面向5G承载的网络切片技术

需求概述

　　5G业务将呈现出多场景、差异化的特点，如移动上网业务聚焦带宽，自动驾驶业务需要低延时和抖动保障，工业控制对可靠性要求苛刻，物联网业务要支持巨大的连接数量。对此，5G的无线接入网和核心网都进行了功能重构，根据业务类型改变设备处理单元的物理部署位置，并通过切片在同一张物理网络上对不同类型业务构建独立的端到端逻辑网络。

　　5G承载网是5G端到端业务路径的一部分，必须满足多场景下不同业务需求，同时5G是一个开放网络，可以提供面向垂直行业和租赁业务的应用需求，在此场景下要求承载网络支持5G切片网络的业务隔离和独立运维需求，为不同类型的业务分配不同类型的承载网切片，每个承载网切片就象一个独立的物理网络。

　　如果我们为每种业务服务建立一个专用网络，那成本就太高了。网络切片技术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，每个网络切片在转发面、控制面、管理面上实现逻辑隔离，适配各种类型服务并满足用户的不同需求。对每一个网络切片而言，网络带宽、服务质量、安全性等专属资源都可以得到充分保证。由于切片之间相互隔离，一个切片的错误或故障不会影响到其他切片的通信。

网络切片的实现

　　中兴通讯在业界首个向ITU-T提出了承载网网络切片的创新提案，该提案系统全面地阐述了承载网网络切片的模型以及基于SDN的层次化控制面架构，为承载网网络切片的实施奠定了基础。

网络切片架构

　　承载网网络切片是通过对网络的拓扑资源（如链路、节点、端口及网元内部资源）进行虚拟化，按需组织形成多个虚拟网络vNet（即切片网络）。从整体架构上分为客户租户层、业务层、虚拟网络层、物理网络层，如图1所示。虚拟网络vNet具有类似物理网络的特征，包括独立的管理面、控制面和转发面，各虚拟网络之上可以独立支持各种业务，如 EPL/EVPL、EPLAN/EVPLAN等。切片后，承载于虚拟网络上的业务，看到的就是虚拟网络，其对实际物理网络并不感知，实现了业务与物理网络资源的解耦。

　　进一步，通过虚拟网络的递归切片可以支持虚拟运营商、子运营商的运营，以及网络二级租赁等业务。

基于SDN的控制面切片

　　SDN实现了控制面和转发面的解耦，使得物理网络具有了开放、可编程特征，支持未来各种新型网络体系结构和新型业务的创新。控制平面完成网络拓扑和资源统一管理、网络抽象、路径计算、策略管理等功能，借助SDN控制面可将物理转发资源抽象成虚拟的设备节点、虚拟的网络连接，并根据策略将这些虚拟资源进行分组管理，形成独立的逻辑切片vNet。

　　图1中的切片控制器vNet Hypervisor，是实现网络切片/虚拟化的一种特殊的SDN Controller，负责vNet虚拟资源到物理网络资源的映射、vNet创建管理，并将vNet资源信息暴露给vNet Controller。业务层的控制器vNet Controller是vNet资源的使用者，只能看到分配给自己的vNet资源，支持图形方式呈现虚拟网络资源和拓扑，可以在自己的vNet上创建各种业务（如L2VPN、L3VPN），并负责业务生命周期控制，与基于物理网络的业务控制类似。每个vNet对应一个独立的vNet Controller，支持vNet间控制面和管理面的隔离。

设备转发面切片技术

　　转发面可根据业务需求确定切片方式，可以采用软切片方案，如基于IP/MPLS的隧道/伪线，基于VPN、VLAN等的虚拟化技术；也可以采用硬切片方案，如灵活以太网技术FlexE、OTN技术、WDM的多传送通道等；也可以混合采用硬切片、软切片的方案，硬切片方式保证业务的隔离安全、低时延等需求，软切片方式支持业务的带宽复用。

　　除了转发面，同时对网元内部的计算、存储等资源进行切片/虚拟化，就形成了虚拟网元，我们称之为设备切片。虚拟网元具有类似物理网元的特征，包括逻辑独立的转发面、控制面、管理面。虚拟网元支持独立的控制面和协议、独立的拓朴连接，支持软件资源隔离，如CPU和内存资源的隔离、控制通道和配置的隔离，支持切片的独立部署和升级。

网络切片带来的收益

　　切片后的虚拟网络vNet具有类似物理网络的特征，具有独立的管理面、控制面和转发面，不同业务应用可部署在不同的虚拟网络上，从而满足差异化的业务特性以及子运营商等业务租赁的需求。

　　各网络切片能加载不同的应用协议，支持独立部署和升级。通过切片生命周期的管理，可实现业务的快速部署开通、资源的共享和灵活调度。网络切片简化了网络规模和网络拓扑，也使得运维管理更加便捷、高效。基于切片的业务与物理网络完全解耦，vNet Hypervisor可便捷完成vNet对应的物理资源的迁移、调整或扩容，而vNet上的业务对物理网络不感知，业务不受影响，或只有短暂影响。

基于FlexE的承载网络切片方案

　　Flexible Ethernet （灵活以太网）可以实现基于PHY层的切片转发，提供刚性管道隔离，实现带宽灵活分配。中兴通讯创新性地引入了FlexE Switch、OAM和保护3个关键技术，成功把FlexE改造成网络级的技术，我们称之为FlexE Tunnel技术。FlexE Tunnel（见图2）将业务隔离从端口级扩展到网络级，可对不同业务实现端到端子信道隔离，为5G承载网络切片提供最佳转发面支撑。同时，基于FlexE Tunnel技术的保护倒换能做到1ms以内，把电信级保护提升到了工业控制级。针对uRLLC业务，采用FlexE Tunnel技术，解决了波长穿通方案业务颗粒度过大、承载效率偏低的问题，以及软切片技术时延偏大、无法物理隔离的问题。

　　对于不同业务的差异化需求，综合考虑成本、安全、运营管理等因素，可以灵活选择网络切片、设备切片或转发面切片。基于SDN控制面，可依据端口、LSP/PW、VPN、VLAN、 FlexE Tunnel、波长等不同资源进行切片，以满足5G不同业务场景在时延、带宽等方面的业务需求。

承载网与无线、核心网切片的协同

　　5G业务的端到端网络切片，需要无线网络、核心网和承载网共同配合完成。可根据无线业务的隔离、时延等属性对承载网的切片进行定义；并根据实际情况，灵活选择无线业务的VLAN、VxLAN的VNI、业务IP的DSCP等进行无线RAN的业务和承载网切片之间的映射。RAN、核心网、承载网三者之间的协同通过基于SDN/NFV架构的切片编排器完成，层次化的SDN控制器和网络切片控制器Hypervisor（图3中的vNet Hypervisor domain2进行了简化），负责承载网的切片和业务控制，SDNO完成跨域的承载业务编排；NFVO和VNFM完成无线的资源编排和业务编排。而Global Orchestrator完成无线和承载之间跨域的业务协调和编排，从而实现5G业务的端到端切片，并通过各切片的不同功能属性满足5G业务的差异化需求。

　　通过承载网络的切片，可以基于统一的物理网络设施提供多个逻辑网络服务，以满足不同客户或者特定场景的差异化需求，实现资源共享、业务快速上线。在保证业务性能及安全隔离的前提下，可以实现承载网络资源共享和灵活调度，以及独立的子网管理，并减少运营商承载网络建设的投入。