5G cloud native: Business vision e PoC TIM-Ericsson

5G cloud native: Business vision e PoC TIM-Ericsson
 

5G cloud native: Business vision e PoC TIM-Ericsson

 

TIM ha deciso di indirizzare la sua evoluzione tecnologica in modo innovativo, materializzando la propria visione nella 5G Digital Business Platform, che può essere considerata come un ambiente in cui il 5G, il paradigma cloud, le soluzioni per la gestione del ciclo di vita dei servizi ai clienti, uniti all’uso estensivo delle tecniche di intelligenza artificiale, si fondono in una sola piattaforma tecnologica. Le tecnologie cloud native rappresentano un pilastro di tale approccio, poiché forniscono la flessibilità necessaria ed abilitano nuovi modelli di business più dinamici. TIM ha sperimentato con successo - primo operatore in Italia e tra i primi al mondo grazie alla collaborazione con Ericsson - la core network 5G cloud native presso i propri laboratori di Torino, accelerando così il percorso di evoluzione della rete 5G di TIM verso le tecnologie cloud native.

 

I nuovi modelli di business abilitati dalle tecnologie cloud native

Il 5G è una keyword della Industry sia Telco sia dei nuovi servizi verticals per l’Industria 4.0 e la Pubblica Amministrazione, come un nuovo paradigma capace di realizzare la trasformazione dei servizi verso il digitale. Se però guardiamo nel fine cosa si intenda per 5G, ci rendiamo conto che esiste una pletora di interpretazioni e aspettative che differiscono molto tra di loro.

In primis il 5G è una nuova tecnologia standardizzata dal 3GPP, così come le precedenti generazioni del Mobile. Molti pensano quindi che il carattere distintivo e l’innovazione del 5G siano legati alla nuova interfaccia radio, che abilita un salto prestazionale. In realtà, sebbene l’interfaccia radio del 5G, la cosiddetta “New radio interface”, porterà una serie di innovazioni quali l’uso delle bande millimetriche (come la 26 GHz), delle funzionalità quali le antenne attive, del Multi-User MIMO, e di soluzioni per il supporto di bassissime latenze per servizi verticali “estremi” (il tele controllo di robot, droni, delle auto, etc.), essa non rappresenta l’unico carattere distintivo. Non a caso lo stesso 3GPP qualifica l’evoluzione di LTE dalla release 15 in poi come 5G e prevede il suo collegamento alla nuova core 5G (5GC), rendendo nei fatti LTE la prima interfaccia radio del 5G. Già oggi LTE evoluto per applicazioni eMBB consente di raggiungere velocità di centina di Mbps in mobilità, soddisfecendo quindi i requisiti dei clienti e della digital agenda europea.

Ma allora quale è il carattere distintivo del 5G?

Una delle più grosse rivoluzioni apportate dal 5G sarà nella rete di back end, andando a creare la prima rete programmabile pensata per gestire in modo autonomo e autonomico una miriade di interazioni non solo human ma soprattutto not human, determinando l’inizio di una nuova era.

Di fatto la tecnologia 5G, unitamente all’impiego delle tecnologie cloud native (le stesse per intenderci già usata dagli hyperscale cloud provider, quali Netflix, Amazon etc), consentirà di portare le reti degli operatori Telco in ambienti cloud, rendendole estremamente più flessibili per la creazione di nuovi servizi digitali (molti dei quali ad oggi non noti).

In questo nuovo paradigma, questi nuovi servizi non saranno più realizzati solo dagli operatori Telco, ma anche da terze parti, ovvero sviluppatori sia del mondo dei vertical sia delle stesse applicazioni che oggi troviamo sugli store e market place dei nostri smartphone.

Le tecnologie pregresse proponevano una rete di telecomunicazioni monolitica, in cui era cablato un set di servizi immutabili, come la voce e gli SMS in mobilità per il 2G e il 3G e i servizi dati per l’HSPA e il 4G. Con il 5G ci troviamo di fronte ad un cambio di paradigma in cui, grazie al cloud e alla programmabilità, la complessità della rete viene nascosta, astratta e messa a disposizione di un ecosistema più ampio di stakeholder e fruitori del mondo consumer e business, che sviluppano i servizi in un ambiente aperto.

