（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

未來5G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)關(guān)鍵問題分析

月球，肖子玉，楊小樂

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080）

5G是一個(gè)廣帶化、泛在化、智能化、融合化、綠色節(jié)能的網(wǎng)絡(luò)。將滿足人們超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動(dòng)性的需求。從核心網(wǎng)新技術(shù)的引入角度看，未來5G核心網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)將以NFV及SDN為實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)。為實(shí)現(xiàn)未來極富多樣化的用戶及網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，文章對未來業(yè)界公認(rèn)的5G關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。在對網(wǎng)絡(luò)切片概念、特征、未來功能要求等方面分析的基礎(chǔ)上，探討了5G基于NFV及SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及性能。

網(wǎng)絡(luò)切片；5G；NFV；SDN

1 引言

對于大步伐到來的5G網(wǎng)絡(luò)（第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)），包括運(yùn)營商、各設(shè)備廠商、各大標(biāo)準(zhǔn)組織及研究機(jī)構(gòu)在內(nèi)，無一不在爭分奪秒進(jìn)行各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)的研究及測試。當(dāng)全世界都在談5G的時(shí)候，通信業(yè)界里談?wù)摰米疃嗟氖恰?G網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)（Network Slicing）。網(wǎng)絡(luò)切片，已成為中國移動(dòng)、韓國KT、SK電信、日本KDDI 和NTT，以及愛立信、諾基亞、華為等設(shè)備商公認(rèn)的最理想的5G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架。

在此背景下，本文將首次從5G系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的概念、未來網(wǎng)絡(luò)功能要求及網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)、性能與NFV/SDN技術(shù)的結(jié)合等幾個(gè)方面對網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)進(jìn)行全面分析和探討。這些也將是運(yùn)營商在引入網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)時(shí)最先遇到的、也是最關(guān)鍵的幾個(gè)問題。

2 5G系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的概念及特征

未來網(wǎng)絡(luò)中，不同類型應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)的需求是差異化的，有的甚至是相互沖突的。通過單一網(wǎng)絡(luò)同時(shí)為不同類型應(yīng)用場景提供服務(wù)，會(huì)導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)異常復(fù)雜、網(wǎng)絡(luò)管理效率和資源利用效率低下。因此5G網(wǎng)絡(luò)需要一個(gè)融合核心網(wǎng)，能同時(shí)應(yīng)對大量的差異化場景需求，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。

通過虛擬化將一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)分成多個(gè)虛擬的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)對應(yīng)不同的應(yīng)用場景，這就叫網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。網(wǎng)絡(luò)切片是一組網(wǎng)絡(luò)功能（Network Function）及其資源的集合，由這些網(wǎng)絡(luò)功能形成一個(gè)完整的邏輯網(wǎng)絡(luò)，每一個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)都能以特定的網(wǎng)絡(luò)特征來滿足對應(yīng)業(yè)務(wù)的需求，通過網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議定制，網(wǎng)絡(luò)切片為不同業(yè)務(wù)場景提供所匹配的網(wǎng)絡(luò)功能。其中每個(gè)切片都可獨(dú)立按照業(yè)務(wù)場景的需要和話務(wù)模型進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)功能的定制剪裁和相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)資源的編排管理，是對5G網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的實(shí)例化。

網(wǎng)絡(luò)切片使網(wǎng)絡(luò)資源與部署位置解耦，支持切片資源動(dòng)態(tài)擴(kuò)容縮容調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的靈活性和資源利用率。切片的資源隔離特性增強(qiáng)整體網(wǎng)絡(luò)健壯性和可靠性。

NGMN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)如圖1所示，分為業(yè)務(wù)實(shí)例層、網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例層和資源層。其中，業(yè)務(wù)實(shí)例層通過一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)最終企業(yè)服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例層包括虛擬化后一組特定的網(wǎng)絡(luò)邏輯功能，向業(yè)務(wù)實(shí)例層提供所需要的網(wǎng)絡(luò)特性；資源層包括計(jì)算、存儲、傳輸?shù)任锢碣Y源及虛擬化后的邏輯資源。

