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Während 4G-Netzwerke früher hauptsächlich mobile Breitbandverkehr mit einem relativ eintönigen Datenmuster übertrugen, bedienen 5G-Netzwerke ein weitaus breiteres Spektrum an Dienstnutzungsfällen. Diese Nutzungsfälle – nämlich erweiterter mobiler Breitbandzugang (enhanced mobile broadband), hochzuverlässige Kommunikation mit geringer Latenz (ultra reliable low latency communications) sowie massenhafte maschinelle Kommunikation (massive machine type communications) – stellen jeweils individuelle Anforderungen und erfordern spezifische Steuerungs- und Sichtbarkeitsmechanismen von DPI. In diesem Artikel werden die neuen Anforderungen an den Datenverkehr sowie die damit verbundenen Einschränkungen herkömmlicher DPI-Lösungen erläutert; zudem werden die wesentlichen Änderungen diskutiert, die es DPI ermöglichen, Bestandteil eines 5G-Netzwerks zu sein.
Neue Netzwerk-Anforderungen durch 5G
Mit den neuen Anforderungen kommen auch neue Funktionalitäten, die in 3G- und 4G-Netzwerken nicht verfügbar waren:
Network-Slicing ermöglicht es Betreibern, ihren Nutzern auf einer gemeinsam genutzten Infrastruktur ein dediziertes logisches Netzwerk bereitzustellen. Die Anwendungsslices können unterschiedliche Leistungsanforderungen stellen – beispielsweise erfordert der Mobile-Broadband-Slice eine höhere Bandbreite, während ein System zur industriellen Automatisierungssteuerung eine sehr geringe Latenz benötigt. Die DPI-Technologie identifiziert, zu welchem Slice ein Datenstrom gehört, und ermöglicht so die Erstellung von Richtlinien, die Service-Level-Garantien für diesen Slice sicherstellen.
Edge Computing verbessert die Nutzererfahrung, indem Rechenleistung und Logik näher an die Endnutzer verlagert werden, um extrem schnelle Anwendungsreaktionszeiten zu ermöglichen. Die Netzwerkarchitektur im Edge Computing ist stark verteilt, und nicht alle Anwendungsdatenströme müssen im Netzwerkkern enden. Daher müssen DPI-Lösungen über Funktionen verfügen, um ein verteiltes Netzwerk zu bewältigen und Konsistenz innerhalb dieses Netzwerks sicherzustellen.
Verschlüsselungstechnologien für den Nutzerdatenverkehr über IPSec oder ähnliche Protokolle werden weit verbreitet sein. Die Extraktion von Anwendungsinformationen aus dem verschlüsselten Datenverkehr ist jedoch in einem 5G-Netzwerk entscheidend. Diese Extraktion muss zuverlässig erfolgen und dabei die Sicherheitseigenschaften wahren, ohne große Mengen des Datenverkehrs zu entschlüsseln.
Frühe Grenzen der Tiefenpaketinspektion (DPI) in herkömmlichen Netzwerken
Dpi weist in 3G- und 4G-Netzwerken einige Einschränkungen auf, die im 5G-Kontext noch kritischer werden:
Leistung: Die Kapazität herkömmlicher DPI-Geräte für 3G- und 4G-Netzwerke liegt zwischen 10 Gbit/s und 40 Gbit/s – was möglicherweise nicht ausreicht für 5G-Netzwerke mit einer Kapazität von 100 Gbit/s oder mehr.
Latenzzeit: Während eine DPI-Plattform-Latenz von 10 Mikrosekunden im 3G-/4G-Kontext akzeptabel war, sind die Anforderungen an die End-to-End-Latenz im Bereich ultraniedriger Latenzkommunikation mit weniger als einer Millisekunde deutlich strenger.
Dynamik der Richtlinien: Bei herkömmlichem 4G-DPI war es akzeptabler, dass Richtlinien statisch waren oder in regelmäßigen Abständen in größeren Blöcken aktualisiert wurden; dies erfüllt jedoch nicht die dynamischen Anforderungen von 5G-Netzwerkslices und Edge-Computing-Anwendungen, die möglicherweise Anpassungen der Richtlinien und der DPI-Durchsetzung im Minuten-Takt erfordern.
Reichweite: Anwendungssignaturen hatten im 4G-Umfeld einen sehr begrenzten Anwendungsbereich und reichten zudem nicht aus, um verschlüsselten Datenverkehr, unbekannte Anwendungen und neue Protokolle – die zunehmend verbreitet waren – zu identifizieren. Daher fehlte 4G-DPI-Lösungen das Bewusstsein für die auf dem Netzwerk laufenden Verkehrstypen. Eine zentralisierte DPI-Bereitstellung im 4G-Kernnetz kann die Anforderung an Transparenz („visibility“) einer verteilten Edge-Computing-Architektur nicht erfüllen.
Kernentwicklung des DPI für 5G-Szenarien
Mehrere Verbesserungen haben es DPI-Lösungen ermöglicht, ein integraler Bestandteil des 5G-Netzwerkarchitektur :
Leistungsentwicklung: Hardwarebeschleunigung wird weit verbreitet eingesetzt, um DPI-Geräte und -Funktionen für die Verarbeitung von Datenraten von 100 Gbit/s, 200 Gbit/s oder sogar höher zu befähigen. Auch die Softwarefunktionen der DPI-Geräte werden optimiert, um die Leistung auf dem erforderlichen Niveau zu halten. Ziel ist es stets, den Datenverkehr ohne verlorene Pakete zu inspizieren.
