面向5G承载的网络切片架构与关键技术

王强+陈捷+廖国庆

摘要：5G承载网作为基础网络，面临着大带宽、低延时、灵活连接、高精度时间同步和网络切片五大挑战。提出了面向5G承载的网络切片分层架构，并对涉及的软件定义网络（SDN）控制面切片、基于灵活以太网（FlexE）的转发面硬切片、承载设备切片与虚拟化技术、5G业务的端到端切片编排等关键技术进行了研究。

关键词： 5G承载网；网络切片；硬切片；软切片；FlexE

Abstract： As the basic network， 5G transport network is considered to face five major challenges， such as wide bandwidth， low delay， high-precision synchronization， flexible connection， and network slicing. In this paper， a layer network slicing architecture for 5G transport network is proposed， and some key technologies including soft-defined network （SDN） control plane slicing， flexible Ethernet （FlexE） -based data plane hard slicing， transport device slicing and virtualization， and E2E slicing orchestration for 5G services are studies.

Key words： 5G transport network； network slicing； hard slicing； soft slicing； FlexE

1 5G承載网络切片需求

5G业务呈现出多场景、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[1]。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，并通过切片在同一物理网络对不同类型业务构建独立的端到端逻辑网络[2]。

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分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分片，每个承载网分片象一个独立的物理网络一样。

如果我们为每种业务服务建立一个专用网络，成本是无法想象的。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其他切片的通信。每个切片内的资源可以由租户自行管理。

2 承载网络切片分层架构

传统的承载网网络可分为客户/租户层、业务层、物理网络层，如图1所示。即在物理网络上直接部署业务，如各种以太网专线业务（EPL）/以太网虚拟专线业务（EVPL）、以太网专用局域网业务（EPLAN）/以太网虚拟专用局域网业务（EVPLAN）、以太网专用树形业务（EPTree）/以太网虚拟专用树形业务（EVPTree）等，形成业务层，从而满足上层的客户租户业务（例如5G业务）的传送需求。在这种架构下，业务层的各种业务共享物理网络的资源，没有隔离机制，存在资源竞争的问题，并且在管理和控制上也难以实现按照不同业务场景（如5G各种业务）、不同客户/租户等情况下的按需隔离。不能满足未来5G业务承载的精细化管理、控制。因此，5G承载网引入了网络切片技术。

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。在物理网络层之上构建虚拟网络层，从而形成客户/租户层、业务层、虚拟网络层、物理网络层的分层架构，如图2所示。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vNet之上可独立支持各种业务。切片后，承载于虚拟网络上的业务看到的就是虚拟网络，对实际物理网络不感知，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。

承载网络切片具有以下特性。

按需网络重构：通过虚拟化形成的vNet切片网络在网络拓扑、节点能力方面可以根据业务需求进行重构。每个切片网络具有各自特定的带宽、时延等指标，及生命周期。不同切片网络彼此隔离，拥有各自独立的拓扑结构、网络资源，从而满足不同的5G业务承载需求。

切片网络和物理网络具有相似性：类似于物理网络，切片网络同样向上层业务提供网络资源，屏蔽了切片与物理网络的差异。EPL/EVPL， EPLAN/EVPLAN 等业务可直接部署在切片网络之上，就如同部署在物理网络之上一样。

业务层与物理网络解耦：业务是建立在vNet切片网络之上，从而业务层与物理网络层解耦，简化了业务的部署，有利于网络的管理和运维。

切片网络的转发面隔离：不同切片网络的转发面彼此隔离，而隔离性取决于采用不同的转发面切片技术。例如：基于Layer 1 交换的灵活以太网（FlexE）通道的切片就具有刚性隔离性，称为硬切片；而基于分组交换的传送特性的多协议标签交换（MPLS-TP）通道或分段路由（SR）通道的切片则具有统计复用特性，非刚性隔离，称为软切片。endprint

切片网络的控制&管理面隔离：不同切片网络的控制&管理面彼此隔离。

切片网络的业务隔离：不同切片之上的业务彼此隔离。

可见，切片网络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，不用业务应用可部署在不同的虚拟网络上，从而满足未来5G差异化的业务特性以及子运营商等的业务租赁的需求。

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。由于网络切片简化了网络规模和拓扑，也使运维管理更便捷、高效。

3 承载网络切片关键技术

3.1 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[3]。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擬的设备节点、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[4]。

