大数据、云及物联网等新兴技术的发展,未来网络的互联将不再局限于人与人,还将包含人与机器、机器与机器,理想状态下,最终将实现“万物互联”。思科的研究报告中显示[1]:至2021年,智能手机的
数量将达到80亿,M2M (机器对机器)设备的数量将达到130亿,全球每月移动数据流量将达到48.27Eb ,其中,视频服务将占总流量的四分之三以上,对网络性能提出了较高的要求。
各垂直行业如医疗、和自动驾驶等,由于其应用及发展的规模不断扩大,均对网络性能(时延、移动性和可靠性等)提出了差异化需求,远远超过了现有EPC (分组核心网)网络的承载能力和服务能力。此外,当前网络架构可伸缩性较差,可用性和可靠性较低,因此,亟需在网络架构层面上进行实质性的改变。5G 作为下一代移动通信网络,包含了诸多关键技术,如网关转发控制分离、控制功能重构、新型连接管理和移动性管理、移动边缘内容与计算、按需组网等,用于满足持续增长的业务及用户需求。
为了全面提升网络灵活性及可靠性,提供多租户、多服务的支持,加之网络软件化、云化等因素的驱动,网络切片将成为5G 关键技术———按需组网的一种实现方式。3GPP (第三代移动通信系统标准制定机构)将网络切片定义为:一个提供特定网络能力和网络特性的逻辑网络[2]。网络切片示意如图1所示,一个网络切片通过一个切片实例实现,该实例
包括多个网络功能体及其相应的计算、存储与网络资源,从而适应多种应用场景。此外,SDN (软件定义网络)和NFV (网络功能虚拟化)等热点技术为网络切片带来了一种更加高效便捷的部署模式,克服了现有网络架构存在的短板问题。
1网络切片必要性分析
网络架构作为网络的基石,决定着网络的处理
性能,对于“爆炸式”增长的数据流量,现有网络由于其紧耦合的设计模式,呈现出诸多弊端与缺陷。以下将总结现网存在的问题以及当前QoS (服务质量)机制的不足,验证网络切片的必要性。1.1
网络现状
《5G 网络架构》[3]中提到,5G 发展面临着关键能力指标、网络运营能力以及网络演进要求三方面的挑战。由于站间缺乏协同、灵活调度等能力,使得当前网络难以为用户提供良好的体验。并且,核心网转发模式较为死板,对于高密度流量,移动回传网将面临容量暴增的局面。此外,针对“万物互联”的发展趋势,当前网络难以适应多样化的IOT
(物联网)终端接入需求,需要设计一种低功耗、低成本的接入方式。同时,现网对于端到端通信的应用场景,由于其转发和控制的紧耦合,处理过程中将引入大量的时延开销,无法满足超低时延的业务需求。
此外,当前网络依赖于静态的、预定义的配置来
网络切片在5G 领域中的应用与分析
袁丹丹
(中通服咨询设计研究院有限公司,江苏省南京市210017)
摘
要
垂直行业的蓬勃发展,对网络性能提出了愈加严格的多样化需求,网络处理能
力面临空前的挑战。“网络切片”作为5G 领域中讨论的热点,将成为解决网络性能瓶颈的关键技术,为运营商网络及ICT (信息通信技术)产业带来一种新的机遇。文章首先根据现网封闭式网络架构所呈现出的诸多弊端,分析网络切片的必要性;其次,从网络切片的核心思想出发,从技术层面分析网络切片的可行性;最后,总结部署和实施过程中可能存在的问题与挑战,指出网络切片在未来网络中进一步研究与发展的方向。关键词
网络切片;5G ;SDN /NFV (软件定义网络/网络功能虚拟化)
图1网络切片示意
图
满足用户的需求,网络感知能力差。虽然现有网络技术通过网络流量优先级为不同类型的服务提供差异化的服务,但是这种管理网络设备和资源的方式,由于其缺乏不断演进的机制,效率及灵敏度较低,且代价非常昂贵。例如,MME (移动管理实体)在EPC 中用于管理用户的移动性,然而,并不是所有设备都需要移动性支持,如M2M 类型传感器通信,这必将导致配置冗余,资源利用率较低。1.2
QoS (服务质量)机制
为了满足应用的服务质量约束需求,IETF (互联网工程任务组)提出了相关QoS 机制,如IntServ
(综合服务)[4]、Diffserv (区分服务)[5]以及MPLS (多协议标签交换)[6]。
这些QoS 机制虽然在一定程度上满足了某些关键应用对于网络性能的约束需求,但是由于当前网络的封闭性,以及软硬件的紧耦合,网络管理员无法获取全网的拓扑及相关节点信息,因此难以在全网范围内进行部署与实施,全局路由优化决策困难。并且,对于多租户同一类型服务的流量,难以进行隔离,无法提供包含计算、存储和网络资源的端到端虚拟网络,用户体验较差,且网络运营成本较高。