La Core Network del 5G è il primo fattore abilitante grazie al Network Slicing e al NEF (Network Exposure Function), che consentono di passare da una rete monolitica, verticale e chiusa in un set finito di servizi, ad una rete aperta, che espone funzionalità e capability per una piena programmabilità sia interna sia esterna da parte di terze parti.

È così quindi che la rete 5G può essere metaforicamente “affettata” per rispondere a esigenze di terze parti, che possono gestire e configurare direttamente le slice a loro dedicate per l’ottimizzazione dei propri servizi. È il caso dei servizi di public safety, dell’automotive, del mondo dell’IoT, etc. solo per fare esempi di alcuni servizi verticals che ad oggi hanno reti dedicate e che domani potranno essere portati sulla rete 5G, incrementando la flessibilità nella creazione, gestione e configurazione dei loro servizi.

Le tecnologie cloud native (descritte nel paragrafo successivo) aggiungono una infrastruttura dinamica, capace di fornire efficienza, scalabilità, esercibilità, resilienza, insieme a livelli elevati di automazione ed intelligenza rendendo l’intervento manuale una eccezione.

In questo senso pensiamo che 5G ed il Cloud sono il compelling event della trasformazione, capaci di abilitare un nuovo modello di business che ruota attorno al concetto di “platform thinking” e che crea una nuova modalità di interazione con i clienti, partners, suppliers e l’intera società basato sulla pervasività del digitale.

Il business digitale è la creazione di nuovi servizi, sfocando i confini tra i mondi digitali e fisici grazie alla convergenza di persone, affari e cose in una visione di ecosistema e partnership. Per fare alcuni esempi, il modello di business digitale delle città potrebbe essere rappresentato da città intelligenti con parcheggi, strutture e servizi collegati; quello delle Industrie potrebbe significare fabbriche connesse ad elevata automazione; altri esempi sono quelli delle aziende eco-sistemiche o di piattaforma, come Airbnb e Uber.

Indipendentemente dalla varietà di business digitale, la piattaforma digitale del 5G cloud native, grazie alla programmabilità e all’apertura ha le componenti tecnologiche per supportare i nuovi modelli e diventare il centro di questa nuova trasformazione digitale. In TIM siamo convinti che gli operatori siano in grado di offrire un grosso contributo, creando modelli che facilitino le interazioni tra gli stakeholder/fruitori, attraverso le capacità distintive dei Telco quali:

  • L’elaborazione dei dati massivi di rete, ad es. le informazioni anonimizzate di mobilità, con viste consumer e business trasversali
  • la presenza capillare ai margini della rete, vicino al cliente e sul territorio
  • il controllo della latenza
  • il monitoraggio delle prestazioni della rete end2end
  • la qualità differenziata e la fornitura di livelli di affidabilità elevati per servizi mission critical.

Questo è un cambiamento radicale nel modo in cui i Telco guardano al mercato e induce un altrettanto radicale cambiamento nel modo in cui la tecnologia viene utilizzata, implementata e gestita.

Gli operatori di telecomunicazioni devono ripensare la loro architettura tecnica fondamentale, le funzionalità da implementare e come promuoverne la diffusione in un ecosistema più ampio. Una buona piattaforma commerciale richiede supporto per un ambiente aperto ed un ecosistema eterogeneo, per creare valore per tutti i partecipanti. Il business orientato alla piattaforma sposta l'attenzione dal "fare" all’"abilitare", dal concetto di miglioramento di un prodotto, all’aggiungere nuove capacità di interazione e capability alla comunità che ruota attorno all’ecosistema.

In questo senso la 5G Digital Business Platform di TIM è la visione di piattaforma digitale Telco, che consente di creare un insieme interoperabile di servizi (sviluppati in modo aperto), che possano essere combinati per creare applicazioni e flussi di lavoro.

