什么是網(wǎng)絡(luò)切片？網(wǎng)絡(luò)切片是如何工作的？

時(shí)間：2023-05-09 08:30:02 | 來(lái)源：網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)

時(shí)間：2023-05-09 08:30:02 來(lái)源：網(wǎng)站運(yùn)營(yíng)

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前言

網(wǎng)絡(luò)切片是一種新型網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，在同一個(gè)共享的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上提供多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)服務(wù)于特定的業(yè)務(wù)類型或者行業(yè)用戶。每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片都可以靈活定義自己的邏輯拓?fù)?、SLA需求、可靠性和安全等級(jí)，以滿足不同業(yè)務(wù)、行業(yè)或用戶的差異化需求。
運(yùn)營(yíng)商通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片可以降低建設(shè)多張專網(wǎng)的成本，而且可根據(jù)業(yè)務(wù)需求提供高度靈活的按需調(diào)配的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，從而提升運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)價(jià)值和變現(xiàn)能力，并助力各行各業(yè)的數(shù)字化轉(zhuǎn)型。

01 為什么需要網(wǎng)絡(luò)切片？

網(wǎng)絡(luò)民工

隨著5G和云時(shí)代多樣化新業(yè)務(wù)的涌現(xiàn)，不同的行業(yè)、業(yè)務(wù)或用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)提出了各種各樣的服務(wù)質(zhì)量要求。例如，對(duì)于移動(dòng)通信、智能家居、環(huán)境監(jiān)測(cè)、智能農(nóng)業(yè)和智能抄表等業(yè)務(wù)，需要網(wǎng)絡(luò)支持海量設(shè)備連接和大量小報(bào)文頻發(fā)；網(wǎng)絡(luò)直播、視頻回傳和移動(dòng)醫(yī)療等業(yè)務(wù)對(duì)傳輸速率提出了更高的要求；車聯(lián)網(wǎng)、智能電網(wǎng)和工業(yè)控制等業(yè)務(wù)則要求毫秒級(jí)的時(shí)延和接近100%的可靠性。因此，5G網(wǎng)絡(luò)應(yīng)具有海量接入、確定性時(shí)延、極高可靠性等能力，需要構(gòu)建靈活、動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)，以滿足用戶和垂直行業(yè)多樣化業(yè)務(wù)需求。

面對(duì)以上需求，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片，運(yùn)營(yíng)商能夠在一個(gè)通用的物理網(wǎng)絡(luò)之上構(gòu)建多個(gè)專用的、虛擬化的、互相隔離的邏輯網(wǎng)絡(luò)，來(lái)滿足不同客戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)能力的差異化要求。5G網(wǎng)絡(luò)切片的示例如下圖所示。




5G網(wǎng)絡(luò)切片示例

5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片包括無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)切片、移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)切片和IP承載網(wǎng)絡(luò)切片。其中無(wú)線接入網(wǎng)和移動(dòng)核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)和技術(shù)規(guī)范由3GPP進(jìn)行定義，IP承載網(wǎng)絡(luò)切片的架構(gòu)和技術(shù)規(guī)范主要由IETF、BBF、IEEE、ITU-T等標(biāo)準(zhǔn)組織定義。以下章節(jié)將圍繞IP承載網(wǎng)絡(luò)切片展開。

在5G端到端網(wǎng)絡(luò)切片中，IP承載網(wǎng)絡(luò)切片的主要功能是為無(wú)線接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)切片中的網(wǎng)元和服務(wù)之間提供定制化的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)溥B接，以及為不同網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)提供差異化的服務(wù)質(zhì)量SLA保證。此外，為了實(shí)現(xiàn)與無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)切片的端到端網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)同管理，以及將網(wǎng)絡(luò)切片作為一項(xiàng)新業(yè)務(wù)提供給垂直行業(yè)租戶，承載網(wǎng)還需要對(duì)外提供開放的網(wǎng)絡(luò)切片管理接口，用于網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期管理。

