端到端網絡切片關鍵技術研究及兩岸合作

朱曼華 趙力強 梁 凱

西安電子科技大學，陜西 西安 710000

近些年來，5G 的飛速發展為工業、農業、醫療、安全等傳統行業帶來了新的機遇。其中，三大5G 通信技術應用場景——增強型移動寬帶（Enhanced Mobile Broadband，eMBB）、大規模機器類通信（Massive Machine Type Communications，mMTC）和高可靠低時延通信（Ultra-Reliable and Low-Latency Communications，uRLLC）[1]標志著5G 更加廣泛地實現通信，是萬物互聯的關鍵支撐。然而，機遇與挑戰并存，現階段仍然存在一些問題有待深入研究解決。

首先，物聯網業務的多樣性致使傳統網絡架構無法完美適配多樣性的業務需求。5G 網絡在物聯網的應用方面需要支持諸多潛在的應用和場景。例如，如今熱門的虛擬現實/增強現實（Virtual Reality/Augment Reality, VR/AR）[2]要求Gbit/s 級的傳輸帶寬；自動無人駕駛要求ms 級傳輸時延；工業控制、遠程醫療等需要高可靠的交付。然而，傳統網絡的核心架構是集中、垂直封閉的，所以無法滿足多樣性的業務需求。

此外，物聯網技術標準的碎片化也是一大問題。我們使用的很多應用（如Bluetooth、WiFi、ZigBee）的技術標準是不同的，并且在NB-IoT（Narrow Band Internet of Things）[3]中也有不同的標準來支持不同的應用，為每一種標準建立物理專用網絡會帶來高昂的經濟成本，并且未來必會有一些新的應用產生，所以碎片化現象需要解決。

針對上述問題，未來物聯網必須依托軟件定義網絡（Software Defined Networking，SDN）[4]、網絡功能虛擬化（Network Function Virtualization，NFV）[5]等技術，通過靈活地調配其網絡資源以允許不同的用戶復用、編排網絡功能，使多個虛擬邏輯網絡在一個共享的物理網絡基礎設施上運行，從而組建端到端網絡切片[6]，以適應垂直行業的差異化及業務需求。

本文首先回顧了兩岸合作情況，然后介紹了基于NFV/SDN 的端到端網絡切片技術，提出了三維網絡切片架構，最后對現有海峽兩岸合作實驗網及農業物聯網用例進行總結和展望。

1 研究現狀

海峽兩岸合作以高校牽頭，產學研用多家單位緊密合作，意在突破5G 物聯網端到端網絡切片關鍵技術，從而推進其標準化及應用。在高校中，以西安電子科技大學和新竹交通大學為帶領，各單位分組研究，通過長期的技術交流及人員交換，從而實現優勢互補，形成了協同創新的5G 生態環境（包括開源社區、開放實驗室與軟硬件工具），建成面向全球的開放5G創新平臺，并且在物聯網技術、S D N 網絡架構、網絡虛擬化等方面，取得了初步的研究成果，合作完成了多篇學術性論文。在技術和人才資源支撐方面，西安電子科技大學ISN 國家重點實驗室團隊擁有先進的軟硬件設計開發系統、豐富的實驗設備儀器及長期扎實的研究理論與平臺基礎。臺方參與實驗的高校有新竹交通大學、臺南大學、長庚大學、中興大學、臺灣大學、宜蘭大學、成功大學等，在設備與平臺投入方面，臺灣大學開放一套云計算和SDN 的軟硬件平臺供大陸合作方使用；新竹交通大學提供物聯網設備演示與驗證平臺，用于合作期間雙方的聯合演示與算法驗證使用；宜蘭大學擁有智慧農場實驗基地，以此來實現跨海峽對接，提供了豐富的實驗用例。這些資源的支撐對于端到端網絡切片技術的推進有著極大的促進作用。

通信行業一直積極發展端到端5G 切片技術。2019年6 月，在MWC2019 上海展舉辦期間，中國移動與中興通訊、騰訊合作完成了業界首個5GSA 云游戲業務演示。在云游戲場景中，騰訊等互聯網游戲企業向運營商購買基于切片技術的游戲專網，然后提供特定客戶群服務。