Questa evoluzione è strettamente connessa alla trasformazione "digitale" di tutte le attività e segmenti e non può essere realizzato senza un adeguato supporto tecnologico: l'uso delle tecnologie corrette è uno dei fattori abilitanti chiave della trasformazione della piattaforma di qualsiasi compagnia ed i Telco non fanno eccezione. In questo senso l’articolo fornisce una descrizione dei primi passi concreti già intrapresi di questo percorso nella nuova direzione descritta.

 

Core network mobile verso il paradigma cloud-native

TIM ha avviato da tempo un percorso di trasformazione della rete fissa e mobile basato sull’adozione del paradigma NFV (Network Functions Virtualisation), il cui scopo è quello di separare il software che implementa una data funzionalità di rete dall’hardware sui cui viene eseguito.

In questo percorso, le appliance fisiche PNF (Physical Network Function) diventano funzione di rete virtuali VNF (Virtual Network Function), ovvero implementazioni software di funzioni di rete che possono essere rilasciate su un'infrastruttura NFV, con indubbi vantaggi in termini di risparmi sugli investimenti, derivanti dall’utilizzo di un’infrastruttura condivisa; risparmi sui costi operativi (manutenzione, energia e spazi) abilitati dalla separazione tra hardware e software; incremento significativo della velocità di realizzazione di nuovi servizi e prestazioni di rete attraverso l’automazione e l’impiego di soluzioni implementate integralmente in software.

Tuttavia, alcune delle promesse della virtualizzazione sono state parzialmente disattese, sia per la mancanza di un modello univoco e maturo di gestione del ciclo di vita delle funzioni di rete, sia perché l’ecosistema dei fornitori, per rispondere velocemente alla forte spinta degli operatori sulla virtualizzazione di rete, ha spesso realizzato un semplice porting del proprio software da ambienti fisici basati su hardware specializzato a macchine virtuali in esecuzione su hardware general-purpose.

Oggi, la discontinuità tecnologica introdotta dal 5G offre l’opportunità di un nuovo, più deciso, passo in avanti in questo processo di trasformazione tecnologica, definito Network Function Cloudification, in cui il livello di cloud nativeness delle nuove funzioni di rete influisce fortemente sul grado di raggiungimento degli obiettivi di automazione e agilità.

La trasformazione non è puramente tecnologica, ma comprende  anche un salto culturale e un reskilling delle persone coinvolte, nonché l’adozione di modelli operativi differenti rispetto al passato, come il paradigma Agile/DevOps ed i concetti di responsabilità condivisa.

Un'applicazione si definisce Cloud Native se è in grado di trarre vantaggio dalla piattaforma che la ospita. La CNI (Cloud Native Infrastructure) è un'infrastruttura nascosta dietro utili astrazioni, controllata da API, gestita da software e che ha lo scopo di eseguire applicazioni.

Una infrastruttura con queste caratteristiche dà origine a un nuovo modello per la gestione delle applicazioni che risiedono su di essa, infatti  le CNA (Cloud Native Application) devono essere progettate ed ingegnerizzate per dialogare con gli elementi di piattaforma per i fini di resilienza, agilità, operabilità e osservabilità.

TIM nella sua visione individua, tra gli altri, i seguenti principi fondamentali per realizzare una applicazione cloud native:

  • Design per Automazione: tutte le caratteristiche di una CNA devono essere descritte tramite template, utilizzabili dalle soluzioni di automazione disponibili nella piattaforma, per gestire senza l’ausilio di interventi manuali tutte le fasi del ciclo di vita dell’applicazione (“zero-touch configuration”). Un corretto design abilita:

1. Continuous Integration/Continuous Delivery: per automatizzare la build, il testing e il deployment di pacchetti software attraverso tool come Jenkins e Spinnaker. Non solo: una catena CI/CD consente di automatizzare anche processi come il canary testing e il rollback

2. Elasticità: al variare del carico smaltito deve essere possibile ridurre o ampliare automaticamente, sulla base di metriche di tipo infrastrutturale e/o applicativo, la capacità erogata da una CNA decrementando o incrementando il numero di moduli che implementano specifiche componenti dell’applicazione (scale in/out)

