面向5G承載的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)

面向5G承載的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)王強(qiáng);陳捷;廖國(guó)慶【摘要】5G承載網(wǎng)作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，面臨著大帶寬、低延時(shí)、靈活連接、高精度時(shí)間同步和網(wǎng)絡(luò)切片五大挑戰(zhàn).提出了面向5G承載的網(wǎng)絡(luò)切片分層架構(gòu)，并對(duì)涉及的軟件定義網(wǎng)絡(luò)(SDN)控制面切片、基于靈活以太網(wǎng)(FlexE)的轉(zhuǎn)發(fā)面硬切片、承載設(shè)備切片與虛擬化技術(shù)、5G業(yè)務(wù)的端到端切片編排等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究.％Asthebasicnetwork,5Gtransportnetworkisconsideredtofacefivemajorchallenges,suchaswidebandwidth,lowdelay,high-precisionsynchronization,flexibleconnection,andnetworkslicing.Inthispaper,alayernetworkslicingarchitecturefor5Gtransportnetworkisproposed,andsomekeytechnologiesincludingsoft-definednetwork(SDN)controlplaneslicing,flexibleEthernet(FlexE)-baseddataplanehardslicing,transportdeviceslicingandvirtualization,andE2Eslicingorchestrationfor5Gservicesarestudies.【期刊名稱(chēng)】《中興通訊技術(shù)》【年(卷)，期】2018(024)001【總頁(yè)數(shù)】4頁(yè)(P58-61)【關(guān)鍵詞】5G承載網(wǎng);網(wǎng)絡(luò)切片;硬切片;軟切片;FlexE【作者】王強(qiáng);陳捷;廖國(guó)慶【作者單位】中興通訊股份有限公司廣東深圳518057;移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518057;中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057;移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518057;中興通訊股份有限公司，廣東深圳518057;移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)和移動(dòng)多媒體技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東深圳518057【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類(lèi)】TN929.515G承載網(wǎng)絡(luò)切片需求5G業(yè)務(wù)呈現(xiàn)出多場(chǎng)景、差異化的特點(diǎn)，如：移動(dòng)上網(wǎng)業(yè)務(wù)聚焦帶寬，自動(dòng)駕駛業(yè)務(wù)需要低延時(shí)和抖動(dòng)保障，工業(yè)控制對(duì)可靠性要求苛刻，物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)要支持巨大的連接數(shù)量［1］。對(duì)此，5G的無(wú)線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)都進(jìn)行了功能重構(gòu)，根據(jù)業(yè)務(wù)類(lèi)型改變?cè)O(shè)備處理單元的物理部署位置，并通過(guò)切片在同一物理網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同類(lèi)型業(yè)務(wù)構(gòu)建獨(dú)立的端到端邏輯網(wǎng)絡(luò)［2］。5G承載網(wǎng)是5G端到端業(yè)務(wù)路徑的一部分，必須滿足多場(chǎng)景下不同業(yè)務(wù)需求，同時(shí)5G是一個(gè)開(kāi)放網(wǎng)絡(luò)，可以提供面向垂直行業(yè)和租賃業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，在此場(chǎng)景下要求承載網(wǎng)絡(luò)支持5G分片網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)隔離和獨(dú)立運(yùn)維需求，為不同類(lèi)型的業(yè)務(wù)分配不同類(lèi)型的承載網(wǎng)分片，每個(gè)承載網(wǎng)分片象一個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)一樣。