網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法研究*

陸俊杰

廣西民族大學相思湖學院 廣西 南寧 530225

引言

近年來，智能化和信息化的快速發(fā)展，使得互聯(lián)網(wǎng)深刻改變了人們的日常生活，圍繞日益激增網(wǎng)絡(luò)需求的相關(guān)手機，電腦﹑平板等設(shè)備應用需求也在持續(xù)擴大[1]。為了適應當代信息化發(fā)展和經(jīng)濟社會轉(zhuǎn)型的客觀需求，5G概念已經(jīng)被正式提出并形成了規(guī)模化的應用，能夠滿足爆炸式增長的流量需求以及個性化業(yè)務拓展的網(wǎng)絡(luò)容量﹑時延和速率升級[2]。與5G網(wǎng)絡(luò)發(fā)展相對應的是，網(wǎng)絡(luò)切片資源映射和編排方法技術(shù)要求也在持續(xù)提升，在深刻分析網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法優(yōu)化必要性基礎(chǔ)上探索其優(yōu)化路徑，是信息網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展的重要方向之一。

1 網(wǎng)絡(luò)切片的概念介紹

具體分析相關(guān)概念，網(wǎng)絡(luò)切片是5G網(wǎng)絡(luò)應用中的重要概念。其大致含義是在5G物理網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上構(gòu)建可以獨立運行的虛擬網(wǎng)絡(luò)，具有切片之間相互隔離﹑端到端網(wǎng)絡(luò)連接﹑靈活獨立部署與共聯(lián)共享﹑提供區(qū)塊化資源集成與專用服務以及對應終端支持和系統(tǒng)化滿足客戶需求等特征[3]。

1.1 5G技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備

5G技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施設(shè)備的構(gòu)建極大程度地提升了信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俾?，降低了延遲問題并提升了通信系統(tǒng)整體的存儲能力，不僅實現(xiàn)在費用可控情況下的通訊性能優(yōu)化，還能夠支持大量大規(guī)模設(shè)備實時連接，因此能夠有效解決4G網(wǎng)絡(luò)通信存在的各項困難，實現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的重大突破以及對全世界的重要影響。

1.2 網(wǎng)絡(luò)切片

網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)與5G通信技術(shù)緊密關(guān)聯(lián)，是一類新型的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。其基于SDN技術(shù)實現(xiàn)數(shù)據(jù)解耦[4]，作為一類虛擬網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，不完全依賴于實體物理網(wǎng)絡(luò)，更側(cè)重于對于集中網(wǎng)絡(luò)資源的統(tǒng)籌以及分業(yè)務板塊特征與需求的信息調(diào)配，能夠激發(fā)5G通訊在點對點服務﹑個性化部署和獨立板塊運作等方面的通訊優(yōu)勢，并有效提升網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與通信設(shè)備相匹配﹑適應外部特征業(yè)務場景需求等性能。

具體細分網(wǎng)絡(luò)切片的類型，當前行業(yè)內(nèi)一般按照不同的劃分標準對其進行定位。從應用場景視角出發(fā)，業(yè)界一般將網(wǎng)絡(luò)切片細分為電網(wǎng)切片﹑自動駕駛切片﹑高清視頻切片等與具體業(yè)務形態(tài)一一耦合的切片類型。從網(wǎng)絡(luò)范圍和運作模式視角出發(fā)，一般將其細分為接入網(wǎng)切片﹑傳送網(wǎng)切片和核心網(wǎng)切片等，能夠?qū)采w相應的工作流程與不同的網(wǎng)絡(luò)范圍。上述分類體現(xiàn)出了細分類型切片對于不同網(wǎng)絡(luò)范圍的高度關(guān)注。

從應用層面來看，網(wǎng)絡(luò)切片可以被抽象的認為是基于特定業(yè)務需求而形成邏輯關(guān)聯(lián)的虛擬網(wǎng)絡(luò)體系，其構(gòu)成與運作具有相對獨立性和較靈活的共享接入性，在日常運用過程中網(wǎng)絡(luò)切片以其特有的計費﹑獨立運維和管理功能，對應服務業(yè)態(tài)的生命周期，實現(xiàn)創(chuàng)建﹑運行和消亡[5]。

1.3 網(wǎng)絡(luò)切片編排

網(wǎng)絡(luò)切片編排是優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片組織形態(tài)并提升生存中期的重要舉措。一般認為網(wǎng)絡(luò)切片的生存周期及其質(zhì)量有密切聯(lián)系，高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)切片服務有賴于合理高效的切片編排，從提升資源使用效率和互聯(lián)互通效率等角度出發(fā)，將網(wǎng)絡(luò)切片置于全局視角展開系統(tǒng)編排以及動態(tài)優(yōu)化，有助于運用5G服務為客戶提供需求定制﹑資源支撐的高質(zhì)量服務。

