网络切片——灵活自适应的网络形态 | 带你读《5G时代的承载网》之十七-阿里云开发者社区

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网络切片——灵活自适应的网络形态 | 带你读《5G时代的承载网》之十七

简介: 传统的核心网被设计为“竖井式”的单一网络体系架构,该架构中的一组 垂直集成的网元节点提供了网络所有功能,并支持后向兼容性和互操作性,这 种“一刀切”的设计方法使网络部署成本保持在合理化区间,但是并不支持网 络的灵活和动态拓展。

第 3 章 5G 网络架构

| 3.6 5G 网络重构关键技术 |

3.6.3 移动边缘计算(MEC)——业务本地化

3.6.4 网络切片——灵活自适应的网络形态

传统的核心网被设计为“竖井式”的单一网络体系架构,该架构中的一组 垂直集成的网元节点提供了网络所有功能,并支持后向兼容性和互操作性,这 种“一刀切”的设计方法使网络部署成本保持在合理化区间,但是并不支持网 络的灵活和动态拓展。
到 5G 时代,5G 定义的三大场景:增强移动宽带、海量机器连接和高可靠 低时延连接对网络服务的需求如带宽、时延等是不相同的,移动网络服务的对 象也不再只是移动手机,而是各种类型的设备,比如固定传感器、车辆等。例 如,一个大规模物联网服务连接固定传感器测量温度、湿度、降雨量等,不需 要移动网络中那些主要服务手机的切换、位置更新等特性,另外,像自动驾驶 以及远程机器控制等高可靠、低时延场景,需要满足几毫秒的端到端时延,与 移动宽带业务大不相同。如果针对每种典型业务都专门建立特定的网络来满足 其独特要求,那么网络成本之高将严重制约业务发展,同时,若不同业务都承 载在相同的基础设施和网元上,网络可能无法满足多种业务的不同 QoS 保障 需求。
网络切片(NS,Network Slicing)技术应运而生,它可以让运营商在一 个硬件基础设施中切分出多个虚拟的端到端网络,每个网络切片在设备、接入 网、传输网以及核心网方面实现逻辑隔离,适配各种类型的服务并满足用户的不同需求。5G 对网络切片的应用如图 3-38 所示。
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典型的端到端网络切片系统架构如图 3-39 所示,包含接入侧切片(含无 线接入和固网接入)、核心网切片以及将这些切片组建成完整切片的选择功能单 元。选择功能单元按照实际通信业务需求选择能够提供特定服务的核心网切片。
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每个网络切片都是一组网络功能及其资源的集合,由这些网络功能形成一 个完整的逻辑网络,每一个逻辑网络都能以特定的网络特征来满足对应的业务 需求。通过网络功能和协议定制,网络切片为不同业务场景提供所匹配的网络 功能,其中,每个切片都可以独立按照业务场景的需要和话务模型进行网络功能的定制剪裁和相应网络资源的编排管理,是对 5G 网络架构的实例化。
终端设备、接入网切片以及核心网切片之间的配对并不固定,按照 1: M : N 进行映射,即一个终端设备可以使用多个接入网切片,而一个接入网切片也可 以连接到多个核心网切片上,如图 3-40 所示。某些网络切片是可以共享同一 个接入网切片的,如面向流媒体视频优化的切片都可以连接到专为 eMBB 场景 建立的接入网切片;而某些网络切片则需要专享专用的接入网切片和核心网切 片,如工业控制场景切片,为了满足时延低、可靠性高的性能需求,运营商会 专门定制专用的切片。
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网络切片针对不同的业务场景提供恰到好处的网络性能保证,实现了按需 组网的目标,具有如下优点。
第一,最优化,根据业务场景需求对所需的网络功能进行定制化裁剪和灵 活组网,实现业务流程和数据路由的最优化。由于每个切片都是根据该服务或 使用该切片的服务所需要的交付复杂性进行定制的,因此,切片网络还允许更 深入地了解有关网络资源的利用情况。
第二,动态性,网络切片能够满足用户的动态需求,例如,用户临时提出 某种业务需求,网络具有动态分配资源的能力,从而提高网络资源利用率。
第三,安全性,通过网络切片,可以将当前某个业务应用的网络资源与其 他业务应用的网络资源区分开、隔离开,每个分片的拥塞、过载、配置的调整不影响其他分片,增强整体网络的健壮性和可靠性,保证当前业务质量的同时, 也提供了可靠的安全保护机制。
