面向5G承載的網絡切片架構與關鍵技術

王強+陳捷+廖國慶

摘要：5G承載網作為基礎網絡，面臨著大帶寬、低延時、靈活連接、高精度時間同步和網絡切片五大挑戰。提出了面向5G承載的網絡切片分層架構，并對涉及的軟件定義網絡（SDN）控制面切片、基于靈活以太網（FlexE）的轉發面硬切片、承載設備切片與虛擬化技術、5G業務的端到端切片編排等關鍵技術進行了研究。

關鍵詞： 5G承載網；網絡切片；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承載網絡切片需求

5G業務呈現出多場景、差異化的特點，如：移動上網業務聚焦帶寬，自動駕駛業務需要低延時和抖動保障，工業控制對可靠性要求苛刻，物聯網業務要支持巨大的連接數量[1]。對此，5G的無線接入網和核心網都進行了功能重構，根據業務類型改變設備處理單元的物理部署位置，并通過切片在同一物理網絡對不同類型業務構建獨立的端到端邏輯網絡[2]。

5G承載網是5G端到端業務路徑的一部分，必須滿足多場景下不同業務需求，同時5G是一個開放網絡，可以提供面向垂直行業和租賃業務的應用需求，在此場景下要求承載網絡支持5G分片網絡的業務隔離和獨立運維需求，為不同類型的業務分配不同類型的承載網分片，每個承載網分片象一個獨立的物理網絡一樣。

如果我們為每種業務服務建立一個專用網絡，成本是無法想象的。網絡切片技術可以讓運營商在一個硬件基礎設施中切分出多個虛擬的端到端網絡，每個網絡切片在轉發面、控制面、管理面上實現邏輯隔離，適配各種類型服務并滿足用戶的不同需求。對每一個網絡切片而言，網絡帶寬、服務質量、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。每個切片內的資源可以由租戶自行管理。

2 承載網絡切片分層架構

傳統的承載網網絡可分為客戶/租戶層、業務層、物理網絡層，如圖1所示。即在物理網絡上直接部署業務，如各種以太網專線業務（EPL）/以太網虛擬專線業務（EVPL）、以太網專用局域網業務（EPLAN）/以太網虛擬專用局域網業務（EVPLAN）、以太網專用樹形業務（EPTree）/以太網虛擬專用樹形業務（EVPTree）等，形成業務層，從而滿足上層的客戶租戶業務（例如5G業務）的傳送需求。在這種架構下，業務層的各種業務共享物理網絡的資源，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按照不同業務場景（如5G各種業務）、不同客戶/租戶等情況下的按需隔離。不能滿足未來5G業務承載的精細化管理、控制。因此，5G承載網引入了網絡切片技術。

承載網網絡切片是通過對網絡的拓撲資源（如鏈路、節點、端口及網元內部資源）進行虛擬化，按需組織形成多個虛擬網絡（vNet），即切片網絡。在物理網絡層之上構建虛擬網絡層，從而形成客戶/租戶層、業務層、虛擬網絡層、物理網絡層的分層架構，如圖2所示。vNet具有類似物理網絡的特征，包括獨立的管理面、控制面和轉發面，各vNet之上可獨立支持各種業務。切片后，承載于虛擬網絡上的業務看到的就是虛擬網絡，對實際物理網絡不感知，實現了業務與物理網絡資源的解耦。

進一步，通過虛擬網絡的遞歸切片可以支持虛擬運營商、子運營商的運營，以及網絡二級租賃等業務。

承載網絡切片具有以下特性。

按需網絡重構：通過虛擬化形成的vNet切片網絡在網絡拓撲、節點能力方面可以根據業務需求進行重構。每個切片網絡具有各自特定的帶寬、時延等指標，及生命周期。不同切片網絡彼此隔離，擁有各自獨立的拓撲結構、網絡資源，從而滿足不同的5G業務承載需求。

切片網絡和物理網絡具有相似性：類似于物理網絡，切片網絡同樣向上層業務提供網絡資源，屏蔽了切片與物理網絡的差異。EPL/EVPL， EPLAN/EVPLAN 等業務可直接部署在切片網絡之上，就如同部署在物理網絡之上一樣。

業務層與物理網絡解耦：業務是建立在vNet切片網絡之上，從而業務層與物理網絡層解耦，簡化了業務的部署，有利于網絡的管理和運維。

切片網絡的轉發面隔離：不同切片網絡的轉發面彼此隔離，而隔離性取決于采用不同的轉發面切片技術。例如：基于Layer 1 交換的靈活以太網（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議標簽交換（MPLS-TP）通道或分段路由（SR）通道的切片則具有統計復用特性，非剛性隔離，稱為軟切片。endprint

切片網絡的控制&管理面隔離：不同切片網絡的控制&管理面彼此隔離。

切片網絡的業務隔離：不同切片之上的業務彼此隔離。

可見，切片網絡vNet具有類似物理網絡的特征，具有獨立的管理面、控制面和轉發面，不用業務應用可部署在不同的虛擬網絡上，從而滿足未來5G差異化的業務特性以及子運營商等的業務租賃的需求。

各網絡切片能加載不同的應用協議，支持獨立部署和升級。通過切片生命周期的管理，可實現業務的快速部署開通，資源的共享和靈活調度。由于網絡切片簡化了網絡規模和拓撲，也使運維管理更便捷、高效。

3 承載網絡切片關鍵技術

3.1 基于SDN的控制面切片

SDN實現了控制面和轉發面的解耦，使得物理網絡具有了開放、可編程特征，支持未來各種新型網絡體系結構和新型業務的創新[3]。控制平面完成網絡拓撲和資源統一管理、網絡抽象、路徑計算、策略管理等功能，借助SDN控制面可將物理轉發資源抽象成虛擬的設備節點、虛擬的網絡連接，并根據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]。

