網(wǎng)絡切片

隨著全世界大踏步邁進5G時代，關于相關技術的科普和探討越來越多。但相較于大規(guī)模多入多出、毫米波之類的熱點詞匯，5G另一個關鍵特性——網(wǎng)絡切片(Network Slicing)，民間卻少有人了解和討論。不夸張地說，這一特性或許將決定5G網(wǎng)絡商業(yè)化的結(jié)果。

即使是現(xiàn)在，在5G已經(jīng)推行了幾個月的美國，這些看似基礎的結(jié)構問題仍未解決。

圖源：圖蟲創(chuàng)意

為什么要切片?

關于網(wǎng)絡切片，作為全球電信標準組織的3GPP在2017年10月發(fā)布了首批互聯(lián)網(wǎng)文件草案之一，承認其定義仍然懸而未決。隨后在2018年7月，該組織發(fā)布了更新文件，其定義變得更清晰：

網(wǎng)絡切片定義為公共領域移動網(wǎng)絡(PLMN)中的端到端邏輯通信網(wǎng)絡，包括核心網(wǎng)絡(CN)控制面、用戶面網(wǎng)絡功能和5G接入網(wǎng)(AN)。這個定義分別包括了管理通信的部分、執(zhí)行包分發(fā)和轉(zhuǎn)發(fā)的部分(如互聯(lián)網(wǎng))和接入網(wǎng)絡的部分。

簡單說來，就是將同一個物理網(wǎng)絡切割成多個虛擬的端到端的網(wǎng)絡，每個虛擬網(wǎng)絡之間，包括網(wǎng)絡內(nèi)的設備、接入、傳輸和核心網(wǎng)，是邏輯獨立的，任何一個虛擬網(wǎng)絡發(fā)生故障都不會影響到其它虛擬網(wǎng)絡。就像你把你家電腦硬盤劃分成C盤、D盤、E盤一樣。

和企業(yè)網(wǎng)絡一樣，今天的電信網(wǎng)絡是也進入了軟件定義(SDN)時代，也就是軟件定義軟件(Software-defined?Network，SDN)。網(wǎng)絡映射的可尋址位置可以通過代碼來確定和更改，從而滿足任何給定時刻的工作負載需求。對于企業(yè)網(wǎng)絡，虛擬機或容器(Container)通常給定一個互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，使其在網(wǎng)絡級別上具有惟一的可訪問性。

目前企業(yè)網(wǎng)絡的管理主要通過Kubernetes完成。這是一個面向現(xiàn)代、分布式、基于容器的網(wǎng)絡編配應用。問題在于，它假定SDN映射的是面向用戶功能的容器。而電信網(wǎng)絡和企業(yè)網(wǎng)絡有一個根本區(qū)別：在最低層，電信網(wǎng)絡的功能是為網(wǎng)絡服務，而不是為用戶服務。因此Kubernetes不能用于協(xié)調(diào)電信網(wǎng)絡。

在電信網(wǎng)絡領域，流行一種叫網(wǎng)絡功能虛擬化(network functions virtualization, NFV)的概念。本質(zhì)上講，所謂NFV，就是將網(wǎng)絡中的專用設備的軟硬件功能轉(zhuǎn)移到虛擬主機(VM，Virtual Machines)上，而這些虛擬主機是基于行業(yè)標準的商用服務器。簡單的說，就是用基于行業(yè)標準的服務器、存儲和網(wǎng)絡設備，來取代網(wǎng)絡中的專用的網(wǎng)元設備，低成本且安裝簡便。

網(wǎng)絡經(jīng)過功能虛擬化后，無線接入網(wǎng)和核心網(wǎng)的VM和核心云中的VM通過SDN互聯(lián)互通。

NFV在更接近計算基礎設施核心的級別進行網(wǎng)絡管理，和VMware vSphere這樣的典型商業(yè)虛擬化平臺不同。在NFV概念的應用級別上，網(wǎng)絡管理程序就像單獨的機器一樣運行。理論上，所有面向客戶的功能——例如內(nèi)容流通道的接口——都可以部署為NFV。

之所以要說這些，是因為除了打電話，5G網(wǎng)絡還需要大量額外的收入來源，才能讓運營商收回5G建設的成本。因此，能夠提供計算服務是它們的關鍵需求之一。

在過去，外行想進入這個市場，面臨著一個巨大的阻礙——先來者已經(jīng)擁有大量遍布全球的數(shù)據(jù)中心資產(chǎn)。而5G對運營商的吸引力在于，它能夠?qū)⒁延械馁Y源集中起來，向商業(yè)客戶提供類似云的服務，而無需建立超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。比如在NFV網(wǎng)絡中，無線接入網(wǎng)可以充當邊緣云，核心網(wǎng)部分可以充當核心云。

AT&T網(wǎng)絡架構和設計部門高級副總裁伊加爾·艾爾巴茲(Igal Elbaz)在接受ZDNet采訪時說道：“5G網(wǎng)絡的發(fā)展給我們帶來了很多以前難以獲得的可能性、興奮感和能力。我們指的是虛擬化、網(wǎng)絡功能軟件化、網(wǎng)絡云、協(xié)調(diào)器，以及如何將延遲(管理)引入應用程序?里面有很多新元素，或者是一些不算過時的元素。”

假設一個制造工廠在其整個系統(tǒng)上部署了大量物聯(lián)網(wǎng)設備，這么多的設備都通過無線網(wǎng)絡連接。理論上說，網(wǎng)絡運營商就能將網(wǎng)絡切片，作為設備的集線控制器分配給客戶，使其控制面盡可能接近網(wǎng)絡系統(tǒng)中數(shù)據(jù)收集和處理的部分。

