如何實現(xiàn)端到端網(wǎng)絡切片？

3GPP將網(wǎng)絡切片定義為5G 網(wǎng)絡的主要功能之一，網(wǎng)絡切片可看作是動態(tài)創(chuàng)建的邏輯端到端網(wǎng)絡。在深入研究網(wǎng)絡切片的概念之前，我們先簡單回顧下 5G 的三大應用場景。

5G用例

移動規(guī)范開發(fā)的主要機構 3GPP 正在努力實現(xiàn)5G的三個基本用例：

eMBB（增強移動寬帶）：指在現(xiàn)有移動寬帶業(yè)務場景的基礎上，對于用戶體驗等性能進一步提升，追求人與人之間極致的通信體驗。

超可靠低延遲通信(URLLC)：對關鍵任務通信的可靠性和延遲有嚴格要求的通信，其中包括自動駕駛汽車、遠程手術或觸覺互聯(lián)網(wǎng)。

大規(guī)模機器類型通信(mMTC)：需要在有限區(qū)域內支持極大量設備的通信，這些設備只能間歇性地發(fā)送數(shù)據(jù)，如與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)相關的用例。

圖1 5G用例

如圖 1 所示，5G 網(wǎng)絡必須同時支持延遲、吞吐量、容量等多樣化且極端的要求，并且需要精心設計架構，以在服務能力和網(wǎng)絡投資之間提供最佳平衡。運營商還應承諾實現(xiàn)特定的服務水平目標 (SLO)，以實現(xiàn)其業(yè)務目標或遵守每個用例的約定功能。這就是網(wǎng)絡切片的用武之地。

定義網(wǎng)絡切片

3GPP 將網(wǎng)絡切片定義為：

• “網(wǎng)絡切片是提供特定網(wǎng)絡能力和網(wǎng)絡特性的邏輯網(wǎng)絡”。*

理想情況下，網(wǎng)絡切片允許在相同的物理網(wǎng)絡中動態(tài)地創(chuàng)建邏輯網(wǎng)絡，以支持不同的用例和流量負載。網(wǎng)絡切片是一個端到端的概念，從用戶設備延伸到接入網(wǎng)（AN）、傳輸網(wǎng)（TN）和核心網(wǎng)（CN）。

端到端切片提供適當?shù)母綦x、資源和優(yōu)化的虛擬網(wǎng)絡架構，以服務于特定用例、SLO 要求或業(yè)務解決方案。

網(wǎng)絡切片經(jīng)過編排，形成運行在同一物理網(wǎng)絡上的特定服務邏輯網(wǎng)絡，這些邏輯網(wǎng)絡滿足某些服務屬性，如數(shù)據(jù)速度、容量、延遲、可靠性、可用性、覆蓋范圍和安全性。網(wǎng)絡切片使運營商能夠為每個用例或服務組建立不同的功能、部署和體系架構，可以并行運行多個網(wǎng)絡實例。

圖2 端到端5G切片范圍

如圖 2 所示，一個典型的 5G 網(wǎng)絡可以概括為以下幾個部分：

• 用戶設備 (UE) ：通過“空口”連接到移動網(wǎng)絡的最終用戶終端。
• 接入網(wǎng)絡 (AN) ：構成無線接入網(wǎng)絡 (RAN) 的一組元素，包括基站、天線和頻譜資源。
• 在RAN解耦的情況下，它還包括諸如無線電單元 (RU)、分布式單元 (DU) 和集中式單元 (CU) 等元素。圖 2 是一個簡化圖，并未顯示所有可能的RAN功能拆分。
• 核心網(wǎng) (CN) ：包括一組信令、身份驗證、用戶管理、移動性、與外部網(wǎng)絡的接口以及其他控制平面和管理平面服務的功能。5G 核心可能分布在網(wǎng)絡內的不同位置。
• 傳輸網(wǎng)絡 (TN) ：用于承載 AN 和 CN 之間的傳輸流量。在RAN 架構解耦的情況下，也會有 TN 互連 RAN 組件（例如 RU、DU 和 CU）的實例。

網(wǎng)絡切片用例示例

示例 1： 自動車輛切片需要端到端網(wǎng)絡為服務用例的特定切片實例提供數(shù)據(jù)速率、可靠性、延遲、通信范圍和速度等功能。

示例 2： 服務于智能計量或可穿戴醫(yī)療設備等應用的物聯(lián)網(wǎng)切片需要網(wǎng)絡安全、高效且經(jīng)濟地支持大量低延遲和高密度物聯(lián)網(wǎng)設備。