我们提出实现网络切片/虚拟化的一种特殊软件定义网络（SDN）控制器，即切片控制器，如图2所示。切片控制器负责完成物理网络的虚拟化，按需形成逻辑独立的虚拟网络，即切片网络vNet，并负责vNet虚拟资源到物理网络资源的映射，并将vNet资源信息暴露给vNet控制器。

基于切片的业务与物理网络完全解耦，切片控制器可便捷完成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（或短暂影响）。

业务层的vNet控制器是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控制器，支持vNet间控制面和管理面的隔离。

3.2 基于FlexE的转发面切片技术

承载网转发面的切片技术可分为软切片技术和硬切片技术。软切片是在二层（Layer 2）或以上，基于统计复用的切片技术，如：基于多协议标记交换协议（IP/MPLS）的隧道/伪线技术，基于虚拟专网（VPN）、虚拟局域网（VLAN）等的虚拟化技术。硬切片是在一层（Layer 1）或光层，基于物理刚性管道的切片技术，如： FlexE技术[5]，光传送网（OTN）技术，波分复用（WDM）技术等；在实际应用中，也可以采用混合硬切片、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。

FlexE可以实现基于物理层的切片转发，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，操作管理维护（OAM）和保护这3个关键技术，成功的把FlexE扩展成了一个网络级的技术，即FlexE通道技术。 基于FlexE Switch 创建的FlexE通道可形成切片网络内部虚拟网元（vNE）之间全新的虚链路（vLink），从而实现切片网络拓扑重构，如图3所示。

FlexE通道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。基于FlexE通道技术的保护倒换能做到1 ms以内，把电信级保护提升到了工业控制级。针对超可靠低时延通信（uRLLC）业务，采用FlexE通道技术，解决了波长穿通方案业务颗粒度过大、承载效率偏低，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、设备或者转发面切片。基于SDN控制面，可依据端口、VPN、VLAN、 FlexE通道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。

3.3 承载设备切片与虚拟化技术

转发面的切片包括端口、服务质量（QoS）资源、转发面表项等的隔离，而端口隔离包括物理端口或FlexE子端口隔离，QoS隔离包括带宽、队列和Buffer等的隔离，转发面表项隔离包括媒体接入控制（MAC）表、路由表、标签表、下一跳表、流分类表等的隔离。在转发面切片的基础上，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（vNE），称为设备切片。如图4所示，切片网元之间，在支持软件资源的隔离基础上，支持管理控制通道和配置的隔离，支持切片部署和升级的独立性。因而切片网元具有物理网元的类似特征，包括了各自独立的转发面、控制面、管理面，在设备切片的基础上可以支撑更高层的网络切片。

4 5G业务的端到端切片

编排

对于5G业务端到端的网络分片，需要无线网络、核心网和承载网共同配合完成，如图5所示。可根据无线业务的带宽、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、可扩展虚拟局域网（VxLAN）的虚拟网络标识（VNI）、业务IP的DSCP等进行无线接入网（RAN）的业务和承载网的切片之间的映射。RAN、核心网、承载网三者之间的协同通过基于SDN/网络功能虚拟化（NFV）架构的切片编排器完成，层次化的SDN控制器和vNet控制器，负责承载网的切片和业务控制，软件定义网络编排器（SDNO）完成跨域的承载业务编排；网络功能虚拟化编排器（NFVO）和虚拟化网络功能管理（VNFM）完成无线及核心网的资源编排和业务编排。而全局编排器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。

5 结束语

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，以满足不同行业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。

相比4G、5G的重点是服务于行业应用，从而帮助运营商开拓行业市场、扩展收入渠道。未来的5G网络将会实现灵活的云化业务部署，定制化的安全、路由、计费等策略，并且可以很快捷地为垂直行业用户提供从无线、承载到核心网端到端的网络切片，方便行业用户直接管理和运维虚拟网络。垂直行业用户具备较强的排他性，未来的行业市场争夺会变得非常激烈，运营商的网络应提早做好准备。

参考文献

[1] 5G White Paper V1.0[R]. Germany： NGMN， 2015

[2] Study on Architecture for Next Generation System： TR23.799[S]. France： 3GPP， 2016：12

[3] SDN Architecture： TR-521[S]. USA： ONF， 2016：2

[4] Applying SDN Architecture to 5G Slicing： TR-526[S]. USA： ONF， 2016：4

[5] Flex Ethernet Implementation Agreement： OIF-FLEXE-01.0[S]. USA： OIF， 2016：5endprint