5G 網絡切片技術研究進展

謝靜如，方 剛

（安徽農業大學 信息與計算機學院，安徽 合肥 230000）

隨著互聯網時代的高速發展，網絡互聯不僅局限于人與人，還包括人與物、物與物之間，世界處于萬物互聯；在自動駕駛、安防、遠程醫療、智能家居、城市物聯等垂直行業對網絡性能不同差異化通信需求遠超過分組核心網（EPC）的承載服務能力，如果單獨搭建不同的網絡，將會花費巨資，因此5G 網絡根據不同的場景對應不同的需求來進行網絡資源的劃分，形成了網絡切片。ITU為5G 網絡承載業務場景定義了三大應用場景[1]：一是增強移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）[2]，直接提升了用戶傳輸速率及網絡覆蓋，實現了3D、超高清視頻等大流量移動寬帶業務。二是海量機器類通信（Massive Machine Typ of Communication，mMTC），特點是低成本[2]、低功耗、大連接，用于大規模物聯網業務，在智能農業、抄表場景中應用。三是超高可靠低時延通信（Ultra Reliable & Low Latency Communication，uRLLC）[3]，特點是高可靠、低時延，用于遠程手術、交通安全、遠程培訓等應用場景。

5G 網絡應用場景的不同，滿足的服務要求不同，網絡切片應運而生，根據不同的服務需求[5]，每個網絡切片根據網絡資源優化分配而成，可看作獨立的邏輯網絡，提高了網絡靈活性、可擴展性、安全性以及可靠性。

由于網絡切片的靈活性，每個切片既有獨立控制面還與其他切片共享控制面，如網絡切片選擇功能、移動性管理功能等；每個切片也可以完全共享控制面，切片隔離性越高，不同控制面配置方式的特點不同，如表1 所示[4,p26]。

表1 不同控制面配置方式的特點

1 網絡切片

1.1 網絡切片的定義

3GPP 在制定5G 研究標準工作中，把網絡切片設為5G 關鍵技術并設定了研究課題。網絡切片（Network Slicing）[6]是多個被分割獨立的端到端的邏輯網絡資源，每個切片是隔離的，包括設備、接入、傳輸以及核心網，有獨立的協議和結構，可滿足差異化服務的質量需求，實現網絡即服務。不同的網絡切片有不同的網絡配置和架構，可靈活地提供不同的網絡服務，該技術是5G 通信網絡重要技術，當任意網絡發生故障時，不影響其他網絡切片的通信。

1.2 網絡切片的基本架構

為實現網絡切片，網絡切片架構在傳統網絡架構上增加了網絡功能虛擬化管理和編排器（Network Function Virtualization Management &Orchestration，NFV MANO）、切片選擇功能（Network Slicing Selection Function，NSSF）、網絡切片管理器（Network Slice Manager，NSM），首先在切片管理器的商務設計環節中，網絡需求方根據切片需求提供的相關指標和參數，在實例編排中，NSM 將網絡切片描述文件輸出到NFV MANO 中，其次MANO 對實例化一個網絡切片。最后在運行管理中，NSM 對網絡切片實例進行監控、調配以及動態管理[7]。

2 網絡切片國內外研究進展

5G 標準化工作涉及兩個國際組織：國際電信聯盟（International Telecommunication Union，ITU）和第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Pannership Project，3GPP）。ITU 負責制定5G 的標準與需求以及成果的鑒定，解決5G 中出現的問題，評估技術[8]；3GPP 負責制定5G 計劃，制定規范的具體技術設計和標準研究，負責網絡切片的架構和技術[9]。5G 的標準研究分為三個階段，在第一階段Release 15 中，eMBB 相關標準已經正式發布，進行了R15 版本功能與性能測試，如NSA 實驗室測試、NSA 外場測試、SA 實驗室測試及SA 外場測試等。第二階段Release 16 將發布5G 的最終完整版，包括海量機器類通信和超高可靠低時延通信的技術標準，此階段將在2020 年向ITU 提交候選方案，因此5G 稱為IMT-2020，在第二階段測試中，推進組系統測試了基于網絡功能虛擬化平臺的切片功能，是面向建設、組網等商業方案驗證。2019 年1 月，IMT-2020 推進組召開了第三階段5G增強及毫米波技術等研發試驗總結會，發布了第三階段研發試驗的測試結果，宣布基站和核心網對獨立網組SA 和非獨立網組NSA 模式適用，可以達到預商用水平。

