5G承載網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)方法及應(yīng)用

馬亞燕

南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信學(xué)院

0 引言

2019年11月1日，我國三大運營商移動、電信和聯(lián)通正式啟用5G商用套餐，工信部在2020年3月發(fā)布的《關(guān)于推動5G加快發(fā)展的通知》中明確指出各大運營商必須加快5G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部署，極力豐富5G技術(shù)應(yīng)用場景。截至2020年12月，我國5G基站已經(jīng)超過71萬。

5G網(wǎng)絡(luò)不僅可以為各行各業(yè)服務(wù)，同時還推動了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。新冠肺炎疫情發(fā)生期間，5G在遠(yuǎn)程醫(yī)療、在線教育和辦公、交通等領(lǐng)域大顯身手。這改變了用戶習(xí)慣，加速產(chǎn)生了更多5G應(yīng)用?？梢灶A(yù)見，在不久的將來，5G將給更多行業(yè)帶來顛覆性影響，創(chuàng)造更多的國民經(jīng)濟(jì)產(chǎn)值。

1 概述

為了更好地服務(wù)于各類用戶，5G將業(yè)務(wù)場景劃分成三種，分別為eMBB（enhanced Mobile Broadband，增強(qiáng)移動寬帶）、URLLC（Ultra-reliable and Low Latency Communications，超高可靠超低時延通信）以及mMTC（massive Machine Type of Communication，海量機(jī)器類通信）。每種業(yè)務(wù)場景對帶寬、時延、連接數(shù)的要求都不一樣，因此對5G提出了按需擴(kuò)容、分片承載新要求，網(wǎng)絡(luò)切片的概念應(yīng)運而生。

網(wǎng)絡(luò)切片是一系列擁有特定配置的網(wǎng)絡(luò)功能的集合，可以根據(jù)各場景對帶寬、時延、丟包等性能的不同需求進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)資源分配，為運營商在單一物理網(wǎng)絡(luò)上提供多個端到端的虛擬網(wǎng)絡(luò)。每個5G網(wǎng)絡(luò)切片，由接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及承載網(wǎng)三個子網(wǎng)絡(luò)切片組成。其中，承載網(wǎng)切片是5G網(wǎng)絡(luò)切片的重要組成部分，需要在時延保證、路徑選擇以及帶寬保證等方面進(jìn)行嚴(yán)格區(qū)分和精細(xì)控制。

2 5G承載網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)方法

5G承載網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)方法主要有基于端口和基于隧道兩種。

2.1 基于端口網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)方法

基于端口網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)方法通過物理端口、子端口或者FlexE（Flex Ethernet，靈活以太網(wǎng)）等端口技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，一個網(wǎng)絡(luò)切片包含vNode（virtual node，虛擬節(jié)點）和它們之間的vLink（virtual link，虛擬鏈路）。在圖1中，由四個運營商PE（Provider Edge，邊緣路由器）節(jié)點和兩個運營商P（Provider，骨干路由器）節(jié)點組成的物理承載網(wǎng)絡(luò)被虛擬出兩個不同的vNet（virtual network，虛擬網(wǎng)絡(luò)），分別是vNet1和vNet2，實線端口和虛線端口分別代表不同的切片。從圖1中可以看出，該方法可以使用，但是不同的切片之間只能通過物理端口進(jìn)行隔離，需要多組物理端口，并且無法抽象物理網(wǎng)絡(luò)，只能將原有物理網(wǎng)絡(luò)的完整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)給用戶。

圖1 基于端口網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

2.2 基于隧道網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)方法

基于隧道的網(wǎng)絡(luò)切片實現(xiàn)方法可以避免以上問題，主要有以下三個步驟：首先創(chuàng)建若干個虛擬網(wǎng)元，其次通過隧道創(chuàng)建虛擬鏈路連接各個虛擬網(wǎng)元，最后將虛擬網(wǎng)元和虛擬鏈路組合成網(wǎng)絡(luò)切片。

（1）創(chuàng)建網(wǎng)元切片

在單一網(wǎng)元即單一設(shè)備上創(chuàng)建網(wǎng)元切片，主要包括虛擬網(wǎng)元和虛擬端口，后者又可劃分為虛擬用戶側(cè)端口和虛擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)端口。如圖2所示，物理節(jié)點Node1被劃分成兩個虛擬網(wǎng)元Vnod1和Vnod2，Vnod1具有虛擬用戶側(cè)端口VUNI1和虛擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)端口VNNI1，Vnod2具有虛擬用戶側(cè)端口VUNI2和虛擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)端口VNNI2。