同年10 月，中興通訊2019 全球無線用戶大會暨5G 峰會在維也納舉辦。會議期間，中興通訊聯合Hutchison Drei Austria 成功開通歐洲首個切片商城業務，這也是業內首個5G 端到端網絡切片實踐案例[7]。通過向垂直行業開放切片定制化服務，運營商從單一的流量運營，向多元化的切片運營轉型，創新性提出了B2B2B、B2B2C 商業模式，開拓了5G 的商用價值，極大地增強了用戶體驗。

端到端網絡切片技術展現出了極大的潛力，可支持物聯網多樣化的業務，大大降低了垂直行業的成本，可實現大規模商業部署。不過此技術仍然還存在問題有待解決，例如，運營商在部署5G 網絡的過程中，通常是采用多個廠商的設備及服務。在這種條件下，迫切需要制定端到端網絡切片的規范和標準，建立一套規范的管理系統，并多方位進行測試。在不久的將來，端到端網絡切片技術一定能夠大規模應用。

2 基于NFV/SDN的端到端網絡切片技術

2.1 網絡切片關鍵技術及架構

網絡切片是針對不同業務、不同客戶需求所提供的一類解決方案技術的統稱，旨在通過對多維度關鍵性能指標（包括網絡覆蓋、容量、譜效、能效、時延、安全性等）的設計，使得運營商能夠基于垂直行業的需求創建定制化的專用網絡服務[8]。

實現網絡切片的技術基礎是NFV/SDN 技術。此技術可以將傳統的電信設備的軟硬件分離及網絡設備的控制面與數據面分離，從而實現多方面解耦，進而實現各類不同業務需求的應用場景虛擬化為相互隔離的邏輯網絡。此外，通過該技術，用戶可以進行自定義和多方共享，極大地增加了靈活性。

NFV 技術是實現網絡切片的先決條件，其利用虛擬化能力，通過軟硬件分離，將各種網絡專用設備的功能分別以虛擬機形式在服務器、存儲等通用硬件上實現，從而不會受限于專用硬件，使硬件資源被不同的業務系統共享，通過調整虛擬資源的方式實現新增或縮減硬件，增強了系統靈活性，實現了新業務的快速部署、靈活擴容和縮容，滿足了多種應用場景[9]。NFV 專注于網絡的四層到七層的功能及應用，涵蓋了傳統的路由器、防火墻、負載均衡、應用網關等。其優點體現在標準設備價格低廉，能夠節省巨大的投資成本及擁有靈活的網絡能力。

SDN 通過開源的南向接口OpenFlow[10]這一關鍵技術，將控制層（也稱為網絡設備控制面）與網絡基礎設施層（也稱為數據面）分離，從而可以完成靈活操控網絡流量，為核心網絡及應用的創新提供了良好的平臺。用網絡開放的、軟件集中控制的三層體系架構，即應用層、控制層及基礎設施層，分別完成了網絡模型抽象和業務呈現、集中管理資源及數據交換的功能。其中，控制層通常為S D N 控制器，基礎設施層通常為交換機，SDN 通過南向API 與SDN 控制器和交換機進行連接，通過北向API 與SDN 控制器和應用程序連接。

2.2 三維網絡切片架構

為了支持網絡切片的靈活創建與管理，在網絡虛擬化、網絡功能虛擬化與資源虛擬化解耦的基礎上，提出了三維網絡切片方法，如圖1 所示。

圖1 三維網絡切片架構

（1）基于虛擬存儲、虛擬端口和虛擬隊列等技術，X 切片可將計算、存儲和通信等物理資源虛擬化，形成虛擬資源池或X 切片池。

（2）對于Y 切片，X 切片池是透明的，其虛擬化資源可供Y 切片調度；另外，基于虛擬機/容器技術，Y 切片可將網絡功能虛擬化，形成虛擬網絡功能池或Y切片池。

（3）對于Z 切片，Y 切片池是透明的，其虛擬網絡功能可供Z 切片調度。針對用戶的個性化需求，依托虛擬機監視器如FlowVisor 和SDN 算法，通過編排虛擬網絡功能并為之加載虛擬資源，可實現網絡虛擬化，形成定制化端到端網絡切片或Z 切片。Z 切片跨越整個網絡，根據業務需求編排網絡功能并為其分配資源，形成定制化5G 物聯網。

