彈性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究

陳興海，王潤洪，何 健

（中央軍委裝備發(fā)展部軍事代表局，北京 100840）

彈性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究

陳興海，王潤洪，何 健

（中央軍委裝備發(fā)展部軍事代表局，北京 100840）

隨著軍民融合的深入，SDN、NFV、微服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的不斷發(fā)展給傳統(tǒng)軍用通信網(wǎng)絡(luò)帶來了深刻的變化。這些變化逐漸放大了一些傳統(tǒng)軍用網(wǎng)絡(luò)在建設(shè)和管理過程中一直存在的問題，促使傳統(tǒng)軍用網(wǎng)絡(luò)向更靈活、更容易擴展、更簡單的特點轉(zhuǎn)變，從而使網(wǎng)絡(luò)更具彈性。分析傳統(tǒng)軍用網(wǎng)絡(luò)需要轉(zhuǎn)變的必然性，簡明介紹SDN、NFV、微服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)等技術(shù)，提出彈性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究的基本框架，探究該領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的研究方向，闡述需要繼續(xù)突破、克服的困難，最后得出結(jié)論并展望未來。

軍民融合；軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）；網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（NFV）；微服務(wù)；網(wǎng)絡(luò)切片

0 引 言

軍民融合、互聯(lián)網(wǎng)+、工業(yè)4.0等帶動著整個軍工產(chǎn)業(yè)大升級。軍品與民品結(jié)合，融合了互聯(lián)網(wǎng)思維的開發(fā)。管理人員正在改變傳統(tǒng)的軍用通信網(wǎng)絡(luò)，幫助網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新和改造，使其向智能化、規(guī)模定制方向發(fā)展。軍用通信網(wǎng)絡(luò)想要更加靈活地配置網(wǎng)絡(luò)資源，高效地利用資源，需要應(yīng)對更加復(fù)雜多變的差異化場景需求，突破傳統(tǒng)的軍用網(wǎng)絡(luò)體系架構(gòu)，讓網(wǎng)絡(luò)更具有彈性。

彈性是指在正常操作出現(xiàn)故障和遭遇挑戰(zhàn)時，提供并維持可接受業(yè)務(wù)水平的能力。彈性與耐受性有關(guān)，其基礎(chǔ)為安全、容錯、可靠和性能。一般，網(wǎng)絡(luò)的彈性是指網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)所具備的一種即使在系統(tǒng)遭受破壞的情況下也能正常安全運行的能力。隨著SDN/NFV[1-2]、微服務(wù)[3]、網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)應(yīng)運而生，網(wǎng)絡(luò)的彈性外延也變得更加寬泛。軍方需要彈性、靈活地部署接入網(wǎng)絡(luò)；業(yè)務(wù)具備根據(jù)全網(wǎng)資源統(tǒng)一配置，具備彈性伸縮的能力，不再受限于專用硬件處理能力的限制，能大幅節(jié)約成本；網(wǎng)絡(luò)能提供自動伸縮、彈性擴展及高可靠性保證的基礎(chǔ)服務(wù)，不再成為處理的瓶頸；硬件基礎(chǔ)設(shè)施資源池化，靈活復(fù)用、彈性分配，實現(xiàn)忙閑時錯峰資源共享，在降低轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的同時，兼具提升設(shè)備利用率。

SDN/NFV、微服務(wù)、網(wǎng)絡(luò)切片為軍用網(wǎng)絡(luò)的升級提供了巨大的技術(shù)驅(qū)動力，從源頭上打破了傳統(tǒng)的垂直網(wǎng)絡(luò)與體系和相對封閉的業(yè)務(wù)與服務(wù)，重塑新型的軍用網(wǎng)絡(luò)。

1 構(gòu)建彈性網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)必然性

為了承載不斷提升的軍方需求，軍用網(wǎng)絡(luò)需要進行變革。傳統(tǒng)的軍用網(wǎng)絡(luò)是軟硬件一體化的網(wǎng)絡(luò)，一旦軍方有新的需求，就需要開發(fā)新的網(wǎng)元疊加到原本復(fù)雜的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)上。這樣獨立疊加的應(yīng)用和業(yè)務(wù)之間沒有聯(lián)系，不能實現(xiàn)資源共享。不僅如此，現(xiàn)存網(wǎng)絡(luò)還存在許多其他問題，嚴重阻礙了網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新的進行，具體體現(xiàn)如下[4]。

