网络切片的最强科普

过去移动网络( 2G、3G和4G )采用的“一刀切”网络模式已不再适合如今多变的市场模型,每个用例都有自己独特的性能要求,使得“一刀切”的服务交付方法已经过时。未来的网络需要通过网络切片技术从“one size fits all”向“one size per service”过渡。

网络切片是 5G 网络中的一项重要技术,承诺将“尽力而为”的网络转变为提供更高可靠性的网络,利用单一的物理网络基础设施来适应不同且存在差异的服务质量(QoS) 要求。

5G 网络切片可在同一物理网络基础设施上划分为多个逻辑独立的虚拟网络。每个网络切片都是一个隔离的端到端网络,包含自己独特的延迟、吞吐量、安全性和带宽特性,可以灵活应对不同的需求和服务。

网络切片体系架构

抽象来看,网络切片架构由两个主要模块组成,一个用于实际的切片实现,另一个用于切片管理和配置。

第一个模块是由业务层、网络功能层、基础设施层组成的多层架构,每层执行不同的任务,用于切片的定义和部署。第二个模块被设计为一个集中式网络实体,通常表示为网络切片控制器,监视和管理三层之间的功能,以便有效协调多个切片的共存。

业务层

业务层直接与共享底层物理网络的网络业务实体(例如 MVNO 和第三方服务提供商)接口,并提供服务于需求的统一视图。每个服务都被表示为服务实例,按照 SLA(服务等级协议)嵌入网络特征,期望通过创建合适的切片完全满足服务的需求。

网络功能层

网络功能层负责根据来自上层的服务实例请求创建网络切片。它由一组包含明确定义的行为和接口的网络功能组成。多个网络功能被放置在虚拟网络基础架构上,并连接在一起,以创建一个端到端的网络切片实例,该实例反映了服务请求的网络特性。

为了提高资源使用率,不同切片可以同时共享相同的网络功能,但会增加运营管理的复杂性。而网络功能如果与切片一对一映射则简化了配置过程,但会导致资源使用率低。

基础设施层

基础设施层代表实际的物理网络拓扑(无线接入网、传输网和核心网),可供每个网络切片复用,并提供物理网络资源以承载构成每个切片的多个网络功能。

可用的物理网络资源包括一组异构的基础设施组件,如数据中心(存储和计算能力资源)、支持网络连接的设备,如路由器(网络资源)和基站。

网络切片控制器

网络切片控制器被定义为一个网络协调器,它与每一层执行的各种功能接口,以统一地管理每个切片请求。好处是它可以高效、灵活地创建切片,并可在切片生命周期内重新进行配置。在操作上,网络切片控制器负责以下几个任务,在三层之间提供有效的协调:

  • 端到端服务管理:将业务层中根据 SLA 要求表示的各种服务实例,映射为网络功能层中符合服务实例约束的合适的网络功能。
  • 虚拟资源定义:物理网络资源的虚拟化,简化分配网络功能时的资源管理操作。
  • 切片生命周期管理:跨所有三层的切片性能监控,以便动态重新配置每个切片,以适应可能的 SLA 需求修改。

由于每个任务的复杂性不同,网络切片控制器可以由多个编排器组成,这些编排器独立管理每一层的功能子集。为了满足服务需求,各种编排实体需要交换有关切片创建和部署所涉及的操作状态的高级信息来相互协调。

前文我们提到,网络切片是在同一个物理网络基础设施上划分而成的虚拟网络,既然是共享同一个基础设施,那又该如何保证每个切片之间互相独立,其中一个发生故障不会影响到其它切片网络?

切片隔离

切片隔离是一项重要的需求,即共享同一基础设施的多个切片同时共存,同时保证每个切片的性能不能对其他切片的性能产生任何影响。

  • 切片安全:网络攻击或故障发生仅影响目标切片,对其他现有切片的生命周期影响有限。
  • 切片隐私:与每个切片相关的隐私信息(例如用户统计数据、MVNO 业务模型)不与其他切片共享。

在进行切片之前,首先需要考虑的是如何统一管理切完片后的各个模块,形成一个有机整体?要做到这一点,就要从SDN和NFV技术开始讲。

SDN与NFV

网络切片利用SDN(软件定义网络 )、NFV(网络功能虚拟化) 来快速分割网络及其资源,以支持特定的应用程序和设备。

SDN将网络控制平面与数据平面分离,通过中央控制平面的应用程序编程接口(API)管理网络流量。控制平面通过业务层配置资源,向客户端提供定制化的服务。

NFV是切片的另一个先决条件。NFV 背后的策略是将网络功能安装到虚拟服务器上的虚拟机 (VM) 上,以提供在传统专有硬件上运行的服务。

SDN 用于控制位于边缘或核心云中的 VM 的配置,NFV 还可用于管理网络切片及其基础设施资源的生命周期。这些技术协同工作为SDN和NFV网络有效利用包括RAN在内的虚拟和物理资源提供了良好的基础。