圖1 網(wǎng)絡(luò)切片邏輯架構(gòu)[5]

3 未來網(wǎng)絡(luò)切片功能要求

5G系統(tǒng)具有系統(tǒng)靈活性、可伸縮性、移動(dòng)性的支持、高效內(nèi)容傳輸?shù)葷撛谝?，切片技術(shù)切片允許運(yùn)營商提供帶有客戶特定功能的專用邏輯網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)不丟失共同基礎(chǔ)設(shè)施的規(guī)模，以滿足系統(tǒng)的多樣性需求。

根據(jù)3GPP的定義，未來5G網(wǎng)絡(luò)切片系統(tǒng)需支持如下功能：

（1）5G系統(tǒng)應(yīng)允許用戶終端同時(shí)從一個(gè)運(yùn)營商的一個(gè)或者多個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片獲取業(yè)務(wù)，例如基于訂閱關(guān)系或終端類型。

(2）運(yùn)營商應(yīng)可以根據(jù)不同業(yè)務(wù)場景的需求創(chuàng)建和管理不同的網(wǎng)絡(luò)切片，網(wǎng)絡(luò)切片之間是相互隔離的，應(yīng)避免一個(gè)切片中的數(shù)據(jù)通信影響另一個(gè)切片提供的服務(wù)。

(3）運(yùn)營商應(yīng)授權(quán)第三方通過API接口創(chuàng)建并管理網(wǎng)絡(luò)切片。

（4）5G系統(tǒng)應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)切片的擴(kuò)容和縮容，同時(shí)不影響當(dāng)前切片或其他切片提供的服務(wù)。

(5）5G系統(tǒng)應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)切片修改并盡可能不影響用戶正訪問的來自其他切片的服務(wù)，例如網(wǎng)絡(luò)切片的增加、刪除或更新功能、架構(gòu)。

(6）5G系統(tǒng)應(yīng)支持網(wǎng)絡(luò)切片端到端（例如接入網(wǎng)和核心網(wǎng)）的資源管理。

(7）5G系統(tǒng)應(yīng)支持在接入相同網(wǎng)絡(luò)的UE間提供有效的用戶面數(shù)據(jù)路徑，包括通信過程中UE位置改變的情況。

(8）一個(gè)UE支持同時(shí)從一個(gè)運(yùn)營商的一個(gè)或多個(gè)特定網(wǎng)絡(luò)切片中獲得服務(wù)。

(9）運(yùn)營商可對網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行操作和管理。

(10）運(yùn)營商能夠平行、隔離的對不同的網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行操作。

(11）可以只對某個(gè)切片進(jìn)行特定的業(yè)務(wù)安全保障需求，而不是對整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行要求。

(12）網(wǎng)絡(luò)切片需具備彈性容量，同時(shí)不會(huì)對別的切片產(chǎn)生影響。

(13）5G網(wǎng)絡(luò)切片在不影響正在進(jìn)行服務(wù)提供的切片條件下，可以進(jìn)行新的切片創(chuàng)建、刪除已有切片以及對切片功能進(jìn)行更新和配置等操作。

(14）3GPP標(biāo)準(zhǔn)定義切片應(yīng)當(dāng)為用戶提供在VPLMN中相關(guān)聯(lián)的業(yè)務(wù)功能。如果沒有相應(yīng)的已定義的切片可以提供，用戶需要被分配給一個(gè)默認(rèn)的網(wǎng)絡(luò)切片。

基于以上功能限制的網(wǎng)絡(luò)切片的具體實(shí)現(xiàn)及分析，將在下一章內(nèi)容中進(jìn)行描述。

4 基于NFV及SDN的5G網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)及性能分析

根據(jù)第3章3GPP對5G網(wǎng)絡(luò)切片的功能要求描述，我們將進(jìn)一步分析網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)及性能分析。