網(wǎng)絡(luò)民工

02 網(wǎng)絡(luò)切片有哪些價(jià)值？

IP承載網(wǎng)絡(luò)切片的價(jià)值，主要體現(xiàn)在資源與安全隔離、確定性時(shí)延、靈活定制拓?fù)溥B接、自動(dòng)化切片管理四個(gè)方面。

2.1 資源與安全隔離

網(wǎng)絡(luò)切片隔離的目的，一方面是從服務(wù)質(zhì)量的角度，需要控制和避免某個(gè)切片中的業(yè)務(wù)突發(fā)或異常流量影響到同一網(wǎng)絡(luò)中的其他切片，做到不同網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)的業(yè)務(wù)之間互不影響。這一點(diǎn)對(duì)于智能電網(wǎng)、智慧醫(yī)療、智慧港口等業(yè)務(wù)尤其重要，這些業(yè)務(wù)對(duì)于時(shí)延、抖動(dòng)等方面的要求十分嚴(yán)苛，無(wú)法容忍其他業(yè)務(wù)對(duì)其業(yè)務(wù)性能的影響。另一方面是從安全性角度出發(fā)，若某個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片中的業(yè)務(wù)或用戶信息不希望被其他網(wǎng)絡(luò)切片的用戶訪問(wèn)或者獲取，就需要為不同切片之間提供有效的安全隔離措施，如金融、政府等專線業(yè)務(wù)。

按照隔離程度不同，IP承載網(wǎng)絡(luò)切片可以提供三個(gè)層次的隔離：業(yè)務(wù)隔離、資源隔離和運(yùn)維隔離。

• 業(yè)務(wù)隔離：某一網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)報(bào)文不會(huì)被發(fā)送給同一網(wǎng)絡(luò)中另一網(wǎng)絡(luò)切片中的業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)，即提供不同網(wǎng)絡(luò)切片之間的業(yè)務(wù)連接和訪問(wèn)的隔離，使不同網(wǎng)絡(luò)切片的業(yè)務(wù)在網(wǎng)絡(luò)中互不可見。
  
• 資源隔離：某一網(wǎng)絡(luò)切片所使用的網(wǎng)絡(luò)資源與其他網(wǎng)絡(luò)切片所使用的資源之間相互隔離。資源隔離按照隔離程度可以分為硬隔離和軟隔離，硬隔離是指為不同的網(wǎng)絡(luò)切片在網(wǎng)絡(luò)中分配完全獨(dú)享的網(wǎng)絡(luò)資源；軟隔離是指不同的網(wǎng)絡(luò)切片既擁有部分獨(dú)立的資源，同時(shí)對(duì)網(wǎng)絡(luò)中的另一些資源也存在共享，從而在提供滿足業(yè)務(wù)需求的隔離特性的同時(shí)也可保持一定的統(tǒng)計(jì)復(fù)用能力。結(jié)合軟硬隔離技術(shù)，可以靈活選擇哪些網(wǎng)絡(luò)切片需要獨(dú)享資源，哪些網(wǎng)絡(luò)切片之間可以共享部分資源，從而實(shí)現(xiàn)在同一張網(wǎng)絡(luò)中滿足不同業(yè)務(wù)的差異化SLA要求。
  
• 運(yùn)維隔離：對(duì)于一部分網(wǎng)絡(luò)切片用戶來(lái)說(shuō)，在提供業(yè)務(wù)隔離和資源隔離的基礎(chǔ)上，還要求能夠?qū)\(yùn)營(yíng)商分配的網(wǎng)絡(luò)切片進(jìn)行獨(dú)立的管理和維護(hù)操作，即做到對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片的使用近似于使用一張專用網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)切片通過(guò)管理平面接口開放提供運(yùn)維隔離功能。