第四,弹性,业务需求和用户数量可能出现动态变化,网络切片需要弹性 和灵活的扩展,比如必要时可以将一个网络切片与其他网络切片进行融合,以 更灵活地适配用户动态的业务需求,对于用户而言,这种弹性的使用方式还使 得根据使用量计费成为可能。
NFV 软硬件解耦及动态伸缩性是 5G 切片的实现基础,而 SDN 的控制与 转发分离特性是 5G 切片的实现引擎。基于 SDN 和 NFV 的网络切片架构主 要由 5 个部分组成:OSS/BSS 模块、虚拟化层、SDN 控制器、硬件资源层和 MANO 模块,如图 3-41 所示。
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运营支撑系统(OSS,Operation Support System)/ 业务支撑系统(BSS, Business Support System)全局管控,负责整个网络的基础设施和功能的静 态配置,限制整体上对子网或者服务的资源,是整个网络的总管理模块,通过 接收第三方(运营商、服务提供商)的需求来为虚拟化层中的网元管控模块提 供定制化策略,在切片建立的过程中为切片生成相对应的切片标识符,通过分 析第三方需求来对虚拟化层、SDN 控制器、硬件资源和 NFV 管理和编排模块 进行管理和配置,更新模块配置信息,维护 SDN 控制器的运行环境。
虚拟化层主要由核心网虚拟网元管控、接入网虚拟网元管控和虚拟资源模 块组成。其中,核心网虚拟网元管控利用 NFV 技术将 CN 中的网元进行解耦和 重构,然后生成用户所需的功能网元,并能根据需求对核心网功能网元进行动 态地修改、增加、释放;接入网虚拟网元管控生成多个不同制式的虚拟基站或 基站群,是所属核心网的接入网网元,根据 OSS/BSS 模块和核心网虚拟网元 管控模块的反馈信息来对接入网虚拟网元进行创建、释放。核心网将切片标识 符发送给用户终端(UE,User Equipment),然后 UE 通过辨识切片标识符来 正确地接入所属接入网网元,从而与运营商建立通信连接。虚拟资源模块包含 集中式协议处理池、集中式基带处理池和射频拉远池,其中,集中式协议处理 池包含接入网的控制面和用户面的协议,通过虚拟化技术和 SDN 技术,可实现 软件定义协议栈;集中式基带处理池由多个 BBU 组成,BBU 与虚拟基站和虚 拟基站群有直接的对应关系;射频拉远池由多个 RRU 组成,RRU 和 BBU 用 光纤连接,主要的网络拓扑组网方式有星形、链型和环形等,可将不同的组网 方式形成的网络看成不同的切片,用以满足具有特定需求的租户。
SDN 控制器是逻辑上可以集中或分散的控制实体。在控制面,通过对计算 硬件、存储硬件和网络硬件资源进行统一的动态调配和软件编排,实现硬件资 源与编程能力的衔接;在数据面,通过对虚拟化层的操作行为进行抽象,利用 高级语言实现对虚拟化层各功能网元之间接口的定制化,从而达到面向性能要 求和上层应用的资源优化配置目标。
硬件资源层主要包含计算硬件、存储硬件、网络硬件,如服务器、操作系统、 交换机、管理程序和网络资源,以及用户连接到 VNF 的物理交换机等,它是支 持整个通信网络的底层硬件资源池。
MANO(NFV Management and Orchestration)主要负责整个网络的基 础设施和功能的动态配置,完成对虚拟化层、硬件资源层的管理和编排,负责 虚拟网络和硬件资源间的映射以及 OSS/BSS 依据服务需求生成相关的 NS 用 例。首先,OSS/BSS 依据服务需求生成相关 NS 用例,NS 用例中包含此服务 所需的网络功能网元、网元间的接口和网元所需的网络资源,然后 MANO 按照该 NS 用例来申请所需的网络资源,并在申请到的资源上实例化创建虚拟 网络功能模块的接口。MANO 实现对 NS 的监督和管理,通过分析实际的业 务量在网络资源分配时进行缩容、扩容和动态调整,在生命周期截止时释放 NS,利用大数据驱动网络优化实现合理的资源分配、自动化运维和 NS 切分, 实时响应业务和网络的动态变化,保证高效的网络资源利用率和良好的用户 体验。
网络切片实例管理分为 3 个阶段:设计激活、切片运行和切片删除。在设 计激活阶段,根据业务需求设计切片,调用网络资源,进行功能配置,激活业务, 输出网络切片蓝图,用来生成网络切片实例,一个网络切片蓝图可以生成多个 网络切片;在网络切片运行阶段,通过软件对网络进行监控,汇报网络运行状 态,对标网络指标,实时更新、调整、配置网络切片,满足租户的业务变化需求; 在网络切片删除阶段,根据网络运营的调整需要,进行网络切片的删除或者迁 移,对删除后的切片进行资源释放。

3.6.5 C-RAN——无线接入网架构优化

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