面向5G承載的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

王強+陳捷+廖國慶

摘要：5G承載網(wǎng)作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，面臨著大帶寬、低延時、靈活連接、高精度時間同步和網(wǎng)絡(luò)切片五大挑戰(zhàn)。提出了面向5G承載的網(wǎng)絡(luò)切片分層架構(gòu)，并對涉及的軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制面切片、基于靈活以太網(wǎng)（FlexE）的轉(zhuǎn)發(fā)面硬切片、承載設(shè)備切片與虛擬化技術(shù)、5G業(yè)務(wù)的端到端切片編排等關(guān)鍵技術(shù)進行了研究。

關(guān)鍵詞： 5G承載網(wǎng)；網(wǎng)絡(luò)切片；硬切片；軟切片；FlexE

Abstract： As the basic network， 5G transport network is considered to face five major challenges， such as wide bandwidth， low delay， high-precision synchronization， flexible connection， and network slicing. In this paper， a layer network slicing architecture for 5G transport network is proposed， and some key technologies including soft-defined network （SDN） control plane slicing， flexible Ethernet （FlexE） -based data plane hard slicing， transport device slicing and virtualization， and E2E slicing orchestration for 5G services are studies.

Key words： 5G transport network； network slicing； hard slicing； soft slicing； FlexE

1 5G承載網(wǎng)絡(luò)切片需求

5G業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出多場景、差異化的特點，如：移動上網(wǎng)業(yè)務(wù)聚焦帶寬，自動駕駛業(yè)務(wù)需要低延時和抖動保障，工業(yè)控制對可靠性要求苛刻，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)要支持巨大的連接數(shù)量[1]。對此，5G的無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)都進行了功能重構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)類型改變設(shè)備處理單元的物理部署位置，并通過切片在同一物理網(wǎng)絡(luò)對不同類型業(yè)務(wù)構(gòu)建獨立的端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)[2]。

5G承載網(wǎng)是5G端到端業(yè)務(wù)路徑的一部分，必須滿足多場景下不同業(yè)務(wù)需求，同時5G是一個開放網(wǎng)絡(luò)，可以提供面向垂直行業(yè)和租賃業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，在此場景下要求承載網(wǎng)絡(luò)支持5G分片網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)隔離和獨立運維需求，為不同類型的業(yè)務(wù)分配不同類型的承載網(wǎng)分片，每個承載網(wǎng)分片象一個獨立的物理網(wǎng)絡(luò)一樣。

如果我們?yōu)槊糠N業(yè)務(wù)服務(wù)建立一個專用網(wǎng)絡(luò)，成本是無法想象的。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以讓運營商在一個硬件基礎(chǔ)設(shè)施中切分出多個虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個網(wǎng)絡(luò)切片在轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面、管理面上實現(xiàn)邏輯隔離，適配各種類型服務(wù)并滿足用戶的不同需求。對每一個網(wǎng)絡(luò)切片而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)質(zhì)量、安全性等專屬資源都可以得到充分保證。由于切片之間相互隔離，一個切片的錯誤或故障不會影響其他切片的通信。每個切片內(nèi)的資源可以由租戶自行管理。

2 承載網(wǎng)絡(luò)切片分層架構(gòu)

傳統(tǒng)的承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可分為客戶/租戶層、業(yè)務(wù)層、物理網(wǎng)絡(luò)層，如圖1所示。即在物理網(wǎng)絡(luò)上直接部署業(yè)務(wù)，如各種以太網(wǎng)專線業(yè)務(wù)（EPL）/以太網(wǎng)虛擬專線業(yè)務(wù)（EVPL）、以太網(wǎng)專用局域網(wǎng)業(yè)務(wù)（EPLAN）/以太網(wǎng)虛擬專用局域網(wǎng)業(yè)務(wù)（EVPLAN）、以太網(wǎng)專用樹形業(yè)務(wù)（EPTree）/以太網(wǎng)虛擬專用樹形業(yè)務(wù)（EVPTree）等，形成業(yè)務(wù)層，從而滿足上層的客戶租戶業(yè)務(wù)（例如5G業(yè)務(wù)）的傳送需求。在這種架構(gòu)下，業(yè)務(wù)層的各種業(yè)務(wù)共享物理網(wǎng)絡(luò)的資源，沒有隔離機制，存在資源競爭的問題，并且在管理和控制上也難以實現(xiàn)按照不同業(yè)務(wù)場景（如5G各種業(yè)務(wù)）、不同客戶/租戶等情況下的按需隔離。不能滿足未來5G業(yè)務(wù)承載的精細化管理、控制。因此，5G承載網(wǎng)引入了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。