第一，網(wǎng)絡(luò)功能不靈活，復(fù)雜度高?，F(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)由多個功能單一的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備組成，硬件資源相對專用化、碎片化，設(shè)備種類、數(shù)量繁多，且還在不斷衍生中。網(wǎng)絡(luò)一旦建好，擴展、升級比較困難，軍方無法在全網(wǎng)范圍內(nèi)按需快速、靈活地配置資源。

第二，網(wǎng)內(nèi)設(shè)備軟、硬件垂直一體化，架構(gòu)相對封閉。軍用通信網(wǎng)絡(luò)為了提供多種業(yè)務(wù)、不同接入方式，并同時滿足多樣的服務(wù)質(zhì)量、安全需求，引入了大量私有控制協(xié)議，且綁定于特定轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議。大量代碼直接或間接寫入硬件，構(gòu)成控制轉(zhuǎn)發(fā)一體化的封閉架構(gòu)。經(jīng)過多代建設(shè)，導(dǎo)致設(shè)備日益臃腫，技術(shù)升級和創(chuàng)新難，擴展性受限，性能提升空間小，業(yè)務(wù)開發(fā)周期長，且一旦部署，后續(xù)升級就受制于廠家。

第三，網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)互相割離。新業(yè)務(wù)的提供往往需要開發(fā)新設(shè)備，造成設(shè)備種類和數(shù)量大量增加。外加不同軍工廠家利益分割，形成大批獨立、封閉的網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)群體。按照這種方式，網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)成本高，資源不能及時共享，網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)很難協(xié)同融合，也無法像互聯(lián)網(wǎng)一樣快速適應(yīng)新業(yè)務(wù)和新模式，致使其與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展差距越來越大。

第四，網(wǎng)絡(luò)成本與效率不成正比。由于軍用網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采購的特殊性，網(wǎng)絡(luò)中同時存在大量不同廠家、不同年代、不同標準的設(shè)備。設(shè)備的采購、集成、互操作測試、部署、維護需要進行大量試驗，耗費大量人力、物力。在以前的軍用采購體系下，由于設(shè)備廠家在相對封閉的環(huán)境中競爭不足，導(dǎo)致設(shè)備價格比較昂貴，建設(shè)、運維管理和升級成本居高不下。即便只增加一項功能亦或修改一項參數(shù)，就可能涉及眾多設(shè)備的改動和費時的重新試驗，增加了采購成本。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 SDN

軟件定義網(wǎng)絡(luò)（Software Defined Network，SDN）[1-2]，一種新型網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新架構(gòu)，是網(wǎng)絡(luò)虛擬化的一種實現(xiàn)方式。

如圖1所示，SDN的典型架構(gòu)共分3層。最上層為應(yīng)用層，包括各種不同的業(yè)務(wù)和應(yīng)用；中間的控制層，主要負責處理數(shù)據(jù)平面資源的編排，維護網(wǎng)絡(luò)拓撲、狀態(tài)信息等；最底層的基礎(chǔ)設(shè)施層負責基于流表的數(shù)據(jù)處理、轉(zhuǎn)發(fā)和狀態(tài)收集。SDN的核心是用OpenFlow將網(wǎng)絡(luò)控制與數(shù)據(jù)相分離，通過標準化，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的集中控制和網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的可編程。SDN的這種方式可以使網(wǎng)絡(luò)更加靈活，其對網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的控制權(quán)進行集中管理，并在需要的時候進行有針對性的策略自定義，使網(wǎng)絡(luò)更加智能。與此同時，由于控制和數(shù)據(jù)分離，SDN可以通過各種上層應(yīng)用，更智能地操作數(shù)據(jù)流的路徑進行更細粒度的規(guī)則匹配和功能優(yōu)化。

圖1 SDN架構(gòu)

在SDN的框架下，轉(zhuǎn)發(fā)平面通用化。轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的研發(fā)、生產(chǎn)、制造不再有門檻，制造商僅需將通用芯片組裝成設(shè)備即可，廠家設(shè)備無差異。轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備受控于控制器，轉(zhuǎn)發(fā)信息由控制器下發(fā)?？刂破饕泻軓姷男阅?，可部署復(fù)雜業(yè)務(wù)與高級服務(wù)?？刂破髂苄纬杉航M，支持更大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)。北向接口公開，應(yīng)用或云平臺可以通過這個接口調(diào)用控制器，實現(xiàn)業(yè)務(wù)所需的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

