运营商5G时代“回本”的关键——网络切片是个什么东西?

2019-08-14 11:37:18 文/前瞻网 作者/ 黄琨 5G

电信网络不仅在架构上,而且在法律上都需要提供高水平的安全性,网络切片提供的隔离功能可以极大满足这部分需求。然而,包括AT&T在内的美国运营商表示,在其运营的网络和向商业客户租赁的任何部分之间,只能实现物理隔离。

随着全世界大踏步迈进5G时代,关于相关技术的科普和探讨越来越多。但相较于大规模多入多出、毫米波之类的热点词汇,5G另一个关键特性——网络切片(Network Slicing),民间却少有人了解和讨论。不夸张地说,这一特性或许将决定5G网络商业化的结果。

即使是现在,在5G已经推行了几个月的美国,这些看似基础的结构问题仍未解决。

为什么要切片?

关于网络切片,作为全球电信标准组织的3GPP在2017年10月发布了首批互联网文件草案之一,承认其定义仍然悬而未决。随后在2018年7月,该组织发布了更新文件,其定义变得更清晰:

网络切片定义为公共领域移动网络(PLMN)中的端到端逻辑通信网络,包括核心网络(CN)控制面、用户面网络功能和5G接入网(AN)。这个定义分别包括了管理通信的部分、执行包分发和转发的部分(如互联网)和接入网络的部分。

简单说来,就是将同一个物理网络切割成多个虚拟的端到端的网络,每个虚拟网络之间,包括网络内的设备、接入、传输和核心网,是逻辑独立的,任何一个虚拟网络发生故障都不会影响到其它虚拟网络。就像你把你家电脑硬盘划分成C盘、D盘、E盘一样。

和企业网络一样,今天的电信网络是也进入了软件定义(SDN)时代,也就是软件定义软件(Software-defined?Network,SDN)。网络映射的可寻址位置可以通过代码来确定和更改,从而满足任何给定时刻的工作负载需求。对于企业网络,虚拟机或容器(Container)通常给定一个互联网协议地址,使其在网络级别上具有惟一的可访问性。

目前企业网络的管理主要通过Kubernetes完成。这是一个面向现代、分布式、基于容器的网络编配应用。问题在于,它假定SDN映射的是面向用户功能的容器。而电信网络和企业网络有一个根本区别:在最低层,电信网络的功能是为网络服务,而不是为用户服务。因此Kubernetes不能用于协调电信网络。

在电信网络领域,流行一种叫网络功能虚拟化(network functions virtualization, NFV)的概念。本质上讲,所谓NFV,就是将网络中的专用设备的软硬件功能转移到虚拟主机(VM,Virtual Machines)上,而这些虚拟主机是基于行业标准的商用服务器。简单的说,就是用基于行业标准的服务器、存储和网络设备,来取代网络中的专用的网元设备,低成本且安装简便。

网络经过功能虚拟化后,无线接入网和核心网的VM和核心云中的VM通过SDN互联互通。

NFV在更接近计算基础设施核心的级别进行网络管理,和VMware vSphere这样的典型商业虚拟化平台不同。在NFV概念的应用级别上,网络管理程序就像单独的机器一样运行。理论上,所有面向客户的功能——例如内容流通道的接口——都可以部署为NFV。

之所以要说这些,是因为除了打电话,5G网络还需要大量额外的收入来源,才能让运营商收回5G建设的成本。因此,能够提供计算服务是它们的关键需求之一。

在过去,外行想进入这个市场,面临着一个巨大的阻碍——先来者已经拥有大量遍布全球的数据中心资产。而5G对运营商的吸引力在于,它能够将已有的资源集中起来,向商业客户提供类似云的服务,而无需建立超大规模的数据中心。比如在NFV网络中,无线接入网可以充当边缘云,核心网部分可以充当核心云。

AT&T网络架构和设计部门高级副总裁伊加尔·艾尔巴兹(Igal Elbaz)在接受ZDNet采访时说道:“5G网络的发展给我们带来了很多以前难以获得的可能性、兴奋感和能力。我们指的是虚拟化、网络功能软件化、网络云、协调器,以及如何将延迟(管理)引入应用程序?里面有很多新元素,或者是一些不算过时的元素。”

假设一个制造工厂在其整个系统上部署了大量物联网设备,这么多的设备都通过无线网络连接。理论上说,网络运营商就能将网络切片,作为设备的集线控制器分配给客户,使其控制面尽可能接近网络系统中数据收集和处理的部分。