如果我們?yōu)槊糠N業(yè)務(wù)服務(wù)建立一個(gè)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò)，成本是無(wú)法想象的。網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)可以讓運(yùn)營(yíng)商在一個(gè)硬件基礎(chǔ)設(shè)施中切分出多個(gè)虛擬的端到端網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片在轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面、管理面上實(shí)現(xiàn)邏輯隔離，適配各種類(lèi)型服務(wù)并滿足用戶(hù)的不同需求。對(duì)每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片而言，網(wǎng)絡(luò)帶寬、服務(wù)質(zhì)量、安全性等專(zhuān)屬資源都可以得到充分保證。由于切片之間相互隔離，一個(gè)切片的錯(cuò)誤或故障不會(huì)影響其他切片的通信。每個(gè)切片內(nèi)的資源可以由租戶(hù)自行管理。2承載網(wǎng)絡(luò)切片分層架構(gòu)傳統(tǒng)的承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)可分為客戶(hù)/租戶(hù)層、業(yè)務(wù)層、物理網(wǎng)絡(luò)層，如圖1所示。即在物理網(wǎng)絡(luò)上直接部署業(yè)務(wù)，如各種以太網(wǎng)專(zhuān)線業(yè)務(wù)（EPL）/以太網(wǎng)虛擬專(zhuān)線業(yè)務(wù)（EVPL）、以太網(wǎng)專(zhuān)用局域網(wǎng)業(yè)務(wù)（EPLAN）/以太網(wǎng)虛擬專(zhuān)用局域網(wǎng)業(yè)務(wù)（EVPLAN）、以太網(wǎng)專(zhuān)用樹(shù)形業(yè)務(wù)（EPTree）/以太網(wǎng)虛擬專(zhuān)用樹(shù)形業(yè)務(wù)（EVPTree）等，形成業(yè)務(wù)層，從而滿足上層的客戶(hù)租戶(hù)業(yè)務(wù)（例如5G業(yè)務(wù)）的傳送需求。在這種架構(gòu)下，業(yè)務(wù)層的各種業(yè)務(wù)共享物理網(wǎng)絡(luò)的資源，沒(méi)有隔離機(jī)制，存在資源競(jìng)爭(zhēng)的問(wèn)題，并且在管理和控制上也難以實(shí)現(xiàn)按照不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景（如5G各種業(yè)務(wù)）、不同客戶(hù)/租戶(hù)等情況下的按需隔離。不能滿足未來(lái)5G業(yè)務(wù)承載的精細(xì)化管理、控制。因此，5G承載網(wǎng)弓|入了網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)。承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片是通過(guò)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)滟Y源（如鏈路、節(jié)點(diǎn)、端口及網(wǎng)元內(nèi)部資源）進(jìn)行虛擬化，按需組織形成多個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)（vNet），即切片網(wǎng)絡(luò)。在物理網(wǎng)絡(luò)層之上構(gòu)建虛擬網(wǎng)絡(luò)層，從而形成客戶(hù)/租戶(hù)層、業(yè)務(wù)層、虛擬網(wǎng)絡(luò)層、物理網(wǎng)絡(luò)層的分層架構(gòu)，如圖2所示。vNet具有類(lèi)似物理網(wǎng)絡(luò)的特征，包括獨(dú)立的管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，各vNet之上可獨(dú)立支持各種業(yè)務(wù)。切片后，承載于虛擬網(wǎng)絡(luò)上的業(yè)務(wù)看到的就是虛擬網(wǎng)絡(luò)，對(duì)實(shí)際物理網(wǎng)絡(luò)不感知，實(shí)現(xiàn)了業(yè)務(wù)與物理網(wǎng)絡(luò)資源的解耦?！鴪D1傳統(tǒng)承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)進(jìn)一步，通過(guò)虛擬網(wǎng)絡(luò)的遞歸切片可以支持虛擬運(yùn)營(yíng)商、子運(yùn)營(yíng)商的運(yùn)營(yíng)，以及網(wǎng)絡(luò)二級(jí)租賃等業(yè)務(wù)。