CSMF主要实现网络切片哪些功能

是中国软件开发者网络。

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5G和网络切片

当5G被广泛提及的时候，网络切片是其中讨论最多的技术。像KT、SK Telecom、China Mobile、DT、KDDI、NTT等网络运营商，以及Ericsson、Nokia 、Huawei 等设备商都认为网络切片是5G时代的理想网络架构。

这个新技术可以让运营商在一个硬件基础设施切分出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从设备到接入网到传输网再到核心网在逻辑上隔离，适配各种类型服务的不同特征需求。

对于每一个网络切片，像虚拟服务器、网络带宽、服务质量等专属资源都得到充分保证。由于切片之间相互隔离，所以一个切片的错误或故障不会影响到其它切片的通信。

为什么5G需要网络切片

从以往到目前4G网络，移动网络主要服务移动手机，一般来说只为手机做一些优化。然而在5G时代，移动网络需要服务各种类型和需求的设备。大家提的比较多的应用场景包括移动宽带、大规模物联网、任务关键的物联网。他们都需要不同类型的网络，在移动性、计费、安全、策略控制、延时、可靠性等方面有各不相同的要求。

例如一个大规模物联网服务连接固定传感器测量温度、湿度、降雨量等。不需要移动网络中那些主要服务手机的切换、位置更新等特性。另外像自动驾驶以及远程控制机器人等任务关键的物联网服务需要几毫秒的端到端延时，这就和移动宽带业务大不相同。



5G的主要应用场景

这是不是意味着我们需要为每一个服务建设一个专用网络了？例如，一个服务5G手机，一个服务5G大规模物联网，一个服务5G任务关键的物联网。其实不需要，因为我们可以通过网络切片技术在一个独立的物理网络上切分出多个逻辑的网络，这是一个非常节省成本的做法！



网络切片的应用需求

NGMN发布的5G白皮书中阐述的5G网络切片如下图所示：



NGMN 5G网络切片示意图

我们怎么实现端到端网络切片？

（1）5G的无线接入网络和核心网：NFV化

在如今的移动网络中，主要的设备是手机。RAN（DU和RU）和核心功能由RAN厂商提供的专用网络设备构建。为了实现网络切片，网络功能虚拟化（NFV）是一个先决条件。基本上，NFV的主要思想是将网络功能软件（即分组核心中的MME，S / P-GW和PCRF以及RAN中的DU）全部部署在商业服务器上的虚拟机，而不是单独部署在其专用网络设备。这样，RAN当作边缘云，而核心功能当作核心云。位于边缘和核心云中的VM之间的连接使用SDN进行配置。然后，为每个服务（即电话切片、大规模物联网切片、任务关键的物联网切片等等）创建切片。






如何实现网络切片之一

下图显示了每个服务专用的应用程序如何可以虚拟化并安装在每个切片中。 例如，切片可以配置如下：

（1）UHD切片：在边缘云中虚拟化DU，5G核心（UP）和缓存服务器，以及在核心云中虚拟化5G核心（CP）和MVO服务器

（2）电话切片：在核心云中虚拟化具有全移动功能的5G核心（UP和CP）和IMS服务器

（3）大规模物联网切片（例如传感器网络）：在核心云中虚拟化一个简单轻便的5G内核没有移动性管理功能

（4）任务关键的物联网切片：在边缘云中虚拟化5G核心（UP）和相关服务器（例如V2X服务器），用于最小化传输延迟

到目前为止，我们需要为具有不同要求的服务创建专用切片。并且根据不同服务特性将虚拟网络功能放置在每个切片中的不同位置（即边缘云或核心云）。此外，一些网络功能例如如计费，策略控制等，在某些切片中可能是必要的，但在其他网络切片中不是必需的。运营商可以按照他们想要的方式定制网络切片，而且可能是最具成本效益的方式。



如何实现网络切片之二

（2）边缘与核心云间的网络切片：IP/MPLS-SDN

软件定义网络，尽管在首先介绍的时候是一个很简单的概念，但现在变得越来越复杂。就以Overlay形式为例，SDN技术能够在现有的网络基础设施上提供虚拟机间的网络连接。



端到端网络切片

首先我们看如何保证边缘云与核心云的虚拟机间的网络连接是安全的，虚拟机间的网络需要基于IP/MPLS-SDN和Transport SDN来实现。本文我们主要讨论路由器厂商提供的IP/MPLS-SDN。Ericsson和Juniper都提供IP/MPLS SDN网络架构产品。操作有些许不同，但基于SDN的虚拟机间的连接是极其相似的。

在核心云中是虚拟化服务器。 在服务器的管理程序中，运行内置的vRouter / vSwitch。 SDN控制器提供虚拟化服务器和DC G / W路由器（云数据中心中创建MPLS L3 VPN的PE路由器）间的隧道配置，在核心云中的每个虚拟机（例如5G IoT核心）和DC G / W路由器间创建SDN隧道（即MPLS GRE或VXLAN）。

然后，由SDN控制器管理这些隧道和MPLS L3 VPN（例如IoT VPN）之间的映射。该过程在边缘云中也是一样，创建一个物联网切片从边缘云连接到IP / MPLS骨干，并一直到核心云。 这个过程可以基于目前为止成熟可用的技术和标准来实现。

