GPP將網絡切片定義為5G 網絡的主要功能之一，網絡切片可看作是動態創建的邏輯端到端網絡。在深入研究網絡切片的概念之前，我們先簡單回顧下 5G 的三大應用場景。

5G用例

移動規范開發的主要機構 3GPP 正在努力實現5G的三個基本用例：

• eMBB（增強移動寬帶）：指在現有移動寬帶業務場景的基礎上，對于用戶體驗等性能進一步提升，追求人與人之間極致的通信體驗。
• 超可靠低延遲通信(URLLC)：對關鍵任務通信的可靠性和延遲有嚴格要求的通信，其中包括自動駕駛汽車、遠程手術或觸覺互聯網。
• 大規模機器類型通信(mMTC)：需要在有限區域內支持極大量設備的通信，這些設備只能間歇性地發送數據，如與物聯網(IoT)相關的用例。

圖1 5G用例

如圖 1 所示，5G 網絡必須同時支持延遲、吞吐量、容量等多樣化且極端的要求，并且需要精心設計架構，以在服務能力和網絡投資之間提供最佳平衡。運營商還應承諾實現特定的服務水平目標 (SLO)，以實現其業務目標或遵守每個用例的約定功能。這就是網絡切片的用武之地。

定義網絡切片

3GPP 將網絡切片定義為：

“網絡切片是提供特定網絡能力和網絡特性的邏輯網絡”。

理想情況下，網絡切片允許在相同的物理網絡中動態地創建邏輯網絡，以支持不同的用例和流量負載。網絡切片是一個端到端的概念，從用戶設備延伸到接入網（AN）、傳輸網（TN）和核心網（CN）。

端到端切片提供適當的隔離、資源和優化的虛擬網絡架構，以服務于特定用例、SLO 要求或業務解決方案。

網絡切片經過編排，形成運行在同一物理網絡上的特定服務邏輯網絡，這些邏輯網絡滿足某些服務屬性，如數據速度、容量、延遲、可靠性、可用性、覆蓋范圍和安全性。網絡切片使運營商能夠為每個用例或服務組建立不同的功能、部署和體系架構，可以并行運行多個網絡實例。

圖2 端到端5G切片范圍

如圖 2 所示，一個典型的 5G 網絡可以概括為以下幾個部分：

• 用戶設備 (UE)：通過“空口”連接到移動網絡的最終用戶終端。
• 接入網絡 (AN)：構成無線接入網絡 (RAN) 的一組元素，包括基站、天線和頻譜資源。
• 在RAN解耦的情況下，它還包括諸如無線電單元 (RU)、分布式單元 (DU) 和集中式單元 (CU) 等元素。圖 2 是一個簡化圖，并未顯示所有可能的RAN功能拆分。
• 核心網 (CN)：包括一組信令、身份驗證、用戶管理、移動性、與外部網絡的接口以及其他控制平面和管理平面服務的功能。5G 核心可能分布在網絡內的不同位置。
• 傳輸網絡 (TN)：用于承載 AN 和 CN 之間的傳輸流量。在RAN 架構解耦的情況下，也會有 TN 互連 RAN 組件（例如 RU、DU 和 CU）的實例。

網絡切片用例示例

示例 1：自動車輛切片需要端到端網絡為服務用例的特定切片實例提供數據速率、可靠性、延遲、通信范圍和速度等功能。

示例 2：服務于智能計量或可穿戴醫療設備等應用的物聯網切片需要網絡安全、高效且經濟地支持大量低延遲和高密度物聯網設備。

實現網絡切片

如上所述，5G 網絡切片可用于確保端到端性能，以及服務和應用需求以滿足客戶期望。要實現網絡切片，必須對各個網段（接入網、傳輸網和核心網）進行整體檢查。需要在整個網絡中編排網絡切片的生命周期。

圖 3 說明了端到端切片實現中涉及的關鍵元素。這個特定的網絡為租戶 A、B 和、C三個客戶提供網絡切片服務。

圖3 -端到端網絡切片

租戶 A 具有三個不同的切片，而租戶 B 和 C 各有一個切片。每個切片都被構建為一個端到端網絡切片，由幾個子片組成:

• 一個 RAN（子）切片
• 將 RAN 切片連接到核心網切片的傳輸網（子）切片
• 一個核心（子）切片
• 連接核心網的第二個傳輸網(子)片

上面的每個切片都由特定于域的編排器/控制器進行生命周期管理，在 3GPP 中稱為網絡切片子網管理功能 (NSSMF)：

• RAN 切片由 RAN 控制器或 RAN NSSMF 管理
• 傳輸網切片由傳輸片控制器或傳輸 NSSMF 管理
• 核心網切片由核心控制器或核心 NSSMF 管理

NSSMF 具有實現該域中的子切片所需的特定領域知識。NSSMF 負責：

• 創建切片
• 維護切片
• 當不再需要時終止切片

實現一個北向接口，該接口公開域的抽象視圖，并允許 NSMF 使用切片（見下文）。

此層次結構的最高級別包含一個端到端網絡切片協調器，用3GPP術語來說是網絡切片管理功能 (NSMF)。NSMF 具有將子切片拼接在一起以創建端到端切片的功能。NSMF 通過它們的北向接口與 NSSMF 通信以執行此操作。反過來，它還公開了一個抽象的北向接口，以允許使用其服務來創建端到端切片。