依托SDN/NFV技术,我们可以把所有的硬件抽象为计算、存储和网络这三类资源进行统一管理分配,给不同的切片不同的资源,且完全隔离互不干扰,实现了逻辑上的高层统一管理和灵活切割。

想要了解更多关于网络切片的细节,可以点击《一文读懂网络切片》《网络切片“火锅论”:同一口锅,不同的梦想

5G专网

想要满足不同的业务需求,除了网络切片外,还有一种实现方式——5G专网。

5G专用网络(private 5G network)是一种局域网(LAN),它使用5G技术创建具有统一连接性、优化服务和特定区域内安全通信方式的专用网络。

专网是为特定用户提供网络通信服务的专用网络,公网与专网的区别主要在于公网为社会大众服务,而专网为特定对象服务。

与网络切片相比,企业似乎更喜欢专有5G网络。

5G专网提供了企业定制化网络的自由度,可以根据使用场所、工作类型提供不同的配置,在隐私和安全方面都有明显的优势。

ABI Research 的高级分析师 Don Alusha 表示:“专网通常有自己的设备以及设备认证和授权。而5G网络切片根据不同粒度的需求范围定制网络服务,可靠性主要由运营商保证。”

当一家公司可以创建自己的专用网络时,为什么还需要网络切片?

安全、隐私和信任是每个业务应用的主要要求。虽然5G 是更安全的蜂窝时代之一,吹捧具有先进的加密功能,但它仍然容易受到攻击。因此,许多企业对在运营商的公共 5G 网络中共享网络切片持谨慎态度,他们更愿意控制自己的专用网络。

“大多数企业想要由他们自己控制封闭系统,并且与公共基础设施完全分开,”Antlitz 说。“其中还有一个关键原因是信任,他们不相信网络切片不会出现漏洞或其他问题。”

那么5G专网真的会杀死网络切片吗?

企业评估 5G 时需要考虑部署方案。一种选择是使用自己的频谱构建和控制5G专网。第二种选择是从运营商的公共 5G 网络中获取网络切片。这一选择很大程度上取决于信任、技术的成熟度以及成本考虑。

建立专网不是一件容易的事,首先需要面对的是频谱的获取。频谱资源是有限的,并非随需随得,在大多数国家,频谱被视为一种自然资源,其使用受到国家主管部门的控制,国家主管部门根据国家的需求分配资源。

其次,自建5G专网部署成本高,普通企业特别是小型企业无法承担购买和部署全套5G网络的费用,后期还需要一些专业的运维人员来维护网络。

而使用运营商的公共网络,用户可以获得由SLA支持的 5G 服务,同时避免购买频谱和维护网络的麻烦。

所以,尽管企业对隐私和安全问题持谨慎态度,但网络切片仍将是中小企业的一个有吸引力的选择。

5G B2B 应用的总潜在市场,2020-2030 年全球预测期(来源:ABI Research)

想要了解更多关于5G专网的信息,可以点击《一文读懂5G专网

挑战与机遇

挑战

尽管网络切片有巨大的优势,但运营商和开发人员仍然面临许多挑战。完整的端到端的网络切片横跨无线接入网、传输网以及核心网,但这些 RAN 需要重新设计以适应网络切片。

尽管标准化进程仍在继续,但整个行业对于5G网络和其他架构元素的网络切片部署仍存在模糊共识。

在相同的物理基础设施上增加更多的网络,给运营商带来了额外的压力,难以为每个单独的切片维护 SLA、QoS 和安全保证。

机遇

机遇是不言而喻的,随着车联网、工业互联网、VR/AR等多种业务和应用场景的爆发,网络切片可以根据客户需求将单个网络划分为满足不同用例SLA的“VIP网络”,运营商可以为每个切片分配资源,利用必要的速度、吞吐量和延迟来覆盖 5G 网络切片的广度。

将网络切片作为服务来提供,最大限度地降低了运营费用 (OPEX) 和资本支出 (CAPEX)。对于关键公共应用需求,如急救人员和医疗应急小组等,可通过网络切片在覆盖范围、容量和连接性方面给予优先考虑。网络切片必将改变我们的生活与生产。


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SDNLAB君 发表于22-03-24
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