網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)在艦船網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用

中國船舶集團(tuán)有限公司第七十二研究所 袁國材 范穎 胡士毅

網(wǎng)絡(luò)分片是5G時代的一個非常重要的特征,通過對同一物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片劃分,能夠更好地不同業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)SLA的不同服務(wù)質(zhì)量要求,同時可以更好更快速的提供新型業(yè)務(wù)的部署能力。本文介紹了IP承載網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)分片基本概念、目標(biāo)、切片技術(shù)及其方案,重點(diǎn)探討切片技術(shù)在艦船網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用,并提出部署建議。

1 網(wǎng)絡(luò)分片概念與目標(biāo)

3GPP組織對網(wǎng)絡(luò)分片的定義如下:在一個物理網(wǎng)絡(luò)中,將相關(guān)的業(yè)務(wù)功能、網(wǎng)絡(luò)資源組織在一起,形成一個完整、自治、獨(dú)立運(yùn)維的邏輯網(wǎng)絡(luò),滿足特定的用戶和業(yè)務(wù)需求。如一個網(wǎng)絡(luò)分片提供視頻業(yè)務(wù),一個網(wǎng)絡(luò)分片提供M2M業(yè)務(wù),一個分片提供超低時延(<1ms)自動駕駛業(yè)務(wù)等。

5G時代網(wǎng)絡(luò)分片的主要商業(yè)驅(qū)動力來源于:(1)不同業(yè)務(wù)需要不同的網(wǎng)絡(luò);(2)促進(jìn)新的商業(yè)模式;(3)新業(yè)務(wù)快速驗證和部署;(4)綜合承載多業(yè)務(wù)隔離,獨(dú)立運(yùn)營。

網(wǎng)絡(luò)分片是應(yīng)對未來不確定性和差異化業(yè)務(wù)的彈性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)分片可以在一個物理網(wǎng)絡(luò)上構(gòu)建多個互相隔離的虛擬網(wǎng)絡(luò),支撐差異化承載訴求的業(yè)務(wù),運(yùn)行于一個共同的物理網(wǎng)絡(luò),同時也可以為新的業(yè)務(wù)體驗開辟一個隔離實(shí)驗網(wǎng)絡(luò)供新業(yè)務(wù)快速驗證,因而成為未來彈性網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的一個關(guān)鍵技術(shù),網(wǎng)絡(luò)分片應(yīng)能實(shí)現(xiàn)下列目標(biāo):

1.1 邏輯虛擬資源劃分

網(wǎng)絡(luò)物理資源(網(wǎng)元、單板、端口、邏輯端口/子端口、業(yè)務(wù)實(shí)例、轉(zhuǎn)發(fā)表、隊列、緩存、CPU資源等)進(jìn)行邏輯抽象形成相互隔離、可獨(dú)立管理的虛擬資源,通過網(wǎng)絡(luò)分片管理將邏輯虛擬網(wǎng)絡(luò)資源組合后,形成與其他網(wǎng)絡(luò)分片隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)。

1.2 分片間隔離

分片間隔離包括物理隔離和邏輯隔離。物理隔離指分片之間的物理資源本身就是隔離的,對資源的占用相比較多;邏輯隔離指在物理統(tǒng)一或共享的基礎(chǔ)上,具有共同的物理限制下形成邏輯上的相互隔離,如共物理端口的子端口隔離、共轉(zhuǎn)發(fā)表和緩存的隔離等。分片間的隔離要保證一個分片不能對另一個分片進(jìn)行資源侵占。

1.3 分片拓?fù)涑尸F(xiàn)

網(wǎng)絡(luò)分片具有自己獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?各個分片可視可感知。分片下的業(yè)務(wù)配置、業(yè)務(wù)維護(hù)均可在分片拓?fù)湎陋?dú)立完成,也可以基于分片獨(dú)立拓?fù)涑尸F(xiàn)分片下的各種告警、性能等。

1.4 獨(dú)立的分片控制

由于每個分片資源之間是完全隔離的,每個分片之間的控制協(xié)議計算也需要完全隔離,控制協(xié)議不能互相串?dāng)_,因此每個分片需要獨(dú)立的控制協(xié)議,這部分控制協(xié)議可以是基于設(shè)備分布式控制協(xié)議,也可以是基于控制器集中式的控制計算。

1.5 虛擬資源動態(tài)遷移

根據(jù)業(yè)務(wù)規(guī)模變化動態(tài)增刪分片網(wǎng)絡(luò)的虛擬網(wǎng)絡(luò)資源,動態(tài)優(yōu)化有限資源以適應(yīng)業(yè)務(wù)環(huán)境的變化,增加虛擬資源以便負(fù)荷分擔(dān)或者移除資源減少能耗等;也可以根據(jù)業(yè)務(wù)特征將一個業(yè)務(wù)動態(tài)綁定和解綁定到一個分片,同時維持業(yè)務(wù)的連續(xù)性。

