前言

最近對(duì)5G網(wǎng)絡(luò)切片比較感興趣，查閱資料閱讀文獻(xiàn)，發(fā)現(xiàn)一篇很好的論文《Reshaping the mobile core network via function decomposition and network slicing for the 5G Era》，對(duì)5G切片的介紹非常全面詳細(xì)，決定摘出其中讓我受益的一些部分，再結(jié)合自己的一點(diǎn)點(diǎn)理解對(duì)5G切片進(jìn)行一個(gè)簡(jiǎn)單的介紹和概括，也算是自己的一點(diǎn)小進(jìn)步，也希望對(duì)初學(xué)者能起到一點(diǎn)作用。

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在2020年即將實(shí)現(xiàn)商用化的5G被廣泛提起，提到5G就不得不提網(wǎng)絡(luò)切片(Network Slicing)，作為5G中被討論最多的技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)切片對(duì)于5G 的意義可謂巨大。本文主要從以下幾個(gè)方面對(duì)切片技術(shù)做一些簡(jiǎn)要介紹。

一、為什么要向5G時(shí)代演進(jìn)?

只有理解了傳統(tǒng)核心網(wǎng)的局限性，才能深刻理解到為什么要想5G時(shí)代演進(jìn)，才能進(jìn)一步理解到網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)對(duì)于5G的必要性。

其一，隨著用戶終端數(shù)量和種類的迅速增加、流量的大規(guī)模增長(zhǎng)、用戶需求的不斷多樣化，當(dāng)前的核心網(wǎng)EPC(Evolved Packet Core)這種傳統(tǒng)的集中式設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸變得難以處理越來(lái)越多樣化的服務(wù)要求。

其二， EPC是一種“one size fits all”的架構(gòu)，這種架構(gòu)是“先天不足”的。舉例說(shuō)明：在EPC中，移動(dòng)管理實(shí)體MME(Mobility Management Entity)的主要功能是進(jìn)行終端的移動(dòng)性管理，但是并非所有的用戶裝置都具有移動(dòng)性，比如機(jī)器對(duì)機(jī)器(M2M)類型的傳感器之間的通信就不需要為其提供移動(dòng)性支持，因?yàn)檫@些裝置的地理位置幾乎是不變的，而傳統(tǒng)核心網(wǎng)的架構(gòu)會(huì)使得原本的很多設(shè)計(jì)在面對(duì)特定用戶群體的時(shí)候根本沒(méi)有任何用武之地。

其三，傳統(tǒng)核心網(wǎng)上的很多的網(wǎng)絡(luò)元素運(yùn)行于專用的硬件設(shè)備上，并且與軟件元素嚴(yán)重耦合，這非常不利于網(wǎng)絡(luò)可編程化。

其四，由于當(dāng)前移動(dòng)核心網(wǎng)中各個(gè)部件的功能劃分并不清晰，很多用戶包在從eNodeB到SGW，再到PGW的過(guò)程中會(huì)被進(jìn)行很多重復(fù)的處理，包處理的流程很不簡(jiǎn)約。

***，由于其集中式架構(gòu)和對(duì)軟硬件要求高的特點(diǎn)使得其部署時(shí)間周期長(zhǎng)，成本也很高。

二、為什么要在5G核心網(wǎng)架構(gòu)中應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)?

在5G時(shí)代，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對(duì)象也不再是單純的移動(dòng)手機(jī)，而是各種類型的設(shè)備，比如移動(dòng)手機(jī)、平板、固定傳感器、車輛等等。應(yīng)用場(chǎng)景也多樣化，比如移動(dòng)寬帶、大規(guī)模互聯(lián)網(wǎng)、任務(wù)關(guān)鍵型互聯(lián)網(wǎng)等等。需要滿足的要求也多樣化，比如移動(dòng)性、安全性、時(shí)延性、可靠性等等。這就為網(wǎng)絡(luò)切片提供了用武之地，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在一個(gè)獨(dú)立的物理網(wǎng)絡(luò)上切分出多個(gè)邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而避免了為每一個(gè)服務(wù)建設(shè)一個(gè)專用的物理網(wǎng)絡(luò)，這是非常節(jié)省成本的!看看圖1描述的根據(jù)不同群體不同需求劃分網(wǎng)絡(luò)切片，是不是很容易理解網(wǎng)絡(luò)切片的價(jià)值了!從切片的角度講，可以將傳統(tǒng)的EPC當(dāng)成是一個(gè)服務(wù)所有可支持的移動(dòng)裝置的大切片，但是前面已經(jīng)提到過(guò)，使用一個(gè)統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來(lái)同時(shí)滿足所有的服務(wù)請(qǐng)求是不高效也不容易實(shí)現(xiàn)的，因此未來(lái)的網(wǎng)絡(luò)必須通過(guò)網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)從“one size fits all”向“one size per service”過(guò)渡。