實現(xiàn)網(wǎng)絡切片

如上所述，5G 網(wǎng)絡切片可用于確保端到端性能，以及服務和應用需求以滿足客戶期望。要實現(xiàn)網(wǎng)絡切片，必須對各個網(wǎng)段（接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)）進行整體檢查。需要在整個網(wǎng)絡中編排網(wǎng)絡切片的生命周期。

圖 3 說明了端到端切片實現(xiàn)中涉及的關鍵元素。這個特定的網(wǎng)絡為租戶 A、B 和、C三個客戶提供網(wǎng)絡切片服務。

圖3 -端到端網(wǎng)絡切片

租戶 A 具有三個不同的切片，而租戶 B 和 C 各有一個切片。每個切片都被構建為一個端到端網(wǎng)絡切片，由幾個子片組成:

• 一個 RAN（子）切片
• 將 RAN 切片連接到核心網(wǎng)切片的傳輸網(wǎng)（子）切片
• 一個核心（子）切片
• 連接核心網(wǎng)的第二個傳輸網(wǎng)(子)片

上面的每個切片都由特定于域的編排器/控制器進行生命周期管理，在 3GPP 中稱為網(wǎng)絡切片子網(wǎng)管理功能 (NSSMF)：

• RAN 切片由 RAN 控制器或 RAN NSSMF 管理
• 傳輸網(wǎng)切片由傳輸片控制器或傳輸 NSSMF 管理
• 核心網(wǎng)切片由核心控制器或核心 NSSMF 管理

NSSMF 具有實現(xiàn)該域中的子切片所需的特定領域知識。NSSMF 負責：

• 創(chuàng)建切片
• 維護切片
• 當不再需要時終止切片
• 實現(xiàn)一個北向接口，該接口公開域的抽象視圖，并允許 NSMF 使用切片（見下文）

此層次結構的最高級別包含一個端到端網(wǎng)絡切片協(xié)調器，用3GPP術語來說是網(wǎng)絡切片管理功能 (NSMF)。NSMF 具有將子切片拼接在一起以創(chuàng)建端到端切片的功能。NSMF 通過它們的北向接口與 NSSMF 通信以執(zhí)行此操作。反過來，它還公開了一個抽象的北向接口，以允許使用其服務來創(chuàng)建端到端切片。

每個特定于域的子片根據(jù)性質分配或提供以下資源類型中的一種或多種：

• 虛擬和物理網(wǎng)絡功能
• 光譜
• 帶寬
• 傳輸層連接模型
• 增強服務（例如網(wǎng)絡分析和安全服務）
• 服務質量 (QoS) 配置文件
• 應用功能

例如，核心網(wǎng)切片可以為信令流量分配專用的計算資源。傳輸網(wǎng)切片可以使用機制將網(wǎng)絡容量分配給每個切片。

硬切片和軟切片

網(wǎng)絡資源的共享水平“硬切片和軟切片”取決于與網(wǎng)絡能力相關的服務水平目標。

“硬切片”和“軟切片”之間的主要區(qū)別在于，硬切片導致網(wǎng)絡資源專用于一個切片，而軟切片允許使用共享資源。

為每個網(wǎng)絡切片實例分配專用的、非共享資源可保障每個應用程序或客戶所需的性能、可用性和可靠性。然而，如果這些資源沒有被完全使用，也不能用于其他切片。因此，硬切片可能不是很劃算。

軟切片允許傳輸資源的可控的超預訂，可以讓網(wǎng)絡資源更經(jīng)濟地用于約束較寬松的大容量應用程序。

傳輸網(wǎng)切片

本文前半部分介紹了端到端切片的定義以及它是如何實現(xiàn)的，后半部分將側重于傳輸網(wǎng)切片以及如何實現(xiàn)方式。

傳輸網(wǎng)切片可以定義為物理網(wǎng)絡功能 (PNF) 和虛擬網(wǎng)絡功能 (VNF) 之間的一組不同的連接。此類傳輸網(wǎng)切片具有確定性 SLA，以實現(xiàn)完整端到端網(wǎng)絡切片的端到端 SLO。這些 SLO 包括 QoS、可用性、延遲和數(shù)據(jù)包丟失等參數(shù)。

多年來，IP 和光傳輸網(wǎng)絡一直使用各種網(wǎng)絡虛擬化技術來交付虛擬網(wǎng)絡。那么，在傳輸網(wǎng)切片方面有什么新東西呢？傳輸網(wǎng)絡的關鍵要求是：