4.1 基于NFV/SDN的網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)現(xiàn)和網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

IMT-2020系統(tǒng)與4G的區(qū)別不僅體現(xiàn)在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，同時(shí)也在極大的提高系統(tǒng)靈活性上。這種端到端的靈活性，將在很大程度上是從軟件納入到每個(gè)組件。眾所周知的技術(shù)如SDN、NFV和云計(jì)算將在IMT-2020系統(tǒng)中展現(xiàn)前所未有的靈活性。

4.1.1 NFV軟硬解耦及動(dòng)態(tài)伸縮特性為5G切片的實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)

實(shí)現(xiàn)5G新型設(shè)施平臺的基礎(chǔ)是NFV和SDN技術(shù)，NFV通過軟件和硬件的分離，為5G網(wǎng)絡(luò)提供更具彈性的基礎(chǔ)設(shè)施平臺，組件化的網(wǎng)絡(luò)功能模塊實(shí)現(xiàn)控制功能的可重構(gòu)。NFV使網(wǎng)絡(luò)功能與物理實(shí)體解耦，采用通用硬件取代專用硬件，可以方便快捷地把網(wǎng)元功能部署在網(wǎng)絡(luò)中任意位置，同時(shí)對通用硬件資源實(shí)現(xiàn)按需分配和動(dòng)態(tài)伸縮，以達(dá)到最優(yōu)的資源利用率。

切片之間的隔離可以分為硬件隔離或者軟件隔離來實(shí)現(xiàn)。在虛擬化平臺上切片隔離可以基于NFV技術(shù)實(shí)現(xiàn)，即通過NFV-MANO為不同切片分配不同的虛擬資源，不同切片的虛擬資源即可以共享相同的物理設(shè)備上，也可以分配在不同物理設(shè)備上。通過NFV技術(shù)可實(shí)現(xiàn)未來網(wǎng)絡(luò)切片的安全、隔離方面的特性包括：

（1）數(shù)據(jù)存儲的安全隔離。

(2）通過控制數(shù)據(jù)訪問、保護(hù)剩余信息，來保證存儲數(shù)據(jù)的可靠性。

(3）同一物理機(jī)上不同虛擬機(jī)之間的資源隔離，避免虛擬機(jī)之間的數(shù)據(jù)竊取或惡意攻擊，保證虛擬機(jī)的資源使用不受周邊虛擬機(jī)的影響。終端用戶使用虛擬機(jī)時(shí)，僅能訪問屬于自己的虛擬機(jī)的資源（如硬件、軟件和數(shù)據(jù)），不能訪問其他虛擬機(jī)的資源，保證虛擬機(jī)安全隔離。

(4）網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)陌踩綦x。

(5）通過網(wǎng)絡(luò)平面隔離、保障不同網(wǎng)絡(luò)平面之間需通過防火墻、傳輸加密等手段互通。

(6）不同租戶之間所有配置信息相互隔離，包括虛擬機(jī)規(guī)格、虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)、私有鏡像等。不同租戶創(chuàng)建的虛擬機(jī)規(guī)格、虛擬機(jī)網(wǎng)絡(luò)、私有鏡像，可能帶有各自的私有描述信息、版權(quán)程序、私有文件等，如果共享可能導(dǎo)致信息泄露。

4.1.2 SDN增加5G網(wǎng)絡(luò)靈活性，基于SDN的網(wǎng)絡(luò)是5G網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)現(xiàn)引擎

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）的基本思路是通過將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面分離，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)功能的可編程和集中轉(zhuǎn)發(fā)控制，隨著以O(shè)penFlow技術(shù)為代表的SDN方案的提出，SDN已成為數(shù)據(jù)中心和電信網(wǎng)絡(luò)的熱點(diǎn)研究課題。SDN架構(gòu)具有靈活、動(dòng)態(tài)、支持各種業(yè)務(wù)需求的特性，可實(shí)現(xiàn)控制功能和轉(zhuǎn)發(fā)功能的分離，通過網(wǎng)絡(luò)控制平臺從全局視角來感知和調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)連接的可編程。