综上所述,当前网络架构、配置能力以及现有QoS 机制难以满足高流量密度、高连接数密度、高移动性以及高灵活性的未来网络发展需求。
2网络切片可行性分析
根据上述网络切片的必要性分析可知,5G 亟需
在网络架构方面进行实质性的改变与创新,以下将从网络切片的核心思想出发,从技术层面分析网络
切片的可行性。2.1
核心思想
首先,将网络划分为多个逻辑子网并不是一个全新的概念,比如:VPN (虚拟专用网)被用来提供逻辑隔离的分组,DECOR (专用核心网)[7]允许在相同网络基础设施之上部署多个核心网络,以提供更高等级的灵活性,在不同网络间共享资源。然而,它们仅仅假设对于所有用例而言,无线接入网都是一样的,并且它们与现有EPC 网络架构紧密相关,受到诸多。为此,5G 中的网络切片所体现出来的优势在于:通过其模块化和灵活性的网络功能体,提供高可用性、可靠性,并且支持多租户、多服务的需求。其核心思想主要包括资源虚拟化、资源分配与隔离。
资源虚拟化:多租户的支持需要在整个5G 接入网内实现端到端资源的虚拟化,这就意味着构成底层基础架构的一组硬件资源必须被虚拟化以便共享。从一般意义上讲,资源是一个可管理的单元,由可用于提供服务的一组属性或功能来定义,包括网络功能(物理/虚拟)和基础设施资源(计算/存储/网络)。网络切片由一组资源组成,这些资源恰当地组合在一起,以满足此切片所需支持的用例需求。
文献[8]提出将虚拟化引入网络领域使得新的业务模型具有新颖和独特的业务角色,图2展示了包括三种角色的框架,并且具有递归性。
a )基础设施供应商:拥有和管理给定的物理网络及其组成资源,这些资源以WAN (广域网)或数据中心的形式被虚拟化,然后通过开放的编程接口提供给单个或多个租户。
b )租户:以虚拟网络的形式从一或多个基础设
施供应商租用虚拟资源,从而为用户提供网络服务,并实现管理。
c )终端用户:使用租户提供的服务。
资源分配与隔离:在同一物理基础设施之上共存多个租户实现已分配资源的完全隔离,每个租户分配资源的数量和可用性既不受其他租户资源分配的影响,也不受其他租户的资源利用率的影响,例如网络流量负载、CPU 利用率阈值等。并且,一个切片中发生的攻击或故障不得影响其他切片。此外,每个切片必须具有的安全功能,以防止未经授权的实体对切片特定的配置、管理及记帐信息具有读取或写入访问权限。
根据上述思想,网络切片的实现流程大致可以分为以下五个步骤:
a )设备厂商注册网络切片模板。
b )网络运营商根据模板设计网络切片。
c )网络编排功能根据业务的需求创建并分配虚拟化资源。
d )实例化网络切片。
e )对网络切片进行监控与管理,及时响应变化的需求并对切片实行动态调整。2.2
技术可行性分析
SDN /NFV 、云资源池等前沿技术的兴起,从技术层面推动了网络切片在5G 中的快速部署与实施。在核心网中,转发平面简化下沉,将业务存储、计算能力从网络中心下移至网络边缘。
其中,NFV 重新塑造网元的模式使得网络功能
可编程,从而能够灵活地调配网络资源,并且能够及时有效地实现灾难冗余和负载均衡。此外,还能够随时随地的分配和部署网元,解决现有网络热点覆盖难题。
SDN 改变了传统网络设计模型,使得网络连接可编程。将转发与控制平面进行解耦,集中控制分布转发的模式,有效提高了传输效率,简化了网络管理,为网络的创新化部署带来了新的机遇。并且,服务链能够引导报文有顺序地通过流程节点,实现灵活的流量转向。
云资源池分离数据存储和业务逻辑,实现高可靠性和灵活的弹性。
基于SDN /NFV 实现的端到端网络切片方案[9]
如图3所示。
NFV 编排器负责部署、扩展和发布网络服务和虚拟的NF (网络功能)。VNF (虚拟的网络功能)管理器监督虚拟NF 的生命周期管理,并与管理系统NMS /EMS (网络管理系统/网元管理系统)进行通信。虚拟基础设施管理器通常在一个运营商的网络域内控制和管理计算、存储和网络资源。
端到端业务管理、编排实体和网络管理系统与一个或多个可编程的SDN 控制器(如Openday-light 、ONOS 等)进行通信,对核心和接入网络功能进行集中的管控。
SDN /NFV 技术通过集中控制、资源全局调度、按需编排及网络可定制等优势,加快了网络业务及应用的部署周期。用户面网关下沉,实现本地路由,
图2网络资源虚拟化示意
图
图3
端到端网络切片示意
图