分析公司451 Research高級副總裁沃利·斯溫(Wally Swain)在2018年布魯克林5G峰會上表示：“對我來說，網(wǎng)絡切片是5G最迷人的部分?！?/p>

垂直控制

運營商的數(shù)據(jù)中心和OpenStack或Azure Stack這樣的云平臺并不一樣，但這說的只是基礎設施層面。從更高的層次說，進入5G時代后，電信公司既有動機也有動機將其云計算能力出售給商業(yè)客戶。

因此，刨除架構的區(qū)別，從商業(yè)意義上講，運營商也將遵循亞馬遜的原始模式，將數(shù)據(jù)中心中閑置的容量轉(zhuǎn)售給外部客戶。

而要做到這一點，運營商必須讓電信工程師為自家的內(nèi)部資源和對外資源劃分出清晰而不可侵犯的邊界。

這是關于這個基本架構的核心問題。網(wǎng)絡切片的應用可能意味著云服務市場向眾多小型參與者開放，也可能給甲骨文、Rackspace等沒能跟上三大云服務提供商步伐的運營商一根救命稻草。

不過，如果客戶想更進一步，不僅僅要操控運行在無線網(wǎng)絡上的應用程序，而是要控制工廠內(nèi)的整個無線網(wǎng)絡，又該怎么辦呢?為了實現(xiàn)這一要求，它切下的這一部分就必須具備一個無線網(wǎng)絡所具備的任何東西，其實也就是直接劃分出一部分網(wǎng)絡。

問題在于，運營商目前不愿意將無線網(wǎng)絡控制權下放，有些人不僅認為這不可行，而且是非法的。

“5G和網(wǎng)絡切片問題會導致大麻煩，”德國5G實驗室協(xié)調(diào)員、德累斯頓技術大學教授格哈德·費特維斯(Gerhard Fettweis)博士表示，“從完整性、隱私和安全角度看，你沒辦法保障你的網(wǎng)絡是無故障的，因為你知道有人可以故障系統(tǒng)?！?/p>

如果運營商采用這一方案，將云計算能力轉(zhuǎn)售給大大小小的公司，勢必會打亂原來云計算巨頭們的如意算盤。這些巨頭的許多大企業(yè)客戶，也許更想要運營自己的全球光纖連接網(wǎng)絡，就像運營自己的數(shù)據(jù)中心一樣。

有意思的是，關于這個問題，業(yè)界在2018年討論得非常激烈，而在2019年5G網(wǎng)絡逐漸進入部署階段后，反倒有些偃旗息鼓。博世連接性研究主管安德烈亞斯·穆勒(Andreas Mueller)在主持2019年布魯克林5G峰會小組討論時表示，“我的印象是，最近它(討論)在某種意義上失去了動力”。

不過，相關探索仍在推進。“對我來說，網(wǎng)絡切片是一種實現(xiàn)多服務支持、擴展用例數(shù)量的方法，”諾基亞貝爾實驗室網(wǎng)絡與架構負責人西蒙·雷達納(Simone Redana)博士在回應穆勒的評論時解釋道，“與每一項技術一樣，下一步就是要理解，這項技術的商業(yè)模式到底是什么?”

他的實驗室與德國電信、漢堡港務局合作，在去年2月開始了一項為期2年的研究項目。用以測試各種網(wǎng)絡切片策略，他們的無線發(fā)射器正直接控制著某地區(qū)交通信號燈、工業(yè)海港監(jiān)視器和環(huán)境傳感器的連接網(wǎng)絡。

行業(yè)并沒有耐心再等2年。在去年的布魯克林5G峰會上，博世已經(jīng)推出了關于5G無線系統(tǒng)的解決方案。根據(jù)該方案，5G無線系統(tǒng)可以由用戶自家的IT員工維護和操作。

這樣，分散在工廠各個樓層的制造設備(包括機器人)可以低延遲接入數(shù)據(jù)中心，從而取代之前的嵌入式固件控制方案。這些設備的管理過程可以使用更現(xiàn)代的軟件開發(fā)方法進行管理，包括持續(xù)集成和持續(xù)交付(CI/CD)，即每隔幾天而不是每隔幾年更新和升級生產(chǎn)中的工具。

此外，去掉那些需要維護的固件后，生產(chǎn)設備的能耗更低。物聯(lián)網(wǎng)分布式設備中用于將操作狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸回系統(tǒng)中心的部件將不再需要，因為新架構將繞過這部分。

穆勒稱：“我們真的在考慮在我們工廠里運營自己的5G網(wǎng)絡。當然，即使是博世也無法組建一支100人左右的團隊來完成這項工作。這不僅僅需要考慮到用戶面，還要考慮操作和管理面。它必須以某種方式加以簡化?！?/p>

但他也表示，用戶實際上不需要了解和掌控蜂窩網(wǎng)絡的全部復雜性和靈活性，建立并運營一個橫款全美的網(wǎng)絡是一回事，在一個只有5個部門的小工廠做同樣的事情，是另一回事。

博世已經(jīng)向德國政府提出要求，允許其獲得屬于自家的無線網(wǎng)絡頻譜，諸如大眾之類的德國巨頭也在效仿。這一潮流可能會讓美國運營商頭疼，因為他們對5G時代這種新商業(yè)模式毫無準備。

電信網(wǎng)絡不僅在架構上，而且在法律上都需要提供高水平的安全性，網(wǎng)絡切片提供的隔離功能可以極大滿足這部分需求。然而，包括AT&T在內(nèi)的美國運營商表示，在其運營的網(wǎng)絡和向商業(yè)客戶租賃的任何部分之間，只能實現(xiàn)物理隔離。這樣將極大拖累成本和效率。