2 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法的現(xiàn)實意義

2.1 網(wǎng)絡(luò)切片的優(yōu)化意義

從網(wǎng)絡(luò)切片結(jié)合5G網(wǎng)絡(luò)應用的現(xiàn)實層面來看，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)的存在與發(fā)展使得5G通信網(wǎng)絡(luò)內(nèi)每個子網(wǎng)內(nèi)能夠基于用戶需求運營商資源調(diào)配業(yè)務形態(tài)和終端連接等特征，構(gòu)建起能夠符合獨立運作要求以及靈活連接設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)服務。網(wǎng)絡(luò)切片所對應的虛擬服務能夠在一個進硬件基礎(chǔ)設(shè)施中切分出多個虛擬且端到端的子網(wǎng)絡(luò)，進而通過終端連入﹑無線接入﹑傳輸存在網(wǎng)聯(lián)通以及核心網(wǎng)統(tǒng)籌等方式實現(xiàn)邏輯隔離，使CT系統(tǒng)IT化并以網(wǎng)絡(luò)Sdn/Nfv為前提實現(xiàn)虛擬化管理和維護把網(wǎng)絡(luò)資源進行虛擬匹配﹑映射，生成不同的邏輯功能，再通過編排器提供相應的服務以滿足各個應用場景對網(wǎng)絡(luò)能力的需求，使每個網(wǎng)絡(luò)切片的網(wǎng)絡(luò)帶寬﹑服務質(zhì)量﹑安全性等專屬資源都得到保證，以此為智慧城市運營﹑無人駕駛﹑高清視頻傳輸與共享﹑實時通信﹑日常網(wǎng)絡(luò)通信等提供類型豐富且穩(wěn)定高效的服務。持續(xù)研究網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)并優(yōu)化其編排方法具有重要意義。

但是，當前5G網(wǎng)絡(luò)的運維應用也呈現(xiàn)出了網(wǎng)絡(luò)切片編排層面的一些問題。

其一是優(yōu)化目標相對單一，近年來在具體應用場景與5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)融合層面，不論是學界和業(yè)界都將研究重點放在了核心網(wǎng)絡(luò)的NFVI部署上，上述研究雖然能夠深化網(wǎng)絡(luò)切片底層技術(shù)科研成果，但是具有較高的投入且成果不確定性較高等問題。在技術(shù)升級和編排方法優(yōu)化層面過度關(guān)注單一目標會影響5G網(wǎng)絡(luò)整體推廣和升級應用的效率，也不利于與時代需求變化相耦合的網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法效率升級。因此，從現(xiàn)實意義層面來看，在深化技術(shù)研發(fā)同時發(fā)散思維視角﹑增強網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)研究全面性﹑優(yōu)化多維目標并合理分配相關(guān)的資源精力，是未來網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法優(yōu)化的重要方向。

其次，當前網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法的應用場景與5G互聯(lián)﹑人工智能發(fā)展﹑智慧產(chǎn)業(yè)運維等高度關(guān)聯(lián)，大量新興產(chǎn)業(yè)的爆發(fā)式需求使得人們在應用場景層面更為關(guān)注降低切片網(wǎng)絡(luò)延遲這一功能，但是單純追求極限高速度的網(wǎng)絡(luò)傳輸以及高精度的數(shù)據(jù)還原，并不完全適應當前市場廣闊的差異化需求。除了智慧服務以外，日常通訊為主的大量互聯(lián)業(yè)務對于精度和速度敏感性相對較弱，而對綜合數(shù)據(jù)有效性﹑通訊實時性﹑網(wǎng)絡(luò)可獲得性﹑成本可控性等為特征的系統(tǒng)服務需求更為明確。優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片資源映射正在朝著獨立板塊優(yōu)化與細分業(yè)務差異化服務方案設(shè)計等方面發(fā)展，設(shè)計并優(yōu)化差異化網(wǎng)絡(luò)切片資源映射具有較強的現(xiàn)實意義。

2.2 基于網(wǎng)絡(luò)切片的資源映射的應用意義

在5G技術(shù)推廣應用背景下，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)能夠結(jié)合SDN云技術(shù)等網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)，將網(wǎng)絡(luò)資源映射到不同的模塊化切片之中，依據(jù)底層物理網(wǎng)絡(luò)可用資源和網(wǎng)絡(luò)切片的需求資源，以具體的算法和執(zhí)行策略連接底層物理網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)切片需求，實現(xiàn)個性化﹑定制化﹑差異化和跨場景融合服務的多元業(yè)務需求，優(yōu)化資源映射與編排方法，借助資源管理模型通過資源管理層接收需求層的網(wǎng)絡(luò)切片請求使得網(wǎng)絡(luò)切片上的節(jié)點獨立運營，并通過算法和策略支撐實現(xiàn)系統(tǒng)功能的集成。深化當前網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法研究，不僅有助于滿足5G環(huán)境下日益激增的通訊現(xiàn)實需求，更能以邏輯優(yōu)化和技術(shù)支撐的有效范式為5G技術(shù)進一步深化發(fā)展和高質(zhì)量通訊服務設(shè)計應用提供良好的資源支撐。

