח של פרוטוקולי ה-Wi-Fi, בין היתר, להשגת פתרונות סטנדרטים עבור ממשקי החיבור והניידות (roaming) בין הטלפונים החכמים, לרשתות ה-Wi-Fi ולרשתות המפעילים (לדוגמא ™Passpoint). בגין הסיבות האלו, חברות תקשורת ומפעילים סלולרים מרחיבים את השימוש בשירותי Wi-Fi, בעיקר באזורים הומי אדם כמו מרכזי ערים, תחנות רכבת, מרכזי קניות וקמפוסים. חברת המחקר Cleveland Research Company צופה כי שוק ה-Wi-Fi עבור מפעילים סלולרים צפוי לגדול במהירות מכ-600 מיליון דולר בשנת 2012 לכ-4 מיליארד דולר בשנת 2015.
רשתות Wi-Fi ציבוריות גדולות עומדות בפני אתגרים משמעותיים הן מבחינת כיסוי הרדיו והן מבחינת חיבוריות הרשת האלחוטית לרשת של ספק התקשורת. מבחינת הרדיו, אזורים הומי אדם עם תעבורה גבוהה כגון מרכזי ערים, תחנות רכבת ושדות תעופה מתאפיינים במשתמשים רבים בו זמנית וברמות רעש גבוהות ומשתנות שנוצרות על ידי מאות מכשירים ניידים ועל ידי קורנים אלקטרו-מגנטיים אחרים הנמצאים בסביבה. אחרי הכל, תקשורת ה-Wi-Fi מבוססת על טכנולוגית אלחוטית בתדרים שאינם דורשים רישיון שידור (license-exempt bands) וקורנים בתדרים אלו, הן בתחום ה-2.4GHz והן בתחום ה-5GHz, רק מתרבים עם הזמן. כמו כן, גורמים שונים כמו מבנים, עצים, שלטי חוצות וכדומה גורמים לחסימת קו ראיה ישיר (non-line-of-sight) ובכך להחלשת אות הרדיו בין המשדר למקלט. במקומות כאלה נקודות הגישה של רשת
ה- (Wi-Fi Access Points – APs) חייבות לספק כיסוי נרחב באופן יעיל וחסכוני להרבה משתמשים בו זמנית ומהירות גלישה גבוהה.
התקנות Wi-Fi של מפעילות תקשורת חייבות לכלול טכנולוגיות מתקדמות
לטיפול באתגרי רדיו אלו, כגון
spatial adaptive beamforming ,MIMO ואלגוריתמים מתוכחכמים לטיפול בהפרעות. מבחינת ניהול הרשת, ארכיטקטורה של “רשת מוגדת תוכנה” או software defined network יכולה לסייע למפעילים המשתמשים ב-Wi-Fi להרחיב את הרשת הקיימת ברשותם ולהוסיף שירות למיליוני מכשירים ניידים עם Wi-Fi, ללא פגיעה וכהשלמה לרשתות סלולריות מבוססות דור שלישי ו-LTE.

רשת מוגדרת תוכנה (Software Defined Network – SDN)
רשת מוגדרת תוכנה היא גישה חדשנית לבניית רשתות מחשבים אשר מפרידה ומפשטת את האלמנטים המרכיבים את המערכת. אלמנטים אלו מופרדים בין מישור “השליטה” (control” plane”) ומישור “המידע” (data” plane”). מישור “השליטה” מנהל את הרשת, ומישור “המידע” מטפל בתעבורת הנתונים של משתמשי הקצה והצרכנים דרך הרשת. ארכיטקטורה של רשת מוגדרת תוכנה עבור רשתות Wi-Fi המשמשות להקלה בעומסי תעבורת נתונים ברשתות סלולריות (mobile offloading) מאפשרת פריסה של רשתות תקשורת הניתנות להרחבה (scalable) על פי צורך ומספקות את איכות השירות שמשתמשי הקצה מצפים במינימום העלות.
חברות פרטיות (enterprises) ומפעילי תקשורת מסוימים מיישמים רשתות Wi-Fi עם APs “רזים” (Thin APs) יחד עם בקר מרכזי (Controller). ה-APs ה”רזים” אחראים על תפקוד הרדיו בלבד וכל התעבורה מנותבת לבקר. הבקר מתפקד גם כמערכת לניהול הרשת (element management system-EMS) וגם כמערכת לניהול השירות והמשתמשים, כגון בדיקות הרשאות של המשתמשים וחיוב על השימוש ברשת. ארכיטקטורה כזו היא יעילה לרשתות קטנות ו/או בינוניות. אולם רשתות Wi-Fi כאלה אינן אפקטיביות מבחינת עלות-תועלת ולא ניתן להגדיל את מספר המשתמשים בהן באופן משמעותי. בגלל הצורך להעביר את כל התעבורה דרך הבקר המרכזי, מרכיב זה הופך להיות יקר, מהווה נקודת כשל של הרשת (single point of failure) וצוואר בקבוק דרכו עוברת כל התעבורה דבר שלכעצמו מגדיל עלויות. זו איננה ארכיטקטורה המתאימה למפעילות תקשורת המעוניינות להרחיב את הרשת שלהן על מנת לכלול עשרות אלפי
Wi-Fi ולשרת מיליוני משתמשי קצה ולפיכך אינה מספקת פתרון לצרכים ארוכי הטווח של מפעילות תקשורת גדולות.
רשת מוגדרת תוכנה מציעה פתרון אטרקטיבי לבעיה זו. בארכיטקטורת רשת מוגדרת תוכנה, הבקר מנהל רק את מישור “השליטה”; במילים אחרות, רק תעבורת ניהול הרשת עוברת דרך הבקר. הבקר משמש gateway למערכת הניהול של הרשת הסלולרית של המפעיל, בעוד שה- Wi-Fi מנהלים את תעבורת המידע ואכיפת השירות של משתמשי הקצה. בארכיטקטורת רשת מוגדרת תוכנה, ה-Wi-Fi חייב להיות חכם או “שמן”
(Fat APs) ולכלול מרכיבי תוכנה אשר יודעים לנהל את התעבורה של משתמשי הקצה ובכלל זה, אבטחת שירות שכולל אימות משתמש, הרשאות, חיובים, הגבלת התעבורה לפי פרופילים וניתוב תעבורת המשתמשים ישירות לאינטרנט או למערכת ברשת הסלולרית של המפעיל באופן מאובטח.
היכולת לאכוף את רמת השירות בהתאם לתנאי הרדיו ובהתאם להסכם-השירות בין הצרכן למפעיל התקשורת על ידי ה-APs מבטיחה כי רק תעבורה מורשת וברת חיוב מועברת ברשת (backhauled), ובכך להקטין עומסים ועלויות.

סיכום
רשת מוגדרת תוכנה משלבת בצורה אידאלית יכולות של Fat AP עם הבקר חיצוני ובכך מאפשרת הרחבת הרשת באופן יעיל – בהתאם לגידול במספר משתמשי הקצה והצרכנים – עד לרשתות גדולות מאוד בהיקף של מיליוני משתמשים. בסך הכל, ארכיטקטורה זו מבטיחה ביצועים טובים יותר של הרשת ואין לה נקודת כשל בודדת – no single point of failure.

ליאור משען ויעל שביט הם מנהלי מוצר בחברת אלווריון