網絡切片

7網絡切片應用場景

網絡切片是什么

網絡切片從根本上被定義為是一組網絡服務、一個邏輯網絡、一種虛擬網絡架構、一系列網絡功能或一個基礎網絡。因此，網絡切片能夠在通用基礎架構上提供邏輯專用網絡，它需要各個網絡部分(核心網，接入網和傳輸網)的協調，并旨在滿足垂直市場的特定要求。

諸如歐洲電信標準化協會ETSI之類的標準化機構，將網絡切片定義為是一種由物理或虛擬化網絡元素、網絡資源和網絡功能組成的服務感知邏輯網絡。

國際標準化組織3GPP將網絡切片定義為是一種范例，其中邏輯分區是在公共陸地移動網絡(PLMN)中創建的，該網絡能夠滿足特定的業務需求，具有適當的網絡隔離，可以配置網絡資源和優化網絡拓撲。

IHS Markit對網絡切片的定義：“端到端網絡切片是一個物理網絡的邏輯分區或虛擬片段，包括固定的和移動的、實體的和虛擬的，有連接性、容量(帶寬)和特性(例如，服務等級協議SLA)，這些特征使切片看起來或表現得類似于連接著使用它的用戶、程序或進程的實體網絡。

網絡切片的分類

一、從5G應用場景的角度，網絡切片可以分為增強移動寬帶(enhanced Mobile Broadband，eMBB)切片、超高可靠與低延遲通信(ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC)切片和大規模機器類通信(massive Machnice Type Communication，mMTC)切片三種類型。國際電信聯盟(International Telecommunications Union，ITU)將5G時代的場景歸納成三種典型的場景，eMBB、 uRLLC和mMTC三大場景，三類場景分別對應三類切片。

(1)eMBB切片：主要用于對網絡帶寬和用戶速率要求較高的業務場景，主要應用于視頻類、虛擬現實類等業務，對帶寬要求非常嚴格。在人口密集區，平均數據速率可以高達1Gbps，峰值速率達到10Gbps，較4G接入速率具有10倍的提高

mMTC切片主要用于海量物聯網設備，對時延和速率要求不高，。uRLLC切片主要應用于對時延極其敏感的業務，適用于車聯網、工業自動化、遠程醫療等低時延高可靠業務，保證時延達到毫秒級以及業務的安全可靠保障。

URLLC切片主要用于對時延和可靠性較為敏感的業務場景。mMTC切片具備支持超千億網絡終端連接的能力，適用于智慧家庭、用電信息采集業務等大規模傳感和數據采集的業務。不同的場景需要完全不同類型的網絡特性和通信性能要求，如移動性、可靠性、安全性、時延等^[1]

二、網絡切片也可以根據是否共享資源進行分類，根據網絡資源能否在切片間進行共享，可以將網絡切片分為獨立切片和共享切片。

(1)獨立切片為切片分配獨立的資源，該資源只能由該切片內的用戶使用，且在邏輯上與其他切片保持隔離；

(2)共享切片中，網絡資源可供不同的網絡切片進行調用與釋放，更加靈活，但系統的復雜度更高。

三、網絡切片實例層按照網絡架構分類可以分為核心網子切片、傳輸網子切片和無線子切片。

(1)核心網子切片：5G技術對核心網作出了重大演進，基于服務化架構(Service Based Architecture，SBA)的思想，網元的概念不復存在，而是被重新定義為微服務，每種微服務可以實現基本功能的集合，最后再把這些微服務組裝起來構成網絡切片，這個過程就像搭積木一樣。

(2)無線子切片：無線網子切片需要完成的重要任務包括切片資源劃分和隔離，另外還有切片的選擇，QoS保障以及移動性管理。它需要著重考慮的兩個問題分別是協議棧功能模塊化分離和無線時頻資源的切分。對于協議棧功能模塊化分離，切片必須要對無線網側協議棧功能進行符合要求的切分，這種要求來自于不同的需求。無線側基站根據時延相關性的強弱分為中央集中的單元(Centralized Unit， CU)和分布式的單元(Distributed Unit，DU)這兩個重要部分，它們的功能原來是繼承自基帶處理單元(Building Base band Unite，BBU)。這種操作被稱為解耦合。解耦后的中央單元主要負責實時性比較差的業務，分布式單元則主要承擔實時性要求高的業務。