每個特定于域的子片根據性質分配或提供以下資源類型中的一種或多種：

• 虛擬和物理網絡功能
• 光譜
• 帶寬
• 傳輸層連接模型
• 增強服務（例如網絡分析和安全服務）
• 服務質量 (QoS) 配置文件
• 應用功能

例如，核心網切片可以為信令流量分配專用的計算資源。傳輸網切片可以使用機制將網絡容量分配給每個切片。

硬切片和軟切片

網絡資源的共享水平“硬切片和軟切片”取決于與網絡能力相關的服務水平目標。

“硬切片”和“軟切片”之間的主要區別在于，硬切片導致網絡資源專用于一個切片，而軟切片允許使用共享資源。

為每個網絡切片實例分配專用的、非共享資源可保障每個應用程序或客戶所需的性能、可用性和可靠性。然而，如果這些資源沒有被完全使用，也不能用于其他切片。因此，硬切片可能不是很劃算。

軟切片允許傳輸資源的可控的超預訂，可以讓網絡資源更經濟地用于約束較寬松的大容量應用程序。

傳輸網切片

本文前半部分介紹了端到端切片的定義以及它是如何實現的，后半部分將側重于傳輸網切片以及如何實現方式。

傳輸網切片可以定義為物理網絡功能 (PNF) 和虛擬網絡功能 (VNF) 之間的一組不同的連接。此類傳輸網切片具有確定性 SLA，以實現完整端到端網絡切片的端到端 SLO。這些 SLO 包括 QoS、可用性、延遲和數據包丟失等參數。

多年來，IP 和光傳輸網絡一直使用各種網絡虛擬化技術來交付虛擬網絡。那么，在傳輸網切片方面有什么新東西呢？傳輸網絡的關鍵要求是：

• 新 SLO 類型的關聯，例如延遲，在以前要求并不嚴格。此外，需要確保在服務的整個生命周期內遵守 SLO
• 數據平面技術可以擴展以支持細粒度的流量工程
• 使用流遙測技術實現網絡狀態和性能的近實時可見性
• 使用模型驅動的方法增強網絡可編程性，例如 YANG 模型
• 需要集中的路徑計算，而這反過來又需要新的網絡可見性機制
• 網絡和控制系統之間的閉環反饋回路
• 允許傳輸控制器 (NSSMF) 與端到端協調器 (NSMF) 通信的抽象 API

未來滿足端到端網絡切片的 SLA，IP 傳輸網切片必須滿足幾個要求：

表1 - IP切片要求

表 2 提供了一組候選技術解決方案，可滿足表 1 中的需求。

表2 - IP切片候選方案

表2的功能集可以組合起來構建一個傳輸網絡，它與中央控制器形成一個閉環，如圖4所示。

圖4 -實現分段路由傳輸網切片的閉環

在該示例中，在實現傳輸網切片的數據平面網絡與管理和/或編排網絡的控制器之間存在閉環反饋回路。在這個網絡中：

• 基站（gNB/eNB）和移動網關（MG）之間需要開通服務。
• 該服務具有一定的SLO，例如最大延遲限制。
• 有一個控制器既可用作 SDN 控制器，也可用作傳輸 NSSMF。
• 網絡通過 BGP-LS 向控制器公開自己的拓撲結構。
• 該網絡還向控制器傳輸遙測信息，以便控制器對該網絡有最新的了解。遙測信息包括鏈路利用率和延遲等。
• 控制器使用路徑計算引擎來計算gNB/eNB連接到 MG的邊緣路由器之間的路徑。
• 控制器使用 PCE 或 BGP SR-policy ，將計算的路徑信息傳送到邊緣路由器；邊緣路由器將此路徑信息嵌入到與此服務相關的數據包中。
• 一旦路徑建立，控制器就會持續監控網絡以確保 SLO 繼續得到滿足。如果業務所在路徑的網絡狀況惡化，控制器會將業務重新路由到其他合規的路徑上。
• 控制器作為傳輸NSSMF的角色，還向 NSMF 公開 API，以便 NSMF 可以編排包含傳輸切片組件的端到端切片。

為什么使用分段路由進行切片

通過流量工程，服務提供商可以提供差異化的服務和增強的SLO。然而，在實現對流量路由進行更精細的控制時，網絡運營商總是因可擴展性問題而陷入停滯。

目前基于RSVP-TE的分組網絡中的流量工程解決方案只支持粗級別的控制。應用 RSVP-TE 來設計更細粒度服務流的嘗試總是因可擴展性問題而失敗。分段路由(Segment Routing)是一種新的隧道模式，可以與軟件定義網絡 (SDN) 應用程序結合使用，以解決實現具有良好可擴展性和精細控制的難題。

與 RSVP-TE 和標簽分發協議 (LDP) 不同，分段路由不需要在每個隧道的基礎上進行控制平面的信令。它只需要入口邊緣路由器來保持每個服務的狀態，刪除了來自中間和出口邊緣路由器的狀態管理要求。這使得分段路由的可擴展性比RSVP-TE好得多，同時提供了大部分相同的功能。

雖然分段路由提供了在網絡中構建轉發路徑的能力，但需要一些抽象智能來指示入口路由器在網絡中使用什么路徑，以及使用什么服務。這種智能可以由一個外部流量工程控制器提供，該控制器充當有狀態的活動路徑計算元素 (PCE)，基于實時網絡狀態提供對網絡資源的端到端控制。這確保了昂貴的廣域網(WAN)容量得到有效利用，并且由于其網絡范圍的可見性，確保了網絡可以提供特定的服務需求，如在需要時的脫節。

使用集中式控制器還有助于在 WAN 中使用 SDN，通過自動創建和/或刪除特定服務可用的帶寬來提供更靈活的聯網方式。這反過來又允許引入諸如帶寬日歷或按需帶寬之類的服務。

因此，分段路由是傳輸網實現網絡切片所需服務能力的理想技術。