前言

最近對5G網(wǎng)絡(luò)切片比較感興趣，查閱資料閱讀文獻，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5G切片的介紹非常全面詳細，決定摘出其中讓我受益的一些部分，再結(jié)合自己的一點點理解對5G切片進行一個簡單的介紹和概括，也算是自己的一點小進步，也希望對初學(xué)者能起到一點作用。

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在2020年即將實現(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)切片對于5G 的意義可謂巨大。本文主要從以下幾個方面對切片技術(shù)做一些簡要介紹。

一、為什么要向5G時代演進?

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時代演進，才能進一步理解到網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)對于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、用戶需求的不斷多樣化，當前的核心網(wǎng)EPC(Evolved Packet Core)這種傳統(tǒng)的集中式設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)逐漸變得難以處理越來越多樣化的服務(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。舉例說明：在EPC中，移動管理實體MME(Mobility Management Entity)的主要功能是進行終端的移動性管理，但是并非所有的用戶裝置都具有移動性，比如機器對機器(M2M)類型的傳感器之間的通信就不需要為其提供移動性支持，因為這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)會使得原本的很多設(shè)計在面對特定用戶群體的時候根本沒有任何用武之地。

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

其四，由于當前移動核心網(wǎng)中各個部件的功能劃分并不清晰，很多用戶包在從eNodeB到SGW，再到PGW的過程中會被進行很多重復(fù)的處理，包處理的流程很不簡約。

***，由于其集中式架構(gòu)和對軟硬件要求高的特點使得其部署時間周期長，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時代，移動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的對象也不再是單純的移動手機，而是各種類型的設(shè)備，比如移動手機、平板、固定傳感器、車輛等等。應(yīng)用場景也多樣化，比如移動寬帶、大規(guī)?；ヂ?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，比如移動性、安全性、時延性、可靠性等等。這就為網(wǎng)絡(luò)切片提供了用武之地，通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)在一個獨立的物理網(wǎng)絡(luò)上切分出多個邏輯網(wǎng)絡(luò)，從而避免了為每一個服務(wù)建設(shè)一個專用的物理網(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)切片的價值了!從切片的角度講，可以將傳統(tǒng)的EPC當成是一個服務(wù)所有可支持的移動裝置的大切片，但是前面已經(jīng)提到過，使用一個統(tǒng)一的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)來同時滿足所有的服務(wù)請求是不高效也不容易實現(xiàn)的，因此未來的網(wǎng)絡(luò)必須通過網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)從“one size fits all”向“one size per service”過渡。

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)施對服務(wù)的實現(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)分解而來的一系列子功能(Network sub-Function)?？梢钥闯鼍W(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)的角度來考慮問題。服務(wù)層從邏輯層面來描述系統(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，其中會提供定義部署和操作要求(連接、接口、KPI要求等)的模板?；A(chǔ)設(shè)施層從物理層面描述維持一個網(wǎng)絡(luò)切片運行所需要的網(wǎng)絡(luò)元素和資源，其中包括計算資源(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、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，需要考慮兩個層之間的映射問題，這是一個典型的虛擬網(wǎng)絡(luò)嵌入問題，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支持高移動性用戶，切片B提供相同服務(wù)但是不提供移動性支持
• 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提供標準可信度，因此兩個切片的部署要求不同。
• 相同服務(wù)層，相同物理應(yīng)用：例如針對不同運營商提供的切片。

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)切片的定義離不開核心網(wǎng)功能的劃分。功能分解是指將一些網(wǎng)絡(luò)實體(如MME、SGW、PGW等)上緊密耦合的網(wǎng)絡(luò)功能分解開來，使其可以在不同的網(wǎng)絡(luò)實體上也能運行。

當前EPC中網(wǎng)絡(luò)實體可以分為兩類：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)流量的實體。當前對于網(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，垂直分解意為識別包含在一個網(wǎng)絡(luò)實體中的單個功能。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)用場景對系統(tǒng)設(shè)計的影響

雖說網(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)置是一個重要的問題。我們不能對每個服務(wù)都設(shè)置不同的切片。切片數(shù)量太多會使得維護和管理變得困難，數(shù)量太少又可能導(dǎo)致一個簡單的使用案例需要用到兩個及以上的切片來達到其需求。使用場景和性能要求對切片的設(shè)計有很大的影響，3GPP和NGMN在這方面也一直在努力并且已經(jīng)獲得了一定的進展。表1展示了NGMN劃分的一些應(yīng)用場景對切片設(shè)計的影響。表中概括了大部分應(yīng)用場景并且將其歸類為八個系列，每個應(yīng)用場景下對不同服務(wù)的要求程度按照從0到3的打分表示，3表示要求最為嚴格，0表示***要求。從表中還可以看出，一個應(yīng)用場景可能會使用不止一個網(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應(yīng)用場景系列，但仍存在很多尚未分類的場景，因此在性能評估標準方面的切片劃分的粒度如何確定仍然是一個需要解決的問題。

1. 網(wǎng)絡(luò)切片選擇：一個用戶可能會使用一個或者多個切片，如何選擇合適的切片也是一個基本的問題
2. 網(wǎng)絡(luò)切片轉(zhuǎn)換：漫游場景下，本地網(wǎng)絡(luò)切片不能支持用戶接入網(wǎng)絡(luò)，就會造成用戶網(wǎng)絡(luò)中斷，一個可能的解決方案是將用戶轉(zhuǎn)換到默認切片下，但是在切片轉(zhuǎn)換過程中如何保持IP會話的連通性、偵測轉(zhuǎn)換時機的任務(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題。
3. 用戶狀態(tài)維持：用戶的狀態(tài)信息可能會在多個切片中傳遞，如何管理用戶狀態(tài)也是一個關(guān)鍵問題。
4. 新功能的確定：為了支持一些如無人駕駛等的新式服務(wù)，當前的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。

作者簡介：李子姝，北京郵電大學(xué)未來網(wǎng)絡(luò)理論與應(yīng)用實驗室 研一 CCN、NDN方向