對于無線時頻資源的切分，主要有硬切分和軟切分兩種。硬切是指，每個切片用固定的方式使用分配給它的頻率和時間資源，用戶的接入方式也是靜態的，這種方式顯然比較僵硬，不夠靈活，與網絡切片的初衷背道而馳。軟切是指，網絡切片的管理是按需分配的，很好的滿足實時性的要求，極大提升資源利用率，減少浪費。以頻譜為例，uRLLC是一種比較緊急的業務，所以可以單獨留下一些資源分配給它。不過還需要保持每種業務之間的平衡，不能出現某一種或者某幾種業務長時間占用大量資源的狀況。

(3)傳輸網子切片：根據SDN的思想，把承載抽象成一種類似于資源池的概念來比較靈活的分配，這也可以切割成網絡切片。傳輸網切片離不開虛擬化。網絡的任何拓撲資源，比如鏈路、節點、端口等都要進行虛擬化，虛擬的傳輸子網在硬件層面上依據某種邏輯被劃分出來。虛擬網絡依附在物理的網絡層之上，兩者不可分離。虛擬網絡的管理面、控制面和轉發面是相互獨立的，各種業務之間既是相互隔離的，又是被獨立支持的，這有突破性的長足進步。資源層資源類型一般包括計算資源、網絡資源、儲存資源^[2]。

網絡切片架構

網絡切片是一個邏輯網絡，橫向結構根據不同場景或業務劃分成多個邏輯網域，垂直結構是將網絡劃分成接入網、傳輸網和核心網，由各個子切片實例構成整個端到端網絡切片實例，整體架構如圖所示。

(1)其中，無線接入網需要根據不同業務的需求，識別不同的網絡切片，靈活地對資源進行劃分。并且相比于傳統的結構，新的體系結構將基帶處理單元進行功能拆分，既保證了低時延的實時性業務，也考慮了基站部署的經濟效益。同時，靈活的幀結構設計保證了對不同場景業務的技術支持，支持切片無線資源的靈活分配，實現和核心網的對接。

(2)核心網主要包括終端接入的移動性管理以及一些保障業務的功能，并且在5G網絡中，核心網功能網元基于服務化架構(Service Based Architecture，SBA)。不同于傳統專用的物理設備，而是通過軟件虛擬化技術，將物理設備解耦重構成一個個實現基本功能的微服務功能網元，以更加細粒度的方式為不同的切片提供不同的服務。

(3)在傳輸網中，可以基于軟件定義網絡的統一管理，將傳輸資源抽象成資源池來靈活進行分配，例如虛擬化網絡中的節點和鏈路、或是網絡中的存儲、計算和傳輸資源等等。通過上述步驟將其拆分成多個邏輯的虛擬傳輸子網，每個虛擬傳輸子網有自己的控制中心，這樣保證了每個子網的安全隔離性，也可在每個子網上獨立地運行相關的業務，提高網絡的整體利用效率。

除了切片網絡層，網絡切片的生命周期離不開切片管理和編排，通信服務功能(Communication Service Management Function，CSMF)主要是給客戶提供若干通信服務相關模板，并且根據客戶的SLA要求，將其翻譯成網絡配置的相關參數，便于下層處理模塊根據需求進行處理。網絡切片管理功能(Network Slice Management Function，NSMF)主要功能是根據CSMF的要求進行網絡切片的設計，通過SLA需求下發到核心網、傳輸網和接入網網絡管理器。根據各個子域模板生成多個完整的端到端網絡切片模板，并對其進行統一的編排和管理。網絡切片子網管理功能(Network Slice Subnet Management Function，NSSMF)直接管理底層的網絡結構，根據上層下發的用戶需求，組合底層的資源給用戶提供相應的服務，根據網絡垂直結構分為三個子網管理^[3]。