2.2 確定性時(shí)延

不同業(yè)務(wù)對(duì)于帶寬和時(shí)延有著截然不同的需求。傳統(tǒng)業(yè)務(wù)對(duì)網(wǎng)絡(luò)E2E時(shí)延的要求一般在100ms以上，時(shí)延要求較低。但實(shí)時(shí)交互和工業(yè)控制類業(yè)務(wù)，如電網(wǎng)差動(dòng)保護(hù)業(yè)務(wù)，對(duì)IP承載網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延要求是2ms，且要求網(wǎng)絡(luò)提供確定性、可承諾的時(shí)延保證。通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)，將不同業(yè)務(wù)部署在不同切片中，可以為交互和控制類業(yè)務(wù)提供確定性時(shí)延保證。

2.3 靈活定制拓?fù)溥B接

業(yè)務(wù)和流量均由相對(duì)單一向多方向綜合發(fā)展，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的連接關(guān)系變得更加靈活，復(fù)雜和動(dòng)態(tài)。

網(wǎng)絡(luò)切片支持為不同行業(yè)、業(yè)務(wù)或用戶提供按需定制的邏輯網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜瓦B接，滿足差異化的網(wǎng)絡(luò)連接需求。網(wǎng)絡(luò)切片用戶無(wú)需感知基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的全量拓?fù)?，而是只需要看到該網(wǎng)絡(luò)切片的邏輯拓?fù)渑c連接，而且網(wǎng)絡(luò)切片內(nèi)的業(yè)務(wù)也被限定在該網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)應(yīng)的拓?fù)鋬?nèi)部署。這樣，對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片用戶來(lái)說(shuō)，簡(jiǎn)化了需要感知和維護(hù)的網(wǎng)絡(luò)信息。對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，避免了將基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)過(guò)多的內(nèi)部信息暴露給網(wǎng)絡(luò)切片用戶，提高了網(wǎng)絡(luò)安全性。

2.4 自動(dòng)化切片管理

面對(duì)業(yè)務(wù)種類和規(guī)模持續(xù)增加，網(wǎng)絡(luò)管理復(fù)雜度快速增長(zhǎng)，難以繼續(xù)依賴人工的網(wǎng)絡(luò)管理手段。需要引入自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)管理技術(shù)以實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)和高效的網(wǎng)絡(luò)管理。

網(wǎng)絡(luò)分片管理器提供網(wǎng)絡(luò)切片的全生命周期管理功能，實(shí)現(xiàn)從用戶意圖到業(yè)務(wù)開通的全流程打通，支持網(wǎng)絡(luò)切片的規(guī)劃、部署、業(yè)務(wù)到切片的靈活映射、切片業(yè)務(wù)的實(shí)時(shí)可視以及切片的動(dòng)態(tài)調(diào)整優(yōu)化，提供租戶級(jí)精細(xì)化的業(yè)務(wù)管理。

隨著網(wǎng)絡(luò)管理自動(dòng)化的不斷深入，智能技術(shù)可能被更廣泛的應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)分片管理的各個(gè)環(huán)節(jié)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的智能化管理。

網(wǎng)絡(luò)民工

03 網(wǎng)絡(luò)切片是如何工作的？

3.1 網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)

如下圖所示，IP承載網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)整體上可以劃分為三個(gè)層次，網(wǎng)絡(luò)切片轉(zhuǎn)發(fā)層、網(wǎng)絡(luò)切片控制層和網(wǎng)絡(luò)切片管理層。

IP承載網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)


3.2 網(wǎng)絡(luò)切片轉(zhuǎn)發(fā)層

網(wǎng)絡(luò)切片轉(zhuǎn)發(fā)層需要具備靈活精細(xì)化的資源預(yù)留能力，支持將物理網(wǎng)絡(luò)中的轉(zhuǎn)發(fā)資源劃分為相互隔離的多份，分別提供給不同的網(wǎng)絡(luò)切片使用。一些可選的資源隔離技術(shù)包括FlexE子接口、信道化子接口以及HQoS等。