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

基于切片的業務與物理網絡完全解耦，切片控制器可便捷完成vNet對應的物理資源的遷移、調整或擴容， 而vNet上的業務對物理網絡不感知，業務不受影響（或短暫影響）。

業務層的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，支持圖形方式呈現虛擬網絡資源和拓撲，可以在自己的vNet上創建各種業務（如：L2VPN、L3VPN），并負責業務生命周期控制，與基于物理網絡的業務控制類似。每個vNet對應一個獨立的vNet控制器，支持vNet間控制面和管理面的隔離。

3.2 基于FlexE的轉發面切片技術

承載網轉發面的切片技術可分為軟切片技術和硬切片技術。軟切片是在二層（Layer 2）或以上，基于統計復用的切片技術，如：基于多協議標記交換協議（IP/MPLS）的隧道/偽線技術，基于虛擬專網（VPN）、虛擬局域網（VLAN）等的虛擬化技術。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，如： FlexE技術[5]，光傳送網（OTN）技術，波分復用（WDM）技術等；在實際應用中，也可以采用混合硬切片、軟切片的方案，硬切片方式保證業務的隔離安全、低時延等需求，軟切片方式支持業務的帶寬復用。

FlexE可以實現基于物理層的切片轉發，提供剛性管道隔離，實現帶寬靈活分配。中興通訊創新性地引入了FlexE Switch，操作管理維護（OAM）和保護這3個關鍵技術，成功的把FlexE擴展成了一個網絡級的技術，即FlexE通道技術。 基于FlexE Switch 創建的FlexE通道可形成切片網絡內部虛擬網元（vNE）之間全新的虛鏈路（vLink），從而實現切片網絡拓撲重構，如圖3所示。

FlexE通道將業務隔離從端口級擴展到網絡級，可對不同業務實現端到端子信道隔離，為5G承載網絡切片提供最佳轉發面支撐。基于FlexE通道技術的保護倒換能做到1 ms以內，把電信級保護提升到了工業控制級。針對超可靠低時延通信（uRLLC）業務，采用FlexE通道技術，解決了波長穿通方案業務顆粒度過大、承載效率偏低，以及軟切片技術時延偏大、無法物理隔離的問題。

對于不同業務的差異化需求，綜合考慮成本、安全、運營管理等因素，可以靈活選擇網絡、設備或者轉發面切片。基于SDN控制面，可依據端口、VPN、VLAN、 FlexE通道等不同資源進行切片，以滿足5G不同業務場景在時延、帶寬等方面的業務需求。

3.3 承載設備切片與虛擬化技術

轉發面的切片包括端口、服務質量（QoS）資源、轉發面表項等的隔離，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，轉發面表項隔離包括媒體接入控制（MAC）表、路由表、標簽表、下一跳表、流分類表等的隔離。在轉發面切片的基礎上，同時對網元內部的計算、存儲等資源進行切片/虛擬化，就形成了虛擬網元（vNE），稱為設備切片。如圖4所示，切片網元之間，在支持軟件資源的隔離基礎上，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。因而切片網元具有物理網元的類似特征，包括了各自獨立的轉發面、控制面、管理面，在設備切片的基礎上可以支撐更高層的網絡切片。

4 5G業務的端到端切片

編排

對于5G業務端到端的網絡分片，需要無線網絡、核心網和承載網共同配合完成，如圖5所示。可根據無線業務的帶寬、時延等屬性對承載網的切片進行定義；并根據實際情況，靈活選擇無線業務的VLAN、可擴展虛擬局域網（VxLAN）的虛擬網絡標識（VNI）、業務IP的DSCP等進行無線接入網（RAN）的業務和承載網的切片之間的映射。RAN、核心網、承載網三者之間的協同通過基于SDN/網絡功能虛擬化（NFV）架構的切片編排器完成，層次化的SDN控制器和vNet控制器，負責承載網的切片和業務控制，軟件定義網絡編排器（SDNO）完成跨域的承載業務編排；網絡功能虛擬化編排器（NFVO）和虛擬化網絡功能管理（VNFM）完成無線及核心網的資源編排和業務編排。而全局編排器完成無線和承載之間跨域的業務協調和編排，從而實現5G業務的端到端切片，并通過各切片的不同功能屬性滿足5G業務的差異化需求。

5 結束語

通過承載網絡的切片，可以基于統一的物理網絡設施提供多個邏輯網絡服務，以滿足不同行業客戶或者特定場景的差異化需求，實現資源共享、業務快速上線。在保證業務性能及安全隔離的前提下，可以實現承載網絡資源共享和靈活調度，以及獨立的子網管理，并減少運營商承載網絡建設的投入。

相比4G、5G的重點是服務于行業應用，從而幫助運營商開拓行業市場、擴展收入渠道。未來的5G網絡將會實現靈活的云化業務部署，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用戶提供從無線、承載到核心網端到端的網絡切片，方便行業用戶直接管理和運維虛擬網絡。垂直行業用戶具備較強的排他性，未來的行業市場爭奪會變得非常激烈，運營商的網絡應提早做好準備。

參考文獻

[1] 5G White Paper V1.0[R]. Germany： NGMN， 2015

[2] Study on Architecture for Next Generation System： TR23.799[S]. France： 3GPP， 2016：12

[3] SDN Architecture： TR-521[S]. USA： ONF， 2016：2

[4] Applying SDN Architecture to 5G Slicing： TR-526[S]. USA： ONF， 2016：4

[5] Flex Ethernet Implementation Agreement： OIF-FLEXE-01.0[S]. USA： OIF， 2016：5endprint