3 網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法的策略設(shè)計

從優(yōu)化策略設(shè)計層面來看，網(wǎng)絡(luò)切片技術(shù)及其編排方案的優(yōu)化需要結(jié)合具體的業(yè)務應用實際和信息傳輸需求并完善相關(guān)的基礎(chǔ)設(shè)施與網(wǎng)絡(luò)性能配置，確定其VNF的計算資源需求以及虛擬鏈路的寬窄資源需求，在NFV中找到一種能夠切片在某些指標上達到最優(yōu)的VNF和需求擬鏈路的映射位置，最終實現(xiàn)方案化應用。但是，考慮到當前5G網(wǎng)絡(luò)應用主要集中在國內(nèi)以及相關(guān)應用場景的基礎(chǔ)方案還不夠完全成熟等因素，5G網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方案的技術(shù)研究與升級仍有賴于相關(guān)實踐需求擴張與服務范圍擴大，亟須聚焦未來智慧城市﹑無人駕駛﹑人工智能和智慧產(chǎn)業(yè)園等發(fā)展熱點提前完善相關(guān)的技術(shù)設(shè)計與資源布局。

具體而言，網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方案的設(shè)計仍聚焦模型選擇﹑目標優(yōu)化和方案優(yōu)化等層面。

首先，網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方案模型的選擇需要首先判斷資源映射域內(nèi)的拓撲信息和全部已知的資源信息。如果涉及多個物理域且相關(guān)之間信息并不完全透明，復雜的業(yè)務方案會要求網(wǎng)絡(luò)切片設(shè)置多個資源節(jié)點與位置約束，以此滿足跨域的資源調(diào)配與映射連接，與之相對應的算法也不能僅使用單域映射算法，而是需要調(diào)配多個域聯(lián)合協(xié)作的算法，實現(xiàn)資源映射貫通的完整信息傳輸。而如果綜合判斷資源信息證明域內(nèi)資源已經(jīng)能夠滿足業(yè)務模塊需求，則可以從最低映射代價和最優(yōu)成本平衡的視角出發(fā)，設(shè)置簡單的域內(nèi)資源節(jié)點與少數(shù)位置約束，好應用單域映射算法。

其次，網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方案模型的選擇也需要考慮切片的生命周期。從生命周期視角來看，如果所有切片都能位于生命周期之內(nèi)，則資源映射的位置通常不會發(fā)生根本性變化，方案設(shè)計者和切片資源調(diào)配的相關(guān)方可以根據(jù)具體應用場景業(yè)務的所需性能設(shè)計資源調(diào)配節(jié)點并優(yōu)化編排方案目標，通過動態(tài)資源需求監(jiān)測﹑VNF映射位置調(diào)整和實例化經(jīng)驗反饋等方式，結(jié)合不同業(yè)務實際需求和資源調(diào)配使用效果，對相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)切片板塊﹑資源映射﹑計算算法以及調(diào)配模式等加以調(diào)整，也可以對基礎(chǔ)信息資源做相應的擴充或縮并處理，以提升業(yè)務服務效率為目標優(yōu)化各板塊資源集成與信息互聯(lián)的效率[6]。此外，網(wǎng)絡(luò)切片資源映射和編排方法設(shè)計優(yōu)化需要兼顧經(jīng)濟性﹑高效性和現(xiàn)代化的目標，為進一步降低映射代價并控制經(jīng)濟成本，在相關(guān)編排方法設(shè)計時需要重點關(guān)注域內(nèi)資源節(jié)點控制與位置約束控制，盡量簡化算法模式并保障網(wǎng)絡(luò)切片資源的板塊獨立性。

最后，網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方案模型的選擇需要設(shè)計開放的需求收集與轉(zhuǎn)化渠道。根據(jù)用戶需求反饋，設(shè)計人員需要在網(wǎng)絡(luò)切片排版功能注冊包含所需網(wǎng)絡(luò)功能和完成該功能所需資源信息相關(guān)的NST，此后對NST設(shè)計具體的實施方案并將方案傳輸給網(wǎng)絡(luò)切片編排功能模塊，并結(jié)合生命周期平衡考慮對NSI進行監(jiān)督﹑擴容﹑縮并等調(diào)整，持續(xù)優(yōu)化模型設(shè)計與應用。

4 結(jié)束語

總結(jié)來看，信息化時代的發(fā)展和5G技術(shù)優(yōu)化使得網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法研究需求持續(xù)擴大，為滿足更高速率傳輸﹑更高精度通訊和更多場景應用的服務需求，網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排技術(shù)也急需優(yōu)化提升。本文從5G技術(shù)及基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)設(shè)施﹑網(wǎng)絡(luò)切片﹑網(wǎng)絡(luò)切片編排等概念出發(fā)，分析了優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法的現(xiàn)實意義并簡述相關(guān)策略設(shè)計，以期從提升資源使用效率﹑控制經(jīng)濟成本并推動高精度網(wǎng)絡(luò)通信發(fā)展等視角出發(fā)，為網(wǎng)絡(luò)切片資源映射與編排方法應用優(yōu)化提供參考。