2 網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)與工程方案

一個完整的5G網(wǎng)絡(luò)分片包括無線接入網(wǎng)、承載網(wǎng)和核心網(wǎng)三大部分,本文只討論艦船網(wǎng)絡(luò)的IP承載網(wǎng)切片。承載網(wǎng)絡(luò)分片的關(guān)鍵之一是數(shù)據(jù)面、控制面和管理面三個方面的隔離,因此網(wǎng)絡(luò)分片總體架構(gòu)包括控制分片、管理分片和轉(zhuǎn)發(fā)分片[1]。

2.1 轉(zhuǎn)發(fā)層分片

接口的分片是關(guān)鍵,通過FlexE(靈活以太網(wǎng))技術(shù),在物理端口上創(chuàng)建多個硬件子通道,不同的業(yè)務(wù)承載于不同的子通道,子通道配置時隙綁定,通過時隙復(fù)用實(shí)現(xiàn)物理接口的分片隔離,子接口大小基于一定的粒度靈活可配;也可通過VLAN(虛擬局域網(wǎng))子接口隔離技術(shù),在物理端口創(chuàng)建多個邏輯子接口,采用HQoS(層次化服務(wù)質(zhì)量)技術(shù),不同子接口間帶寬嚴(yán)格隔離,實(shí)現(xiàn)任意粒度的帶寬隔離效果;交換網(wǎng)、NP(網(wǎng)絡(luò)處理器)、TM(流量管理器)的分片技術(shù)目前仍處于研究狀態(tài),未來芯片整體上均支持分片劃分。

2.2 管理層分片

通過EMS(網(wǎng)元管理系統(tǒng))或控制器將不同的物理資源(網(wǎng)元、單板、接口、子接口等)分組整合,以邏輯網(wǎng)絡(luò)的形態(tài)呈現(xiàn)給用戶,不同用戶管理不同網(wǎng)絡(luò)分片;所有的業(yè)務(wù)管理配置均基于獨(dú)立的分片資源來進(jìn)行;實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用分片網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、路徑、告警、性能的?dú)立管理。

2.3 控制層分片

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)分片轉(zhuǎn)發(fā)面、管理面和控制面的隔離,需要使用VPN(虛擬專網(wǎng))、HQoS、信道化子接口、FlexE技術(shù)、NP/TM資源隔離和虛擬化系統(tǒng)(VS)等各種隔離技術(shù)及其組合,最終達(dá)到網(wǎng)絡(luò)分片的端到端隔離,各種隔離技術(shù)的具體細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)。

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)隔離技術(shù)的發(fā)展和工程可獲得性,網(wǎng)絡(luò)分片工程實(shí)現(xiàn)方案可分為四種:

方案1:基于“VPN+HQoS”組合技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)分片方案,管理和轉(zhuǎn)發(fā)面通過VPN業(yè)務(wù)區(qū)分客戶,控制面不區(qū)分分片,采用統(tǒng)一控制面協(xié)議計算。轉(zhuǎn)發(fā)面基于HQoS實(shí)現(xiàn)VPN業(yè)務(wù)的精細(xì)帶寬控制,各個VPN業(yè)務(wù)基于統(tǒng)計復(fù)用共享管道帶寬,目前大部分應(yīng)用均基于此分片方案,方案簡單且非常容易部署,比較適合輕載的網(wǎng)絡(luò)分片環(huán)境。其不足在于,對于控制平面無法進(jìn)行隔離,轉(zhuǎn)發(fā)層面無法基于業(yè)務(wù)類型區(qū)分隔離,基于統(tǒng)計復(fù)用的搶占在擁塞和突發(fā)時無法保證轉(zhuǎn)發(fā)時延和時延抖動指標(biāo)。

方案2:基于“VPN+HQoS+子接口(含F(xiàn)lexE)”組合技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)分片方案,管理面通過VPN業(yè)務(wù)區(qū)分客戶,控制面通過網(wǎng)管系統(tǒng)靜態(tài)配置,轉(zhuǎn)發(fā)面基于HQoS能力,同時增加子接口的管理實(shí)體,初期在部分新增設(shè)備上支持FlexE接口,在FlexE成熟后,可以形成基于VPN+HQoS+FlexE子通道隔離的靜態(tài)配置硬管道網(wǎng)絡(luò)分片方案,未來也可以一起將NP、TM資源靜態(tài)分配隔離出來。該方案的優(yōu)勢為,方案簡單易部署,既有基于業(yè)務(wù)類型的隔離,又有基于不同客戶之間的統(tǒng)計復(fù)用,既可以保證業(yè)務(wù)類型之間的帶寬隔離,也可以保證不同類型業(yè)務(wù)之間的時延和時延抖動。其不足在于,管理和控制面基于靜態(tài)規(guī)劃,配置相對復(fù)雜,同時對于動態(tài)控制平面很難進(jìn)行隔離。