通過形成資源切片（X切片）、網絡功能切片（Y切片）和網絡切片（Z 切片），從而實現端到端網絡切片的敏捷、高效定制。

3 海峽兩岸合作實驗網及應用實例

3.1 實驗網平臺建設

海峽兩岸研究團隊曾基于開源軟硬件研發OpenMEC演示驗證平臺，如圖2 所示。平臺部署場景包括核心網EPC、基站、邊緣計算服務器MEC、OVS（Open vSwitch）交換機和手機終端。通過將傳統核心網的用戶面下沉到距用戶更近的基站側，從而完成低時延的邊緣計算和邊緣緩存等服務。演示平臺通過開源軟件、網絡功能虛擬化、Docker 容器、數據庫技術，支持無線網絡能力開放，同時支持業務多樣性的5G 物聯網場景，降低了云端的計算處理壓力，同時也節省了大量的帶寬及存儲資源，從而實現低時延、低能耗和高可靠的服務。

圖2 OpenMEC 實驗網平臺

此外，基于NFV/SDN 技術和開源軟硬件搭建了OpenWiFi 實驗平臺，如圖3 所示。平臺部署場景包括SDN 控制器、虛擬機監視器、承載差異化業務的應用服務器和軟件定義路由器。通過虛擬化技術實現網絡功能虛擬化（如虛擬控制器、虛擬接入點）、資源虛擬化（如虛擬端口、虛擬隊列）等。然后結合SDN 控制器和虛擬機監視器（HyperVisor），靈活編排虛擬網絡資源和虛擬網絡功能，構建網絡切片，進而靈活適配具有豐富及多樣性的物聯網業務。

圖3 基于NFV/SDN 的OpenWi-Fi 實驗網平臺

3.2 海峽兩岸合作應用實例

2015—2018 年，兩岸研究團隊共同開發了一套基于NFV/SDN 的5G 物聯網關鍵技術演示驗證平臺，兩岸合作單位基于該平臺多次展示5G 物聯網關鍵技術演示用例，包括SDN-WiFi 網絡的負載均衡、虛擬化SDN 網絡、基于Open5G 的自動化端到端網絡切片實驗平臺、開源/開放的移動邊緣計算、智能網絡切片等，獲得了業界專家的一致好評。

針對農業物聯網業務存在的多樣性，海峽兩岸研究團隊將研究成果應用到農業物聯網用例建設中。雖然目前已經存在一些應用到農業物聯網上的方案，但是這些方案都是通過定制多個物理專用網絡來完成的，這對于貧困地區是難以承受的。因此，需要建設統一的網絡基礎設施，驗證農業物聯網的多種典型應用，以實現農業物聯網的定制化服務。本實驗用例依托于NFV/SDN、三維網絡切片等技術，搭建農業物聯網的演示平臺，如圖4 所示，并開發生態環境監測與智能化管理、遠程視頻監測等用例，以實現典型農業物聯網應用的驗證。

圖4 農業物聯網演示平臺

建立以大連接為關鍵性能指標的網絡切片，實現生態環境監測與智能化管理。通過部署大量傳感器（如溫濕度、光照、土壤酸堿度等），將收集到的環境信息通過無線接入點傳輸并在控制中心做出決策，進而控制自動灌溉、施肥、噴藥、降溫等智能化管理系統。另外，建立以高速率、低時延為主要性能指標的網絡切片，實現遠程視頻監測，通過視頻采集設備（如攝像頭），將視頻、圖形等數據傳輸到控制中心，以分析農作物的成熟度、產量和蟲害等因素。

4 總結和展望

本文主要講解了端到端網絡切片技術的提出及研究現狀，并且對端到端網絡切片技術進行了簡單的理論介紹，之后講解了大陸和臺方合作搭建的實驗網及在農業物聯網上的應用。端到端網絡切片技術具有極大的應用前景和市場潛力，為了開展深入研究，開放、合作是必由之路。因此，迫切需要兩岸合作，通過共享實驗資源，協同創新，共同促進端到端網絡切片技術的發展。