（3）边缘与核心云间的网络切片：IP/MPLS-SDN

现在剩下的是移动前传网络。 我们如何在边缘云和5G RU之间切割这个移动前传网络？ 首先，必须首先定义5G前传网络。大家在讨论中存在一些选择（例如通过重新定义DU和RU的功能来引入新的基于分组的前传网络），但是还没有做出标准定义。下图是在ITU IMT 2020工作组中给出的图示，并给出了虚拟化前传网络的示例。

主要网元和功能如下：

（1）AMF（接入和移动性管理功能）：负责用户的接入和移动性管理；

（2）SMF（会话管理功能）：负责用户的会话管理；

（3）UPF（用户面功能）：负责用户面处理；

（4）AUSF（认证服务器功能）：负责对用户的3GPP和非3GPP接入进行认证；

（5）PCF（策略控制控制）：负责用户的策略控制，包括会话的策略、移动性策略等；

（6）UDM（统一数据管理）：负责用户的签约数据管理；

（7）NSSF（网络切片选择功能）：负责选择用户业务采用的网络切片；

（8）NRF（网络功能注册功能）：负责网络功能的注册、发现和选择；

（9）NEF（网络能力开放功能）：负责将5G网络的能力开放给外部系统；

（10）AF（应用功能）：与核心网互通来为用户提供业务。

5G核心网系统架构主要特征如下：

（1）承载和控制分离：承载和控制可独立扩展和演进，可集中式或分布式灵活部署；

（2）模块化功能设计：可以灵活和高效地进行网络切片；

（3）网元交互流程服务化：按需调用，并服务可重复使用；

（4）每个网元可以与其他网元直接交互，也可通过中间网元辅助进行控制面的消息路由；

（5）无线接入和核心网之间弱关联：5G核心网是与接入无关并起到收敛作用的架构，3GPP和非3GPP均通过通用的接口接入5G核心网；

（6）支持统一的鉴权框架；

（7）支持无状态的网络功能，即计算资源与存储资源解耦部署；

（8）基于流的QoS：简化了QoS架构，提升了网络处理能力；

（9）支持本地集中部署的业务的大量并发接入，用户面功能可部署在靠近接入网络的位置，以支持低时延业务、本地业务网络接入。

主要网元和功能：

（1）AMF（接入和移动性管理功能）：负责用户的接入和移动性管理。

（2）SMF（会话管理功能）：负责用户的会话管理。

（3）UPF（用户面功能）：负责用户面处理。

（4）AUSF（认证服务器功能）：负责对用户的3GPP和非3GPP接入进行认证。

（5）PCF（策略控制控制）：负责用户的策略控制，包括会话的策略、移动性策略等。

（6）UDM（统一数据管理）：负责用户的签约数据管理。

（7）NSSF（网络切片选择功能）：负责选择用户业务采用的网络切片。

常规单模光纤

是指中心玻璃芯很细(芯径一般为9或10μm)，只能传一种模式的光纤。常规单模光纤于1983年开始商用。其模间色散很小，适用于远程通讯，但还存在着材料色散和波导色散，这样单模光纤对光源的谱宽和稳定性有较高的要求，即谱宽要窄，稳定性要好。因为这种光纤只能传输一个模式(两个偏振态简并)，所以称为单模光纤，其信号畸变小。

从运维管理角度来看，可以假想移动网络是我们的交通系统，车辆是用户，道路是网络。随着车辆的增多，城市道路会变得拥堵不堪。为了缓解这种状况，交通部门会根据车辆和运营方式的不同进行分流管理，移动网络也需要这样的专有通道进行分类管理。

从业务应用角度来看，我们花巨资建设的2/3/4G网络，只是实现了单一的业务需求——电话或者上网，无法满足数据业务爆炸式增长所带来的新业务需求，因为传统网络有点像混凝土房子，一旦建好，后续拆改建的难度较大。

而5G网络是要面向多连接和多样化业务的，需要能够像积木一样灵活部署，方便地进行新业务快速上线/下线，满足人们日益增长的数据业务需求。

综上所述，“要有分类管理，要能灵活部署”，于是网络切片这一概念应运而生。

网络切片是一种按需组网的方式，可以让运营商在统一的基础设施上切出多个虚拟的端到端网络，每个网络切片从无线接入网到承载网再到核心网在逻辑上隔离，适配各种类型的业务应用。在一个网络切片内，至少包括无线子切片、承载子切片和核心网子切片。

简单总结下，网络切片做到了：端到端的按需定制并能保证隔离性。

那么，该如何完成端到端的网络切片呢？

想实现网络切片，NFV（网络功能虚拟化）是先决条件。以核心网为例，NFV从传统网元设备中分解出软硬件的部分。硬件由通用服务器统一部署，软件部分由不同的NF（网络功能）承担，从而实现灵活组装业务的需求。

于是切的逻辑概念，就变成了对资源的重组。重组是根据SLA（服务等级协议）为特定的通信服务类型选择它所需要的虚拟和物理资源。SLA包括用户数、QoS、带宽等参数，不同的SLA定义了不同的通信服务类型。

目前5G主流的三大应用场景：eMBB、uRLLC、mMTC就是根据网络对用户数、QoS、带宽…的不同要求，定义的三个通信服务类型，对应三个切片。

以上讲的其实是切的准备工作，那究竟该怎么切下去呢？从运营商的角度说就是编排部署，对应的功能实体有CSMF（通信服务管理功能）、NSMF（切片管理功能）、 NSSMF（子切片管理功能）和MANO（管理和编排）。流程示意图如下：

编排部署的流程大致分为六步，具体如下：