承載網(wǎng)絡(luò)切片具有以下特性。?按需網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)：通過(guò)虛擬化形成的vNet切片網(wǎng)絡(luò)在網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒐?jié)點(diǎn)能力方面可以根據(jù)業(yè)務(wù)需求進(jìn)行重構(gòu)。每個(gè)切片網(wǎng)絡(luò)具有各自特定的帶寬、時(shí)延等指標(biāo)，及生命周期。不同切片網(wǎng)絡(luò)彼此隔離，擁有各自獨(dú)立的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)資源，從而滿足不同的5G業(yè)務(wù)承載需求。?切片網(wǎng)絡(luò)和物理網(wǎng)絡(luò)具有相似性：類(lèi)似于物理網(wǎng)絡(luò)，切片網(wǎng)絡(luò)同樣向上層業(yè)務(wù)提供網(wǎng)絡(luò)資源，屏蔽了切片與物理網(wǎng)絡(luò)的差異。EPL/EVPL，EPLAN/EVPLAN等業(yè)務(wù)可直接部署在切片網(wǎng)絡(luò)之上，就如同部署在物理網(wǎng)絡(luò)之上一樣。圖2承載網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)切片分層架構(gòu)?業(yè)務(wù)層與物理網(wǎng)絡(luò)解耦：業(yè)務(wù)是建立在vNet切片網(wǎng)絡(luò)之上，從而業(yè)務(wù)層與物理網(wǎng)絡(luò)層解耦，簡(jiǎn)化了業(yè)務(wù)的部署，有利于網(wǎng)絡(luò)的管理和運(yùn)維。?切片網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)面隔離：不同切片網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)發(fā)面彼此隔離，而隔離性取決于采用不同的轉(zhuǎn)發(fā)面切片技術(shù)。例如：基于Layer1交換的靈活以太網(wǎng)（FlexE）通道的切片就具有剛性隔離性，稱(chēng)為硬切片；而基于分組交換的傳送特性的多協(xié)議標(biāo)簽交換（MPLS-TP）通道或分段路由（SR）通道的切片則具有統(tǒng)計(jì)復(fù)用特性，非剛性隔離，稱(chēng)為軟切片。?切片網(wǎng)絡(luò)的控制&管理面隔離：不同切片網(wǎng)絡(luò)的控制&管理面彼此隔離。?切片網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)隔離：不同切片之上的業(yè)務(wù)彼此隔離。可見(jiàn)，切片網(wǎng)絡(luò)vNet具有類(lèi)似物理網(wǎng)絡(luò)的特征，具有獨(dú)立的管理面、控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面，不用業(yè)務(wù)應(yīng)用可部署在不同的虛擬網(wǎng)絡(luò)上，從而滿足未來(lái)5G差異化的業(yè)務(wù)特性以及子運(yùn)營(yíng)商等的業(yè)務(wù)租賃的需求。各網(wǎng)絡(luò)切片能加載不同的應(yīng)用協(xié)議，支持獨(dú)立部署和升級(jí)。通過(guò)切片生命周期的管理，可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的快速部署開(kāi)通，資源的共享和靈活調(diào)度。由于網(wǎng)絡(luò)切片簡(jiǎn)化了網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和拓?fù)洌彩惯\(yùn)維管理更便捷、高效。3承載網(wǎng)絡(luò)切片關(guān)鍵技術(shù)3.1基于SDN的控制面切片SDN實(shí)現(xiàn)了控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面的解耦，使得物理網(wǎng)絡(luò)具有了開(kāi)放、可編程特征，支持未來(lái)各種新型網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)和新型業(yè)務(wù)的創(chuàng)新［3］?？刂破矫嫱瓿删W(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜唾Y源統(tǒng)一管理、網(wǎng)絡(luò)抽象、路徑計(jì)算、策略管理等功能，借助SDN控制面可將物理轉(zhuǎn)發(fā)資源抽象成虛擬的設(shè)備節(jié)點(diǎn)、虛擬的網(wǎng)絡(luò)連接，并根據(jù)策略將這些虛擬資源進(jìn)行分組管理，形成獨(dú)立的邏輯切片［4］。