3.3 網(wǎng)絡(luò)切片控制層

網(wǎng)絡(luò)切片控制層用來(lái)在物理網(wǎng)絡(luò)中生成不同的邏輯網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例，提供按需定制的邏輯拓?fù)溥B接，并將切片的邏輯拓?fù)渑c為切片分配的網(wǎng)絡(luò)資源整合在一起，構(gòu)成滿足特定業(yè)務(wù)需求的網(wǎng)絡(luò)切片。控制層又可以細(xì)分為控制平面和數(shù)據(jù)平面，其中控制平面主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)分片信息分發(fā)、收集與計(jì)算，數(shù)據(jù)平面負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)分片資源標(biāo)識(shí)與轉(zhuǎn)發(fā)。目前控制層的一些常見技術(shù)包括SRv6、Flex-Algo等。

3.4 網(wǎng)絡(luò)切片管理層

網(wǎng)絡(luò)切片管理層提供網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期管理功能，具體包括網(wǎng)絡(luò)切片的規(guī)劃、部署、維護(hù)、優(yōu)化四個(gè)階段。

3.5 網(wǎng)絡(luò)切片地址標(biāo)識(shí)

從傳統(tǒng)的一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)平面到由許多邏輯網(wǎng)絡(luò)組成的立體網(wǎng)絡(luò)，是網(wǎng)絡(luò)切片給網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的最大變化。傳統(tǒng)的平面網(wǎng)絡(luò)給每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分配一個(gè)唯一的IP地址來(lái)標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，在報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中使用IP地址作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。這種標(biāo)識(shí)方法在立體網(wǎng)絡(luò)中會(huì)帶來(lái)非常大的麻煩，不同的切片轉(zhuǎn)發(fā)路徑或網(wǎng)絡(luò)資源都可能存在差異，需要為每切片每節(jié)點(diǎn)都分配IP地址進(jìn)行標(biāo)識(shí)。以1000個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)為例，如果要?jiǎng)?chuàng)建200個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，則需要規(guī)劃200000個(gè)IP地址，對(duì)網(wǎng)絡(luò)部署復(fù)雜度、網(wǎng)絡(luò)性能都會(huì)帶來(lái)巨大的挑戰(zhàn)。

為了解決網(wǎng)絡(luò)切片的地址標(biāo)識(shí)問(wèn)題，引入了二維地址標(biāo)識(shí)，使用網(wǎng)絡(luò)物理節(jié)點(diǎn)IP地址+Slice ID（切片ID）來(lái)唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)切片中的邏輯節(jié)點(diǎn)。這樣，不管網(wǎng)絡(luò)劃分成多少個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片，都只需要一套地址標(biāo)識(shí)，不會(huì)因?yàn)椴渴鹁W(wǎng)絡(luò)切片增加額外的地址規(guī)劃和配置。同時(shí)，采用二維地址標(biāo)識(shí)也能大大減少切片網(wǎng)絡(luò)的路由數(shù)量，使得支持大規(guī)格網(wǎng)絡(luò)切片成為可能。

3.6 網(wǎng)絡(luò)切片二維地址標(biāo)識(shí)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程

基于Slice ID的網(wǎng)絡(luò)切片，設(shè)備需要生成兩張轉(zhuǎn)發(fā)表，一張是路由表，用于根據(jù)報(bào)文的目的地址確定出接口；另一張是切片接口的Slice ID映射表，用于根據(jù)報(bào)文中的Slice ID確定切片在接口下的預(yù)留資源（具體可以是子接口或通道）。業(yè)務(wù)報(bào)文到達(dá)設(shè)備后，先根據(jù)目的地址查路由表，得到出接口，然后根據(jù)Slice ID查詢切片接口的Slice ID映射表，確定出接口下的資源預(yù)留子接口或通道，最后使用對(duì)應(yīng)的資源預(yù)留子接口或通道進(jìn)行業(yè)務(wù)報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)。

