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1、基于网络功能虚拟化的网络切片管理方案 粟欣 张向宇 曾捷 重庆邮电大学宽带无线接入实验室 清华大学信息技术研究院 摘 要： 随着 5G 愿景和概念的清晰, 网络切片已逐渐成为解决多种使用场景的潜在方案;但在多个网络实例共存的情况下, 网络的管理和用户对网络的附着将面临诸多问题。基于 5G 的发展趋势与其关键技术, 提出一种以网络切片管理器为核心的管理方案。借助网络功能虚拟化技术实现网络切片创建与修改的完全自动化;在多个网络实例共存的情况下, 网络切片选择模块辅助用户实现网络附着。该体系将网络分为了基础资源、网络实例和业务三层;并形成开放的平台, 使得每一层都将可以单独作为服务进行出售、租赁和管
2、理。这将改变现有电信领域的商业模式, 并为其运维带来更多的灵活性。关键词： 网络切片; 网络管理; 网络切片选择; 作者简介：粟欣 (1962) , 博士, 教授。研究方向:宽带无线接入。E-mail:。收稿日期：2017 年 1 月 5 日基金：国家“863”计划 (2015AA01A706) A Network Slice Management Scheme Based on Network Functions VirtualisationSU Xin ZHANG Xiang-yu ZENG Jie Broadband Wireless Access Laboratory, Chongqi
3、ng University of Posts and Telecommunications; Research Institute of Information Technology, Tsinghua University; Abstract： As the vision and concept of the 5 G is becoming more and more transparent, network slicing has gradually become a potential solution to various scenarios.But in the case of co
4、existence of multiple network instances, network management and users attachment to the network encounter many problems.Based on the development trend of 5 G and its key technology, a management scheme with network slice manager as the core is proposed.Network functionality virtualisation is used to
5、 realize the complete automation of the creation and modification of network slices.As for the coexistence of multiple network instances, the network slice selection module can assists the users to attach to network instances.This scheme divides the network into three layers, which are respectively
6、infrastructure layer, network instance layer and services instance layer.Meanwhile it makes the telecommunications network an open platform, which allows each layer in it to be sold, tenanted and managed as a service.This changes the existing business model of the telecommunications field and brings
7、 more flexibility for its operation and maintenance.Keyword： network slices; architecture of network management; network slice selection; Received： 2017 年 1 月 5 日经过持续演进, 移动通信系统已经逐渐满足人与人之间交换信息的基本需求, 而如今单纯的高数据传输率已经不再是人们对移动通信的唯一要求。人们还希望把移动通信的广泛性和互连性拓展到身边的物品, 最终把人与人、人与物、物与物统统连接起来, 与多种终端共同形成一张更大的网络。ITU 规
8、划了 5G 所涵盖的 3 大应用场景:增强移动带宽、海量机器类通信和高可靠低时延通信。不同的业务场景对网络关键能力指标的要求是不一样的, 例如体育场馆的视频直播需要大容量;车辆互联需要低时延;远程手术要求实时高带宽。显然, 部署一个通信系统满足所有指标是不合理的, 这既在技术上不现实, 也在成本上不经济。对于未来网络的多样性业务, ITU 将资源虚拟化作为一个设计目标1。建议未来网络支持与网络相关的资源虚拟化以支持资源分割, 并确保多个虚拟资源能够同时共享单一资源。并提出了多个虚拟网络可同时并存, 使得不同虚拟网络可在互不干扰的情况下使用不同网络技术, 从而实现物理资源的优化利用。为此, 人们
