GPP將網(wǎng)絡(luò)切片定義為5G 網(wǎng)絡(luò)的主要功能之一，網(wǎng)絡(luò)切片可看作是動(dòng)態(tài)創(chuàng)建的邏輯端到端網(wǎng)絡(luò)。在深入研究網(wǎng)絡(luò)切片的概念之前，我們先簡(jiǎn)單回顧下 5G 的三大應(yīng)用場(chǎng)景。

5G用例

移動(dòng)規(guī)范開發(fā)的主要機(jī)構(gòu) 3GPP 正在努力實(shí)現(xiàn)5G的三個(gè)基本用例：

• eMBB（增強(qiáng)移動(dòng)寬帶）：指在現(xiàn)有移動(dòng)寬帶業(yè)務(wù)場(chǎng)景的基礎(chǔ)上，對(duì)于用戶體驗(yàn)等性能進(jìn)一步提升，追求人與人之間極致的通信體驗(yàn)。
• 超可靠低延遲通信(URLLC)：對(duì)關(guān)鍵任務(wù)通信的可靠性和延遲有嚴(yán)格要求的通信，其中包括自動(dòng)駕駛汽車、遠(yuǎn)程手術(shù)或觸覺互聯(lián)網(wǎng)。
• 大規(guī)模機(jī)器類型通信(mMTC)：需要在有限區(qū)域內(nèi)支持極大量設(shè)備的通信，這些設(shè)備只能間歇性地發(fā)送數(shù)據(jù)，如與物聯(lián)網(wǎng)(IoT)相關(guān)的用例。

圖1 5G用例

如圖 1 所示，5G 網(wǎng)絡(luò)必須同時(shí)支持延遲、吞吐量、容量等多樣化且極端的要求，并且需要精心設(shè)計(jì)架構(gòu)，以在服務(wù)能力和網(wǎng)絡(luò)投資之間提供最佳平衡。運(yùn)營商還應(yīng)承諾實(shí)現(xiàn)特定的服務(wù)水平目標(biāo) (SLO)，以實(shí)現(xiàn)其業(yè)務(wù)目標(biāo)或遵守每個(gè)用例的約定功能。這就是網(wǎng)絡(luò)切片的用武之地。

定義網(wǎng)絡(luò)切片

3GPP 將網(wǎng)絡(luò)切片定義為：

“網(wǎng)絡(luò)切片是提供特定網(wǎng)絡(luò)能力和網(wǎng)絡(luò)特性的邏輯網(wǎng)絡(luò)”。

理想情況下，網(wǎng)絡(luò)切片允許在相同的物理網(wǎng)絡(luò)中動(dòng)態(tài)地創(chuàng)建邏輯網(wǎng)絡(luò)，以支持不同的用例和流量負(fù)載。網(wǎng)絡(luò)切片是一個(gè)端到端的概念，從用戶設(shè)備延伸到接入網(wǎng)（AN）、傳輸網(wǎng)（TN）和核心網(wǎng)（CN）。

端到端切片提供適當(dāng)?shù)母綦x、資源和優(yōu)化的虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，以服務(wù)于特定用例、SLO 要求或業(yè)務(wù)解決方案。

網(wǎng)絡(luò)切片經(jīng)過編排，形成運(yùn)行在同一物理網(wǎng)絡(luò)上的特定服務(wù)邏輯網(wǎng)絡(luò)，這些邏輯網(wǎng)絡(luò)滿足某些服務(wù)屬性，如數(shù)據(jù)速度、容量、延遲、可靠性、可用性、覆蓋范圍和安全性。網(wǎng)絡(luò)切片使運(yùn)營商能夠?yàn)槊總€(gè)用例或服務(wù)組建立不同的功能、部署和體系架構(gòu)，可以并行運(yùn)行多個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)例。