SDN架構(gòu)允許一個(gè)SDN控制器管理大量數(shù)據(jù)層資源。大量不同數(shù)據(jù)層的存在，SDN提供一種可能性來統(tǒng)一、簡化不同資源的配置工作。SDN網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)不僅可以有效地增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)資源的共享，而且可以使網(wǎng)絡(luò)控制變得更加靈活和智能，主要體現(xiàn)在：

（1) 通過網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制與轉(zhuǎn)發(fā)的分離，使網(wǎng)絡(luò)設(shè)備控制面可以更集中。通過控制面的統(tǒng)一的路由策略調(diào)度可以更靈活的調(diào)整網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜娃D(zhuǎn)發(fā)路由，從而簡化IP網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)維。

（2) 分離后的轉(zhuǎn)發(fā)面更簡單，容易標(biāo)準(zhǔn)化，可提升轉(zhuǎn)發(fā)性能。

（3) 通過開放的API，使運(yùn)營商可以通過業(yè)務(wù)編排更方便的提供網(wǎng)絡(luò)服務(wù)或通過引入第三方應(yīng)用來提升網(wǎng)絡(luò)的增值能力。

圖2 基于SDN網(wǎng)絡(luò)的端到端網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

5G系統(tǒng)通過SDN技術(shù)能獲得極大的靈活性及可編程性，靈活的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)有助于網(wǎng)絡(luò)切片的部署，并且通過端到端的SDN架構(gòu)進(jìn)行實(shí)例化：

（1）網(wǎng)絡(luò)切片可以根據(jù)需要根據(jù)任何標(biāo)準(zhǔn)來完成定義，并通過SDN架構(gòu)實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)實(shí)例化。

(2）NGMN將網(wǎng)絡(luò)切片描述為彼此隔離的網(wǎng)絡(luò)資源，而SDN架構(gòu)支持通過客戶端協(xié)議以地址、域名、流量負(fù)載等方式來實(shí)現(xiàn)資源隔離。

(3）5G網(wǎng)絡(luò)的部署和商用將是一個(gè)漫長過程，而SDN技術(shù)是實(shí)現(xiàn)4G網(wǎng)絡(luò)逐步演進(jìn)并與5G網(wǎng)絡(luò)共存的關(guān)鍵技術(shù)之一。

如圖2所示，部署于SDN架構(gòu)上的端到端網(wǎng)絡(luò)切片邏輯架構(gòu)：通過SDN網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)、靈活的實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的實(shí)例化，以及切片管理器對網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期管理。

4.2 基于NFV/SDN的網(wǎng)絡(luò)切片性能分析

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)主要基于NFV和SDN技術(shù)實(shí)現(xiàn)：NFV利用虛擬化技術(shù)，通過NFVO為網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用分配所需的虛擬資源，并將應(yīng)用自動(dòng)部署到虛機(jī)上；SDN利用控制和轉(zhuǎn)發(fā)理念，將網(wǎng)絡(luò)控制能力集中到SDN控制器上，由Controller來統(tǒng)一控制每種業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)發(fā)路徑，保證每種業(yè)務(wù)都能得到相應(yīng)的QoS保障。

而通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，獲得的網(wǎng)絡(luò)性能也是顯而易見的，主要體現(xiàn)在如下幾個(gè)方面。

4.2.1 切片實(shí)現(xiàn)差異化的SLA

為了滿足不同業(yè)務(wù)場景下的用戶體驗(yàn)，NGMN給出了目前業(yè)界認(rèn)可的八大場景及其相應(yīng)的端到端系統(tǒng)性能指標(biāo)，具體如表1所示。