9、根据所期望的能力和指标的不同, 将网络划分为不同的使用场景;并将传统的“一刀切”的网络拆分成多个服务不同使用场景的逻辑网络, 其中的每个逻辑网络称为一个网络切片。网络切片是一组带有特定无线配置和传输配置的网络功能的集合, 运营商根据所期望的使用场景对这些网络功能其进行灵活组合, 最终在同一套物理设备上形成多个逻辑上隔离的端到端的虚拟网络。1 相关研究网络切片概念最先引起的是运营商的兴趣, 因为其设计之初就是为了以较低成本实现更多业务, 并以灵活的功能部署来创造更多的商业模式。NGMN 在5G 白皮书2中描述了运营商对网络切片的需求, 他们希望网络切片技术能使得移动通信基础网络运营商们可以基于相
10、同的底层基础设施灵活部署多个逻辑上独立的端到端网络, 而且每个 5G 网络切片可以面向不同的业务、应用或者性能指标进行定制。NGMN 在文献3中给出了网络切片的系统概念, 从上至下可分为业务实例层、网络切片实例层和资源层, 并对各部分进行了明确的定义。其中网络切片实例即网络切片的一个具体实现, 业务实例即切片所能提供的服务能力, 资源即运营商拥有的计算、存储和传输物理设施。同时, 还阐述了各部分之间的关系, 如多个相关联的业务可以由同一个网络切片实现, 而网络切片可以划分为更小的部分, 即子网络实例, 它包含一组网络功能和其所需的资源, 但无需形成完整的逻辑网络, 因此子网络实例作为多个网络切
11、片共享的部分。3GPP 在关于下一代系统架构的研究中也将对网络切片的支持作为关键问题进行研究, 其采用了 NGMN 对于网络切片的概念与定义, 并在此基础上根据网络功能提出了网络切片的方案4, 由于目前对无线接入网切片的研究仍不成熟, 因此该方案中仅仅在核心网进行逻辑网络的划分, 这也就意味着公用陆地移动通信网 (public land mobile network, PLMN) 中的切片对在无线接口侧的用户设备是不可见的。这种网络切片模型从结构上是将共享切片与独立切片横向分离5, 其中共享切片包括公共控制面, 用来实现一部分非端到端功能, 包括认证、鉴权等功能, 后接各种不同的个性化的独立切
12、片, 其中包含特定切片控制面网络功能和用户面功能等。虽然关于网络切片的研究才展开不久, 但其利用同一套基础设施支持多业务的特性6从一开始便吸引了运营商的兴趣, 这也使得传统设备制造商不断加快其技术的步伐。目前已经有运营商或设备制造商完成了其概念的验证, 甚至有的已经成功展示了端到端网络切片的实现。尽管部分厂商与运营商已经基于目前的网络与技术一定程度地实现了网络切片实验, 但对于未来的网络切片实现方案, 网络功能虚拟化技术被寄予厚望7。与此同时, 由于虚拟化技术使得通用计算设备能够取代传统专用设备, 网络中各部分的功能也被期望得到拆分与组合, 并将重构后的网络功能在云计算中心统一实现8。从而在
13、5G 中构建网络切片时, 对网络功能的划分具有更清晰的逻辑。然而把网络切片作为多业务实现技术引入到现有的通信系统中进行大规模商用, 仍有许多问题有待解决。目前标准化组织对网络切片的解决方案还停留在基于用户请求对网络切片的选择, 以及网络切片之间的互联等, 而且试验阶段所展示的网络切片也仅仅是单一网络切片的实现, 而未涉及多个网络切片之间的管理。此外, 网络切片的实现不仅仅是引入一种新的网络技术, 更是对电信业商业模式的一次转变9, 未来网络切片将作为一种服务来丰富电信运营商的经营范围10, 因此在网络切片的管理方面还需要考虑商务运营的功能11。基于以上提到的基本概念与模型, 下面的章节将提出一
14、种面向 5G 的网络切片管理方案, 其主要包含网络切片管理体系和其中各部分的管理功能。该方案利用网络功能虚拟化 (network function virtualization, NFV) 设计原理, 并基于 5G 中重构后的网络功能划分网络切片, 通过网络切片选择模块为处理用户的附着请求, 以网络切片管理器为中心管理网络切片实例的运行和网络中的信息。2 面向 5G 的网络切片管理方案根据 NGMN 对网络切片的定义, 对 3GPP 的网络切片支持方案进行补充, 在网络切片实例层加入了网络切片选择模块和管理功能模块来保证网络切片技术的实现。将核心网中的网络功能大致分为公共控制面网络功能、特定切
15、片控制面网络功能、用户面网络功能, 将其中的公共控制面视为网络子切片, 从而可以被多个网络切片实例共享。在核心网中形成图 1 所示的网络切片部署场景。图 1 网络切片部署场景 Fig.1 Scenario of network slice 下载原图网络切片管理方案以网络切片管理体系为载体, 如图 2 所示, 其核心是网络切片管理器。网络切片管理器主要负责网络切片的管理与监控, 是切片运营方管理的接口, 更是实现 Naa S (网络即服务) 的重要环节。网络功能虚拟化管理和编排 (NFV-management and orchestration, NFV-MANO) 管理基础资源, 从物理资源的
16、虚拟化到逻辑资源的组合与连接, 直至形成网络功能并将其编排成为网络切片实例。网络切片选择模块用于处理用户附着请求, 其功能是为用户选择合适的网络切片实例进行接入。2.1 网络切片选择模块传统的移动通信系统只存在一个网络实例, 因此当 UE 附着到网络时不需要对网络进行选择便可以直接接入其所签约的网络。在引入网络切片技术之后, 由于每个网络切片实例都是一个完整的逻辑网络, 这也就意味着网络域中存在多个不同类型的网络供 UE 接入。因此, 该体系中首先需要考虑的就是如何在 UE 对网络附着时为其选择所需的网络切片实例。图 2 网络切片管理体系结构 Fig.2 Architecture of network slice management 下载原图如图 3 所示, 将 UE 接入网络切片的大致思路是首先基于 UE 发来的附着请求确定用户所需要的网络切片类型, 然后从相应类型的网络切片中选择出一个实例, 并将其路由信息返回给 UE 以供其接入。图
