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什么是网络切片?

网络切片是一种新型网络架构,在同一个共享的网络基础设施上提供多个逻辑网络,每个逻辑网络服务于特定的业务类型或者行业用户。每个网络切片都可以灵活定义自己的逻辑拓扑、SLA需求、可靠性和安全等级,以满足不同业务、行业或用户的差异化需求。
运营商通过网络切片可以降低建设多张专网的成本,而且可根据业务需求提供高度灵活的按需调配的网络服务,从而提升运营商的网络价值和变现能力,并助力各行各业的数字化转型。

为什么需要网络切片?

随着5G和云时代多样化新业务的涌现,不同的行业、业务或用户对网络提出了各种各样的服务质量要求。例如,对于移动通信、智能家居、环境监测、智能农业和智能抄表等业务,需要网络支持海量设备连接和大量小报文频发;网络直播、视频回传和移动医疗等业务对传输速率提出了更高的要求;车联网、智能电网和工业控制等业务则要求毫秒级的时延和接近100%的可靠性。因此,5G网络应具有海量接入、确定性时延、极高可靠性等能力,需要构建灵活、动态的网络,以满足用户和垂直行业多样化业务需求。

面对以上需求,网络切片技术应运而生,通过网络切片,运营商能够在一个通用的物理网络之上构建多个专用的、虚拟化的、互相隔离的逻辑网络,来满足不同客户对网络能力的差异化要求。5G网络切片的示例如下图所示。

5G网络切片示例
5G网络切片示例

5G端到端网络切片包括无线接入网络切片、移动核心网络切片和IP承载网络切片。其中无线接入网和移动核心网的网络切片架构和技术规范由3GPP进行定义,IP承载网络切片的架构和技术规范主要由IETF、BBF、IEEE、ITU-T等标准组织定义。以下章节将围绕IP承载网络切片展开。

在5G端到端网络切片中,IP承载网络切片的主要功能是为无线接入网与核心网的网络切片中的网元和服务之间提供定制化的网络拓扑连接,以及为不同网络切片的业务提供差异化的服务质量SLA保证。此外,为了实现与无线接入网和核心网切片的端到端网络切片协同管理,以及将网络切片作为一项新业务提供给垂直行业租户,承载网还需要对外提供开放的网络切片管理接口,用于网络切片的生命周期管理。

网络切片有哪些价值?

IP承载网络切片的价值,主要体现在资源与安全隔离、确定性时延、灵活定制拓扑连接、自动化切片管理四个方面。

资源与安全隔离

网络切片隔离的目的,一方面是从服务质量的角度,需要控制和避免某个切片中的业务突发或异常流量影响到同一网络中的其他切片,做到不同网络切片内的业务之间互不影响。这一点对于智能电网、智慧医疗、智慧港口等业务尤其重要,这些业务对于时延、抖动等方面的要求十分严苛,无法容忍其他业务对其业务性能的影响。另一方面是从安全性角度出发,若某个网络切片中的业务或用户信息不希望被其他网络切片的用户访问或者获取,就需要为不同切片之间提供有效的安全隔离措施,如金融、政府等专线业务。

按照隔离程度不同,IP承载网络切片可以提供三个层次的隔离:业务隔离、资源隔离和运维隔离。

  • 业务隔离:某一网络切片的业务报文不会被发送给同一网络中另一网络切片中的业务节点,即提供不同网络切片之间的业务连接和访问的隔离,使不同网络切片的业务在网络中互不可见。
  • 资源隔离:某一网络切片所使用的网络资源与其他网络切片所使用的资源之间相互隔离。资源隔离按照隔离程度可以分为硬隔离和软隔离,硬隔离是指为不同的网络切片在网络中分配完全独享的网络资源;软隔离是指不同的网络切片既拥有部分独立的资源,同时对网络中的另一些资源也存在共享,从而在提供满足业务需求的隔离特性的同时也可保持一定的统计复用能力。结合软硬隔离技术,可以灵活选择哪些网络切片需要独享资源,哪些网络切片之间可以共享部分资源,从而实现在同一张网络中满足不同业务的差异化SLA要求。
  • 运维隔离:对于一部分网络切片用户来说,在提供业务隔离和资源隔离的基础上,还要求能够对运营商分配的网络切片进行独立的管理和维护操作,即做到对网络切片的使用近似于使用一张专用网络,网络切片通过管理平面接口开放提供运维隔离功能。

确定性时延

不同业务对于带宽和时延有着截然不同的需求。传统业务对网络E2E时延的要求一般在100ms以上,时延要求较低。但实时交互和工业控制类业务,如电网差动保护业务,对IP承载网络的时延要求是2ms,且要求网络提供确定性、可承诺的时延保证。通过网络切片技术,将不同业务部署在不同切片中,可以为交互和控制类业务提供确定性时延保证。

灵活定制拓扑连接

业务和流量均由相对单一向多方向综合发展,导致网络的连接关系变得更加灵活,复杂和动态。

网络切片支持为不同行业、业务或用户提供按需定制的逻辑网络拓扑和连接,满足差异化的网络连接需求。网络切片用户无需感知基础网络的全量拓扑,而是只需要看到该网络切片的逻辑拓扑与连接,而且网络切片内的业务也被限定在该网络切片对应的拓扑内部署。这样,对网络切片用户来说,简化了需要感知和维护的网络信息。对运营商来说,避免了将基础网络过多的内部信息暴露给网络切片用户,提高了网络安全性。

自动化切片管理

面对业务种类和规模持续增加,网络管理复杂度快速增长,难以继续依赖人工的网络管理手段。需要引入自动化网络管理技术以实现动态和高效的网络管理。

网络分片管理器提供网络切片的全生命周期管理功能,实现从用户意图到业务开通的全流程打通,支持网络切片的规划、部署、业务到切片的灵活映射、切片业务的实时可视以及切片的动态调整优化,提供租户级精细化的业务管理。

随着网络管理自动化的不断深入,智能技术可能被更广泛的应用到网络分片管理的各个环节,以实现对网络的智能化管理。

网络切片是如何工作的?

