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Von Mobile Edge Cloud bis Network Slicing 5G: Fünf essenzielle Technologien für den ökonomischen Einsatz

| Autor / Redakteur: Dr. Christoph Dietzel / Dipl.-Ing. (FH) Andreas Donner

2020 hat uns bislang u.a. gelehrt, wie wichtig schnelle Kommunikation und Vernetzung sind. Dabei spielt auch 5G eine wichtige Rolle. 5G bedeutet mehr als „nur“ schnelles Internet auf dem Smartphone. Die Technologie bietet ein enormes Potenzial für verschiedene Wirtschaftszweige.

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In 5G steckt hohes Potenzial für vernetzte Fabriken im Zuge der Industrie 4.0.
In 5G steckt hohes Potenzial für vernetzte Fabriken im Zuge der Industrie 4.0.
(Bild: © – Monopoly919 – stock.adobe.com)

Seit Covid-19 im Februar auf Europa getroffen ist, haben sich viele Bereiche des Lebens stark verändert – privat wie auch beruflich. Wir nutzen deutlich mehr digitale Applikationen, etwa um die geografische Trennung virtuell zu überbrücken. Eine stabile, sichere und zuverlässige Internetverbindung ist dabei unerlässlich. Mehr denn je ist unsere Gesellschaft durch die beschleunigte Digitalisierung auf technische Innovationen angewiesen.

In diesem Zusammenhang wird 5G eine entscheidende Rolle spielen. Doch hinter 5G steckt viel mehr als „superschnelles Internet“ für das Smartphone, wie der neue Funkstandard in der Öffentlichkeit vielfach wahrgenommen wird. Streaming von hochauflösenden Inhalten auf Mobiltelefonen ist dabei nur ein Aspekt. Daneben bietet 5G ein enormes Potenzial für verschiedene Wirtschaftszweige. Ein prominentes Beispiel sind vernetzte Fabriken im Zuge der Industrie 4.0. Aber auch in der Land- und Bauwirtschaft, im Verkehrssektor, in der Energieerzeugung und in der Medizin gibt es Einsatzszenarien. Damit sich diese komplexen Anwendungsfälle umsetzen lassen, benötigt man aber noch weitere ergänzende Technologien.

1. Mobile Edge Cloud (MEC)

Viele industrielle 5G-Anwendungen erfordern sehr geringe Latenzzeiten (teilweise unter 10 ms). Das bedeutet, dass die Datenverarbeitung und Speicherung physisch näher an den Endanwender heranrücken muss. Allerdings fehlen direkt an den Endgeräten meist die nötigen Ressourcen für die Verarbeitung der großen Datenmengen, die beispielsweise von Sensoren gesammelt werden. Hier kommt die Mobile Edge Cloud (MEC) als eine Infrastruktur ins Spiel, die am Rande des Netzwerks – also nah an den Endgeräten „on the edge“ – eigene Rechen- und Speicherkapazitäten bereitstellt. Der Begriff „Mobil“ erklärt sich dadurch, dass sich Anwendungen ohne merkliche Zeitverzögerung von einer Edge Cloud auf eine andere verschieben lassen, wodurch diese mobil wirken. Unternehmen können je nach Relevanz der Anwendungen entscheiden, ob sie eine MEC gemeinsam (geteilt mit anderen Parteien) oder privat (exklusive eigene Cloud) verwenden möchten. Eine MEC-Anwendung spielt z.B. im Rahmen der Energiewende eine große Rolle: Smart Grids stellen das intelligente Stromnetz der Zukunft dar. Eine überschüssige Stromerzeugung von erneuerbaren Energien (z.B. Solarenergie an einem langen sonnigen Tag) kann gespeichert und bei Bedarf (an bewölkten Tagen) flexibel bereitgestellt werden. Die dafür benötigte Datenspeicherung findet in der Mobile Edge Cloud statt, physisch nah an den intelligenten Zählern, den Endgeräten.