降低网络容量压力,从而满足多业务、多服务的应用场景。
3问题与挑战
网络切片所具备的优势虽然为众多垂直行业带
来了诸多便利,然而,在其实施的过程中,仍面临着许多问题与挑战,这也将是接下来工作的主要研究方向。主要包括以下几个方面:
a )RAN (无线接入网)虚拟化:预先分配不同频谱块给虚拟基站实例(切片)的解决方案很容易实现,并能提供无线电资源隔离,但是该方案对于无线电资源的使用效率极低。通过基于RAN 虚拟化的方法可缓解该问题,然而,对于无线电资源的隔离仍是一项挑战。并且,5G 网络中采用统一的多无线接入技术融合,这将带来额外的挑战,因为不清楚多个RAT (无线接入技术)是否能够通过相同的专用硬件进行复用,或是否需要自己的专用硬件。
b )缺乏网络切片的标准化方法:对于同一运营商网络所采用的不同设备,以及运营商网络之间,由于封闭性,难以实现网络资源的统一编排。
c )切片隔离和网络安全:各行各业对网络安全隔离的差异性较大。并且,支持网络编程的开放接口对软件化的网络带来了新的威胁。
d )切片间共享普通网络功能体的接入问题:如移动性管理和AAA (鉴权、授权、计费)等。
面对复杂场景需求,网络切片已成为5G 领域中的核心能力,允许网络管理员根据应用场景的需求,将一个物理网络定制裁剪为多个端到端逻辑、按需的虚拟网络,优化路由,提升用户体验度。SDN /NFV 的兴起,使得各切片能够通过其逻辑集中的控制平面,对全网资源进行细粒度的配置与管控,增强了网络的可用性,提高了资源的利用率。随着5G 标准的不断加强与完善,灵活高效的网络切片方案将有利于未来网络的可持续发展。
参考文献
1
Cisco whitepaper.Cisco Visual Network Index :Forecast and Methodology ,2016-2021[R ].2017.
2TS 123501V15.2.0.System Architecture for the 5G Sys-tem;Release 15,Version 1.2.0[S ].2017.
3IMT-2020(5G )推进组.5G 网络技术架构[R ].2015.
4
BARZILAI TP ,KANDLUR DD ,MEHRA A ,et al.Design and implementation of an RSVP-based quality of service ar-chitecture for an integrated services Internet [J ].IEEE Jour-nal on Selected Areas in Communications ,2006,16(3):397-413.5
MYKONIATI E ,CHARALAMPOUS C ,GEORGATSOS P ,et al.Admission control for providing QoS in DiffServ IP networks :the TEQUILA approach [J ].Communications Magazine IEEE ,2003,41(1):38-44.6
XIAO X ,HANNAN A ,BAILEY B ,Ni LM.Traffic engi-neering with MPLS in the Internet [J ].Designing Teach-niques of Posts &Telecom ,2002,14(2):28-33.7田辉.3GPP 核心网技术[M ].北京:人民邮电出版社,2007.
8
ORDONEZ-LUCENA J ,AMEIGEIAS P ,LOPEZ D ,et al.Network Slicing for 5G with SDN/NFV :Concepts ,Archi-tectures ,and Challenges [J ].IEEE Communications Maga-zine ,2017,55(5):80-87.9
KALOXYLOS A.Network slicing for 5G networks :A sur-vey and an analysis of future trends [C ].PCI ,2017.
袁丹丹(1979—),女,高级工程师,主要从事IP 数据网、网络信息安全、云计算、大数据等数据专业的通信咨询、设计工作。
收稿日期:2018-07-19
