網絡切片——5G前行的助推器
前言
最近對5G網絡切片比較感興趣，查閱資料閱讀文獻，發現一篇很好的論文《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，也希望對初學者能起到一點作用。
在2020年即將實現商用化的5G被廣泛提起，提到5G就不得不提網絡切片(Network Slicing)，作為5G中被討論最多的技術，網絡切片對于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?
只有理解了傳統核心網的局限性，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絡切片技術對于5G的必要性。
其一，隨著用戶終端數量和種類的迅速增加、流量的大規模增長、用戶需求的不斷多樣化，當前的核心網EPC(Evolved Packet Core)這種傳統的集中式設計的網絡架構逐漸變得難以處理越來越多樣化的服務要求。
其二， EPC是一種“one size fits all”的架構，這種架構是“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，而傳統核心網的架構會使得原本的很多設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，傳統核心網上的很多的網絡元素運行于專用的硬件設備上，并且與軟件元素嚴重耦合，這非常不利于網絡可編程化。
其四，由于當前移動核心網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的處理，包處理的流程很不簡約。
***，由于其集中式架構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核心網架構中應用網絡切片技術?
在5G時代，移動網絡服務的對象也不再是單純的移動手機，而是各種類型的設備，比如移動手機、平板、固定傳感器、車輛等等。應用場景也多樣化，比如移動寬帶、大規模互聯網、任務關鍵型互聯網等等。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。這就為網絡切片提供了用武之地，通過網絡切片技術在一個獨立的物理網絡上切分出多個邏輯網絡，從而避免了為每一個服務建設一個專用的物理網絡，這是非常節省成本的!看看圖1描述的根據不同群體不同需求劃分網絡切片，是不是很容易理解網絡切片的價值了!從切片的角度講，可以將傳統的EPC當成是一個服務所有可支持的移動裝置的大切片，但是前面已經提到過，使用一個統一的網絡架構來同時滿足所有的服務請求是不高效也不容易實現的，因此未來的網絡必須通過網絡切片技術從“one size fits all”向“one size per service”過渡。
三、網絡切片的定義
網絡切片可以理解為支持特定使用場景或商業模式的通信服務要求的一組邏輯網絡功能的集合，是基于物理基礎設施對服務的實現，這些邏輯網絡功能可以看作是由EPC下的網絡功能(Network Function)分解而來的一系列子功能(Network sub-Function)。可以看出網絡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用于核心網，還可以應用于無線接入網RAN。
網絡切片從服務層(service layer)和基礎設施層(infrastructure layer)的角度來考慮問題。服務層從邏輯層面來描述系統架構，由網絡功能和功能間的聯系組成，這些網絡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。基礎設施層從物理層面描述維持一個網絡切片運行所需要的網絡元素和資源，其中包括計算資源(例如數據中心中的IT服務器)和網絡資源(例如聚合交換機、邊緣路由器、電纜等)。
劃分好基礎設施層和服務層之后，需要考慮兩個層之間的映射問題，這是一個典型的虛擬網絡嵌入問題，主要包含以下兩步：1.從虛擬功能到物理功能的映射，包含網絡轉發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，需要資源的數量由服務層的需求決定。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層的需求。
任何兩個切片A和B之間的關系可以有以下情況中的一種：
- 不同服務層：比如切片A為M2M類型裝置提供服務，切片B為人工操作裝置提供服務。
- 相同服務層，但是網絡功能稍有修改：例如切片A支持高移動性用戶，切片B提供相同服務但是不提供移動性支持
- 相同服務層，但是不同物理應用：例如，切片A和切片B都支持相同的服務，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。
- 相同服務層，相同物理應用：例如針對不同運營商提供的切片。
四、網絡功能怎么分解(Network Function → Network sub-Function)
上文介紹了網絡切片的定義，可以知道網絡切片的定義離不開核心網功能的劃分。功能分解是指將一些網絡實體(如MME、SGW、PGW等)上緊密耦合的網絡功能分解開來，使其可以在不同的網絡實體上也能運行。
當前EPC中網絡實體可以分為兩類：1.類似于MME這樣用于控制任務，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。當前對于網絡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絡實體中的單個功能。分解好以后，結合網絡功能虛擬化(NFV)技術能使這些分解好的子功能被專用用戶群體選擇和應用。
五、應用場景對系統設計的影響
雖說網絡切片的使用可以極大的改善網絡性能和服務質量，但是網絡切片的數量設置是一個重要的問題。我們不能對每個服務都設置不同的切片。切片數量太多會使得維護和管理變得困難，數量太少又可能導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計有很大的影響，3GPP和NGMN在這方面也一直在努力并且已經獲得了一定的進展。表1展示了NGMN劃分的一些應用場景對切片設計的影響。表中概括了大部分應用場景并且將其歸類為八個系列，每個應用場景下對不同服務的要求程度按照從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，一個應用場景可能會使用不止一個網絡切片。
六、網絡切片面臨哪些挑戰
網絡切片結構：雖然在表1中很好的定義了八個應用場景系列，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。
- 網絡切片選擇：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
- 網絡切片轉換：漫游場景下，本地網絡切片不能支持用戶接入網絡，就會造成用戶網絡中斷，一個可能的解決方案是將用戶轉換到默認切片下，但是在切片轉換過程中如何保持IP會話的連通性、偵測轉換時機的任務應該交給用戶終端還是交給網絡，這都是尚待解決的問題。
- 用戶狀態維持：用戶的狀態信息可能會在多個切片中傳遞，如何管理用戶狀態也是一個關鍵問題。
- 新功能的確定：為了支持一些如無人駕駛等的新式服務，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，北京郵電大學未來網絡理論與應用實驗室 研一 CCN、NDN方向
