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 net
17、work 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 3 网络切片选择流程 Fig.3 Procedure of selecting network slice 下载原图2.1.1 步骤一为了能根据用户的附着请求信息确定目标网络切片类型, 这便需要在用户的附着请求中引入 UE 使用类型、服务类型和 UE 能力, 这些信息将作为接入的依据来协助完成此过程。(1) UE 使用类型。用于区别 UE 的类
18、型, 例如车载 UE 使用类型、智能手机 UE 使用类型;这是一个仅核心网可见的参数, 并且 UE 无需关注该参数。(2) 服务类型。服务类型用于区分不同核心网实例所支持的业务, 例如车载 UE 可能希望能同时支持增强移动宽带 (enhanced mobile broadband, e MBB) 服务和 V2X (vehicle to X, 车对外界) 服务。既存在适用于所有 PLMN 的标准服务类型, 又存在特定 PLMN 的服务类型。在 UE 中储存的服务类型信息可以根据 UE 所漫游到的公共陆地移动网络 (public land mobile network, PLMN) 中运营商的策略
19、进行更新。(3) UE 能力。UE 能力用于让网络确定其支持的能力, 例如电量敏感程度、移动级别等。图 4 展示了用户附着到网络的过程。在用户向网络发起附着请求之后, 无线接入网接收到 UE 发来的请求信息后会先将其接入一个默认网络切片, 该网络切片仅仅用来为用户终端提供最基本的服务, 不至于使用户无法接入到网络。与此同时, 无线接入网将包含上述 3 种信息的用户请求转发到网络切片选择模块。接收到用户请求的网络切片选择模块会首先访问订阅信息进行认证与鉴权, 以确定该用户附着请求的合法性和获取服务的权限。如果该用户的签约信息包含该服务, 则可根据用户的请求信息和签约信息确定满足该请求所需网络切片
20、的类型, 否则将拒绝接入的信息返回给用户。图 4 网络切片选择步骤一 Fig.4 First step of selecting network slice 下载原图2.1.2 步骤二在网络域, 每个网络切片实例都有与之相关的网络切片类型标识, 用 Ne S-ID表示, 用于区别不同类型的网络切片, 它与 UE 使用类型相对应。Ne S-ID 在网络切片实例编排完成时由网络切片管理器赋予, Ne S-ID 的组成可以包含如下两部分。(1) 公共控制面类型 (type of common control plane identity, CCPT) :当不同类型的网络切片共享部分公共网络功能时,
21、这些公共控制面就需要满足来自这些网络切片的请求, 例如各种移动性管理要求等。公共控制面类型用于反映不同网络切片之间对控制面功能的共同需求, 或单个网络切片对于控制面功能的独特要求。此外, 公共控制面类型还可以反映不同的目的, 例如同一企业中的用户或相同的终端使用方式。(2) 非共享部分切片的类型 (type of non-shared slice plane identity, NSSPT) :用于区分核心网中网络切片的非共享部分, 例如 e MBB 的核心网中非共享部分。如图 5 所示, 在确定用户所需的 Ne S-ID 之后, 网络切片选择模块将访问网络切片管理器中的网络切片注册表, 其中
22、包含网络域所运行的网络切片的信息。在网络切片管理器的切片注册表中, 所有处于运行状态的网络切片实例的信息以数据库的形式记录在此, 并保持实时更新。每个网络切片实例的信息条目中主要包括:网络切片类型、网络切片标识、用户容量、当前接入用户数和运行状态等。图 5 网络切片选择步骤二 Fig.5 Second step of selecting network slice 下载原图网络切片标识 (network slice identity, NSI) 是 PLMN 中唯一网络切片实例标识, 其主要包括公共控制面标识 (common control plane identity, CCPI) 和非共享
23、部分切片标识 (non-shared slice plane identity, NSSPI) 。从中可以看出, 在 NSI 中已经隐含了 Ne S-ID, 也即 CCPT 和 NSSPT。2.1.3 步骤三网络切片选择模块获取到相应类型的网络切片信息后, 会根据其用户容量与当前接入用户数从中选择一个网络切片实例, 并将用户的附着请求转发到该网络切片中公共控制面的网络功能。如果该网络域中不存在用户所需类型的网络切片实例, 那么网络切片选择模块将用户的附着请求相关信息发送给网络切片管理器, 同时经无线接入网向用户返回失败信息, 并保持用户与默认网络切片的连接。公共控制面接收到用户的附着请求之后,