三、網(wǎng)絡(luò)切片的定義

網(wǎng)絡(luò)切片可以理解為支持特定使用場(chǎng)景或商業(yè)模式的通信服務(wù)要求的一組邏輯網(wǎng)絡(luò)功能的集合，是基于物理基礎(chǔ)設(shè)施對(duì)服務(wù)的實(shí)現(xiàn)，這些邏輯網(wǎng)絡(luò)功能可以看作是由EPC下的網(wǎng)絡(luò)功能(Network Function)分解而來(lái)的一系列子功能(Network sub-Function)。可以看出網(wǎng)絡(luò)切片是一種端到端的解決方案，這種端到端的解決方案不僅可以應(yīng)用于核心網(wǎng)，還可以應(yīng)用于無(wú)線接入網(wǎng)RAN。

網(wǎng)絡(luò)切片從服務(wù)層(service layer)和基礎(chǔ)設(shè)施層(infrastructure layer)的角度來(lái)考慮問(wèn)題。服務(wù)層從邏輯層面來(lái)描述系統(tǒng)架構(gòu)，由網(wǎng)絡(luò)功能和功能間的聯(lián)系組成，這些網(wǎng)絡(luò)功能通常以軟件包的方式被定義，其中會(huì)提供定義部署和操作要求(連接、接口、KPI要求等)的模板。基礎(chǔ)設(shè)施層從物理層面描述維持一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片運(yùn)行所需要的網(wǎng)絡(luò)元素和資源，其中包括計(jì)算資源(例如數(shù)據(jù)中心中的IT服務(wù)器)和網(wǎng)絡(luò)資源(例如聚合交換機(jī)、邊緣路由器、電纜等)。

劃分好基礎(chǔ)設(shè)施層和服務(wù)層之后，需要考慮兩個(gè)層之間的映射問(wèn)題，這是一個(gè)典型的虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入問(wèn)題，主要包含以下兩步：1.從虛擬功能到物理功能的映射，包含網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)元素和計(jì)算資源的選擇，比如裝置類型和裝置地理位置的選定，需要資源的數(shù)量由服務(wù)層的需求決定。2.從虛擬鏈路到物理鏈路的映射，分配多少物理鏈路帶寬也取決于服務(wù)層的需求。

任何兩個(gè)切片A和B之間的關(guān)系可以有以下情況中的一種：

• 不同服務(wù)層：比如切片A為M2M類型裝置提供服務(wù)，切片B為人工操作裝置提供服務(wù)。
• 相同服務(wù)層，但是網(wǎng)絡(luò)功能稍有修改：例如切片A支持高移動(dòng)性用戶，切片B提供相同服務(wù)但是不提供移動(dòng)性支持
• 相同服務(wù)層，但是不同物理應(yīng)用：例如，切片A和切片B都支持相同的服務(wù)，但是A提供超高可信度，B提供標(biāo)準(zhǔn)可信度，因此兩個(gè)切片的部署要求不同。
• 相同服務(wù)層，相同物理應(yīng)用：例如針對(duì)不同運(yùn)營(yíng)商提供的切片。

四、網(wǎng)絡(luò)功能怎么分解(Network Function → Network sub-Function)

上文介紹了網(wǎng)絡(luò)切片的定義，可以知道網(wǎng)絡(luò)切片的定義離不開(kāi)核心網(wǎng)功能的劃分。功能分解是指將一些網(wǎng)絡(luò)實(shí)體(如MME、SGW、PGW等)上緊密耦合的網(wǎng)絡(luò)功能分解開(kāi)來(lái)，使其可以在不同的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體上也能運(yùn)行。

