移動邊緣計算中的網絡切片技術研究

程卓

摘要：移動邊緣計算（MEC）和網絡切片技術正在改變移動通信技術。MEC將計算和存儲資源推至網絡邊緣，以實現低延遲的移動應用，而網絡切片則允許網絡按需定制以滿足各種應用需求。文章研究了網絡切片技術，包括設計、實施和性能評估滿足未來智能、高效的移動網絡架構的需求。

關鍵詞：移動邊緣計算；網絡切片技術；5G通信

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2024.03.008

中圖分類號：N 929.5? ? ? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編碼：1672-7274（2024）03-00-03

網絡切片是一種網絡資源虛擬化技術，允許將單一物理網絡劃分為多個獨立的邏輯網絡，每個網絡切片可以根據具體應用的需求進行定制[1]。這種創新性的網絡劃分方法為不同類型的應用提供了高度個性化的網絡服務，無論是要求極低延遲的智能交通系統、要求高帶寬的工業自動化應用，還是對安全性要求極高的醫療保健系統，都可以通過網絡切片實現[2]。因此，網絡切片不僅滿足了不同應用的需求，還提供了一種資源管理的有效方式，有望加速5G和MEC的廣泛應用。

本文研究在移動邊緣計算環境中的網絡切片技術，強調其在滿足多樣化應用需求和優化資源利用方面的重要性。依次探討網絡切片的設計和實施過程，分析其性能評估方法，并提供實際應用案例以展示其潛力。此外，還討論了在MEC中實施網絡切片所面臨的挑戰，并展望未來的研究方向，以期望推動這一領域的發展。

1? ?網絡切片設計需求

1.1 滿足不同應用和服務需求

網絡切片設計的核心目標之一是滿足不同應用和服務的特定需求，包括但不限于智能城市、工業自動化、醫療保健、虛擬現實、物聯網等領域[3]。設計網絡切片時，需要深入了解每種應用的特性。

（1）帶寬需求：某些應用需要大量帶寬，如高清視頻流，而部分應用僅需要較低的帶寬，如傳感器數據。

（2）延遲敏感性：實時應用（如智能交通系統）要求極低的延遲，而其他應用（如批處理數據分析）可以容忍更高的延遲。

（3）可靠性：一些應用需要高度可靠的連接，以確保數據不會丟失或中斷，如遠程手術，而另一些應用對可靠性的要求則可以更寬松一些。

1.2 關鍵屬性需求

（1）帶寬分配：對于每個網絡切片，確定分配的帶寬量，高帶寬切片可能需要更多的物理資源來支持。

（2）延遲管理：通過優化網絡拓撲、路由選擇和邊緣計算節點的部署來降低延遲，可以使用邊緣緩存和邊緣計算來加速數據處理。

（3）可靠性和安全性：確保網絡切片的數據傳輸是安全的，且具備可恢復性，使用加密和備份機制來提高可靠性。

（4）資源管理：確保資源分配和釋放是有效的，以便網絡切片能夠在需要時獲得足夠的計算和存儲資源。

1.3 關鍵參數和策略

（1）網絡拓撲：選擇合適的網絡拓撲結構，以確保數據在網絡中的快速傳輸。這可能涉及邊緣節點、基站、云數據中心等的部署。

（2）QoS（服務質量）策略：為不同的網絡切片定義特定的QoS策略，以確保在網絡擁塞或高負載時按優先級順序處理流量。

（3）自動化和編排：使用自動化工具和編排技術，以便快速創建、管理和維護網絡切片，以適應應用需求的變化。

（4）監控和管理：實施監控系統，以實時跟蹤網絡切片的性能，及時發現問題并采取措施。

（5）成本效益：考慮網絡切片設計對資源成本的影響，以確保設計是可持續的并且符合預算。

網絡切片設計的成功標志在于平衡不同應用需求之間的關系，并采用適當的參數和策略來優化性能。這涉及深入的計劃、資源管理和技術選擇，以確保網絡切片能夠實現其設計目標并為不同行業帶來高效的移動邊緣計算服務。