圖2 端到端5G切片范圍

如圖 2 所示，一個(gè)典型的 5G 網(wǎng)絡(luò)可以概括為以下幾個(gè)部分：

• 用戶設(shè)備 (UE)：通過“空口”連接到移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的最終用戶終端。
• 接入網(wǎng)絡(luò) (AN)：構(gòu)成無線接入網(wǎng)絡(luò) (RAN) 的一組元素，包括基站、天線和頻譜資源。
• 在RAN解耦的情況下，它還包括諸如無線電單元 (RU)、分布式單元 (DU) 和集中式單元 (CU) 等元素。圖 2 是一個(gè)簡(jiǎn)化圖，并未顯示所有可能的RAN功能拆分。
• 核心網(wǎng) (CN)：包括一組信令、身份驗(yàn)證、用戶管理、移動(dòng)性、與外部網(wǎng)絡(luò)的接口以及其他控制平面和管理平面服務(wù)的功能。5G 核心可能分布在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的不同位置。
• 傳輸網(wǎng)絡(luò) (TN)：用于承載 AN 和 CN 之間的傳輸流量。在RAN 架構(gòu)解耦的情況下，也會(huì)有 TN 互連 RAN 組件（例如 RU、DU 和 CU）的實(shí)例。

網(wǎng)絡(luò)切片用例示例

示例 1：自動(dòng)車輛切片需要端到端網(wǎng)絡(luò)為服務(wù)用例的特定切片實(shí)例提供數(shù)據(jù)速率、可靠性、延遲、通信范圍和速度等功能。

示例 2：服務(wù)于智能計(jì)量或可穿戴醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用的物聯(lián)網(wǎng)切片需要網(wǎng)絡(luò)安全、高效且經(jīng)濟(jì)地支持大量低延遲和高密度物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備。

實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片

如上所述，5G 網(wǎng)絡(luò)切片可用于確保端到端性能，以及服務(wù)和應(yīng)用需求以滿足客戶期望。要實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片，必須對(duì)各個(gè)網(wǎng)段（接入網(wǎng)、傳輸網(wǎng)和核心網(wǎng)）進(jìn)行整體檢查。需要在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中編排網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期。

圖 3 說明了端到端切片實(shí)現(xiàn)中涉及的關(guān)鍵元素。這個(gè)特定的網(wǎng)絡(luò)為租戶 A、B 和、C三個(gè)客戶提供網(wǎng)絡(luò)切片服務(wù)。

圖3 -端到端網(wǎng)絡(luò)切片

租戶 A 具有三個(gè)不同的切片，而租戶 B 和 C 各有一個(gè)切片。每個(gè)切片都被構(gòu)建為一個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)切片，由幾個(gè)子片組成:

• 一個(gè) RAN（子）切片
• 將 RAN 切片連接到核心網(wǎng)切片的傳輸網(wǎng)（子）切片
• 一個(gè)核心（子）切片
• 連接核心網(wǎng)的第二個(gè)傳輸網(wǎng)(子)片

上面的每個(gè)切片都由特定于域的編排器/控制器進(jìn)行生命周期管理，在 3GPP 中稱為網(wǎng)絡(luò)切片子網(wǎng)管理功能 (NSSMF)：

• RAN 切片由 RAN 控制器或 RAN NSSMF 管理
• 傳輸網(wǎng)切片由傳輸片控制器或傳輸 NSSMF 管理
• 核心網(wǎng)切片由核心控制器或核心 NSSMF 管理

NSSMF 具有實(shí)現(xiàn)該域中的子切片所需的特定領(lǐng)域知識(shí)。NSSMF 負(fù)責(zé)：

• 創(chuàng)建切片
• 維護(hù)切片
• 當(dāng)不再需要時(shí)終止切片

實(shí)現(xiàn)一個(gè)北向接口，該接口公開域的抽象視圖，并允許 NSMF 使用切片（見下文）。

此層次結(jié)構(gòu)的最高級(jí)別包含一個(gè)端到端網(wǎng)絡(luò)切片協(xié)調(diào)器，用3GPP術(shù)語來說是網(wǎng)絡(luò)切片管理功能 (NSMF)。NSMF 具有將子切片拼接在一起以創(chuàng)建端到端切片的功能。NSMF 通過它們的北向接口與 NSSMF 通信以執(zhí)行此操作。反過來，它還公開了一個(gè)抽象的北向接口，以允許使用其服務(wù)來創(chuàng)建端到端切片。