24、 其中的网络功能会向网络切片选择模块反馈一个附着响应, 其中主要包含 Ne S-ID 和用户临时标识。用户临时标识 (temporary ID) 主要包含两部分: (1) 公共控制面的标识, 这是全球唯一的公共控制面标识, 因此它等效于到公共控制面的路由信息; (2) UE 的特定身份标识, 这是公共控制面中的临时用户标识, 唯一识别接入该公共控制面中的 UE。如图 6 所示, 接收到附着响应的网络切片选择模块会经由无线接入网转发给 UE, 随后 UE 便可根据附着响应中的 Temporary ID 所包含的路由信息直接与网络切片的公共控制面建立连接。与此同时, UE 也会断开之前与默认网络切
25、片的连接。UE 将会保存 Ne S-ID 和 Temporary ID 以便对网络切片的重新附着和会话过程的建立。图 6 网络切片选择步骤三 Fig.6 Third step of selecting network slice 下载原图尽管 UE 可以同时接入多个网络切片实例, 但它们必须共享同一个公共控制面, 这也就意味着, 每个 UE 只能被分配一个 Temporary ID, 且这个临时标识是与这些网络切片实例所共享的公共控制面网络功能相对应的。从某种意义上讲, 公共控制面网络功能将相当于 UE 在网络切片的锚点。如果用户发起新的附着请求或会话建立请求, 则 UE 有可能重复上述步骤接
26、入新的网络切片及其公共控制面, 但接入另一个公共控制面将会与当前网络切片的公共控制面断开连接。2.2 网络切片管理器作为该体系的核心, 网络切片管理器有机地串联起网络切片的商务运营、虚拟化资源的管理与编排和网管系统。在管理网络切片生命周期的过程中, 它为不同需求方 (如虚拟运营商、企业用户和垂直行业用户等) 提供安全隔离、高度自控的专用逻辑网络, 如图 7 所示。图 7 开放的管理结构 Fig.7 Open structure of management 下载原图2.2.1 对网络切片生命周期的管理一个网络切片的生命周期主要包括商业设计、实例编排、运营管理和实例撤销3 个阶段, 其中在商业设计
27、与实例编排之间还可能存在网络切片模板的购买的环节, 在实例编排和运营管理之间还存在网络切片实例上线的环节。在网络切片的整个生命周期内, 可将子网络模板也视为网络切片模板, 因为根据其构成, 二者的区别仅仅在于所包含的网络功能不同。下面以网络切片的生命周期为线索介绍网络切片管理器对于网络切片的作用。(1) 商业设计阶段。网络切片的商业设计主要是指生成网络切片模板的过程, 网络切片管理功能提供者事先为网络切片需求方提供网络切片编辑工具和标准化模板, 标准化模板中主要包含对结构和配置的描述, 以及关于在生命周期内如何实例化和控制网络切片实例。在此基础上, 设计人员根据网络切片需求方所需业务的特点选择
28、相应的功能组件, 生成内部的网络拓扑, 确定各部分之间交互协议;并结合所承载的业务特点设定相应的安全性和可靠性要求, 同时还要考虑业务体验以保证为其划分的资源规模能够达到性能指标。此外, 网络切片概念作为 Paa S (platform as a service, 平台即服务) 的一种体现, 未来还可能引入运维特征等便于其商业操作, 例如可以根据市场策略规定网络切片实例运行的区域、用户容量等, 甚至依据这些不同特点的商业设计来完成网络切片模板的差异化定价。网络切片模板的生成标志着网络切片商业设计阶段的结束, 网络切片的购买意味着下一阶段的开始。(2) 实例编排阶段。当网络切片需求方根据业务需要
29、购买与之相符的网络切片模板后, 便可交付上线, 开始网络切片实例编排阶段。根据 NFV 参考体系架构, 引入网络切片技术之后, 本方案中所设置的网络切片管理器将属于运营商电信业务运营/支持系统的一部分, 并将通过 Os-Ma-nfvo 接口与 MANO 相连。在该阶段, 网络切片管理器由服务引擎导入并解析网络切片模板, 并根据其中对逻辑资源的描述在资源平面申请相应规模的逻辑资源, 对其进行划分用于后续网络切片的创建。同时还会对划分出来的资源域进行逻辑隔离, 以便与其他网络切片所对应的资源与保持彼此独立与其他网络切片进行隔离。此外还会提取出其中的网络服务、网络功能以及拓扑结构等相关信息, 并将这
30、些描述信息转换为相应的网络服务描述符 (network service descriptor) 或网络功能描述符 (VNF descriptor) 以及网络功能转发图 (VNF forward graph) , 最后将这 3 种信息与之前所划分资源区域的接口一同传送给 MANO 中的编排器。利用NFV 技术, 由编排器和网络功能管理器协作, 在申请到的资源区域上共同完成网络功能和接口的实例化、网络功能的连通以及网络服务的编排。在实例编排之后, 网络切片管理器通过与网络切片之间的接口下发网络功能配置, 并进行必要的连通性测试, 随后在网络切片管理器进行注册即可将其迁移到运行态, 开始上线运营。这
