边缘计算那些事儿--网络切片技术（1）

0 背景

边缘计算可以支持就近的计算卸载，让数据在靠近数据源的设备上处理。对于边缘计算低时延的应用场景来说，网络性能的好坏，直接影响着卸载算法的整体耗时，决定着整个算法模型的可行性。因此如果想实现低时延卸载算法，除了获得合适的计算资源以外，还需要更加精细的网络资源的管理。对于需要进行低时延处理的数据，在网络上提供单独的通道和资源，报文在调度和转发时具备更高的优先级，保证报文可以第一时间被响应。要实现上述功能传统的做法是提供专网，5G中提出了网络切片技术，即在物理网络上切出一系列面向定制化服务的逻辑网络，使具体业务独占某个网络通道。本文将以5G的端到端网络切片为例，详细介绍切片编排器，5G RAN切片和5G核心网切片的实现。

1 什么是网络切片

当前用户的不同个性化需求，触发了对于不同网络资源的需求。为了在5G物理网络资源的基础上，搭建支持不同服务的网络资源平台，网络切片应运而生。网络切片是在物理网络的基础上切分出不同定制化服务的逻辑网络，如下图所示。从定义中可以看出，该技术依托现有的物理网络，需要物理网络支持虚拟化技术，支持软件定义网络技术。面对不同的应用场景，原本一体的网络资源，如带宽等，被切分成不同的网片，网片之间相互隔离，互不影响，就像独占网络资源一样。这其实类似于网络中常见的管道概念，每一个管道都会有自己独立的标识，带有该标识的报文才可以在该管道中转发。同样的，网络切片也有自己的实例ID，只有带有该实例ID的报文才可以在该切片中转发。那切片是如何划分的，如何建立的，报文又是在哪里如何被打上这个实例ID的，下面的我们将进行详述。

2 网络切片实现

来到网络切片的实现，让我们依然参照业务管道的实现方式，首先搭建一条业务通路，然后对报文打上管道头，最后报文就可以在对应的管道中被转发。映射到网络切片上，业务通路就是网络资源切片，给报文打头的服务就是切片编排器。以5G通信网络为例，在物理网络上可以被划分为核心网和接入网，每一类网络所具有的核心网络资源和协议栈也是不一样的，比如核心网主要是处理报文在路由设备中的转发，而接入网主要是帮助UE接入到网络中，核心的资源包括空口资源和其对应的协议栈，因此在进行网络切片时需要切分对应的RAN资源和核心网资源。如下图所示，图中这两类切片还依赖于SDN和NFV技术。

上图中的RAN资源切片和核心网资源切片因其具有的资源不同，被分开来单独分析。但是要想达到理想的切片性能，需要这两部分综合考虑才可以，这一点是需要开发人员特别注意的。另外网络切片跟之前管道一个最大的不同是有了全局视角，切片的组成中还可以包含网元这样粒度的元素。而这个全局视角就是切片编排器实现的，后面三节将详述这三个模块。

3 切片编排器

切片编排器，是网络切片系统中负责管理和控制切片资源的模块，可以部署在网络中的任意节点处，管理和控制的切片对象也跟其部署位置有关，除此以外切片编排器还具备一定的边缘计算能力，能够多维度感知用户数据、资源数据和环境数据，做出切片决策。如下图所示是切片编排器的整体架构和在物理网络中的部署位置。

从切片编排器的定义中能够看出，其本身需要具备资源管理能力，报文的转发策略控制能力和边缘智能。在一张网络要想达到良好的切片资源管理控制，最低要求需要在网关（图中位置3）和核心网（图中位置2）中进行部署。在网关处主要管理设备的空口和协议栈二层以下的切片资源，同时在北向上申请需要的切片资源，将北向报文打上切片信息。在核心网处主要管理南向的切片资源，其中包含了RAN切片和核心网切片两大部分，对于流向终端的业务报文，负责打上对应的切片ID，控制报文的转发策略。除了上面两个位置以外，还可以将切片编排器部署在图中位置1。位置1切片编排器是对RAN切片资源的宏观管理，其中包含了基站和基站中的网元设备以及空口协议栈共同构成的切片管理。

切片编排模块是整个切片资源的调配和管理中心。包含了8个核心模块，每个模块实现的功能如下：

切片动态感知：负责获取来自多维度感知和资源感知模块的数据，根据不同的应用场景和环境资源，做出切片决策。
切片实例分配：该模块负责收集和管理切片实例资源，根据切片动态感知模块给出的切片决策策略，分配不同的切片实例。
资源再分配：负责综合资源感知模块提供的资源信息，对资源进行回收、合并和再分配，特别是闲置的资源，会参与到其他站点的资源共享。
组网动态调整：该模块负责监控网络中的拥塞，过载等问题，实时调整切片资源，保证网络的整体性能。
切片动态调整：该模块负责对场景中已经分配的切片进行监控，如果切片不能满足场景需求，会对场景进行重新的资源评估，分配新的切片实例。
切片生命周期：该模块负责管理场景中的切片实例全生命周期，包括建立，删除，回收，再分配等。
切片扩容缩容：当应用场景需要的切片资源不能满足需求时，该模块会通过内部扩容切片资源或者外部申请切片资源的方式解决。同样的当应用场景在一段时期内不需要过多的切片资源时，可以将其回收。
切片隔离策略：该模块负责管理切片的隔离策略，理论上我们要保证切片资源是相互隔离的，但是在空口上的无线资源是很难保证相互隔离的，特别是当在一个空口资源上包含不用应用场景的切片时，需要针对当时的场景选择合适的隔离策略。

切片编排器在边缘智能方面主要包含两个模块，一个是多维度感知，一个是资源感知，这两个模块与切片编排器通过切片动态感知模块关联，为其提供基于应用场景的切片需求数据，帮助切片决策。多维信息感知模块包含四个功能，分别是识别用户需求，用户位置，用户关系和用户行为。用户需求即用户本身提出的切片资源需求，或者由该模块根据用户的报文特点识别出的切片需求。用户位置感知则是用户在不同基站间移动时，需要的切片资源也随之发生移动，需要在相邻的基站上分配切片资源。用户关系，则是基于用户的亲密关系，决定是否将闲置的网络资源利用起来，让用户数据可以亲密的用户间卸载。用户行为的感知，则是根据用户的喜好，为其提供个性化的切片服务。

资源感知模块则是对整个网络切片资源的实时监控和调整。其中包含网元资源，无线资源，网络特征等。当用户的需求发生变化，位置发生移动，或者当前的切片资源无法满足应用场景时，能够从全网获取可用的切片资源，感知临近站点的资源情况，分析网络性能，提供最佳的网络切片决策。

综上，这两个感知模块为切片决策和管理提供了依据，能够动态识别用户需要什么样的切片，当前我们的网络资源是否充足。当能够满足要求时，才会进入到下一层的切片编排。当然具体的切片实现跟网络设备紧密相关，这个我们在后续章节讨论。

未完待续...