每個(gè)特定于域的子片根據(jù)性質(zhì)分配或提供以下資源類型中的一種或多種：

• 虛擬和物理網(wǎng)絡(luò)功能
• 光譜
• 帶寬
• 傳輸層連接模型
• 增強(qiáng)服務(wù)（例如網(wǎng)絡(luò)分析和安全服務(wù)）
• 服務(wù)質(zhì)量 (QoS) 配置文件
• 應(yīng)用功能

例如，核心網(wǎng)切片可以為信令流量分配專用的計(jì)算資源。傳輸網(wǎng)切片可以使用機(jī)制將網(wǎng)絡(luò)容量分配給每個(gè)切片。

硬切片和軟切片

網(wǎng)絡(luò)資源的共享水平“硬切片和軟切片”取決于與網(wǎng)絡(luò)能力相關(guān)的服務(wù)水平目標(biāo)。

“硬切片”和“軟切片”之間的主要區(qū)別在于，硬切片導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)資源專用于一個(gè)切片，而軟切片允許使用共享資源。

為每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片實(shí)例分配專用的、非共享資源可保障每個(gè)應(yīng)用程序或客戶所需的性能、可用性和可靠性。然而，如果這些資源沒有被完全使用，也不能用于其他切片。因此，硬切片可能不是很劃算。

軟切片允許傳輸資源的可控的超預(yù)訂，可以讓網(wǎng)絡(luò)資源更經(jīng)濟(jì)地用于約束較寬松的大容量應(yīng)用程序。

傳輸網(wǎng)切片

本文前半部分介紹了端到端切片的定義以及它是如何實(shí)現(xiàn)的，后半部分將側(cè)重于傳輸網(wǎng)切片以及如何實(shí)現(xiàn)方式。

傳輸網(wǎng)切片可以定義為物理網(wǎng)絡(luò)功能 (PNF) 和虛擬網(wǎng)絡(luò)功能 (VNF) 之間的一組不同的連接。此類傳輸網(wǎng)切片具有確定性 SLA，以實(shí)現(xiàn)完整端到端網(wǎng)絡(luò)切片的端到端 SLO。這些 SLO 包括 QoS、可用性、延遲和數(shù)據(jù)包丟失等參數(shù)。

多年來，IP 和光傳輸網(wǎng)絡(luò)一直使用各種網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)來交付虛擬網(wǎng)絡(luò)。那么，在傳輸網(wǎng)切片方面有什么新東西呢？傳輸網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵要求是：

• 新 SLO 類型的關(guān)聯(lián)，例如延遲，在以前要求并不嚴(yán)格。此外，需要確保在服務(wù)的整個(gè)生命周期內(nèi)遵守 SLO
• 數(shù)據(jù)平面技術(shù)可以擴(kuò)展以支持細(xì)粒度的流量工程
• 使用流遙測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)和性能的近實(shí)時(shí)可見性
• 使用模型驅(qū)動(dòng)的方法增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)可編程性，例如 YANG 模型
• 需要集中的路徑計(jì)算，而這反過來又需要新的網(wǎng)絡(luò)可見性機(jī)制
• 網(wǎng)絡(luò)和控制系統(tǒng)之間的閉環(huán)反饋回路
• 允許傳輸控制器 (NSSMF) 與端到端協(xié)調(diào)器 (NSMF) 通信的抽象 API

未來滿足端到端網(wǎng)絡(luò)切片的 SLA，IP 傳輸網(wǎng)切片必須滿足幾個(gè)要求：

表1 - IP切片要求

表 2 提供了一組候選技術(shù)解決方案，可滿足表 1 中的需求。

表2 - IP切片候選方案

表2的功能集可以組合起來構(gòu)建一個(gè)傳輸網(wǎng)絡(luò)，它與中央控制器形成一個(gè)閉環(huán)，如圖4所示。

圖4 -實(shí)現(xiàn)分段路由傳輸網(wǎng)切片的閉環(huán)

在該示例中，在實(shí)現(xiàn)傳輸網(wǎng)切片的數(shù)據(jù)平面網(wǎng)絡(luò)與管理和/或編排網(wǎng)絡(luò)的控制器之間存在閉環(huán)反饋回路。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中：