31、里需要说明, 网络切片的实例编排过程是完全自动化的, 无需人为干预。由此可见, 网络切片上线的过程是网络切片模板的一个实例化过程, 这也就意味着网络同一个切片模板可以进行多次实例编排, 因此便可以生成多个网络切片实例。(3) 运营管理阶段。网络切片上线后, 随即进入切片运营阶段。在这个阶段, 网络切片管理器一方面与运行态的网络切片保持连接并实时获取其状态信息, 另一方面将为网络切片运营方提供开放的运维接口以供其进行动态管理。通过该接口, 网络切片运营方可以对运营中的网络切片进行实时监控, 监控的粒度可以是系统级、切片级/子切片级, 甚至是业务级的, 监控的内容包括资源监控、性能监控。根据监控结
32、果, 网络切片运营方可以及时地对网络切片进行必要的动态维护, 包括对网络切片的资源规模的动态伸缩, 也包括网络切片其中功能的增加和减少, 以及告警故障处理等。此外还能基于所制定的网络切片运营策略做出相应策略调整。网络切片运营方不仅可以实现运行态中网络切片的快速功能升级和资源调整, 还可以通过该接口对网络切片进行二次开发, 按照自己的特定要求开发自己的特殊运维功能。(4) 实例撤销阶段。最终切片运营方因为某些原因不再运营网络切片, 则将其下线;网络切片管理器接收到下线请求后, 将通知 MANO 及时撤销和回收所占用的逻辑资源, 在其完成之后即可从对网络切片实例的注册表中将相应的记录删除, 同时收
33、回网络切片运营方对网络切片域的管理权限。2.2.2 对网络切片相关信息的管理对于网络切片管理器而言, 除了上述在网络切片生命周期内所提供的动态监控以及根据监控结果所进行的告警和管理操作以外, 还可以添加额外的策略以实现完全的自动化管理, 例如当网络切片中的接入用户数量接近饱和时自动扩大网络切片的规模, 因为在该体系下构建网络切片所需的逻辑资源完全可以像软件一样通过购买的方式获得。在网络切片管理器中, 除了对网络切片的信息管理以外, 还存在对附着请求的信息管理系统。通常网络切片选择模块跟据附着请求与用户的订阅信息来确定网络切片的类型, 也即在 UE 使用类型、服务类型、UE 能力、订阅信息与 N
34、e S-ID 之间存在一种多对一的映射关系。然而随着终端与业务种类的丰富以及使用场景的精细划分, 附着请求中的使用类型和 UE 能力将会具有更多且更具体的属性值。网络切片选择模块在向网络切片管理器转发 Ne S-ID 时会同时发送附着请求, 接收到该信息的网络切片管理器将附着请求及时间记录在其中的用户请求表中。通过对该数据表中信息的统计与分析, 如果在一定时间内存在多数内容相似的附着请求共同需要某种类型的网络切片, 网络运营商可以根据这些信息设计并编排比当前运行网络切片实例更为适合的网络切片, 以便为这些用户提供更贴近需求的服务。这一过程将产生新的网络切片类型, 也即 Ne S-ID 值, 同
35、时也需要在网络切片选择模块中更新 UE 使用类型、服务类型、UE 能力、订阅信息与 Ne S-ID 之间的对应关系, 此外 PLMN 中的运营商还会更新 UE 中存储的服务类型信息。3 总结根据 NGMN 的网络切片概念, 基于 3GPP 的网络切片模型与相应的支持方案, 设计了一套适用于 5G 的网络切片管理方案。该方案主要包括以网络切片管理器为核心的管理体系和各部分的功能, 此外, 该方案还借助网络功能虚拟化中的MANO 以便实现网络切片的自动创建与修改。在下一代移动通信系统中, 将存在多个不同类型的网络实例, 其核心网部分是相互独立的逻辑网络, 这些核心网实例即网络切片。该体系中网络切片
36、管理器的作用就是对网络域中所有运行的网络切片实例进行统一的监控和管理, 对内可以利用这些信息辅助网络切片选择模块为 UE 进行附着, 对外可以为网络切片运营方提供监控接口以便其实施其运营策略。然而要实现该体系目前仍存在一些挑战, 例如核心网内网络功能是基于网络功能重构后的功能划分, 这有待于 3GPP SA 对网络功能粒度的规范得以确立;利用NFV 技术实现的网络功能, 在性能上尚且不如传统的专用硬件;还有包括 MANO部分在内的 NFV 体系中各接口标准化的情况。上述这些问题的妥善解决都将对5G 中网络切片技术实现起到推动作用, 未来网络切片技术将有更为广阔的应用空间, 例如在无线接入网中也
37、进行切片, 为不同的无线接入网赋予不同的参数配置等。参考文献1 ITU-R.Future networks:Objectives and design goals.2011-05-20.https:/www.itu.int/rec/dologin_pub.asp?lang=e id=T-REC-Y.3001-201105-I!PDF-E type=items.2016-11-20 2 NGMN Alliance.5G white paper.2015-2-17.http:/www.ngmn.org/uploads/media/NGMN_5G_White_Paper_V1_0.pdf.2016-11-20