3. Osservabilità e recovery automatico: una CNA deve essere osservabile, ovvero deve offrire meccanismi di monitoraggio e notifica che permettano di verificarne lo stato di salute, rilevare prontamente eventuali problemi ed eventualmente innescare automaticamente meccanismi di healing mirati a ripristinare la piena operatività dell’applicazione. La CNA gestisce i fallimenti piuttosto che cercare di prevenirli. Logging e monitoraggio possono fornire preziose informazioni sull'uso del sistema e sul comportamento e possono essere utilizzati in forma aggregata per fornire una misura della salute generale del sistema. È la corretta manipolazione di queste informazioni che può innescare degli automatismi.

  • Architettura Modulare e Stateless: i moduli che compongono una CNA devono essere il più possibile disaccoppiati tra loro in termini di sviluppo, dispiegamento, testing e gestione del ciclo di vita. Le comunicazioni tra moduli devono essere basate su protocolli standard noti alla CNI (e.g. utilizzo di API REST e HTTP invece di Diameter o altri protocolli “telco”), in quanto questo è un fattore abilitante per poter sfruttare i servizi a catalogo messi a disposizione dalla piattaforma. Esiste ovviamente un trade-off tra i vantaggi sopra citati e un overhead crescente che deriva dalle molteplici interazioni tra i vari moduli software. La memorizzazione dello stato del sistema è l'aspetto più difficile da implementare per un'architettura cloud native e distribuita. Pertanto, è necessario progettare il sistema in modo che sia intenzionale quando e come archiviare lo stato. Componenti stateless consentono di:

1. Scalare rapidamente;

2. Riparare una componente fallita spegnendola e istanziandola nuovamente;

3. Eseguire in modo semplice il Roll-back di un intero ambiente ad una versione precedente;

4.Load-Balancing su più istanze, dato che ogni componente è in grado di gestire ogni richiesta.

  • Riuso dei servizi offerti dalla piattaforma. Per svolgere le proprie funzioni una CNA deve potersi avvalere dei servizi a catalogo messi a disposizione dalla CNI  (e.g. Service Discovery, Identity and Access Management, “DB as a Service”, “Load Balancer as a service”, “Firewall as a Service”), in modo da consentire di delegare alcune funzioni “comuni” alla CNI, lasciando quindi lo sviluppatore della CNA libero di concentrarsi sullo sviluppo delle funzionalità con valore di business.

Seppur non obbligatorio, l’utilizzo di Microservizi e Container da una parte e l’approccio Dichiarativo dall’altro, si stanno affermando come standard de facto per implementare le CNA.

La core network 5G è stata progettata fin dall’inizio privilegiando scelte tecniche a supporto di funzionalità cardine come il network slicing, che richiede la capacità di creare rapidamente istanze di rete dedicate a specifici clienti e/o scenari di servizio, o la network exposure che presenta la core 5G come una piattaforma aperta agli utilizzatori dei servizi.

La Service Based Architecture (SBA) introduce un nuovo approccio al design dell’architettura della core mobile, più allineato ai paradigmi delle architetture cloud. In questo contesto l’adozione di tecnologie cloud native appare particolarmente adatta, poiché fornisce ulteriori elementi di flessibilità nel dispiegamento di un sistema concepito per essere altamente dinamico e supportare nuovi modelli di servizio con cicli di vita radicalmente diversi dal passato.

 

Figura 1 - evoluzioni delle infrastrutture dalle Appliance al Cloud Native

Trial in lab della core network 5G cloud native

TIM sta conducendo delle attività di trial sulla core network 5G realizzata secondo i principi cloud native esposti.

Una prima fase è consistita nella sperimentazione della 5GC fornita da Ericsson.

In particolare, Ericsson ha reso disponibile una 5GC composta dai building block essenziali della architettura 3GPP [1] descritti in Figura 2.

Le Network Function componenti la core network sono quelle relative ai domini Data Layer (UDM, AUSF, UDM, NRF) e Packet Core (AMF, SMF, UPF), mentre l’accesso in tecnologia NR SA (New Radio Stand Alone) ed il corrispondente device UE (User Equipment) sono stati implementati con un simulatore.