我們提出實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片/虛擬化的一種特殊軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）控制器，即切片控制器，如圖2所示。切片控制器負(fù)責(zé)完成物理網(wǎng)絡(luò)的虛擬化，按需形成邏輯獨(dú)立的虛擬網(wǎng)絡(luò)，即切片網(wǎng)絡(luò)vNet，并負(fù)責(zé)vNet虛擬資源到物理網(wǎng)絡(luò)資源的映射，并將vNet資源信息暴露給vNet控制器。基于切片的業(yè)務(wù)與物理網(wǎng)絡(luò)完全解耦，切片控制器可便捷完成vNet對(duì)應(yīng)的物理資源的遷移、調(diào)整或擴(kuò)容，而vNet上的業(yè)務(wù)對(duì)物理網(wǎng)絡(luò)不感知，業(yè)務(wù)不受影響（或短暫影響）。業(yè)務(wù)層的vNet控制器是vNet資源的使用者，只能看到分配給自己的vNet資源，支持圖形方式呈現(xiàn)虛擬網(wǎng)絡(luò)資源和拓?fù)?，可以在自己的vNet上創(chuàng)建各種業(yè)務(wù)（如:L2VPN、L3VPN），并負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)生命周期控制，與基于物理網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)控制類(lèi)似。每個(gè)vNet對(duì)應(yīng)一個(gè)獨(dú)立的vNet控制器，支持vNet間控制面和管理面的隔離。3.2基于FlexE的轉(zhuǎn)發(fā)面切片技術(shù)承載網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)面的切片技術(shù)可分為軟切片技術(shù)和硬切片技術(shù)。軟切片是在二層（Layer2）或以上，基于統(tǒng)計(jì)復(fù)用的切片技術(shù)，如：基于多協(xié)議標(biāo)記交換協(xié)議（IP/MPLS）的隧道/偽線技術(shù)，基于虛擬專(zhuān)網(wǎng)（VPN）、虛擬局域網(wǎng)（VLAN）等的虛擬化技術(shù)。硬切片是在一層（Layer1）或光層，基于物理剛性管道的切片技術(shù)，如：FlexE技術(shù)［5］，光傳送網(wǎng)（OTN）技術(shù)，波分復(fù)用（WDM）技術(shù)等；在實(shí)際應(yīng)用中，也可以采用混合硬切片、軟切片的方案，硬切片方式保證業(yè)務(wù)的隔離安全、低時(shí)延等需求，軟切片方式支持業(yè)務(wù)的帶寬復(fù)用。FlexE可以實(shí)現(xiàn)基于物理層的切片轉(zhuǎn)發(fā)，提供剛性管道隔離，實(shí)現(xiàn)帶寬靈活分配。中興通訊創(chuàng)新性地弓1入了FlexESwitch，操作管理維護(hù)（OAM）和保護(hù)這3個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，成功的把FlexE擴(kuò)展成了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)級(jí)的技術(shù)，即FlexE通道技術(shù)?；贔lexESwitch創(chuàng)建的FlexE通道可形成切片網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部虛擬網(wǎng)元（vNE）之間全新的虛鏈路（vLink），從而實(shí)現(xiàn)切片網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲貥?gòu)，如圖3所示。FlexE通道將業(yè)務(wù)隔離從端口級(jí)擴(kuò)展到網(wǎng)絡(luò)級(jí)，可對(duì)不同業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)端到端子信道隔離，為5G承載網(wǎng)絡(luò)切片提供最佳轉(zhuǎn)發(fā)面支撐?；贔lexE通道技術(shù)的保護(hù)倒換能做到1ms以?xún)?nèi)，把電信級(jí)保護(hù)提升到了工業(yè)控制級(jí)。針對(duì)超可靠低時(shí)延通信（uRLLC）業(yè)務(wù)，采用FlexE通道技術(shù)，解決了波長(zhǎng)穿通方案業(yè)務(wù)顆粒度過(guò)大、承載效率偏低，以及軟切片技術(shù)時(shí)延偏大、無(wú)法物理隔離的問(wèn)題。對(duì)于不同業(yè)務(wù)的差異化需求，綜合考慮成本、安全、運(yùn)營(yíng)管理等因素，可以靈活選擇網(wǎng)絡(luò)、設(shè)備或者轉(zhuǎn)發(fā)面切片。基于SDN控制面，可依據(jù)端口、VPN、VLAN、FlexE通道等不同資源進(jìn)行切片，以滿足5G不同業(yè)務(wù)場(chǎng)景在時(shí)延、帶寬等方面的業(yè)務(wù)需求。