承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片是通過對網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)滟Y源（如鏈路、節(jié)點、端口及網(wǎng)元內(nèi)部資源）進行虛擬化，按需組織形成多個虛擬網(wǎng)絡(luò)（vNet），即切片網(wǎng)絡(luò)。在物理網(wǎng)絡(luò)層之上構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)層，從而形成客戶/租戶層、業(yè)務(wù)層、虛擬網(wǎng)絡(luò)層、物理網(wǎng)絡(luò)層的分層架構(gòu)，如圖2所示。vNet具有類似物理網(wǎng)絡(luò)的特征，包括獨立的管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，各vNet之上可獨立支持各種業(yè)務(wù)。切片后，承載于虛擬網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)看到的就是虛擬網(wǎng)絡(luò)，對實際物理網(wǎng)絡(luò)不感知，實現(xiàn)了業(yè)務(wù)與物理網(wǎng)絡(luò)資源的解耦。

進一步，通過虛擬網(wǎng)絡(luò)的遞歸切片可以支持虛擬運營商、子運營商的運營，以及網(wǎng)絡(luò)二級租賃等業(yè)務(wù)。

承載網(wǎng)絡(luò)切片具有以下特性。

按需網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)：通過虛擬化形成的vNet切片網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、?jié)點能力方面可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進行重構(gòu)。每個切片網(wǎng)絡(luò)具有各自特定的帶寬、時延等指標(biāo)，及生命周期。不同切片網(wǎng)絡(luò)彼此隔離，擁有各自獨立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)資源，從而滿足不同的5G業(yè)務(wù)承載需求。

切片網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)具有相似性：類似于物理網(wǎng)絡(luò)，切片網(wǎng)絡(luò)同樣向上層業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)資源，屏蔽了切片與物理網(wǎng)絡(luò)的差異。EPL/EVPL， EPLAN/EVPLAN 等業(yè)務(wù)可直接部署在切片網(wǎng)絡(luò)之上，就如同部署在物理網(wǎng)絡(luò)之上一樣。

業(yè)務(wù)層與物理網(wǎng)絡(luò)解耦：業(yè)務(wù)是建立在vNet切片網(wǎng)絡(luò)之上，從而業(yè)務(wù)層與物理網(wǎng)絡(luò)層解耦，簡化了業(yè)務(wù)的部署，有利于網(wǎng)絡(luò)的管理和運維。

切片網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)面隔離：不同切片網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)面彼此隔離，而隔離性取決于采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)面切片技術(shù)。例如：基于Layer 1 交換的靈活以太網(wǎng)（FlexE）通道的切片就具有剛性隔離性，稱為硬切片；而基于分組交換的傳送特性的多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS-TP）通道或分段路由（SR）通道的切片則具有統(tǒng)計復(fù)用特性，非剛性隔離，稱為軟切片。endprint

切片網(wǎng)絡(luò)的控制&管理面隔離：不同切片網(wǎng)絡(luò)的控制&管理面彼此隔離。

切片網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)隔離：不同切片之上的業(yè)務(wù)彼此隔離。

可見，切片網(wǎng)絡(luò)vNet具有類似物理網(wǎng)絡(luò)的特征，具有獨立的管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，不用業(yè)務(wù)應(yīng)用可部署在不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)上，從而滿足未來5G差異化的業(yè)務(wù)特性以及子運營商等的業(yè)務(wù)租賃的需求。

各網(wǎng)絡(luò)切片能加載不同的應(yīng)用協(xié)議，支持獨立部署和升級。通過切片生命周期的管理，可實現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速部署開通，資源的共享和靈活調(diào)度。由于網(wǎng)絡(luò)切片簡化了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)洌彩惯\維管理更便捷、高效。

3 承載網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵技術(shù)