2.1 我國網絡切片研究進展

我國作為世界經濟強國，在國家戰略層面上非常重視5G。2015 年，我國出臺了兩個重要文獻《“互聯網+”行動指導意見》和《中國制造2025》，認真計劃實施了“寬帶中國”戰略，加強5G 的研發以及加快5G 標準推進。我國將進一步加強國與國之間合作、加大研發力度、推動創新融合、積極探索新產業和新技術。2013 年2 月，我國成立了5G 推進組，開展了5G 技術的研發和推進，目前推進組工作在5G 頻譜、需求等方面取得了重要的研究進展，預測到2020 年，我國頻譜需求量在1 350～1 810 MHz，根據日前已規劃移動通信頻譜來看，還需新增頻譜663～1 178 MHz，同時推進組發布了《5G 網絡架構設計》白皮書[6]，完成了需求和架構的標準工作，分析完成了5G 潛在核心技術的研究。2015 年11 月，中國移動在ITU 無線電通信局IMT-2020 第五代移動通信焦點會議上，編制完成《ITU 5G 網絡標準技術指導建議書》，主要把5G 中的關鍵技術研究與國際組織中的標準情況進行了分析比較，并且移動把5G 能力開放和網絡切片管理與編排編入此書，同時提出5G 技術的網絡架構[10]，推動了網絡切片架構和用戶數據融合架構等工作，并且大大地推動了C/U 分離、網絡功能軟件化、邊緣化計算等方面[7]。

移動、通信、聯通三大運營商在工信部發放5G 牌照5 個月后，正式開啟5G 商用，上線5G 套餐，手機品牌廠商如中興、小米、華為等也推出了5G 手機。除三大運營商外，中興和華為研發的5G 技術在全球處于領先和主導地位。時任工信部部長苗圩在國新辦發布會上表示未來5G 的應用場景百分之八十程度會應用在工業物聯網上，從政府到企業組織，5G 技術的推進全面貫徹。

2.2 國外網絡切片研究進展

早在2012 年9 月，歐盟啟動了面向物理層技術的研究課題“5G NOW”，同年11 月，正式啟動“METIS”5G 研發項目。該項目是歐盟第一個完整的5G 研發項目，構建5G 的基石，確定了無線網絡通信技術在特性、需求、應用場景等方面上的性能指標，在概念、雛形、核心技術方面形成了一致的意見，研究技術目標是讓移動數據流量增長1 000 倍，該項目使歐盟處于5G 技術研發的領先地位。2014 年1 月，歐盟正式推出了“5G PPP”計劃，開展了國際交流合作，與四國簽署了聯合聲明，同時與中國、美國、日本、韓國5G 組織簽訂了合作備忘錄。國際組織ITU、IETF、ETSI 等也進行了網絡切片標準化架構、需求研究，但具體實現由3GPP 進行制定。

3 網絡切片應用的關鍵技術

3.1 虛擬化

虛擬化技術可將計算機中的實體資源進行抽象和轉換，調配計算資源是一種資源管理技術。虛擬化可以簡化網絡架構，把應用系統的不同層面隔離，使網絡架構動態化，使系統架構具有靈活性。網絡虛擬資源像一個“存儲池”，它是虛擬網絡資源管理的關鍵技術，通過網絡虛擬化技術，實現了上層統一對底層物理資源和虛擬資源的“池化管理”，對上層提供了一個可資源保證的、可隔離的多用戶的網絡環境[4,p25]。虛擬化可分為存儲虛擬化、網絡虛擬化、內存虛擬化、硬件虛擬化這四種類型，其中存儲虛擬化技術是虛擬化技術中的關鍵結構，該技術分離了物理硬件存儲和網絡資源的邏輯映像。存儲虛擬化技術優劣對系統的正常運行有著直接影響。

虛擬化既可以是軟件上的抽樣，也可以是硬件上的抽樣。虛擬監控系統（Virtual Machine Monitor，VMM）又稱為Hypervisor，可以訪問物理主機上所有設備資源，如CPU、磁盤、設備、網絡及內存等，通常運行在常規物理基礎服務器和系統之間的抽樣層，其應用程序可以很好地控制存儲結構和周邊環境。Hypervisor 分為兩種類型，I型又稱為裸機型，常見的有KVM、Hyper-v 等虛擬化軟件，管理程序運行在主機的物理硬件上，特點是運行效率高，移動性強，主操作系統是虛擬機監視器。II 型，可稱為主機托管型，如VNware Server、Oracle VM for x86 等虛擬化軟件，虛擬機把應用程序運行在具備虛擬化功能的基礎操作系統上，效率比裸機型低。

3.2 SDN

軟件定義網絡（software defined networking，SDN）通過分離網絡設備的控制平面和轉發平面，靈活控制網絡流量，提供開放的可編程接口，使網絡連接可編程，實現從網絡管控模式從設備轉到系統，是網絡更多地獲得可編程能力架構的基礎。SDN 不同于傳統網絡模型，是一種新型的網絡體系結構，可進行網絡規劃、集中控制、靈活調用，簡化了業務部署，便于網絡管理。在數據平面，抽象了虛擬化層的操作行為，借助高級語言，對虛擬化層各網絡功能網元間的接口進行了定制，滿足了符合性能的要求，實現了上層應用系統資源的優化配置的目標[11]。在控制平面，對硬件資源進行統一動態調配和集中化發展，使設備通用化和簡單化，可實施全局優化，在控制器和轉發器中可通過控制協議如OpenFlow 協議連接。由于用戶之間需要秒級創建的虛擬網進行隔離，SDN 能快速改變能夠秒級完成計算和存儲資源調度的數據中心網絡。SDN 可以有效地減輕網絡管理和維護的復雜程度。因為SDN 轉發面設備只需根據控制器分配的指令進行轉發和數據處理，而不用理解大量的協議標準[4,p12]。