▲圖3FlexE通道技術(shù)方案3.3承載設(shè)備切片與虛擬化技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)面的切片包括端口、服務(wù)質(zhì)量（QoS）資源、轉(zhuǎn)發(fā)面表項(xiàng)等的隔離，而端口隔離包括物理端口或FlexE子端口隔離，QoS隔離包括帶寬、隊(duì)列和Buffer等的隔離，轉(zhuǎn)發(fā)面表項(xiàng)隔離包括媒體接入控制（MAC）表、路由表、標(biāo)簽表、下一跳表、流分類(lèi)表等的隔離。在轉(zhuǎn)發(fā)面切片的基礎(chǔ)上，同時(shí)對(duì)網(wǎng)元內(nèi)部的計(jì)算、存儲(chǔ)等資源進(jìn)行切片/虛擬化，就形成了虛擬網(wǎng)元（vNE），稱(chēng)為設(shè)備切片。如圖4所示，切片網(wǎng)元之間，在支持軟件資源的隔離基礎(chǔ)上，支持管理控制通道和配置的隔離，支持切片部署和升級(jí)的獨(dú)立性。因而切片網(wǎng)元具有物理網(wǎng)元的類(lèi)似特征，包括了各自獨(dú)立的轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面、管理面，在設(shè)備切片的基礎(chǔ)上可以支撐更高層的網(wǎng)絡(luò)切片。45G業(yè)務(wù)的端到端切片編排對(duì)于5G業(yè)務(wù)端到端的網(wǎng)絡(luò)分片，需要無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、核心網(wǎng)和承載網(wǎng)共同配合完成，如圖5所示?？筛鶕?jù)無(wú)線業(yè)務(wù)的帶寬、時(shí)延等屬性對(duì)承載網(wǎng)的切片進(jìn)行定義；并根據(jù)實(shí)際情況，靈活選擇無(wú)線業(yè)務(wù)的VLAN、可擴(kuò)展虛擬局域網(wǎng)（VxLAN）的虛擬網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)（VNI）、業(yè)務(wù)IP的DSCP等進(jìn)行無(wú)線接入網(wǎng)（RAN）的業(yè)務(wù)和承載網(wǎng)的切片之間的映射。RAN、核心網(wǎng)、承載網(wǎng)三者之間的協(xié)同通過(guò)基于SDN/網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）架構(gòu)的切片編排器完成，層次化的SDN控制器和vNet控制器，負(fù)責(zé)承載網(wǎng)的切片和業(yè)務(wù)控制，軟件定義網(wǎng)絡(luò)編排器（SDNO）完成跨域的承載業(yè)務(wù)編排；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化編排器（NFVO）和虛擬化網(wǎng)絡(luò)功能管理（VNFM）完成無(wú)線及核心網(wǎng)的資源編排和業(yè)務(wù)編排。而全局編排器完成無(wú)線和承載之間跨域的業(yè)務(wù)協(xié)調(diào)和編排，從而實(shí)現(xiàn)5G業(yè)務(wù)的端到端切片，并通過(guò)各切片的不同功能屬性滿足5G業(yè)務(wù)的差異化需求。圖4設(shè)備切片基本架構(gòu)5結(jié)束語(yǔ)通過(guò)承載網(wǎng)絡(luò)的切片，可以基于統(tǒng)一的物理網(wǎng)絡(luò)設(shè)施提供多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，以滿足不同行業(yè)客戶(hù)或者特定場(chǎng)景的差異化需求，實(shí)現(xiàn)資源共享、業(yè)務(wù)快速上線。在保證業(yè)務(wù)性能及安全隔離的前提下，可以實(shí)現(xiàn)承載網(wǎng)絡(luò)資源共享和靈活調(diào)度，以及獨(dú)立的子網(wǎng)管理，并減少運(yùn)營(yíng)商承載網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的投入?！鴪D5承載網(wǎng)與無(wú)線、核心網(wǎng)切片的協(xié)同相比4G、5G的重點(diǎn)是服務(wù)于行業(yè)應(yīng)用，從而幫助運(yùn)營(yíng)商開(kāi)拓行業(yè)市場(chǎng)、擴(kuò)展收入渠道。未來(lái)的5G網(wǎng)絡(luò)將會(huì)實(shí)現(xiàn)靈活的云化業(yè)務(wù)部署，定制化的安全、路由、計(jì)費(fèi)等策略，并且可以很快捷地為垂直行業(yè)用戶(hù)提供從無(wú)線、承載到核心網(wǎng)端到端的網(wǎng)絡(luò)切片，方便行業(yè)用戶(hù)直接管理和運(yùn)維虛擬網(wǎng)絡(luò)。垂直行業(yè)用戶(hù)具備較強(qiáng)的排他性，未來(lái)的行業(yè)市場(chǎng)爭(zhēng)奪會(huì)變得非常激烈，運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)提早做好準(zhǔn)備。參考文獻(xiàn)【相關(guān)文獻(xiàn)】5GWhite