网络切片

7网络切片应用场景

网络切片是什么

网络切片从根本上被定义为是一组网络服务、一个逻辑网络、一种虚拟网络架构、一系列网络功能或一个基础网络。因此，网络切片能够在通用基础架构上提供逻辑专用网络，它需要各个网络部分(核心网，接入网和传输网)的协调，并旨在满足垂直市场的特定要求。

诸如欧洲电信标准化协会ETSI之类的标准化机构，将网络切片定义为是一种由物理或虚拟化网络元素、网络资源和网络功能组成的服务感知逻辑网络。

国际标准化组织3GPP将网络切片定义为是一种范例，其中逻辑分区是在公共陆地移动网络(PLMN)中创建的，该网络能够满足特定的业务需求，具有适当的网络隔离，可以配置网络资源和优化网络拓扑。

IHS Markit对网络切片的定义：“端到端网络切片是一个物理网络的逻辑分区或虚拟片段，包括固定的和移动的、实体的和虚拟的，有连接性、容量(带宽)和特性(例如，服务等级协议SLA)，这些特征使切片看起来或表现得类似于连接着使用它的用户、程序或进程的实体网络。

网络切片的分类

一、从5G应用场景的角度，网络切片可以分为增强移动宽带(enhanced Mobile Broadband，eMBB)切片、超高可靠与低延迟通信(ultra Reliable Low Latency Communication，uRLLC)切片和大规模机器类通信(massive Machnice Type Communication，mMTC)切片三种类型。国际电信联盟(International Telecommunications Union，ITU)将5G时代的场景归纳成三种典型的场景，eMBB、 uRLLC和mMTC三大场景，三类场景分别对应三类切片。

(1)eMBB切片：主要用于对网络带宽和用户速率要求较高的业务场景，主要应用于视频类、虚拟现实类等业务，对带宽要求非常严格。在人口密集区，平均数据速率可以高达1Gbps，峰值速率达到10Gbps，较4G接入速率具有10倍的提高

mMTC切片主要用于海量物联网设备，对时延和速率要求不高，。uRLLC切片主要应用于对时延极其敏感的业务，适用于车联网、工业自动化、远程医疗等低时延高可靠业务，保证时延达到毫秒级以及业务的安全可靠保障。

URLLC切片主要用于对时延和可靠性较为敏感的业务场景。mMTC切片具备支持超千亿网络终端连接的能力，适用于智慧家庭、用电信息采集业务等大规模传感和数据采集的业务。不同的场景需要完全不同类型的网络特性和通信性能要求，如移动性、可靠性、安全性、时延等^[1]

二、网络切片也可以根据是否共享资源进行分类，根据网络资源能否在切片间进行共享，可以将网络切片分为独立切片和共享切片。

(1)独立切片为切片分配独立的资源，该资源只能由该切片内的用户使用，且在逻辑上与其他切片保持隔离；

(2)共享切片中，网络资源可供不同的网络切片进行调用与释放，更加灵活，但系统的复杂度更高。

三、网络切片实例层按照网络架构分类可以分为核心网子切片、传输网子切片和无线子切片。

(1)核心网子切片：5G技术对核心网作出了重大演进，基于服务化架构(Service Based Architecture，SBA)的思想，网元的概念不复存在，而是被重新定义为微服务，每种微服务可以实现基本功能的集合，最后再把这些微服务组装起来构成网络切片，这个过程就像搭积木一样。

(2)无线子切片：无线网子切片需要完成的重要任务包括切片资源划分和隔离，另外还有切片的选择，QoS保障以及移动性管理。它需要着重考虑的两个问题分别是协议栈功能模块化分离和无线时频资源的切分。对于协议栈功能模块化分离，切片必须要对无线网侧协议栈功能进行符合要求的切分，这种要求来自于不同的需求。无线侧基站根据时延相关性的强弱分为中央集中的单元(Centralized Unit， CU)和分布式的单元(Distributed Unit，DU)这两个重要部分，它们的功能原来是继承自基带处理单元(Building Base band Unite，BBU)。这种操作被称为解耦合。解耦后的中央单元主要负责实时性比较差的业务，分布式单元则主要承担实时性要求高的业务。

对于无线时频资源的切分，主要有硬切分和软切分两种。硬切是指，每个切片用固定的方式使用分配给它的频率和时间资源，用户的接入方式也是静态的，这种方式显然比较僵硬，不够灵活，与网络切片的初衷背道而驰。软切是指，网络切片的管理是按需分配的，很好的满足实时性的要求，极大提升资源利用率，减少浪费。以频谱为例，uRLLC是一种比较紧急的业务，所以可以单独留下一些资源分配给它。不过还需要保持每种业务之间的平衡，不能出现某一种或者某几种业务长时间占用大量资源的状况。

(3)传输网子切片：根据SDN的思想，把承载抽象成一种类似于资源池的概念来比较灵活的分配，这也可以切割成网络切片。传输网切片离不开虚拟化。网络的任何拓扑资源，比如链路、节点、端口等都要进行虚拟化，虚拟的传输子网在硬件层面上依据某种逻辑被划分出来。虚拟网络依附在物理的网络层之上，两者不可分离。虚拟网络的管理面、控制面和转发面是相互独立的，各种业务之间既是相互隔离的，又是被独立支持的，这有突破性的长足进步。资源层资源类型一般包括计算资源、网络资源、储存资源^[2]。

网络切片架构

网络切片是一个逻辑网络，横向结构根据不同场景或业务划分成多个逻辑网域，垂直结构是将网络划分成接入网、传输网和核心网，由各个子切片实例构成整个端到端网络切片实例，整体架构如图所示。