2.2 NFV

網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（Network Functions Virtualization，NFV）通過將網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)應(yīng)用從專用硬件設(shè)備中分離出來[1-2]，以期通過標準的IT虛擬化技術(shù)，把網(wǎng)絡(luò)設(shè)備統(tǒng)一到工業(yè)化標準的高性能、大容量的服務(wù)器、交換機和存儲平臺上，完成軟硬件的解耦，如圖2所示。NFV將網(wǎng)絡(luò)功能軟件化，使其能夠運行在標準服務(wù)器虛擬化軟件上，以便能根據(jù)需要彈性安裝和移動到網(wǎng)絡(luò)中的任意位置，而不需要部署新的硬件設(shè)備。通用的硬件關(guān)注指定軟件，則設(shè)備就具有指定的功能。NFV技術(shù)降低了功能和業(yè)務(wù)對專用設(shè)備的依賴性，為更靈活地管理網(wǎng)絡(luò)功能和業(yè)務(wù)應(yīng)用提供了條件，并節(jié)約了巨大的成本投資。

圖2 NFV架構(gòu)

2.3 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片利用虛擬化技術(shù)將通用的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施資源根據(jù)專有需求，虛擬化為多個專用虛擬網(wǎng)絡(luò)[5]。每個切片都可獨立按照業(yè)務(wù)場景的需要和話務(wù)模型進行網(wǎng)絡(luò)功能的定制剪裁，進行相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)資源編排管理。通過在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上虛擬獨立邏輯網(wǎng)絡(luò)的方式，為不同的應(yīng)用場景提供相互隔離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使得不同應(yīng)用場景可以按照各自的需求定制網(wǎng)絡(luò)功能和特性。網(wǎng)絡(luò)切片要實現(xiàn)的目標是將終端、接入網(wǎng)、核心網(wǎng)以及網(wǎng)絡(luò)運維與管理進行高效組合，為不同應(yīng)用場景或者業(yè)務(wù)類型提供能夠相互隔離、獨立運行的完整網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)切片打通了業(yè)務(wù)場景、網(wǎng)絡(luò)功能和基礎(chǔ)設(shè)施平臺間的適配接口。通過網(wǎng)絡(luò)功能和協(xié)議定制，網(wǎng)絡(luò)切片為不同業(yè)務(wù)場景提供所匹配的網(wǎng)絡(luò)功能。同時，網(wǎng)絡(luò)切片使部署位置與網(wǎng)絡(luò)資源解耦，支持切片資源彈性擴容與縮容調(diào)整，提高網(wǎng)絡(luò)服務(wù)的靈活性和資源利用率。切片的資源隔離特性增強整體網(wǎng)絡(luò)健壯性和穩(wěn)定性。

2.4 微服務(wù)

微服務(wù)是一種軟件架構(gòu)風格[3]。微服務(wù)的思路是把單一的巨大應(yīng)用拆分為眾多松散耦合的微小服務(wù)，一般按照業(yè)務(wù)功能分解。每一個單獨的服務(wù)雖然微小但功能相對完整，這些服務(wù)運行在各自的進程中，使用私有的數(shù)據(jù)庫，可以單獨構(gòu)建和部署。某個服務(wù)的修改和部署不會影響其他正在運行的服務(wù)。服務(wù)間使用與語言無關(guān)的輕量級通信機制相互協(xié)調(diào)，每個服務(wù)圍繞各自的業(yè)務(wù)進行構(gòu)建，可使用不同的編程語言和數(shù)據(jù)存儲技術(shù)，并能通過自動化機制獨立部署。這些服務(wù)應(yīng)使用最低限度的集中式服務(wù)管理機制。需要注意的是，服務(wù)是輕量級的，不使用復(fù)雜的ESB。

由于微服務(wù)中服務(wù)是松散耦合的，有明確的系統(tǒng)邊界，可以并行開發(fā)和部署，提高了開發(fā)效率。微服務(wù)技術(shù)選擇靈活，可針對具體業(yè)務(wù)特性、團隊開發(fā)能力，為一個服務(wù)選擇最合適的語言、框架和數(shù)據(jù)庫，各服務(wù)可以使用不同的技術(shù)棧。微服務(wù)開發(fā)的系統(tǒng)可彈性伸縮，且可針對某些服務(wù)單獨進行彈性伸縮。微服務(wù)的服務(wù)可獨立部署，服務(wù)的彈性可控。