Latenzentwicklung: Die DPI-Technologie führt in jedem Nutzer-Ebene-Datenstrom eine Latenz im Submikrosekundenbereich ein, was aus der Perspektive ultraniedriger Latenzkommunikation akzeptabel ist.
Architekturentwicklung: Heute ist die DPI-Funktion nicht mehr eine monolithische, zentralisierte Hardwarekomponente im Kernnetz, sondern wird zunehmend virtualisiert und dort im Netzwerk verteilt, wo sie benötigt wird – beispielsweise an Edge-Knoten des Radiozugangsnetzes, Aggregationspunkten und im Kernnetz. Virtualisierte Funktionen können elastisch bereitgestellt und automatisch entsprechend der Nachfrage skaliert werden.
Verschlüsselung: Die Fähigkeit, verschlüsselten Datenverkehr durch die Analyse von Flussverhalten oder mithilfe von maschinellen Lernverfahren zur Klassifizierung ohne Entschlüsselung zu verarbeiten, hat sich erheblich verbessert und ermöglicht so eine ausgewogene Balance zwischen Sicherheit und Leistung. Neue Anwendungssignaturen werden mittlerweile nahezu täglich oder sogar stündlich aktualisiert, um neu auftretende Protokolle zu erkennen.
Verbesserte Benutzererfahrung und Verkehrssteuerung
Eine stärkere DPI-Lösung bringt Nutzern zahlreiche Vorteile:
Verbesserte Benutzererfahrung: Die Verwendung von DPI in 5G ermöglicht feinabgestimmte Richtliniensteuerungen, die je nach individuellem Anwendungsfall des jeweiligen Dienstes ausgeführt werden und so die Gewährleistung der QoS sowie eine bevorzugte Behandlung sicherstellen. Beispielsweise kann dem Datenverkehr eines Industrieroboters Vorrang eingeräumt werden, während weniger dringliche Daten verzögert werden. Die wahrgenommene Dienstqualität (QoS) eines mobilen Gamers wird deutlich verbessert, da DPI den Gaming-Datenverkehr erkennt und große Datenmengen (wie z. B. Video-Uploads) aktiv zugunsten des Spiel-Datenstroms herabstuft. Die Nutzer können sich darauf verlassen, dass die Leistungsmerkmale, die in ihren Service-Level-Agreements (SLAs) festgelegt sind, eingehalten werden.
Verbesserte Verkehrssteuerung: Netzbetreiber verfügen nun über eine verbesserte Sichtbarkeit und Kontrolle über den Datenverkehr im Netz. Ressourcen können dynamisch für Echtzeitanwendungen zugewiesen werden, um Staus zu verhindern, wenn viele Nutzer bei einer Veranstaltung gleichzeitig Videos hochladen. Der Dienst kann große Datei-Uploads automatisch zugunsten eines Echtzeit-Sprachgesprächs herabstufen. Angriffe und Bedrohungen wie Flash-Mobs oder DDoS-Angriffe können innerhalb von Millisekunden automatisch erkannt und unverzüglich darauf reagiert werden.
Sino-Telecom optimiertes DPI für 5G
Diese DPI-Plattformen unterstützen eine Datenverkehrsaufbereitung von bis zu 1200 Gbps pro System, verfügen über native Unterstützung für 400GE-Anschlüsse, und ihre DPI-Signaturdateien können Tausende von Anwendungen verarbeiten; sie werden kontinuierlich aktualisiert, um die neuesten Anwendungen und Protokolle zu unterstützen, wobei die Latenz pro Datenfluss im Mikrosekundenbereich – nicht im Millisekundenbereich – liegt. Die DPI-Lösung von Sino-Telecom ist für die 5G-Umgebung in mehreren Formen konzipiert – als virtualisierte Funktion sowie für eine verteilte Bereitstellung an RAN-Rändern, Aggregationspunkten und im Kernnetz – und unterstützt eine servicebasierte Architektur. Sino-Telecom bietet DPI mit einer Bibliothek von Tausenden von Protokollen, die täglich aktualisiert wird, sowie einer Verhaltensklassifizierung für verschlüsselten Datenverkehr, um eine höhere Klassifizierungsgenauigkeit zu erreichen. Darüber hinaus umfasst sie intelligente Funktionen zur Verarbeitung kontextbezogener Daten aus dem Radiozugangs- und Kernnetz, was die Klassifizierungsgenauigkeit weiter erhöht.
Fazit
Die raschen Fortschritte in DPI-Technologie hat die Einschränkungen seines Vorgängers erfolgreich überwunden und die stetig wachsenden Anforderungen der 5G-Netze bewältigt. Neben verbesserten Leistungsmerkmalen und einer präziseren Latenzsteuerung sorgt die Weiterentwicklung hin zu einem ausgefeilten Umgang mit verschlüsseltem Datenverkehr, virtualisierten und verteilten Funktionen sowie äußerst schnellen Signaturaktualisierungsmechanismen dafür, dass DPI sich von einem reinen Überwachungswerkzeug zu einer zentralen Komponente des 5G-Netzbetriebs gewandelt hat – was eine verbesserte Nutzererfahrung und eine effizientere Verkehrssteuerung ermöglicht.
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