(1)其中，无线接入网需要根据不同业务的需求，识别不同的网络切片，灵活地对资源进行划分。并且相比于传统的结构，新的体系结构将基带处理单元进行功能拆分，既保证了低时延的实时性业务，也考虑了基站部署的经济效益。同时，灵活的帧结构设计保证了对不同场景业务的技术支持，支持切片无线资源的灵活分配，实现和核心网的对接。

(2)核心网主要包括终端接入的移动性管理以及一些保障业务的功能，并且在5G网络中，核心网功能网元基于服务化架构(Service Based Architecture，SBA)。不同于传统专用的物理设备，而是通过软件虚拟化技术，将物理设备解耦重构成一个个实现基本功能的微服务功能网元，以更加细粒度的方式为不同的切片提供不同的服务。

(3)在传输网中，可以基于软件定义网络的统一管理，将传输资源抽象成资源池来灵活进行分配，例如虚拟化网络中的节点和链路、或是网络中的存储、计算和传输资源等等。通过上述步骤将其拆分成多个逻辑的虚拟传输子网，每个虚拟传输子网有自己的控制中心，这样保证了每个子网的安全隔离性，也可在每个子网上独立地运行相关的业务，提高网络的整体利用效率。

除了切片网络层，网络切片的生命周期离不开切片管理和编排，通信服务功能(Communication Service Management Function，CSMF)主要是给客户提供若干通信服务相关模板，并且根据客户的SLA要求，将其翻译成网络配置的相关参数，便于下层处理模块根据需求进行处理。网络切片管理功能(Network Slice Management Function，NSMF)主要功能是根据CSMF的要求进行网络切片的设计，通过SLA需求下发到核心网、传输网和接入网网络管理器。根据各个子域模板生成多个完整的端到端网络切片模板，并对其进行统一的编排和管理。网络切片子网管理功能(Network Slice Subnet Management Function，NSSMF)直接管理底层的网络结构，根据上层下发的用户需求，组合底层的资源给用户提供相应的服务，根据网络垂直结构分为三个子网管理^[3]。

网络切片相关技术

能网络切片技术主要依赖于无线网络虚拟化(Wireless Network Virtualization， WNV)、软件定义网络(Software-Defined Networking， SDN)和网络功能虚拟化(Network Function Virtualization， NFV)技术。

(1)软件定义网络

软件定义网络(Software Defined Network，SDN)是一种新的体系结构。它具有灵活可管理的特性，使其非常适合当今网络应用的带宽需求高和动态的特点。这种体系结构改善原有的扁平结构，分离数据平面和控制平面，可通过控制平面进行统一管理，并可通过调用API接口进行统一编程管理，是上层应用和服务提供支持的底层基础结构。

开放网络基金会(Open Networking Foundation，ONF)将SDN划分为如图所示的结构，包括应用层、控制层和转发层。其中，转发层负责基本转发、数据处理以及向控制器请求策略等。控制层则是架构的中枢，负责全网的监控、处理数据信息后下发指令等。应用层包括各种不同的业务应用，可以通过调用控制器接口实现不同功能的应用。

SDN的网络架构通过分离转发面和控制面，改善了传统网络的不足，通过集中管理的方式，能监控到整个网络的运行情况，并且使交换机的转发处理可通过全网状态选择最有利的转发行为。并且在此架构下，网络管理员也不再需要提前将命令写入到相应地物理设备中，可以通过调用控制器相应的API接口，编写功能应用部署到环境中，使网络环境有一定的自处置能力，提升了网络的运行效率。并且网络的集中式控制的结构，使上层操作管理者可以直观地通过管理界面进行维护管理以及优化配置。这样软件化的处理流程，极大地丰富了维护网络的手段，使得网络具有更强的健壮性和可持续性。

（2）网络功能虚拟化

网络功能虚拟化(Network Function Virtualization，NFV)是一种网络架构概念，是将原有提供服务的专用网络功能从底层硬件设备中分离出来，将其划分成多种提供网络功能的组件，通过虚拟机或是软件的方式部署在通用服务器上以此来提供服务。最初是为了应对服务不足生产专用的物理设备而产生的巨大生产费用和运营费用，后来是为了在行业制定统一的标准使得NFV技术的产生。NFV需要传统虚拟化技术的支持，是一种依赖于传统服务虚拟化技术却又区别于传统服务虚拟化技术的新技术。

虚拟化网络功能(Virtualized Network Function， VNF)可以是存储设备、虚拟机或通用服务器等，可以在其中一个或多个上部署运行软件或进程的多个虚拟机，而不是每个都有自己定义的硬件设备网络功能。欧洲电信标准组织ISG根据现有的情况，以及发展的前景提出了NFV技术端到端的架构

该架构横向分为业务网络域和管理编排域，分别表示图中左右两个部分。其中管理编排域MANO发挥着中枢的作用，它的功能是编排和管理，在有限的资源中能充分利用各种基础资源获得便捷性。内部包括资源编排器NFVO、虚拟网络功能管理VNFM和虚拟化基础设施管理VIM。其中，VIM处于结构的最底层，主要是底层资源的集合，还包括一些虚拟资源，给上层提供服务；是面对底层提供资源，对表现出来的功能实例进行统一的管理，根据上层的需求，提供匹配的资源进行服务，并对资源进行统一调度和管理；逻辑上处于管理的上层，提供便捷直观的管理界面，利于管理人员直接对资源进行创建或是其他操作，使其完成一次完整的服务。此外业务网络域结构从下到上包括基础设施层、虚拟网络层和运营支撑层。这三个水平结构相辅相成，缺一不可^[3]。