• 新 SLO 類型的關聯(lián)，例如延遲，在以前要求并不嚴格。此外，需要確保在服務的整個生命周期內遵守 SLO
• 數(shù)據(jù)平面技術可以擴展以支持細粒度的流量工程
• 使用流遙測技術實現(xiàn)網(wǎng)絡狀態(tài)和性能的近實時可見性
• 使用模型驅動的方法增強網(wǎng)絡可編程性，例如 YANG 模型
• 需要集中的路徑計算，而這反過來又需要新的網(wǎng)絡可見性機制
• 網(wǎng)絡和控制系統(tǒng)之間的閉環(huán)反饋回路
• 允許傳輸控制器 (NSSMF) 與端到端協(xié)調器 (NSMF) 通信的抽象 API

未來滿足端到端網(wǎng)絡切片的 SLA，IP 傳輸網(wǎng)切片必須滿足幾個要求：

表1 - IP切片要求

表 2 提供了一組候選技術解決方案，可滿足表 1 中的需求。

表2 - IP切片候選方案

表2的功能集可以組合起來構建一個傳輸網(wǎng)絡，它與中央控制器形成一個閉環(huán)，如圖4所示。

圖4 -實現(xiàn)分段路由傳輸網(wǎng)切片的閉環(huán)

在該示例中，在實現(xiàn)傳輸網(wǎng)切片的數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡與管理和/或編排網(wǎng)絡的控制器之間存在閉環(huán)反饋回路。

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在這個網(wǎng)絡中：

基站（gNB/eNB）和移動網(wǎng)關（MG）之間需要開通服務。

該服務具有一定的SLO，例如最大延遲限制。

有一個控制器既可用作 SDN 控制器，也可用作傳輸 NSSMF。

網(wǎng)絡通過 BGP-LS 向控制器公開自己的拓撲結構。

該網(wǎng)絡還向控制器傳輸遙測信息，以便控制器對該網(wǎng)絡有最新的了解。遙測信息包括鏈路利用率和延遲等。

控制器使用路徑計算引擎來計算gNB/eNB連接到 MG的邊緣路由器之間的路徑。

控制器使用 PCE 或 BGP SR-policy ，將計算的路徑信息傳送到邊緣路由器；邊緣路由器將此路徑信息嵌入到與此服務相關的數(shù)據(jù)包中。

一旦路徑建立，控制器就會持續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡以確保 SLO 繼續(xù)得到滿足。如果業(yè)務所在路徑的網(wǎng)絡狀況惡化，控制器會將業(yè)務重新路由到其他合規(guī)的路徑上。

控制器作為傳輸NSSMF的角色，還向 NSMF 公開 API，以便 NSMF 可以編排包含傳輸切片組件的端到端切片。

為什么使用分段路由進行切片

通過流量工程，服務提供商可以提供差異化的服務和增強的SLO。然而，在實現(xiàn)對流量路由進行更精細的控制時，網(wǎng)絡運營商總是因可擴展性問題而陷入停滯。

目前基于RSVP-TE的分組網(wǎng)絡中的流量工程解決方案只支持粗級別的控制。應用 RSVP-TE 來設計更細粒度服務流的嘗試總是因可擴展性問題而失敗。分段路由(Segment Routing)是一種新的隧道模式，可以與軟件定義網(wǎng)絡 (SDN) 應用程序結合使用，以解決實現(xiàn)具有良好可擴展性和精細控制的難題。

與 RSVP-TE 和標簽分發(fā)協(xié)議 (LDP) 不同，分段路由不需要在每個隧道的基礎上進行控制平面的信令。它只需要入口邊緣路由器來保持每個服務的狀態(tài)，刪除了來自中間和出口邊緣路由器的狀態(tài)管理要求。這使得分段路由的可擴展性比RSVP-TE好得多，同時提供了大部分相同的功能。

雖然分段路由提供了在網(wǎng)絡中構建轉發(fā)路徑的能力，但需要一些抽象智能來指示入口路由器在網(wǎng)絡中使用什么路徑，以及使用什么服務。這種智能可以由一個外部流量工程控制器提供，該控制器充當有狀態(tài)的活動路徑計算元素 (PCE)，基于實時網(wǎng)絡狀態(tài)提供對網(wǎng)絡資源的端到端控制。這確保了昂貴的廣域網(wǎng)(WAN)容量得到有效利用，并且由于其網(wǎng)絡范圍的可見性，確保了網(wǎng)絡可以提供特定的服務需求，如在需要時的脫節(jié)。

使用集中式控制器還有助于在 WAN 中使用 SDN，通過自動創(chuàng)建和/或刪除特定服務可用的帶寬來提供更靈活的聯(lián)網(wǎng)方式。這反過來又允許引入諸如帶寬日歷或按需帶寬之類的服務。

因此，分段路由是傳輸網(wǎng)實現(xiàn)網(wǎng)絡切片所需服務能力的理想技術。

審核編輯：郭婷