當(dāng)前EPC中網(wǎng)絡(luò)實(shí)體可以分為兩類：1.類似于MME這樣用于控制任務(wù)，因此只處理控制平面(C-plane)流量的實(shí)體;2.類似于SGW和PGW這樣還需要處理用戶平面(U-plane)流量的實(shí)體。當(dāng)前對(duì)于網(wǎng)絡(luò)功能的分解還處于研究階段，這里提供其中的一種劃分，如圖2和圖3所示。

在這種分解中，EPC功能分解被定義為兩類：水平分解和垂直分解。水平分解意味著解耦控制平面和用戶平面功能，垂直分解意為識(shí)別包含在一個(gè)網(wǎng)絡(luò)實(shí)體中的單個(gè)功能。分解好以后，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化(NFV)技術(shù)能使這些分解好的子功能被專用用戶群體選擇和應(yīng)用。

五、應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的影響

雖說(shuō)網(wǎng)絡(luò)切片的使用可以極大的改善網(wǎng)絡(luò)性能和服務(wù)質(zhì)量，但是網(wǎng)絡(luò)切片的數(shù)量設(shè)置是一個(gè)重要的問(wèn)題。我們不能對(duì)每個(gè)服務(wù)都設(shè)置不同的切片。切片數(shù)量太多會(huì)使得維護(hù)和管理變得困難，數(shù)量太少又可能導(dǎo)致一個(gè)簡(jiǎn)單的使用案例需要用到兩個(gè)及以上的切片來(lái)達(dá)到其需求。使用場(chǎng)景和性能要求對(duì)切片的設(shè)計(jì)有很大的影響，3GPP和NGMN在這方面也一直在努力并且已經(jīng)獲得了一定的進(jìn)展。表1展示了NGMN劃分的一些應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)切片設(shè)計(jì)的影響。表中概括了大部分應(yīng)用場(chǎng)景并且將其歸類為八個(gè)系列，每個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景下對(duì)不同服務(wù)的要求程度按照從0到3的打分表示，3表示要求最為嚴(yán)格，0表示***要求。從表中還可以看出，一個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景可能會(huì)使用不止一個(gè)網(wǎng)絡(luò)切片。

六、網(wǎng)絡(luò)切片面臨哪些挑戰(zhàn)

 網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)構(gòu)：雖然在表1中很好的定義了八個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景系列，但仍存在很多尚未分類的場(chǎng)景，因此在性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)方面的切片劃分的粒度如何確定仍然是一個(gè)需要解決的問(wèn)題。

1. 網(wǎng)絡(luò)切片選擇：一個(gè)用戶可能會(huì)使用一個(gè)或者多個(gè)切片，如何選擇合適的切片也是一個(gè)基本的問(wèn)題
2. 網(wǎng)絡(luò)切片轉(zhuǎn)換：漫游場(chǎng)景下，本地網(wǎng)絡(luò)切片不能支持用戶接入網(wǎng)絡(luò)，就會(huì)造成用戶網(wǎng)絡(luò)中斷，一個(gè)可能的解決方案是將用戶轉(zhuǎn)換到默認(rèn)切片下，但是在切片轉(zhuǎn)換過(guò)程中如何保持IP會(huì)話的連通性、偵測(cè)轉(zhuǎn)換時(shí)機(jī)的任務(wù)應(yīng)該交給用戶終端還是交給網(wǎng)絡(luò)，這都是尚待解決的問(wèn)題。
3. 用戶狀態(tài)維持：用戶的狀態(tài)信息可能會(huì)在多個(gè)切片中傳遞，如何管理用戶狀態(tài)也是一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題。
4. 新功能的確定：為了支持一些如無(wú)人駕駛等的新式服務(wù)，當(dāng)前的EPC功能可能并不能夠滿足，因此需要定義新的功能以及涉及到的消息格式和處理程序。

作者簡(jiǎn)介：李子姝，北京郵電大學(xué)未來(lái)網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用實(shí)驗(yàn)室 研一 CCN、NDN方向