圖2 虛擬網(wǎng)元示意圖

（2）創(chuàng)建虛擬鏈路

利用隧道創(chuàng)建上述虛擬網(wǎng)元之間的虛擬鏈路，虛擬網(wǎng)絡(luò)側(cè)端口是虛擬鏈路的端點，也是隧道的端點。根據(jù)網(wǎng)元支持承載技術(shù)的不同，隧道主要分有LSP（Label Switched Path，標(biāo)簽交換路徑）隧道、SR（Segment Routing，分段路由）隧道、FlexE隧道、ODUk（Optical channel Data Unit，光通路數(shù)據(jù)單元）隧道等。

（3）創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片

將上述步驟中形成的虛擬網(wǎng)元和虛擬鏈路組合成網(wǎng)絡(luò)切片。利用隧道技術(shù)創(chuàng)建的虛擬鏈路抽象了實際的物理網(wǎng)絡(luò)，屏蔽了中間節(jié)點。切片的用戶只需知道所在切片的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，無需感知實際的物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，在由N1、N2、N3、N4、N5、N6六個節(jié)點組成的物理網(wǎng)絡(luò)上，利用隧道技術(shù)虛擬出vNet1和vNet2兩個切片網(wǎng)絡(luò)。因為端到端的隧道技術(shù)屏蔽了中間節(jié)點，因此vNet1和vNet2的用戶無需感知內(nèi)部節(jié)點N2和N5的狀態(tài)，只要直接在切片網(wǎng)絡(luò)上創(chuàng)建業(yè)務(wù)即可。

圖3 基于隧道網(wǎng)絡(luò)切片示意圖

綜上所述，利用隧道技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，可以對實際的物理網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行抽象，降低了對物理端口資源的隔離要求。

3 5G承載網(wǎng)絡(luò)切片分層

3.1 傳統(tǒng)承載網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)

如圖4所示，傳統(tǒng)的承載網(wǎng)絡(luò)從上到下分為用戶層、服務(wù)層以及物理網(wǎng)絡(luò)層。為了滿足用戶的需求，各類業(yè)務(wù)包括EPL（Ethernet Private Line，以太網(wǎng)私有專線）/EVPL（Ethernet Virtual Private Line，以太網(wǎng)虛擬專線業(yè)務(wù)）、EPLAN（Ethernet Private Local Area Network，以太網(wǎng)專用局域網(wǎng)）/EVPLAN（Ethernet Virtual Private Local Area Network，以太網(wǎng)虛擬專用局域網(wǎng)）、ETree（Ethernet Tree，以太網(wǎng)樹型）等業(yè)務(wù)，直接部署在物理網(wǎng)絡(luò)之上。在此架構(gòu)之下，所有的業(yè)務(wù)共享一個物理網(wǎng)絡(luò)，不能進(jìn)行邏輯隔離，無法滿足5G各類不同業(yè)務(wù)場景需求。因此，5G承載網(wǎng)需要將傳統(tǒng)的承載網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)改進(jìn)為切片架構(gòu)。

圖4 傳統(tǒng)承載網(wǎng)絡(luò)分層架構(gòu)

3.2 承載網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

如圖5所示，與傳統(tǒng)的承載網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)相比，承載網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)在物理層和服務(wù)層之間增加了虛擬網(wǎng)絡(luò)層，單一的物理網(wǎng)絡(luò)被劃分成為n個虛擬網(wǎng)絡(luò)：vNet1、vNet2、…、vNetn，這些虛擬網(wǎng)絡(luò)特征與物理網(wǎng)絡(luò)類似，能夠獨立創(chuàng)建業(yè)務(wù)，擁有邏輯獨立的管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，可滿足不同類型業(yè)務(wù)場景的承載需求。當(dāng)采用基于隧道的方法創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片時，建立在虛擬網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)感知不到實際物理網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，從而實現(xiàn)物理層的業(yè)務(wù)和物理層的資源的解耦。另外，通過遞歸切片網(wǎng)絡(luò)的方法可以嵌套多層虛擬網(wǎng)絡(luò)。