2? ?網絡切片實施

2.1 網絡切片的實際部署過程

（1）需求分析：在部署之前，需要明確定義網絡切片的需求，包括帶寬、延遲、可靠性等方面的指標。

（2）硬件和設備配置：根據網絡切片需求，選擇合適的硬件設備，包括邊緣計算節點、交換機、路由器等。這些設備應具備足夠的計算和存儲能力。

（3）網絡拓撲設計：基于需求和硬件配置，設計網絡拓撲結構，確定數據流的路徑以最小化延遲，并確保網絡切片能夠順暢運行。

（4）軟件配置和虛擬化：部署虛擬化技術，將物理資源虛擬化為多個網絡切片，并配置各個切片的參數，如帶寬、QoS策略等。

（5）安全性和隔離：實施安全措施，確保不同網絡切片之間的隔離，以防止橫向攻擊或干擾。

（6）測試和驗證：在應用于生產環境之前，進行網絡切片的測試和驗證，確保各項性能符合預期。

（7）監控和管理：部署監控系統，以實時監測網絡切片的性能，及時發現和解決問題。

2.2 MEC中網絡切片的硬件和軟件要求

MEC中的網絡切片需要特定的硬件和軟件支持，以滿足不同應用需求。

（1）邊緣計算節點：邊緣計算服務器需要具備高性能的處理器和足夠的內存，以支持計算密集型任務。此外，它們還需要連接到高速網絡以實現快速數據傳輸。

（2）網絡設備：交換機和路由器需要支持網絡切片功能，能夠根據QoS策略和帶寬要求進行數據流的調度和控制。

（3）虛擬化平臺：軟件虛擬化平臺和容器化技術是實現網絡切片的關鍵組成部分，它們允許將物理資源虛擬化為多個邏輯網絡切片。

（4）SDN控制器：軟件定義網絡（SDN）控制器用于動態配置網絡切片，根據需求調整網絡資源分配。

2.3 網絡切片的自動化管理

網絡切片的自動化管理和編排工具對于快速創建、配置和管理網絡切片至關重要。Orchestration（編排）是移動邊緣計算（MEC）和網絡切片技術中的關鍵概念之一，指的是自動化管理和協調各種資源和任務以實現特定目標的過程。在網絡切片的背景下，編排用于創建、配置、管理和優化網絡切片。

編排允許管理員或系統自動創建和配置網絡切片，根據特定應用或服務的需求分配資源，包括計算、存儲和帶寬。這確保了網絡切片按照預期方式運行。編排負責監控和管理網絡切片所需的物理和虛擬資源。這包括分配、重新分配和回收資源以滿足不同網絡切片的需求。編排可以管理網絡切片的服務質量（QoS），根據應用需求動態調整帶寬、延遲和可靠性參數。這確保了各個切片在網絡中享有適當的資源和性能。編排可以實施自動故障檢測和恢復機制，以確保網絡切片在面臨網絡問題或硬件故障時能夠快速恢復或切換到備用資源。

編排負責實施安全策略和隔離機制，確保不同網絡切片之間的安全性，并防止橫向攻擊或干擾。編排系統通常包括監控和分析工具，以實時監測網絡切片的性能和狀態，并提供有關優化和改進的數據。編排的主要目標之一是自動化。它可以通過自動執行編排策略和工作流程來簡化網絡切片的創建和管理，減少了人工干預的需求。編排可以根據網絡負載和需求情況，實施資源調度和優化策略，以確保網絡切片的高效利用和性能優化。

網絡切片的成功實施需要仔細考慮硬件、軟件、自動化工具和流程。只有在這些因素協同工作的情況下，才能有效地滿足不同應用和服務的需求，實現高性能、高可用性的網絡切片。

3? ?網絡切片性能評估

3.1 性能評估方法

針對網絡切片可使用多種方法來評估其性能。

（1）實驗測試：進行實際的測試和測量，以獲取網絡切片在真實環境中的性能數據。如在實驗網絡中模擬不同應用負載和流量模式，以測量吞吐量、延遲和數據包丟失率等性能指標。