網絡切片相關技術

能網絡切片技術主要依賴于無線網絡虛擬化(Wireless Network Virtualization， WNV)、軟件定義網絡(Software-Defined Networking， SDN)和網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization， NFV)技術。

(1)軟件定義網絡

軟件定義網絡(Software Defined Network，SDN)是一種新的體系結構。它具有靈活可管理的特性，使其非常適合當今網絡應用的帶寬需求高和動態的特點。這種體系結構改善原有的扁平結構，分離數據平面和控制平面，可通過控制平面進行統一管理，并可通過調用API接口進行統一編程管理，是上層應用和服務提供支持的底層基礎結構。

開放網絡基金會(Open Networking Foundation，ONF)將SDN劃分為如圖所示的結構，包括應用層、控制層和轉發層。其中，轉發層負責基本轉發、數據處理以及向控制器請求策略等?？刂茖觿t是架構的中樞，負責全網的監控、處理數據信息后下發指令等。應用層包括各種不同的業務應用，可以通過調用控制器接口實現不同功能的應用。

SDN的網絡架構通過分離轉發面和控制面，改善了傳統網絡的不足，通過集中管理的方式，能監控到整個網絡的運行情況，并且使交換機的轉發處理可通過全網狀態選擇最有利的轉發行為。并且在此架構下，網絡管理員也不再需要提前將命令寫入到相應地物理設備中，可以通過調用控制器相應的API接口，編寫功能應用部署到環境中，使網絡環境有一定的自處置能力，提升了網絡的運行效率。并且網絡的集中式控制的結構，使上層操作管理者可以直觀地通過管理界面進行維護管理以及優化配置。這樣軟件化的處理流程，極大地豐富了維護網絡的手段，使得網絡具有更強的健壯性和可持續性。

（2）網絡功能虛擬化

網絡功能虛擬化(Network Function Virtualization，NFV)是一種網絡架構概念，是將原有提供服務的專用網絡功能從底層硬件設備中分離出來，將其劃分成多種提供網絡功能的組件，通過虛擬機或是軟件的方式部署在通用服務器上以此來提供服務。最初是為了應對服務不足生產專用的物理設備而產生的巨大生產費用和運營費用，后來是為了在行業制定統一的標準使得NFV技術的產生。NFV需要傳統虛擬化技術的支持，是一種依賴于傳統服務虛擬化技術卻又區別于傳統服務虛擬化技術的新技術。

虛擬化網絡功能(Virtualized Network Function， VNF)可以是存儲設備、虛擬機或通用服務器等，可以在其中一個或多個上部署運行軟件或進程的多個虛擬機，而不是每個都有自己定義的硬件設備網絡功能。歐洲電信標準組織ISG根據現有的情況，以及發展的前景提出了NFV技術端到端的架構

該架構橫向分為業務網絡域和管理編排域，分別表示圖中左右兩個部分。其中管理編排域MANO發揮著中樞的作用，它的功能是編排和管理，在有限的資源中能充分利用各種基礎資源獲得便捷性。內部包括資源編排器NFVO、虛擬網絡功能管理VNFM和虛擬化基礎設施管理VIM。其中，VIM處于結構的最底層，主要是底層資源的集合，還包括一些虛擬資源，給上層提供服務；是面對底層提供資源，對表現出來的功能實例進行統一的管理，根據上層的需求，提供匹配的資源進行服務，并對資源進行統一調度和管理；邏輯上處于管理的上層，提供便捷直觀的管理界面，利于管理人員直接對資源進行創建或是其他操作，使其完成一次完整的服務。此外業務網絡域結構從下到上包括基礎設施層、虛擬網絡層和運營支撐層。這三個水平結構相輔相成，缺一不可^[3]。