方案3:基于設(shè)備管控的“VS(含VPN)+HQoS+FlexE”組合技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)分片方案,管理和控制面通過VS技術(shù)虛擬轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,轉(zhuǎn)發(fā)面直接基于VS資源劃分,基于網(wǎng)元/物理端口/子接口/FlexE接口隔離并劃分到VS虛擬設(shè)備中,形成基于VS的網(wǎng)絡(luò)分片端到端組網(wǎng)。未來NP、TM資源隔離能力具備后,可以整體將轉(zhuǎn)發(fā)隔離和控制隔離統(tǒng)一抽象虛擬進(jìn)VS。該方案的優(yōu)勢為,既有基于業(yè)務(wù)類型的隔離,又有基于不同客戶之間的統(tǒng)計復(fù)用,既可以保證業(yè)務(wù)類型之間的帶寬隔離,也可以保證不同類型業(yè)務(wù)之間的時延和時延抖動,同時還可以對控制面協(xié)議和計算進(jìn)行隔離,真正從管理、控制和轉(zhuǎn)發(fā)上實(shí)現(xiàn)隔離,可以形成真正邏輯網(wǎng)絡(luò)并用于不同分片的應(yīng)用?；赩S的網(wǎng)絡(luò)分片不足在于,VS資源虛擬粒度比較大,VS本身的數(shù)量受到物理設(shè)備資源限制,部分現(xiàn)網(wǎng)老舊設(shè)備很難升級支持。所以基于VS需要疊加VPN用于區(qū)分具體的客戶業(yè)務(wù),即針對業(yè)務(wù)類型進(jìn)行VS劃分,在VS下基于VPN+HQoS+FlexE實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)類型和單個客戶業(yè)務(wù)的隔離,該方案比較適合新建組網(wǎng)。

3 網(wǎng)絡(luò)分片在艦船網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用探討

傳統(tǒng)意義上艦船信息系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)一般采用“核心層+接入層”二層物理結(jié)構(gòu),根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分片的一般思路,結(jié)合艦船信息系統(tǒng)業(yè)務(wù)場景,可考慮將艦船網(wǎng)絡(luò)劃分為視頻、武器控制、船體平臺、C4I、航空保障等5大網(wǎng)絡(luò)分片。具體來說,可根據(jù)核心層和接入層設(shè)備本身不同的功能定位和實(shí)現(xiàn)技術(shù)選擇不同的方式:

接入層網(wǎng)絡(luò)作為業(yè)務(wù)接入的主要渠道,其本身特點(diǎn)是業(yè)務(wù)端口數(shù)量和種類較多,吞吐量和帶寬較小,網(wǎng)絡(luò)功能相對單一和簡化,不適用過于復(fù)雜的控制平面改造和FlexE這種較大顆粒度的硬管道方式,可考慮在接入側(cè)接口通過HQoS實(shí)現(xiàn)用戶上行帶寬限制,在網(wǎng)絡(luò)側(cè)基于信道化子接口配置帶寬保證,基于HQoS機(jī)制進(jìn)行層次化調(diào)度并實(shí)現(xiàn)帶寬限制和保證的方式實(shí)現(xiàn)接入設(shè)備的切片劃分。信道化子接口通過硬件預(yù)留方式嚴(yán)格隔離各個信道化子接口之間的帶寬,信道化子接口之間不能互相搶占,優(yōu)先級嚴(yán)格隔離,不能混合調(diào)度,可解決當(dāng)前HQoS一般直接區(qū)分客戶具體業(yè)務(wù),缺乏對業(yè)務(wù)類型的控制實(shí)體的問題,保證不同類型的業(yè)務(wù)之間嚴(yán)格隔離[2]。