La soluzione di trial ha un piano di evoluzione che introduce nuove Network Function 5GC e quelle EPC, realizzando così una dual mode core, che sarà ugualmente oggetto di trial nel corso dell’anno.

La 5GC è dispiegata sulla piattaforma Ericsson Cloud Container Distribution (CCD), a sua volta dispiegata su un ambiente RHOSP 10 (Red Hat OpenStack 10). La CCD agisce come layer Container as a Service (CaaS) per la gestione e l’orchestrazione dei container (deployment, scaling, management), ed è realizzata utilizzando Kubernetes come elemento centrale, la cui composizione (ad esempio in termini di plugin per networking e storage) può essere gestita in maniera flessibile [2].

Il trial ha coperto tanto l’aspetto funzionale, ovvero le procedure relative alla parte applicativa delle Network Functions, quanto quello non funzionale, ovvero le procedure relative Cloud Native Infrastructure.

Più in dettaglio, i test funzionali hanno coperto le aree dei Network Service (NF registration/deregistration, update,…), delle NF selection, del Provisioning, del Mobility e del Session Management, della Security, andando a provare tanto le procedure più convenzionali di messa in piedi delle sessioni e di mobilità, quanto i nuovi aspetti legati alla SBA, che richiedono procedure di registrazione e discovery delle Network Functions.

I test non funzionali sono stati relativi al dispiegamento e configurazione delle NF utilizzando template Helm; alle procedure di scale in e scale out e self-healing, sfruttando le capability di Kubernetes; alla raccolta di metriche di performance utilizzando tool open source (Prometheus e Grafana); alle procedure di rolling update delle NF, ovvero l’upgrade delle Network Function senza il fuori servizio delle stesse.

Sebbene si tratti di soluzioni nelle loro release iniziali, le potenzialità dell’ambiente cloud native sono risultate già evidenti, in particolare per quanto riguarda il dispiegamento della intera core network 5GC, con una corretta configurazione applicativa, realizzato in pochi minuti.

Allo stesso modo è di grande interesse la flessibilità della gestione operativa, che permette di installare, aggiornare e riconfigurare la rete con procedure automatizzate, controllate da remoto.

 

Figura 2 - 5GC trial architecture

Conclusioni

L’adozione delle tecnologie cloud native rappresenta un passo fondamentale per lo sviluppo dei nuovi servizi 5G, consentendo una gestione operativa avanzata della rete, che ottimizza le risorse di rete, che permette di dispiegare e gestire funzioni di rete e servizi in modo dinamico, immediato e automatico, e garantisce l’alta qualità del servizio richiesto, grazie all’elasticità intrinseca a tali tecnologie.

Oltre a questo, il cloud native rappresenta l’abilitatore di nuovi modelli di servizio, dove il service provider non offre ai clienti servizi statici ed immutabili, ma, al contrario, servizi aperti e flessibili, che si sviluppano continuamente grazie al contributo della community dei clienti e degli sviluppatori.

TIM ha sperimentato con successo - primo operatore in Italia e tra i primi al mondo grazie alla collaborazione con Ericsson - la core network 5G cloud native presso i propri laboratori di Torino, accelerando così il percorso di evoluzione della rete 5G di TIM verso le tecnologie cloud native. Il trial ha incluso le procedure di controllo e trasmissione del traffico definite dagli standard internazionali 3GPP, le procedure di creazione e configurazione delle funzioni di rete, di scale-in e scale-out delle stesse, insieme alla capacità della piattaforma di reagire automaticamente ai guasti e di eseguire un upgrade della Core Network mentre è operativa, secondo le tecnologie innovative dell’ecosistema cloud native.

In questa prospettiva, le tecnologie cloud native saranno l’ambiente di sviluppo dei sistemi 5G futuri e rappresentano la base su cui realizzare una piattaforma digitale di business del 5G (5G Digital Business Platform)  su cui poter sviluppare nuovi modelli di business e servizi, valorizzando al massimo le potenzialità del 5G.