3.3 NFV

網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）是將傳統的CT 業務專用設備軟硬件功能部署到虛擬化平臺上，對軟硬件功能解耦合，靈活調配網絡資源，實現了對網絡功能快速部署，NFV 可以把硬件實現的網絡功能以軟件形式的網絡功能運行在虛擬機或通用服務器上，這種按需自動化配置提高了網絡彈性和利用效率，利用NFV 技術可減少專有硬件的安裝和維護費用，節省開發網絡功能所需時間，縮短建設周期。結合云計算資源池的規模優勢，可以實現多種業務共享和集中管理，提高了資源利用率，大幅提升管理和維護效率[12]。同時，NFV 能夠支撐用戶需求定制以及創新網絡架構功能。在NFV 網絡架構中，MANO 是NFV 網絡架構中的網絡管理與編排模塊，實現了網絡功能、虛擬層以及物理硬件資源層的編排與管理。

4 網絡切片技術面對的挑戰

通過SDN/NFV 技術，5G 網絡切片可以將單個物理資源抽樣成多個虛擬的端到端資源，靈活配置虛擬網絡資源，使虛擬網之間按需構建端到端邏輯獨立網絡，滿足各垂直行業的不同業務需求，網絡切片架構使網絡切片的實現具有可行性，可以提供不同應用場景下的定制化網絡切片服務。

4.1 網絡切片的信息安全挑戰

由于引入了虛擬化技術，網絡功能變得靈活，然而網絡切片出現了安全性問題。在數據中心傳輸階段，切片的安全性是傳輸的關鍵問題。在多租戶共享計算資源的情況下，用戶的隱私數據更容易受到攻擊和泄露[13]，不同用戶在不同場景下應用不同，需求不同，因此隱私保護能力具有差異化，需要保障用戶隱私數據的泄露、破壞、盜取等問題。同時，網絡切片面臨的另一個挑戰是不同的運營商采用不同的網絡設備且網絡封閉，網絡切片安全機制的標準化定制不能達到統一編排。密匙技術可實現網絡切片之間的安全問題，不同控制面密鑰在相同的終端可以被共同分享，然而在不同網絡切片內則使用不同的數據面密鑰[13]。

4.2 網絡切片的粒度問題

網絡切片的粒度大小決定了網絡的靈活性和編排管理，網絡切片的劃分有多種情況，切片粒度過大則不能提供不同行業差異化的需求，切片粒度過細雖可滿足差異化需求但使網絡的部署、動態管理、資源共享和編排能力變復雜，合適的切片粒度大小決定網絡的靈活性，如何選擇合適的切片粒度仍是未來重要的研究工作。

4.3 網絡切片的管理和編排問題

只有當NFV 編排器和SDN 控制器協同作用時，才能實現自動化、智能化的端到端網絡的編排和管理，與過去的通信網絡服務相比，5G 網絡切片需提供滿足不同特定的用戶需求服務，實現定制化服務時會帶來不同的業務網絡小包信令。在數據傳輸過程中，根據業務需求，可以在進行網絡切片編排時，有效地進行合理規劃切片資源和邏輯關系，從而減輕過多的信令給網絡帶來沉重的調度負擔[14]。

4.4 網絡切片的隔離問題

網絡切片的隔離可以有效地保證單個網絡切片受到攻擊時，其他切片的安全性和正常運行，由于無線信道的接入是隨機和時變的，網絡切片的頻譜劃分、協議等配置和技術是不同的，網絡切片的隔離也是一個重要挑戰，目前還沒有完全統一的機制去保證切片隔離、合適的覆蓋需求和各種參數的規范[15]。

4.5 端到端無線側切片的實現問題

網絡切片的實現是5G 白皮書中提出的愿景，不僅包含核心網用戶面與控制面的切片，也包含無線側的切片[16]，目前無線網絡切片的研究還處于核心網切片支持功能階段，仍不能完全滿足不同垂直行業的差異化需求。

5 結語

網絡切片技術滿足了各垂直行業不同業務化需求，SDN、NFV、MEC 等技術是實現不同應用場景下網絡切片架構的關鍵，但實現網絡切片面臨的問題和挑戰還有很多，如切片的安全性問題、隔離問題、管理和編排能力問題、端到端無線側切片實現問題、網絡切片的粒度問題等。除此之外，通用物理基礎設施硬件的性能和虛擬化平臺的穩定性仍需繼續研究。目前網絡切片試點工作正在進行，三大運營商已在我國12 座城市試點，中國移動除5 個試點城市外，還在12 所城市進行5G 業務和應用示范，我國5G 技術目前走在世界前列。未來，運營商將進一步改善網絡切片技術，提高網絡運行效率，滿足各垂直行業的市場需求，按需為用戶提供不同服務化業務要求和極致化體驗[17]。