• 基站（gNB/eNB）和移動(dòng)網(wǎng)關(guān)（MG）之間需要開通服務(wù)。
• 該服務(wù)具有一定的SLO，例如最大延遲限制。
• 有一個(gè)控制器既可用作 SDN 控制器，也可用作傳輸 NSSMF。
• 網(wǎng)絡(luò)通過 BGP-LS 向控制器公開自己的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
• 該網(wǎng)絡(luò)還向控制器傳輸遙測(cè)信息，以便控制器對(duì)該網(wǎng)絡(luò)有最新的了解。遙測(cè)信息包括鏈路利用率和延遲等。
• 控制器使用路徑計(jì)算引擎來計(jì)算gNB/eNB連接到 MG的邊緣路由器之間的路徑。
• 控制器使用 PCE 或 BGP SR-policy ，將計(jì)算的路徑信息傳送到邊緣路由器；邊緣路由器將此路徑信息嵌入到與此服務(wù)相關(guān)的數(shù)據(jù)包中。
• 一旦路徑建立，控制器就會(huì)持續(xù)監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)以確保 SLO 繼續(xù)得到滿足。如果業(yè)務(wù)所在路徑的網(wǎng)絡(luò)狀況惡化，控制器會(huì)將業(yè)務(wù)重新路由到其他合規(guī)的路徑上。
• 控制器作為傳輸NSSMF的角色，還向 NSMF 公開 API，以便 NSMF 可以編排包含傳輸切片組件的端到端切片。

為什么使用分段路由進(jìn)行切片

通過流量工程，服務(wù)提供商可以提供差異化的服務(wù)和增強(qiáng)的SLO。然而，在實(shí)現(xiàn)對(duì)流量路由進(jìn)行更精細(xì)的控制時(shí)，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商總是因可擴(kuò)展性問題而陷入停滯。

目前基于RSVP-TE的分組網(wǎng)絡(luò)中的流量工程解決方案只支持粗級(jí)別的控制。應(yīng)用 RSVP-TE 來設(shè)計(jì)更細(xì)粒度服務(wù)流的嘗試總是因可擴(kuò)展性問題而失敗。分段路由(Segment Routing)是一種新的隧道模式，可以與軟件定義網(wǎng)絡(luò) (SDN) 應(yīng)用程序結(jié)合使用，以解決實(shí)現(xiàn)具有良好可擴(kuò)展性和精細(xì)控制的難題。

與 RSVP-TE 和標(biāo)簽分發(fā)協(xié)議 (LDP) 不同，分段路由不需要在每個(gè)隧道的基礎(chǔ)上進(jìn)行控制平面的信令。它只需要入口邊緣路由器來保持每個(gè)服務(wù)的狀態(tài)，刪除了來自中間和出口邊緣路由器的狀態(tài)管理要求。這使得分段路由的可擴(kuò)展性比RSVP-TE好得多，同時(shí)提供了大部分相同的功能。

雖然分段路由提供了在網(wǎng)絡(luò)中構(gòu)建轉(zhuǎn)發(fā)路徑的能力，但需要一些抽象智能來指示入口路由器在網(wǎng)絡(luò)中使用什么路徑，以及使用什么服務(wù)。這種智能可以由一個(gè)外部流量工程控制器提供，該控制器充當(dāng)有狀態(tài)的活動(dòng)路徑計(jì)算元素 (PCE)，基于實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)提供對(duì)網(wǎng)絡(luò)資源的端到端控制。這確保了昂貴的廣域網(wǎng)(WAN)容量得到有效利用，并且由于其網(wǎng)絡(luò)范圍的可見性，確保了網(wǎng)絡(luò)可以提供特定的服務(wù)需求，如在需要時(shí)的脫節(jié)。

使用集中式控制器還有助于在 WAN 中使用 SDN，通過自動(dòng)創(chuàng)建和/或刪除特定服務(wù)可用的帶寬來提供更靈活的聯(lián)網(wǎng)方式。這反過來又允許引入諸如帶寬日歷或按需帶寬之類的服務(wù)。

因此，分段路由是傳輸網(wǎng)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片所需服務(wù)能力的理想技術(shù)。