3.1 基于SDN的控制面切片

SDN實現(xiàn)了控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的解耦，使得物理網(wǎng)絡(luò)具有了開放、可編程特征，支持未來各種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和新型業(yè)務(wù)的創(chuàng)新[3]。控制平面完成網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唾Y源統(tǒng)一管理、網(wǎng)絡(luò)抽象、路徑計算、策略管理等功能，借助SDN控制面可將物理轉(zhuǎn)發(fā)資源抽象成虛擬的設(shè)備節(jié)點、虛擬的網(wǎng)絡(luò)連接，并根據(jù)策略將這些虛擬資源進行分組管理，形成獨立的邏輯切片[4]。

我們提出實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片/虛擬化的一種特殊軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制器，即切片控制器，如圖2所示。切片控制器負(fù)責(zé)完成物理網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，按需形成邏輯獨立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，即切片網(wǎng)絡(luò)vNet，并負(fù)責(zé)vNet虛擬資源到物理網(wǎng)絡(luò)資源的映射，并將vNet資源信息暴露給vNet控制器。

基于切片的業(yè)務(wù)與物理網(wǎng)絡(luò)完全解耦，切片控制器可便捷完成vNet對應(yīng)的物理資源的遷移、調(diào)整或擴容， 而vNet上的業(yè)務(wù)對物理網(wǎng)絡(luò)不感知，業(yè)務(wù)不受影響（或短暫影響）。

業(yè)務(wù)層的vNet控制器是vNet資源的使用者，只能看到分配給自己的vNet資源，支持圖形方式呈現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)資源和拓?fù)?，可以在自己的vNet上創(chuàng)建各種業(yè)務(wù)（如：L2VPN、L3VPN），并負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)生命周期控制，與基于物理網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)控制類似。每個vNet對應(yīng)一個獨立的vNet控制器，支持vNet間控制面和管理面的隔離。

3.2 基于FlexE的轉(zhuǎn)發(fā)面切片技術(shù)

承載網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面的切片技術(shù)可分為軟切片技術(shù)和硬切片技術(shù)。軟切片是在二層（Layer 2）或以上，基于統(tǒng)計復(fù)用的切片技術(shù)，如：基于多協(xié)議標(biāo)記交換協(xié)議（IP/MPLS）的隧道/偽線技術(shù)，基于虛擬專網(wǎng)（VPN）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）等的虛擬化技術(shù)。硬切片是在一層（Layer 1）或光層，基于物理剛性管道的切片技術(shù)，如： FlexE技術(shù)[5]，光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)，波分復(fù)用（WDM）技術(shù)等；在實際應(yīng)用中，也可以采用混合硬切片、軟切片的方案，硬切片方式保證業(yè)務(wù)的隔離安全、低時延等需求，軟切片方式支持業(yè)務(wù)的帶寬復(fù)用。

FlexE可以實現(xiàn)基于物理層的切片轉(zhuǎn)發(fā)，提供剛性管道隔離，實現(xiàn)帶寬靈活分配。中興通訊創(chuàng)新性地引入了FlexE Switch，操作管理維護（OAM）和保護這3個關(guān)鍵技術(shù)，成功的把FlexE擴展成了一個網(wǎng)絡(luò)級的技術(shù)，即FlexE通道技術(shù)。 基于FlexE Switch 創(chuàng)建的FlexE通道可形成切片網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部虛擬網(wǎng)元（vNE）之間全新的虛鏈路（vLink），從而實現(xiàn)切片網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)，如圖3所示。

FlexE通道將業(yè)務(wù)隔離從端口級擴展到網(wǎng)絡(luò)級，可對不同業(yè)務(wù)實現(xiàn)端到端子信道隔離，為5G承載網(wǎng)絡(luò)切片提供最佳轉(zhuǎn)發(fā)面支撐?；贔lexE通道技術(shù)的保護倒換能做到1 ms以內(nèi)，把電信級保護提升到了工業(yè)控制級。針對超可靠低時延通信（uRLLC）業(yè)務(wù)，采用FlexE通道技術(shù)，解決了波長穿通方案業(yè)務(wù)顆粒度過大、承載效率偏低，以及軟切片技術(shù)時延偏大、無法物理隔離的問題。