3 技術(shù)方案

不同類型應(yīng)用場景對網(wǎng)絡(luò)的需求存在差異，有不同的容量、速率、覆蓋面、安全性等要求，有的甚至是相互沖突的。如果使用傳統(tǒng)的、單一的網(wǎng)絡(luò)同時為不同軍種提供服務(wù)，將導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)異常復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)管理效率和資源利用效率低下。要快速滿足使用者的要求，需要采用“網(wǎng)絡(luò)切片”的方式靈活構(gòu)建彈性網(wǎng)絡(luò)。軍方可以根據(jù)速率、容量以及覆蓋率等網(wǎng)絡(luò)要求指標，快速彈性地部署自己的通信網(wǎng)絡(luò)[5]。軍用彈性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)計采用容器化、組件化、微服務(wù)化的輕型VNF設(shè)計方式，如圖3所示[6]。

圖3 彈性網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)通過在同一網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施上虛擬獨立邏輯網(wǎng)絡(luò)的方式為不同的應(yīng)用場景提供相互隔離的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，使得不同應(yīng)用場景可以按照各自的需求定制網(wǎng)絡(luò)功能和特性。一個網(wǎng)絡(luò)切片的生命周期包括創(chuàng)建、管理和撤銷3個部分。

創(chuàng)建過程就是根據(jù)切片模板實例化切片的過程。網(wǎng)絡(luò)切片模板定義網(wǎng)絡(luò)功能和鏈接關(guān)系，根據(jù)切片上預(yù)期運行的特定業(yè)務(wù)的特點選擇相應(yīng)的功能，包括所需要的功能、安全、性能、可靠性、服務(wù)體驗、運維管理等，以此完成切片模板初始化。在切片模板初始化完成后，切片實例化的過程完全自動化，無需人工干預(yù)。這里，需要對微服務(wù)以及智能的部署與管理進行特殊研究，才能完成切片的部署。系統(tǒng)會為切片選擇最適合的虛擬資源、物理資源，以完成指定任務(wù)的部署及配置，以及進行切片的連通性測試。

對切片進行實時監(jiān)控，包括資源、業(yè)務(wù)。監(jiān)控的范圍可彈性擴縮，可以是系統(tǒng)級、子切片級性能以及切片級。通過切片的監(jiān)控結(jié)果，網(wǎng)絡(luò)管理人員可及時做出相應(yīng)策略調(diào)整，如對切片功能的彈性伸縮。此外，網(wǎng)絡(luò)側(cè)也可提供開放的運維接口，以便不同的用戶進行二次開發(fā)，以按照自己的特殊要求開發(fā)自己特定的運維功能。這也對傳統(tǒng)的軍用網(wǎng)絡(luò)運維管理提出了更高的要求。

此外，因為某些原因不再運行特定的切片時，可對該進行切片進行撤銷。

4 其他技術(shù)難點

4.1 云計算問題

“云計算”是一種圍繞分布式共享計算資源（如網(wǎng)絡(luò)、服務(wù)器、存儲器、應(yīng)用程序和服務(wù)等）的創(chuàng)新運用模式。資源提供者可以方便而快速地提供計算資源，而無處不在的資源需求者可以便利地使用共享的遠程計算資源。

云計算技術(shù)在軍事領(lǐng)域具有潛在的、全面而積極的影響。近年來，美軍一直致力于運用云計算技術(shù)的探索試驗。由于安全性、帶寬限制、戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)冗余等方面存在一些技術(shù)難題，我軍在云計算方面的研究遠遠落后于民用領(lǐng)域[7]。

SDN、NFV和云計算在彈性網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)系，可以類比為“點”“線”“面”的關(guān)系。NFV負責虛擬網(wǎng)元，形成“點”；SDN負責網(wǎng)絡(luò)連接，形成“線”；而所有這些網(wǎng)元和連接，如果能布置在虛擬化的云平臺中，將會形成“面”?？梢?，如果能將云計算融入到彈性軍用網(wǎng)絡(luò)中，將大大提高我軍的戰(zhàn)場信息聯(lián)通能力。