网络切片架构

如下图所示,IP承载网络切片架构整体上可以划分为三个层次,网络切片转发层、网络切片控制层和网络切片管理层。

IP承载网络切片架构
IP承载网络切片架构

网络切片转发层

网络切片转发层需要具备灵活精细化的资源预留能力,支持将物理网络中的转发资源划分为相互隔离的多份,分别提供给不同的网络切片使用。一些可选的资源隔离技术包括FlexE子接口、信道化子接口以及HQoS等。

网络切片控制层

网络切片控制层用来在物理网络中生成不同的逻辑网络切片实例,提供按需定制的逻辑拓扑连接,并将切片的逻辑拓扑与为切片分配的网络资源整合在一起,构成满足特定业务需求的网络切片。控制层又可以细分为控制平面和数据平面,其中控制平面主要负责网络分片信息分发、收集与计算,数据平面负责网络分片资源标识与转发。目前控制层的一些常见技术包括SRv6Flex-Algo等。

网络切片管理层

网络切片管理层提供网络切片的生命周期管理功能,具体包括网络切片的规划、部署、维护、优化四个阶段。

网络切片地址标识

从传统的一个物理网络平面到由许多逻辑网络组成的立体网络,是网络切片给网络带来的最大变化。传统的平面网络给每一个网络节点分配一个唯一的IP地址来标识网络节点,在报文转发过程中使用IP地址作为网络节点标识进行转发。这种标识方法在立体网络中会带来非常大的麻烦,不同的切片转发路径或网络资源都可能存在差异,需要为每切片每节点都分配IP地址进行标识。以1000个网络节点为例,如果要创建200个网络切片,则需要规划200000个IP地址,对网络部署复杂度、网络性能都会带来巨大的挑战。

为了解决网络切片的地址标识问题,引入了二维地址标识,使用网络物理节点IP地址+Slice ID(切片ID)来唯一标识网络切片中的逻辑节点。这样,不管网络划分成多少个网络切片,都只需要一套地址标识,不会因为部署网络切片增加额外的地址规划和配置。同时,采用二维地址标识也能大大减少切片网络的路由数量,使得支持大规格网络切片成为可能。

网络切片二维地址标识转发过程

基于Slice ID的网络切片,设备需要生成两张转发表,一张是路由表,用于根据报文的目的地址确定出接口;另一张是切片接口的Slice ID映射表,用于根据报文中的Slice ID确定切片在接口下的预留资源(具体可以是子接口或通道)。业务报文到达设备后,先根据目的地址查路由表,得到出接口,然后根据Slice ID查询切片接口的Slice ID映射表,确定出接口下的资源预留子接口或通道,最后使用对应的资源预留子接口或通道进行业务报文转发。

网络切片是如何管理的?

如下图所示,网络切片管理,是通过规划、部署、维护、优化四个阶段来实现的。

网络切片生命周期管理
网络切片生命周期管理

切片规划:按照业务保障要求,切片规划环节重点规划切片的范围、带宽和时延。

  • 范围规划:可分为全网切片、区域切片和灵活切片三种方式。范围规划解决切片接口带宽利用率和网络负载均衡性。
  • 带宽规划:规划切片内带宽使用原则,对于共享切片,例如某个行业切片,定义切片带宽占用全网带宽的比率。对于独占的切片,需要定义带宽的绝对值。
  • 时延规划:时延规划的目的是明确网络时延的范围。

切片部署:控制器完成切片实例部署,包括创建切片接口、配置切片带宽、配置VPN和隧道等。

  • 在控制器上创建网络切片,切片接口类型支持物理接口、FlexE接口、信道化子接口
  • 切片激活,即将该网络切片的基础配置生成,包括配置切片接口IP地址、使能IGP等,设备通过BGP-LS上报切片三层拓扑给控制器。
  • 在切片内部署SRv6路径。
  • 在切片内部署VPN,如L3VPN、EVPN L2VPN等。

切片维护:控制器通过iFIT等技术监控业务时延、丢包指标。通过Telemetry技术上报网络切片的流量、链路状态、业务质量信息,实时呈现网络切片状态。

  • 切片可视:监测网络切片流量、链路状态、业务质量等信息,全景呈现网络状态,实现对网络切片画像。
  • 故障诊断及预测:实时监控网络切片状态,主动分析网络故障根因,预测网络可能发生的故障。
  • 故障修复:流量拥塞、故障场景,自主通过路径调整、优化等措施修复故障。

切片优化:基于业务服务等级要求,在切片网络性能和网络成本之间寻求最佳平衡,切片优化的两种主要实现方式分别是带宽调优和切片扩容。

  • 带宽调优:当切片内资源充足,只是局部带宽资源不足时,可通过带宽调优实现带宽保障。
  • 切片扩容:当整个切片负载过高,通过调优已经无法保障业务带宽,则需要通过切片扩容方式来保障。
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  • 作者: 刘潇杨
  • 最近更新: 2021-11-04
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