（2）模擬器和仿真：使用網絡仿真工具或模擬器來模擬網絡切片的行為，以評估其在不同負載和配置條件下的表現。這可以用于預測網絡切片在生產環境中的性能。

（3）基準測試：制定性能基準，以比較網絡切片的實際性能與預期性能之間的差距。基準測試可以幫助發現潛在的性能瓶頸和問題。

（4）模型和分析：基于數學模型和分析技術，評估網絡切片的性能潛力和極限。這種方法可以用于優化網絡切片配置和資源分配。

3.2 性能指標

網絡切片的性能可以通過多種指標來評估，這些指標可根據應用需求進行選擇。

（1）吞吐量（Throughput）：衡量網絡切片能夠處理的數據流量值，通常以每秒傳輸的數據量（比特/秒或數據包/秒）來表示。

（2）延遲（Latency）：衡量數據從發送端到接收端的傳輸延遲時間。延遲通常以毫秒（ms）為單位表示。

（3）數據包丟失率（Packet Loss Rate）：評估網絡切片中數據包丟失的程度，通常以百分比表示。

（4）資源利用率（Resource Utilization）：衡量網絡切片使用的計算、存儲和帶寬資源的利用率。可以將其分解為CPU利用率、內存利用率、帶寬利用率等。

（5）QoS（服務質量）：衡量網絡切片提供的服務質量，包括對延遲、帶寬和可靠性的符合程度。

3.3 性能評估的實際案例和方法

以下是一些實際案例和方法，用于網絡切片性能評估。

（1）視頻流切片性能評估：對于視頻流應用，可以評估網絡切片的吞吐量和延遲，以確保實時視頻傳輸不受中斷。

（2）工業自動化網絡切片評估：在工業自動化環境中，網絡切片的性能可以通過模擬多個傳感器和控制設備之間的通信來測試。吞吐量和延遲是關鍵性能指標。

（3）醫療保健應用評估：對于遠程醫療保健應用，需要評估網絡切片的可靠性和安全性。延遲和QoS也至關重要，以確保遠程手術和診斷過程的實時性。

（4）物聯網（IoT）網絡切片評估：針對IoT應用，需要考慮大規模設備的連接和數據傳輸。網絡切片的資源利用率和QoS對于處理IoT數據流至關重要。

性能評估的實際案例通常涉及創建模擬環境、測量性能指標、分析結果并進行優化。不同應用領域的性能需求各不相同，因此性能評估應根據具體情況進行定制。通過綜合考慮各種方法和指標，可以確保網絡切片在實際應用中的性能水平。

4? ?結束語

網絡切片作為移動邊緣計算（MEC）的關鍵技術之一，為實現多樣化的應用和服務提供了高度靈活和可定制的網絡資源。本文闡述了網絡切片的設計、實施和性能評估，強調了其在滿足不同應用需求和優化資源利用方面的重要性。通過設計網絡切片，可以根據各種應用的要求，定制化網絡服務，包括帶寬、延遲、可靠性等方面的特性。這為智能城市、工業自動化、醫療保健、虛擬現實、物聯網等各個領域提供了高度個性化的解決方案。在網絡切片的實施方面，強調了硬件和軟件的重要性，以支持網絡切片的運行。邊緣計算節點、網絡設備、虛擬化平臺和SDN控制器等都起到關鍵作用，確保網絡切片的高性能和可用性。性能評估是網絡切片部署的重要環節，相關性能指標包括吞吐量、延遲、數據包丟失率、資源利用率和QoS。

總之，網絡切片技術為MEC提供了強大的工具，可以滿足多樣化應用的需求，并優化資源利用。通過綜合考慮設計、實施和性能評估，能夠更好地理解網絡切片的潛力，為未來智能、高效的移動網絡架構提供有力支持。移動通信的未來已不再僅僅是連接，而是為各種領域的新興應用帶來了無限可能，網絡切片將在其中扮演關鍵的角色。

參考文獻

[1] 王篤炎，陳華旺，邢劍卿，等．5G終端多切片技術研究和實踐[J]．數據通信，2023（1）：1-4.

[2] 王家成．基于“IPv6+”的5G承載網切片技術與應用[J]．長江信息通信，2022（11）：205-207.

[3] 胡煜華，蔡月清，黎越，等．5G網絡無線切片技術研究[J]．江蘇通信，2022（4）：15-18，28.