4.2 戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)問題

戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)與駐軍網(wǎng)絡(luò)有很大區(qū)別[8]。戰(zhàn)術(shù)網(wǎng)絡(luò)是一種臨時網(wǎng)絡(luò)，不能依托永久的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，而總是在嚴苛的戰(zhàn)場環(huán)境下臨時構(gòu)設(shè)。軍用戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)采用大區(qū)制。由于網(wǎng)絡(luò)移動性和敵意干擾的存在，軍用戰(zhàn)術(shù)無線通信網(wǎng)絡(luò)通信鏈路相對民用網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定、帶寬受限，信息傳輸?shù)馁|(zhì)量下降且沒有充足的資源去補救。在實際戰(zhàn)術(shù)無線通信的惡劣環(huán)境下，SDN的邏輯集中控制會存在很多問題。如何在邏輯上集中控制，部署上分布式的業(yè)務(wù)控制部署，對網(wǎng)絡(luò)進行管控，屏蔽復(fù)雜物理網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議和交互，實現(xiàn)簡易化的虛擬網(wǎng)絡(luò)等，是需要重點研究的問題。

4.3 SDN/NFV技術(shù)推進問題

SDN/NFV是一種全新的組網(wǎng)技術(shù)，完全顛覆了傳統(tǒng)軍用網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)，導(dǎo)致部分人會對軟件化和虛擬化后的網(wǎng)絡(luò)可靠性和安全性持有審慎的態(tài)度。在彈性網(wǎng)絡(luò)演進的過程中，必然遭到產(chǎn)業(yè)利益鏈上一些傳統(tǒng)軍用設(shè)備提供廠商甚至是軍方部分人的阻擾。無論是SDN還是NFV，其技術(shù)本身仍存在不少技術(shù)難點，只有進一步突破這些技術(shù)難點，完善標準，才能讓整個軍工圈逐漸認可和接收SDN/NFV。

5 結(jié) 語

軍用通信行業(yè)在軍民融合的大背景下正在經(jīng)歷廣泛的分化整合，軍品采購方與供貨方的關(guān)系也將發(fā)生深刻變化。軍用通信網(wǎng)絡(luò)中的基礎(chǔ)設(shè)施部分將會日益整合集中，應(yīng)用會更專注于應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)也將更加智能。

軍工行業(yè)采用相對封閉的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，有軍工行業(yè)生態(tài)系統(tǒng)與國民經(jīng)濟發(fā)展的必然性。但是，由于移動互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)技術(shù)的高速迭代，帶給傳統(tǒng)的軍工網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)巨大的沖擊。在這種狀況下，有必要嘗試開放與開源的組織模式，打破傳統(tǒng)的價值分配模型，向互聯(lián)網(wǎng)行業(yè)滲透開放以挖掘價值，通過開源協(xié)作減少競爭成本。

近年來，影響巨大的NFV也屬于這種趨勢。基礎(chǔ)設(shè)施必須進一步標準化和公共化，以利于上層業(yè)務(wù)的開發(fā)，這就必須“開放”和“開源”。開放是基礎(chǔ)設(shè)施的必備屬性，否則無以快速構(gòu)建上層生態(tài)；開源是行業(yè)博弈導(dǎo)致的一種減少無效競爭的快速整合手段，通過開源協(xié)作形成周邊生態(tài)是這種先進競爭手段的特征。在軍民融合的變革期，原先軍品采購的科研、標準化和產(chǎn)品研發(fā)流程已經(jīng)不再高效。因此，可先從科研開始，為彈性網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研發(fā)探索一條開放和開源的新道路。

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陳興海（1975—），男，碩士，工程師，主要研究方向為無線通信；

王潤洪（1974—），男，碩士，工程師，主要研究方向為通信網(wǎng)絡(luò)；

何 ?。?979—），男，碩士，工程師，主要研究方向為無線通信。

Research on Network Slice of Resilient Network

CHEN Xing-hai, WANG Run-hong, HE Jian
(Military Representatives Bureauo of Equipment Development Department, Beijing 100840, China)

The development of SDN, NFV, Microservice and Network slice technologies brings profound changes to the traditional military communication network. These changes gradually enlarge the problems existing in construction and management of traditional military communication network and make the traditional military networks become more flexible and more scalable. This paper firstly discusses the inevitabilities of changing traditional military networks，then describes the basic knowledge of SDN, NFV, microservice and network slice. Based on these technologies, the network slice technology for resilient network is proposed, the technical development of this field explored, and the barriers to be overcome expounded. Finally, the conclusion is draw and the future forecasted.

civil-military integration; SDN; NFV; microservices; network slice

TN915.02

A

1002-0802(2016)-12-1648-06

10.3969/j.issn.1002-0802.2016.12.014

2016-08-06

2016-11-12 Received date:2016-08-06;Revised date:2016-11-12