04 網(wǎng)絡(luò)切片是如何管理的？

如下圖所示，網(wǎng)絡(luò)切片管理，是通過(guò)規(guī)劃、部署、維護(hù)、優(yōu)化四個(gè)階段來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

網(wǎng)絡(luò)切片生命周期管理


切片規(guī)劃：按照業(yè)務(wù)保障要求，切片規(guī)劃環(huán)節(jié)重點(diǎn)規(guī)劃切片的范圍、帶寬和時(shí)延。

網(wǎng)絡(luò)民工

• 范圍規(guī)劃：可分為全網(wǎng)切片、區(qū)域切片和靈活切片三種方式。范圍規(guī)劃解決切片接口帶寬利用率和網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡性。
  
• 帶寬規(guī)劃：規(guī)劃切片內(nèi)帶寬使用原則，對(duì)于共享切片，例如某個(gè)行業(yè)切片，定義切片帶寬占用全網(wǎng)帶寬的比率。對(duì)于獨(dú)占的切片，需要定義帶寬的絕對(duì)值。
  
• 時(shí)延規(guī)劃：時(shí)延規(guī)劃的目的是明確網(wǎng)絡(luò)時(shí)延的范圍。

切片部署：控制器完成切片實(shí)例部署，包括創(chuàng)建切片接口、配置切片帶寬、配置VPN和隧道等。

• 在控制器上創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)切片，切片接口類型支持物理接口、FlexE接口、信道化子接口。
  
• 切片激活，即將該網(wǎng)絡(luò)切片的基礎(chǔ)配置生成，包括配置切片接口IP地址、使能IGP等，設(shè)備通過(guò)BGP-LS上報(bào)切片三層拓?fù)浣o控制器。
  
• 在切片內(nèi)部署SRv6路徑。
  
• 在切片內(nèi)部署VPN，如L3VPN、EVPN L2VPN等。

切片維護(hù)：控制器通過(guò)iFIT等技術(shù)監(jiān)控業(yè)務(wù)時(shí)延、丟包指標(biāo)。通過(guò)Telemetry技術(shù)上報(bào)網(wǎng)絡(luò)切片的流量、鏈路狀態(tài)、業(yè)務(wù)質(zhì)量信息，實(shí)時(shí)呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)。

• 切片可視：監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)切片流量、鏈路狀態(tài)、業(yè)務(wù)質(zhì)量等信息，全景呈現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)切片畫像。
  
• 故障診斷及預(yù)測(cè)：實(shí)時(shí)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)切片狀態(tài)，主動(dòng)分析網(wǎng)絡(luò)故障根因，預(yù)測(cè)網(wǎng)絡(luò)可能發(fā)生的故障。
  
• 故障修復(fù)：流量擁塞、故障場(chǎng)景，自主通過(guò)路徑調(diào)整、優(yōu)化等措施修復(fù)故障。

切片優(yōu)化：基于業(yè)務(wù)服務(wù)等級(jí)要求，在切片網(wǎng)絡(luò)性能和網(wǎng)絡(luò)成本之間尋求最佳平衡，切片優(yōu)化的兩種主要實(shí)現(xiàn)方式分別是帶寬調(diào)優(yōu)和切片擴(kuò)容。

• 帶寬調(diào)優(yōu)：當(dāng)切片內(nèi)資源充足，只是局部帶寬資源不足時(shí)，可通過(guò)帶寬調(diào)優(yōu)實(shí)現(xiàn)帶寬保障。
  
• 切片擴(kuò)容：當(dāng)整個(gè)切片負(fù)載過(guò)高，通過(guò)調(diào)優(yōu)已經(jīng)無(wú)法保障業(yè)務(wù)帶寬，則需要通過(guò)切片擴(kuò)容方式來(lái)保障。