2. Software-Defined Networking (SDN)

Softwaredefinierte Netzwerke (SDN) entwickelten sich aus der Notwendigkeit, Netzwerke mit ihrer fortschreitenden Komplexität agiler und flexibler zu gestalten. Das Ziel von SDNs ist die Entkopplung der Kontrollebene von der darunterliegenden Datenebene (oft physikalische Schaltungen) in Routern und Switches. Dadurch ist es möglich, über einen zentralen Controller (physisch oder virtuell) das komplette Netzwerk aus SDN-Switchen zu verwalten und z.B. Datenpakete zu priorisieren oder wenn nötig zu blockieren. Die dadurch gewonnene Übersicht und Kontrolle ist ein Sicherheitsvorteil von SDN, da der Controller den Datenverkehr überwachen und an den einzelnen Switches Sicherheitsrichtlinien bereitstellen kann. Durch die „Softwarisierung“ des Netzwerks ist es zudem möglich, zentral gesteuerte Protokolle anstelle der bisherigen verteilten Protokolle zu nutzen. Dieser zentralisierte Ansatz und die hohe Flexibilität erlauben es, Netzwerke schnell an komplexere Anforderungen anzupassen. Ein Anwendungsbeispiel sind Campus-Netzwerke, wo WLAN und Ethernet-Netzwerke vereinheitlicht werden müssen. SDN-Controller helfen dabei, das ganzheitliche Campus-Netzwerk zentralisiert und automatisiert zu verwalten, sowie eine verbesserte Sicherheit und Qualität zu gewährleisten.

3. Network Function Virtualization (NFV)

Teure und unflexible Hardwarelösungen werden bei Network Function Virtualization (NFV) durch Software ersetzt, die auf Standardhardware wie handelsüblichen Servern läuft, wobei Virtualisierungskonzepte zum Einsatz kommen. Die Kombination von „Softwarisierung“ und Virtualisierung sorgt für flexiblere Servicemigration, schnellere Deployments sowie Up- und Downgrades. Durch den Einsatz von Standardhardware lassen sich außerdem die Betriebskosten senken. NFV findet z.B. bei Security-Appliances Verwendung, welche die Sicherheit eines Netzwerkes gewährleisten, oder auch bei klassischen Softwareroutern.

4. Service Function Chaining (SFC)

Das Service Function Chaining (SFC) ermöglicht den flexiblen und effizienten Einsatz von Netzwerkfunktionen für verschiedene Anwendungen. Mit NFV können Glieder einer Kette in virtuellen Umgebungen auf jeder kommerziellen Standardhardware bereitgestellt werden. SFC – die Verkettung von Netzwerkdiensten – erleichtert praktische Anwendungsfälle, die normalerweise einen kompletten Netzwerkservice (NS) erfordern, der aus mehreren Servicefunktionen (SF) in einer bestimmten Reihenfolge besteht (z.B. zuerst eine Firewall und dann eine DPI), wobei NFV in der Lage sein muss, Pakete in der vordefinierten Reihenfolge zu halten. Der Traffic in einer SF-Kette durchläuft nacheinander SF-Schnittstellen, die wahrscheinlich auf die verschiedenen physikalischen Rechenknoten verteilt sind. Der Hauptvorteil der Verkettung von Netzwerkdiensten besteht darin, die Einrichtung von virtuellen Netzwerkverbindungen zu automatisieren.

5. Network Slicing

Network Slicing beschreibt eine Architektur mit mehreren parallel betriebenen und unabhängigen logischen Netzwerken auf derselben physischen Hardware-Infrastruktur. Jedes dieser logischen Netzwerksegmente stellt dabei eine bestimmtes Quality-of-Service-Level bereit, die sich nach Parametern wie Latenz oder Datenkapazität richtet. Die einzelnen Segmente oder Slices werden dabei auf die Ende-zu-Ende-Kommunikation abgebildet. Software-definierte Netzwerke und Virtualisierung spielen eine entscheidende Rolle bei der Umsetzung von Network Slicing in 5G-Umgebungen. SDN ist die Voraussetzung, um eine frei konfigurierbare Datenebene zu erstellen, auf die verschiedene Anwendungen mit verschiedenen Anforderungen zugreifen können. NFV sorgt für die Verwaltung der Rechen- und Speicherressourcen, die benötigt werden, um unmittelbare Netzwerkfunktionen bereitzustellen.

Fazit

Dr. Christoph Dietzel.
Dr. Christoph Dietzel.
(Bild: DE-CIX)

Der 5G-Funkstandard bietet ohne Frage großes Potenzial für die Industrie und auch andere Bereiche der Wirtschaft. Doch allein aus der verbesserten mobilen Datenübertragung lassen sich vermutlich in den seltensten Fällen profitable Anwendungen entwickeln. Dafür sind weitere Technologien und Infrastrukturen wie Mobile Edge Cloud, Software-Defined Networking, Network Function Virtualization, Service Function Chaining oder Network Slicing im Hintergrund nötig. 5G wird Unternehmen nur dann zu einem Mehrwert verhelfen und neue Anwendungsfälle ermöglichen, wenn die genannten Technologien zusammenspielen und 5G Verbreitung findet.

Über den Autor

Dr. Christoph Dietzel ist Global Head of Products & Research bei DE-CIX.

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