核心層網(wǎng)絡(luò)作為業(yè)務(wù)承載和交換路由的載體,在控制平面上可采用軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)的設(shè)計理念和技術(shù),通過SDN的業(yè)務(wù)編排和資源協(xié)同,使得網(wǎng)絡(luò)能按照業(yè)務(wù)的需求進(jìn)行優(yōu)化,從而改變傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的一張網(wǎng)絡(luò)一類業(yè)務(wù)的架構(gòu),使得網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在適應(yīng)未來業(yè)務(wù)上更具靈活性和擴(kuò)展性。在設(shè)備和物理網(wǎng)絡(luò)資源方面,核心網(wǎng)元互聯(lián)線路接口從傳統(tǒng)“10G接入+40G互聯(lián) ”到目前主流的“10G/25G接入+50G/100G互聯(lián)”方案,核心網(wǎng)元互聯(lián)線路接口采用50G或100G接口標(biāo)準(zhǔn),利用FlexE的通道化技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同信息域業(yè)務(wù)物理隔離,后期還可根據(jù)實(shí)際需要擴(kuò)展到“100G接入+400G互聯(lián)”。采用FlexE技術(shù)可實(shí)現(xiàn)視視頻、武器控制、船體平臺、C4I、航空保障5大業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)大顆粒度的網(wǎng)絡(luò)分片(目前FlexE支持粒度為5G,部分廠商可實(shí)現(xiàn)2.5G粒度),確保各業(yè)務(wù)網(wǎng)絡(luò)在硬件資源上共享同一個端口同一根光纖鏈路,但轉(zhuǎn)發(fā)面互相硬件物理隔離互不影響[3]。

4 建議

綜合考慮不同型號規(guī)格的艦船對于網(wǎng)絡(luò)需求的不同,對于網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在艦船網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有以下幾點(diǎn)建議:

(1)艦船網(wǎng)絡(luò)的融合本身是一個極其復(fù)雜的系統(tǒng)工程,應(yīng)當(dāng)考慮不同艦船平臺及其信息域自身的實(shí)際需求,首先在中小型艦船或同一信息域內(nèi)開展網(wǎng)絡(luò)融合的設(shè)計和驗證,并采用網(wǎng)絡(luò)分片技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)融合的過程中確保業(yè)務(wù)承載的可靠性、可用性和安全性。

(2)考慮到嚴(yán)格的網(wǎng)絡(luò)分片方案要求設(shè)備支持FlexE及SDN等技術(shù),需要更換大量硬件設(shè)備和軟件程序,在工程實(shí)施上難以一步到位,因此可借鑒當(dāng)前民用網(wǎng)絡(luò)5G承載網(wǎng)的發(fā)展思路,分階段逐步實(shí)現(xiàn):對于已部署或正在實(shí)施的艦船網(wǎng)絡(luò),可采用升級軟件的方式,采用核心層網(wǎng)絡(luò)“VPN+HQoS”、接入層網(wǎng)絡(luò)“HQoS+信道化子接口”的方式實(shí)現(xiàn)各類型業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)面初步邏輯隔離的目標(biāo),同時為艦船關(guān)鍵業(yè)務(wù)提供超額帶寬實(shí)現(xiàn)無阻塞傳輸,確保其業(yè)務(wù)性能;對于后續(xù)在研艦船網(wǎng)絡(luò),可采用核心層“VPN+HQoS+FlexE”、接入層“HQoS+信道化子接口”的方式實(shí)現(xiàn)各類型業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)發(fā)面靜態(tài)嚴(yán)格邏輯隔離的目標(biāo)。

(3)結(jié)合業(yè)界NP&TM隔離和控制器分片等技術(shù)的發(fā)展情況,開展艦船網(wǎng)絡(luò)完全隔離和智能化自動化分片的相關(guān)預(yù)研工作,以期在未來達(dá)到既可以保證業(yè)務(wù)類型之間的帶寬隔離,也可以保證不同類型業(yè)務(wù)之間的時延和時延抖動,同時還可以對控制面協(xié)議和計算進(jìn)行隔離,真正從管理、控制和轉(zhuǎn)發(fā)上實(shí)現(xiàn)隔離,從而在艦船上實(shí)現(xiàn)完全相互隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)滿足各類應(yīng)用需求的最終目標(biāo)。

引用

[1] Mark Graham.Applying High Availability Design and Parallel Redundancy Protocol (PRP) in Safety Critical Wide Area Networks[J].Journal of Telecommunications System& Management,2015,4(1):1-7.

[2] Mohamed A.Ahmed,Yong Cheol Kang,Young-Chon Kim.Modeling and simulation of communication networks for use in integrating high wind power generation into a power grid[J]. Journal of Renewable and Sustainable Energy,2015,7(4):92-96.

[3] Ryu Won Jae,Shin Soo Young,Heo Seong Gil,Choi Yoon Seok. Performance Improvement of IPCS:A Middleware for Warship Combat Systems[J].Journal of the Korea Institute of Military Science and Technology,2013,16(5):659-665.