圖5 承載網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

4 軟件定義網(wǎng)絡(luò)控制器

利用隧道技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片可以由SDN（Software Defined Network，軟件定義網(wǎng)絡(luò)）控制器實現(xiàn)。它是一種開放的網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，將網(wǎng)絡(luò)的控制平面和轉(zhuǎn)發(fā)平面相分離，統(tǒng)一集中控制，靈活分配調(diào)度網(wǎng)絡(luò)資源。如圖6所示，主要由vNet管理系統(tǒng)、vNet控制器組成，其中vNet管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)vNet與物理資源的映射、vNet用戶的接入控制等，vNet控制器屬于vNet用戶，它只能看到分配給自己的vNet，負(fù)責(zé)vNet上的業(yè)務(wù)生命周期控制、在vNet上創(chuàng)建各種業(yè)務(wù)，因此無需感知物理網(wǎng)絡(luò)層。

圖6 vNet SDN控制器示意圖

圖7 5G承載網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用示意圖

5 5G承載網(wǎng)絡(luò)切片應(yīng)用

不同的業(yè)務(wù)對服務(wù)質(zhì)量（譬如帶寬、時延和連接數(shù)量等）有不同的需求，根據(jù)客戶的不同需求，運營商可以使用上述切片實現(xiàn)方法靈活創(chuàng)建相應(yīng)的虛擬5G承載網(wǎng)絡(luò)。

如圖7所示，一般的5G承載物理網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備包括BBU（Base Band Unit，基帶處理單元）、CU（Centralized Unit，集中單元）、DU（Distributed Unit，分布單元）、MEC（Mobile Edge Computing，邊緣計算）、BSC（Base Station Controller，基站控制器）、RNC（Radio Network Controller，無線網(wǎng)絡(luò)控制器）、Edge DC（Edge Data Center，邊緣數(shù)據(jù)中心）、Core DC（Core Data Center，核心數(shù)據(jù)中心）等。根據(jù)在網(wǎng)絡(luò)中所處位置的不同，可以分為前傳、中傳、回傳和城域骨干、省干等幾部分，這是一個單一的物理網(wǎng)絡(luò)。

在我國，各大運營商的客戶主要可分為三種：集團(tuán)客戶、無線客戶以及家寬客戶，不同的客戶對應(yīng)不同的業(yè)務(wù)，對帶寬、時延和連接數(shù)量的需求都不同，因此運營商可以根據(jù)前文2.2小節(jié)所述的實現(xiàn)方法，通過合適的隧道技術(shù)創(chuàng)建相應(yīng)的vNet。圖7中有三個vNet，分別為：集客切片、無線切片和家寬切片。這些切片可以由相應(yīng)的虛擬運營商進(jìn)行獨立管理和運維，并可以按照客戶需要進(jìn)行再次切片。如虛擬運營商A根據(jù)自身業(yè)務(wù)需求，可以將集客切片網(wǎng)絡(luò)再次切片為銀行業(yè)務(wù)子切片、政府業(yè)務(wù)子切片、企業(yè)業(yè)務(wù)子切片等。這些子切片可以動態(tài)創(chuàng)建、獨立運維。在同一張物理網(wǎng)絡(luò)上通過切片、子切片的方式可以實現(xiàn)承載網(wǎng)絡(luò)的資源共享和切片的獨立運維。

由于客戶的需求是多變的，因此5G承載物理網(wǎng)絡(luò)并不僅僅只有這幾種類型的切片，也不僅僅只有這一種劃分方式。切片類型和劃分方式是靈活多變的，運營商可根據(jù)實際的應(yīng)用場景創(chuàng)建相應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)。

6 結(jié)束語

本文通過分析，指出5G承載網(wǎng)絡(luò)切片基于端口的實現(xiàn)方法無法抽象物理網(wǎng)絡(luò)，只能將原有物理網(wǎng)絡(luò)的完整拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)呈現(xiàn)給用戶，進(jìn)而提出基于隧道的實現(xiàn)方法，可以抽象實際的物理網(wǎng)絡(luò)，不需完全依賴物理端口對業(yè)務(wù)進(jìn)行隔離。最后簡單介紹了5G承載網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用案例，為各大運營商對5G承載網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行切片提供參考。