對于不同業(yè)務(wù)的差異化需求，綜合考慮成本、安全、運營管理等因素，可以靈活選擇網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備或者轉(zhuǎn)發(fā)面切片。基于SDN控制面，可依據(jù)端口、VPN、VLAN、 FlexE通道等不同資源進行切片，以滿足5G不同業(yè)務(wù)場景在時延、帶寬等方面的業(yè)務(wù)需求。

3.3 承載設(shè)備切片與虛擬化技術(shù)

轉(zhuǎn)發(fā)面的切片包括端口、服務(wù)質(zhì)量（QoS）資源、轉(zhuǎn)發(fā)面表項等的隔離，而端口隔離包括物理端口或FlexE子端口隔離，QoS隔離包括帶寬、隊列和Buffer等的隔離，轉(zhuǎn)發(fā)面表項隔離包括媒體接入控制（MAC）表、路由表、標(biāo)簽表、下一跳表、流分類表等的隔離。在轉(zhuǎn)發(fā)面切片的基礎(chǔ)上，同時對網(wǎng)元內(nèi)部的計算、存儲等資源進行切片/虛擬化，就形成了虛擬網(wǎng)元（vNE），稱為設(shè)備切片。如圖4所示，切片網(wǎng)元之間，在支持軟件資源的隔離基礎(chǔ)上，支持管理控制通道和配置的隔離，支持切片部署和升級的獨立性。因而切片網(wǎng)元具有物理網(wǎng)元的類似特征，包括了各自獨立的轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面、管理面，在設(shè)備切片的基礎(chǔ)上可以支撐更高層的網(wǎng)絡(luò)切片。

4 5G業(yè)務(wù)的端到端切片

編排

對于5G業(yè)務(wù)端到端的網(wǎng)絡(luò)分片，需要無線網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)和承載網(wǎng)共同配合完成，如圖5所示?？筛鶕?jù)無線業(yè)務(wù)的帶寬、時延等屬性對承載網(wǎng)的切片進行定義；并根據(jù)實際情況，靈活選擇無線業(yè)務(wù)的VLAN、可擴展虛擬局域網(wǎng)（VxLAN）的虛擬網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識（VNI）、業(yè)務(wù)IP的DSCP等進行無線接入網(wǎng)（RAN）的業(yè)務(wù)和承載網(wǎng)的切片之間的映射。RAN、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)三者之間的協(xié)同通過基于SDN/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）架構(gòu)的切片編排器完成，層次化的SDN控制器和vNet控制器，負(fù)責(zé)承載網(wǎng)的切片和業(yè)務(wù)控制，軟件定義網(wǎng)絡(luò)編排器（SDNO）完成跨域的承載業(yè)務(wù)編排；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器（NFVO）和虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理（VNFM）完成無線及核心網(wǎng)的資源編排和業(yè)務(wù)編排。而全局編排器完成無線和承載之間跨域的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)和編排，從而實現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的端到端切片，并通過各切片的不同功能屬性滿足5G業(yè)務(wù)的差異化需求。

5 結(jié)束語

通過承載網(wǎng)絡(luò)的切片，可以基于統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供多個邏輯網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足不同行業(yè)客戶或者特定場景的差異化需求，實現(xiàn)資源共享、業(yè)務(wù)快速上線。在保證業(yè)務(wù)性能及安全隔離的前提下，可以實現(xiàn)承載網(wǎng)絡(luò)資源共享和靈活調(diào)度，以及獨立的子網(wǎng)管理，并減少運營商承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投入。

相比4G、5G的重點是服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用，從而幫助運營商開拓行業(yè)市場、擴展收入渠道。未來的5G網(wǎng)絡(luò)將會實現(xiàn)靈活的云化業(yè)務(wù)部署，定制化的安全、路由、計費等策略，并且可以很快捷地為垂直行業(yè)用戶提供從無線、承載到核心網(wǎng)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，方便行業(yè)用戶直接管理和運維虛擬網(wǎng)絡(luò)。垂直行業(yè)用戶具備較強的排他性，未來的行業(yè)市場爭奪會變得非常激烈，運營商的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提早做好準(zhǔn)備。

參考文獻

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