網(wǎng)絡(luò)切片

隨著全世界大踏步邁進(jìn)5G時(shí)代，關(guān)于相關(guān)技術(shù)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(diǎn)詞匯，5G另一個(gè)關(guān)鍵特性——網(wǎng)絡(luò)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(luò)商業(yè)化的結(jié)果。

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

圖源：圖蟲創(chuàng)意

為什么要切片?

關(guān)于網(wǎng)絡(luò)切片，作為全球電信標(biāo)準(zhǔn)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(rèn)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(luò)切片定義為公共領(lǐng)域移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)(PLMN)中的端到端邏輯通信網(wǎng)絡(luò)，包括核心網(wǎng)絡(luò)(CN)控制面、用戶面網(wǎng)絡(luò)功能和5G接入網(wǎng)(AN)。這個(gè)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(luò)的部分。

簡單說來，就是將同一個(gè)物理網(wǎng)絡(luò)切割成多個(gè)虛擬的端到端的網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)之間，包括網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的設(shè)備、接入、傳輸和核心網(wǎng)，是邏輯獨(dú)立的，任何一個(gè)虛擬網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障都不會(huì)影響到其它虛擬網(wǎng)絡(luò)。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(luò)一樣，今天的電信網(wǎng)絡(luò)是也進(jìn)入了軟件定義(SDN)時(shí)代，也就是軟件定義軟件(Software-defined?Network，SDN)。網(wǎng)絡(luò)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(shí)刻的工作負(fù)載需求。對(duì)于企業(yè)網(wǎng)絡(luò)，虛擬機(jī)或容器(Container)通常給定一個(gè)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址，使其在網(wǎng)絡(luò)級(jí)別上具有惟一的可訪問性。

目前企業(yè)網(wǎng)絡(luò)的管理主要通過Kubernetes完成。這是一個(gè)面向現(xiàn)代、分布式、基于容器的網(wǎng)絡(luò)編配應(yīng)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(luò)和企業(yè)網(wǎng)絡(luò)有一個(gè)根本區(qū)別：在最低層，電信網(wǎng)絡(luò)的功能是為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，而不是為用戶服務(wù)。因此Kubernetes不能用于協(xié)調(diào)電信網(wǎng)絡(luò)。

在電信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域，流行一種叫網(wǎng)絡(luò)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(luò)中的專用設(shè)備的軟硬件功能轉(zhuǎn)移到虛擬主機(jī)(VM，Virtual Machines)上，而這些虛擬主機(jī)是基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的商用服務(wù)器。簡單的說，就是用基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的服務(wù)器、存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，來取代網(wǎng)絡(luò)中的專用的網(wǎng)元設(shè)備，低成本且安裝簡便。

網(wǎng)絡(luò)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(jì)算基礎(chǔ)設(shè)施核心的級(jí)別進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理，和VMware vSphere這樣的典型商業(yè)虛擬化平臺(tái)不同。在NFV概念的應(yīng)用級(jí)別上，網(wǎng)絡(luò)管理程序就像單獨(dú)的機(jī)器一樣運(yùn)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?yàn)槌舜螂娫挘?G網(wǎng)絡(luò)還需要大量額外的收入來源，才能讓運(yùn)營商收回5G建設(shè)的成本。因此，能夠提供計(jì)算服務(wù)是它們的關(guān)鍵需求之一。

在過去，外行想進(jìn)入這個(gè)市場(chǎng)，面臨著一個(gè)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(duì)運(yùn)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(wù)，而無需建立超大規(guī)模的數(shù)據(jù)中心。比如在NFV網(wǎng)絡(luò)中，無線接入網(wǎng)可以充當(dāng)邊緣云，核心網(wǎng)部分可以充當(dāng)核心云。

AT&T網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和設(shè)計(jì)部門高級(jí)副總裁伊加爾·艾爾巴茲(Igal Elbaz)在接受ZDNet采訪時(shí)說道：“5G網(wǎng)絡(luò)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(luò)功能軟件化、網(wǎng)絡(luò)云、協(xié)調(diào)器，以及如何將延遲(管理)引入應(yīng)用程序?里面有很多新元素，或者是一些不算過時(shí)的元素?！?/p>

假設(shè)一個(gè)制造工廠在其整個(gè)系統(tǒng)上部署了大量物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，這么多的設(shè)備都通過無線網(wǎng)絡(luò)連接。理論上說，網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商就能將網(wǎng)絡(luò)切片，作為設(shè)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(luò)系統(tǒng)中數(shù)據(jù)收集和處理的部分。

