总18期
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5G网络切片技术解读
文/孔波
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5G网络切片是3GPP规划5G的一项关键技术。它是5G网络运营中至关重要的技术手段,5G网络高带宽、广联接和低时延的技术优势,都需要通过5G网络切片手段来实现。

简单说,5G网络切片是在5G物理网络之上的一种虚拟网络,是按照切片方的需求,在5G基础设施平台的各个组成部位(如核心网、传输网、承载网、无线接入网等)之上分别做子切片,然后把这些子切片配置起来,调度相关资源,构造成一个端到端的逻辑网络,作为一个整体来为用户提供一种或多种网络服务。

按照人和人之间的移动通信,物和物之间的海量互联,物和物之间高可靠低时延交互三种通信模式,3GPP为5G规划了如下的典型应用场景,每种场景有自己的侧重点,对应一个指标来衡量。

eMBB( Enhanced Mobile Broadband) 极致移动宽带,就是手机上的数据应用,特点是大流量高速率并发,要求用户峰值速率10Gbps,用户稳定体验速率1Gbps。

mMTC(massive Machine Type Communication) 海量机器类通信,指随时随地无缝交互的大规模物联网通信,要求连接密度达到百万/Km2

uRLLC(ultra-Reliable Low Latency Connection) 超高可靠超低时延通信, 特点是实时可靠稳定连接,要求空口延迟小于1ms。

这三种场景分别针对不同的业务诉求,无法在单一链路上同时部署实现。因此3GPP应用5G网络切片技术来解决这个问题,该技术相当于把一条”网络链路”切分为多片,每片虚拟链路承载不同业务。例如一条5G链路如果要同时提供eMBB,mMTC,uRLLC三个业务,则可以在该链路上对应部署三个5G切片,实现了三种业务在同一物理链路上同时运行,并可以做到统一管理和维护。概括来说,5G网络切片是一种5G业务管理和部署的方式。

5G网络切片的优势

首先,5G网络切片可以简化5G基础设施。

5G 是关于移动通信无线空口技术、移动基站系统、无线接入网、传输承载网、核心网等一系列技术创新的组合。5G网络切片方案的优势在于:相同的一套5G基础设施可以用来满足不同的用户诉求;这样一来,5G网络设备的标准化程度大为提高,设备提供商的工作可以得到简化。

5G网络切片并不仅限于eMBB、uRLLC、mMTC这三类典型应用,运营商可以根据不同的应用场景做出更多的切片。对于不同的行业和用户差异化需求,只要在5G基础设施网络上提供一个对应的5G网络切片就可以实现。

其次,5G网络切片作为统一的定制化手段,可以简化5G业务的开发和运营。

5G的技术体系非常复杂,包括空口技术、基站系统、无线接入网、传输承载网、核心网、运维系统。在5G之前的网络,不同的运营商还有各自的组网技术栈和运维方法。而5G网络基于统一的技术标准搭建,因此5G网络切片也可以大大降低开发和运营难度。

5G网络支持高性能转发,满足电信级的管理要求,可以把它视为基础设施,电信运营商以网络切片为实例来实现5G应用的定制化部署。5G网络切片是端到端的,每个端到端切片均由核心网、传输承载网、无线接入网子切片组合而成,子切片本身结构也非常复杂。而通过切片管理系统可以屏蔽底层实现细节,从业务的宏观角度来进行统一管理,将整网的各种网络资源进行灵活分配,形成端到端的5G网络切片,基于一个5G网络,可以任意虚拟出多个具备不同特性的逻辑子网。

再次,5G网络切片技术可以让5G应用更加安全。

客户对安全的追求与日俱增,特别是5G这样的公众电信网,采用5G网络切片技术可以把安全能力像网络能力一样开放给垂直行业使用。5G网络切片技术可以为行业应用提供统一身份管理、认证鉴权、密钥分发等能力,减轻行业应用的开发和部署压力。安全能力以模块化的方式部署,以通用标准接口的方式提供,可以快速提供安全能力以满足多种业务的端到端的安全需求。网络切片技术中每个切片可以配置不同等级的安全保护,包括加密算法、参数、配置黑白名单、认证方法、隔离强度等等,有效防止外部攻击。

5G网络切片和VPN的区别

和5G网络切片的“虚拟网络”功能最接近的概念可能就是VPN (Virtual Private Network 虚拟专用网),两者都是通过“虚拟”来达成简化配置和使用的目的,所以不妨把两者放在一起比较。这两者有以下不同:

1. 部署路径不同

5G 网络切片是端到端的、全路径部署,中间路径节点都需要支持 5G网络切片。而 VPN 的隧道对中间路径节点是透明的,只在VPN隧道的两端起作用。所以 5G切片需要整网部署,而VPN只需要部署到隧道起始点和终点的两个设备即可。

2. 虚拟层级不同

5G 网络切片对“网络”虚拟,虚拟出端到端的逻辑网络整体,用来对外提供网络服务。

VPN对“路由”路由,虚拟出来一个“隧道”,用来提供传输路径。

3. 运行层级不同

5G网络切片直接运行5G的基础物理设备上,分配真实的物理资源,进行实在调度,执行效率高。VPN是一种纯Overlay技术,完全运行在软件层级,需要额外消耗软件资源。

4. 隔离程度不同

5G网络切片之间是完全隔离的,资源和进程都不可互相访问,一个切片也不会竞争另外切片的资源;当一个切片故障时,也不会扩散到其他切片中。VPN隧道之间是路径隔离,系统资源没有隔离是共享的,隧道之间会彼此竞争有限的系统资源。

5G网络切片的应用难题

5G网络切片的先决条件是NFV (Network Functions Virtualization,网络功能虚拟化)。例如核心网设备为了实现5G网络切片的灵活配置和调度,需要在传统的网络设备中进行硬件和软件的分离,硬件由通用服务统一管理,软件则需要组成子核心网络切片,即分为 NF(Networking Function,网络虚拟功能)。所谓的“切片”实际上是一种资源重组,一般通过SLA服务等级协议来实现。SLA协议可以配置用户数、QoS、带宽等多项参数,以此来划分不同的服务等级,然后根据 SLA服务等级所指定的通信服务类型选择虚拟和物理资源。上述配置和调度的实现过程其实是相当复杂的。

5G网络切片需要在整网部署,其中涵盖核心网、传输承载网、无线接入网等多个厂家的设备。其中3GPP定义了终端、无线接入网、核心网的切片规范,传输承载网的切片规范由IETF定义。无线接入网的用户侧,主要涉及用户鉴权、用户识别等问题。另外,某些终端设备(比如自动驾驶) 会同时接入多个切片网络。此外无线接入网切片与核心网切片配对方式,是随机分配还是特殊指定?这些都是需要考虑的问题。对传输承载网设备来说,5G网络切片包括软切片和硬切片。支持Flexible Ethernet 特性的设备可以提供基于PHY层的传输承载网络切片,因其时延性能表现更佳,称为“硬切片”;OTN、WDM等也属于硬切片。软切片方案,如基于隧道的MPLS、SR、VxLAN,基于虚拟化的VPN、VLAN等。软硬切片各有所长,在混合使用时如何合理分配调度都是需要解决的难题。

要实现5G网络切片,需要以下步骤。首先把NFVI(Network Functions Virtualization Infrastructure,网络功能虚拟化基础设施)里的资源形成VNF(Virtual Network Feature虚拟网元)功能;其次把核心网、传输网、无线接入网的子切片NFV连接成完整的5G网络切片,部署到5G基础设施上。完成上述部署需要网络设施具备以下能力:

1. 快速创建新的服务

2. 使用应用模板驱动(Template Driven)创建切片环境

3. 切片参数多样化可配置,以满足不同的用户需求

4. 切片的自动化部署,具备弹性伸缩能力和还原能力

5. 通过服务质量监控,动态优化切片性能

6. 支持引入第三方开发APP,以不同网络安全需求的挑战

上述NFV功能的开发周期可能需要几年时间。在这期间,5G的物理网络和虚拟网络会并存,可能某些物理功能永远也不会被虚拟化,这就逼迫编排器去适应现实,SDN需要去攻关新难题。

结束语

5G网络切片是一种端到端网络虚拟,穿透接入网传输网和核心网,本质上是一种业务部署方式。5G网络切片某种程度上实现了5G基础设施和5G服务的解耦合。借此设备供应商可以不用关心应用场景,从而简化5G技术设施的开发复杂度:运营商可根据不同的应用场景将物理网络切出多个虚拟网络,适配不同业务需求。5G网络切片把5G网络资源颗粒化和NFV化,让5G网络不仅仅是物理上的基础设施,还是5G应用开发、部署和运营的基础设施,让5G更通用、更实用,为5G赋能,加快了5G时代的到来。

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