分析公司451 Research高级副总裁沃利·斯温(Wally Swain)在2018年布鲁克林5G峰会上表示:“对我来说,网络切片是5G最迷人的部分。”

垂直控制

运营商的数据中心和OpenStack或Azure Stack这样的云平台并不一样,但这说的只是基础设施层面。从更高的层次说,进入5G时代后,电信公司既有动机也有动机将其云计算能力出售给商业客户。

因此,刨除架构的区别,从商业意义上讲,运营商也将遵循亚马逊的原始模式,将数据中心中闲置的容量转售给外部客户。

而要做到这一点,运营商必须让电信工程师为自家的内部资源和对外资源划分出清晰而不可侵犯的边界。

这是关于这个基本架构的核心问题。网络切片的应用可能意味着云服务市场向众多小型参与者开放,也可能给甲骨文、Rackspace等没能跟上三大云服务提供商步伐的运营商一根救命稻草。

不过,如果客户想更进一步,不仅仅要操控运行在无线网络上的应用程序,而是要控制工厂内的整个无线网络,又该怎么办呢?为了实现这一要求,它切下的这一部分就必须具备一个无线网络所具备的任何东西,其实也就是直接划分出一部分网络。

问题在于,运营商目前不愿意将无线网络控制权下放,有些人不仅认为这不可行,而且是非法的。

“5G和网络切片问题会导致大麻烦,”德国5G实验室协调员、德累斯顿技术大学教授格哈德·费特维斯(Gerhard Fettweis)博士表示,“从完整性、隐私和安全角度看,你没办法保障你的网络是无故障的,因为你知道有人可以故障系统。”

如果运营商采用这一方案,将云计算能力转售给大大小小的公司,势必会打乱原来云计算巨头们的如意算盘。这些巨头的许多大企业客户,也许更想要运营自己的全球光纤连接网络,就像运营自己的数据中心一样。

有意思的是,关于这个问题,业界在2018年讨论得非常激烈,而在2019年5G网络逐渐进入部署阶段后,反倒有些偃旗息鼓。博世连接性研究主管安德烈亚斯·穆勒(Andreas Mueller)在主持2019年布鲁克林5G峰会小组讨论时表示,“我的印象是,最近它(讨论)在某种意义上失去了动力”。

不过,相关探索仍在推进。“对我来说,网络切片是一种实现多服务支持、扩展用例数量的方法,”诺基亚贝尔实验室网络与架构负责人西蒙·雷达纳(Simone Redana)博士在回应穆勒的评论时解释道,“与每一项技术一样,下一步就是要理解,这项技术的商业模式到底是什么?”

他的实验室与德国电信、汉堡港务局合作,在去年2月开始了一项为期2年的研究项目。用以测试各种网络切片策略,他们的无线发射器正直接控制着某地区交通信号灯、工业海港监视器和环境传感器的连接网络。

行业并没有耐心再等2年。在去年的布鲁克林5G峰会上,博世已经推出了关于5G无线系统的解决方案。根据该方案,5G无线系统可以由用户自家的IT员工维护和操作。

这样,分散在工厂各个楼层的制造设备(包括机器人)可以低延迟接入数据中心,从而取代之前的嵌入式固件控制方案。这些设备的管理过程可以使用更现代的软件开发方法进行管理,包括持续集成和持续交付(CI/CD),即每隔几天而不是每隔几年更新和升级生产中的工具。

此外,去掉那些需要维护的固件后,生产设备的能耗更低。物联网分布式设备中用于将操作状态数据传输回系统中心的部件将不再需要,因为新架构将绕过这部分。

穆勒称:“我们真的在考虑在我们工厂里运营自己的5G网络。当然,即使是博世也无法组建一支100人左右的团队来完成这项工作。这不仅仅需要考虑到用户面,还要考虑操作和管理面。它必须以某种方式加以简化。”

但他也表示,用户实际上不需要了解和掌控蜂窝网络的全部复杂性和灵活性,建立并运营一个横款全美的网络是一回事,在一个只有5个部门的小工厂做同样的事情,是另一回事。

博世已经向德国政府提出要求,允许其获得属于自家的无线网络频谱,诸如大众之类的德国巨头也在效仿。这一潮流可能会让美国运营商头疼,因为他们对5G时代这种新商业模式毫无准备。

电信网络不仅在架构上,而且在法律上都需要提供高水平的安全性,网络切片提供的隔离功能可以极大满足这部分需求。然而,包括AT&T在内的美国运营商表示,在其运营的网络和向商业客户租赁的任何部分之间,只能实现物理隔离。这样将极大拖累成本和效率。

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