對于各種不同SLA指標(biāo)的業(yè)務(wù)類型，若針對每一種都建立相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)去滿足業(yè)務(wù)需求，高額的網(wǎng)絡(luò)成本勢必嚴(yán)重制約業(yè)務(wù)發(fā)展；若所有業(yè)務(wù)均承載在相同的基礎(chǔ)設(shè)施上，QoS差異化的各類業(yè)務(wù)將會(huì)互相干擾。通過5G的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，以上問題均能得到解決：網(wǎng)絡(luò)切片通過對計(jì)費(fèi)、策略控制、安全、移動(dòng)性、性能、隔離性等功能的不同要求，將終端通過一種基于訂閱的方式滿足運(yùn)營商或用戶需求，將終端引導(dǎo)到合適的切片。

圖3顯示，根據(jù)不同的時(shí)延、可靠性、速率等SLA用戶指標(biāo)，可將公共切片及個(gè)性切片的功能進(jìn)行組合，為客戶提供差異化服務(wù)。

4.2.2 切片降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度

2G/3G/4G系統(tǒng)中，由于不同的網(wǎng)絡(luò)功能之間具有極大的相互依賴性，任何一種類型的通信業(yè)務(wù)都需要路由經(jīng)過固定的網(wǎng)元，導(dǎo)致各網(wǎng)元之間功能重復(fù)、網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度高，如圖4所示。5G時(shí)代網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，通過NFVO等統(tǒng)一配置的網(wǎng)絡(luò)功能，可保證每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片僅包含根據(jù)服務(wù)類型定義的所需的網(wǎng)絡(luò)功能。切片之間功能互不影響，自動(dòng)的功能部署增加業(yè)務(wù)部署的TTM（Time To Market），并且由此獲得的網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度降低，將給運(yùn)營商帶來更加簡單的網(wǎng)絡(luò)配置和操作流程。

5 結(jié)論

圖3 按SLA對不同的業(yè)務(wù)類型進(jìn)行切片劃分

表1 NGMN中5G業(yè)務(wù)KPI指標(biāo)

圖4 網(wǎng)絡(luò)切片降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度

4G方興未艾，移動(dòng)通信技術(shù)和產(chǎn)業(yè)將進(jìn)入5G第五代移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展階段。5G技術(shù)將滿足人們超高流量密度、超高連接數(shù)密度、超高移動(dòng)性的需求。為用戶提供高清視頻、虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、云桌面、在線游戲等極致業(yè)務(wù)體驗(yàn)。通過虛擬化（Virtualization）和軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）我們可以設(shè)計(jì)出適應(yīng)高帶寬需求的靈活和可擴(kuò)展的5G網(wǎng)絡(luò)，形成資源開放、適宜開發(fā)新業(yè)務(wù)的架構(gòu)，而使其與4G網(wǎng)絡(luò)相比更適合新業(yè)務(wù)和新應(yīng)用創(chuàng)新。為實(shí)現(xiàn)未來極富多樣化的用戶及網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，文章對業(yè)界公認(rèn)的未來5G關(guān)鍵技術(shù)網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵問題進(jìn)行了研究。在對網(wǎng)絡(luò)切片概念、特征、未來功能要求等方面分析的基礎(chǔ)上，探討了5G基于NFV及SDN技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)切片網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及性能。為5G網(wǎng)絡(luò)切片的進(jìn)一步研究提供參考。

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Key issues of future 5G network slicing technology

YUE Qiu, XIAO Zi-yu, YANG Xiao-le
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

5G is a wide band, ubiquitous, intelligence, integration and green energy network. It will meets the demand of ultra-high traff i c density, high connection density and high mobility. In the core network, the key technologies will be based on the achievement of NFV and SDN. To achieve highly diverse user and network performance, the recognized the key 5G network technology of slices are studied in the paper. Based on the analysis of slices concept, features, the future functional requirements, the paper discusses the network slices architecture and performance in view of NFV and SDN.

network slicing; 5G; NFV; SDN

TN929.5

A

1008-5599（2017）05-0045-06

2016-09-21