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

垂直控制

運(yùn)營商的數(shù)據(jù)中心和OpenStack或Azure Stack這樣的云平臺(tái)并不一樣，但這說的只是基礎(chǔ)設(shè)施層面。從更高的層次說，進(jìn)入5G時(shí)代后，電信公司既有動(dòng)機(jī)也有動(dòng)機(jī)將其云計(jì)算能力出售給商業(yè)客戶。

因此，刨除架構(gòu)的區(qū)別，從商業(yè)意義上講，運(yùn)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(diǎn)，運(yùn)營商必須讓電信工程師為自家的內(nèi)部資源和對(duì)外資源劃分出清晰而不可侵犯的邊界。

這是關(guān)于這個(gè)基本架構(gòu)的核心問題。網(wǎng)絡(luò)切片的應(yīng)用可能意味著云服務(wù)市場(chǎng)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(wù)提供商步伐的運(yùn)營商一根救命稻草。

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

問題在于，運(yùn)營商目前不愿意將無線網(wǎng)絡(luò)控制權(quán)下放，有些人不僅認(rèn)為這不可行，而且是非法的。

“5G和網(wǎng)絡(luò)切片問題會(huì)導(dǎo)致大麻煩，”德國5G實(shí)驗(yàn)室協(xié)調(diào)員、德累斯頓技術(shù)大學(xué)教授格哈德·費(fèi)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(luò)是無故障的，因?yàn)槟阒烙腥丝梢怨收舷到y(tǒng)?！?/p>

如果運(yùn)營商采用這一方案，將云計(jì)算能力轉(zhuǎn)售給大大小小的公司，勢(shì)必會(huì)打亂原來云計(jì)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(yùn)營自己的全球光纖連接網(wǎng)絡(luò)，就像運(yùn)營自己的數(shù)據(jù)中心一樣。

有意思的是，關(guān)于這個(gè)問題，業(yè)界在2018年討論得非常激烈，而在2019年5G網(wǎng)絡(luò)逐漸進(jìn)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(huì)小組討論時(shí)表示，“我的印象是，最近它(討論)在某種意義上失去了動(dòng)力”。

不過，相關(guān)探索仍在推進(jìn)?！皩?duì)我來說，網(wǎng)絡(luò)切片是一種實(shí)現(xiàn)多服務(wù)支持、擴(kuò)展用例數(shù)量的方法，”諾基亞貝爾實(shí)驗(yàn)室網(wǎng)絡(luò)與架構(gòu)負(fù)責(zé)人西蒙·雷達(dá)納(Simone Redana)博士在回應(yīng)穆勒的評(píng)論時(shí)解釋道，“與每一項(xiàng)技術(shù)一樣，下一步就是要理解，這項(xiàng)技術(shù)的商業(yè)模式到底是什么?”

他的實(shí)驗(yàn)室與德國電信、漢堡港務(wù)局合作，在去年2月開始了一項(xiàng)為期2年的研究項(xiàng)目。用以測(cè)試各種網(wǎng)絡(luò)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(hào)燈、工業(yè)海港監(jiān)視器和環(huán)境傳感器的連接網(wǎng)絡(luò)。

行業(yè)并沒有耐心再等2年。在去年的布魯克林5G峰會(huì)上，博世已經(jīng)推出了關(guān)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(hù)和操作。

這樣，分散在工廠各個(gè)樓層的制造設(shè)備(包括機(jī)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(shè)備的管理過程可以使用更現(xiàn)代的軟件開發(fā)方法進(jìn)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(jí)生產(chǎn)中的工具。

此外，去掉那些需要維護(hù)的固件后，生產(chǎn)設(shè)備的能耗更低。物聯(lián)網(wǎng)分布式設(shè)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?yàn)樾录軜?gòu)將繞過這部分。

穆勒稱：“我們真的在考慮在我們工廠里運(yùn)營自己的5G網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，即使是博世也無法組建一支100人左右的團(tuán)隊(duì)來完成這項(xiàng)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(shí)際上不需要了解和掌控蜂窩網(wǎng)絡(luò)的全部復(fù)雜性和靈活性，建立并運(yùn)營一個(gè)橫款全美的網(wǎng)絡(luò)是一回事，在一個(gè)只有5個(gè)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(luò)頻譜，諸如大眾之類的德國巨頭也在效仿。這一潮流可能會(huì)讓美國運(yùn)營商頭疼，因?yàn)樗麄儗?duì)5G時(shí)代這種新商業(yè)模式毫無準(zhǔn)備。

電信網(wǎng)絡(luò)不僅在架構(gòu)上，而且在法律上都需要提供高水平的安全性，網(wǎng)絡(luò)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(yùn)營商表示，在其運(yùn)營的網(wǎng)絡(luò)和向商業(yè)客戶租賃的任何部分之間，只能實(shí)現(xiàn)物理隔離。這樣將極大拖累成本和效率。