面向服務可保證的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡切片
中國移動研究院
網(wǎng)絡改造技術篇/前沿技術/工廠外網(wǎng)改造
1 概述
1.1 背景
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)浪潮下，IT、CT和OT技術已經(jīng)出現(xiàn)深度融合的趨勢。IT需向OT注入敏捷靈活的業(yè)務應用，例如工廠網(wǎng)絡如今普遍引入MES、SCADA等工業(yè)軟件系統(tǒng)；工業(yè)生產(chǎn)流程正在向數(shù)字化與信息化發(fā)展；基于大數(shù)據(jù)的人工智能以及預測性分析也得到了越來越廣泛的應用。CT向OT注入可靠可管的網(wǎng)絡服務，例如CT需滿足工業(yè)網(wǎng)絡有線或無線等接入方式的多元化需求；需要SDN技術實現(xiàn)網(wǎng)絡靈活調(diào)度集中優(yōu)化；需要NFV技術實現(xiàn)網(wǎng)絡設備資源共享和多生態(tài)應用等，以保障低時延、高可靠、確定性的工業(yè)內(nèi)外網(wǎng)絡承載。
在垂直行業(yè)的多樣化需求的促使下，運營商需要提供端到端的全方位服務。一方面，不同垂直行業(yè)存在多樣化的網(wǎng)絡接入方式以及協(xié)議標準。另一方面，不同的業(yè)務也對組網(wǎng)有著差異化的需求，例如VxLAN、L2TP等的各類隧需求、苛刻的端到端網(wǎng)絡時延需求、極高的安全性及數(shù)據(jù)隱私保護需求和端到端的貸款保障與定制化QoS需求。在新型的網(wǎng)絡需求背景下，運營商需化“管”為“保”，提供服務質(zhì)量可保障的能力，張弛有度地經(jīng)營共贏生態(tài)，促進行業(yè)健康有序發(fā)展。
1.2 實施目標
網(wǎng)絡切片是從運營商網(wǎng)絡中劃分出的一部分基礎設施資源以及網(wǎng)絡/業(yè)務功能實體形成的虛擬網(wǎng)絡及資源池。面向服務可保證的工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡切片解決方案可以為垂直行業(yè)用戶提供連接、帶寬、時延、安全、管理、可靠性等多樣化的網(wǎng)絡定制服務。
1.3 適用范圍
本方案利用網(wǎng)絡各層的物理和邏輯隔離技術來劃分網(wǎng)絡資源，為垂直行業(yè)提供質(zhì)量可保障的基礎網(wǎng)絡服務，適用于各個垂直行業(yè)以及對網(wǎng)絡質(zhì)量有特殊需求的場景，例如低時延以及確定性時延的工業(yè)運動控制場景、企業(yè)各分部之間高安全需求的專線場景以及組網(wǎng)方式靈活可變的柔性制造場景等。
1.4 在工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡體系架構中的位置
圖1 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)示意圖
本解決方案主要涉及工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)體系架構中的工廠外部網(wǎng)絡（互聯(lián)網(wǎng)/移動網(wǎng)/專用網(wǎng)絡），并涉及多方面的業(yè)務流程，例如，工廠云平臺與協(xié)作平臺、智能產(chǎn)品與工廠之間數(shù)據(jù)的安全傳輸問題；也可應用于智能工廠內(nèi)部網(wǎng)絡，例如智能機器與工廠控制系統(tǒng)的交互、智能機器之間的交互、工廠控制系統(tǒng)與工廠云平臺交互的實時性以及可靠性問題。
2 需求分析
2.1 業(yè)務端到端時延可保證
傳統(tǒng)業(yè)務聚焦帶寬保證，現(xiàn)階段承載網(wǎng)通過建設專網(wǎng)、流量優(yōu)化調(diào)度和及時擴容的手段，滿足業(yè)務對帶寬的需求。在較高的帶寬需求之外，新型業(yè)務為給用戶提供極致的業(yè)務體驗，對網(wǎng)絡端到端的時延也提出了新的需求，包括了極低時延和確定性時延兩方面。
極低時延需求是對時延的絕對值進行優(yōu)化，從數(shù)十毫秒提高到數(shù)毫秒，已經(jīng)成為IP承載網(wǎng)未來技術演進的重要需求之一 。在車聯(lián)網(wǎng)、遠程醫(yī)療等極端業(yè)務場景中，時延要求達到1毫秒以下，否則業(yè)務將無法正常運行，從而帶來一系列安全性等問題。
確定性時延針對時延標準差進行優(yōu)化，是端到端時延敏感型業(yè)務質(zhì)量衡量的新維度，也對網(wǎng)絡承載技術提出了更高的要求。工業(yè)控制、遠程醫(yī)療、機器人等應用領域需要控制信令端到端精準的傳輸，例如多機械手臂聯(lián)動、柔性制造，人機互動等場景下，確定性時延是多個控制系統(tǒng)協(xié)作的基礎。
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡發(fā)展的目標是低時延+高確定性，不僅要實現(xiàn)及時性，更要實現(xiàn)準時性。時延指標無法用設備轉(zhuǎn)發(fā)能力的堆疊實現(xiàn)，而是需要從設備轉(zhuǎn)發(fā)面、控制面的實時性，設備部署位置等維度綜合考慮和優(yōu)化，這將是下一代承載網(wǎng)面臨的重要挑戰(zhàn)和技術難題之一。
圖2 工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)絡時延優(yōu)化目標
2.2 泛在的計算及存儲資源改變流量模型
集中式DC部署呈現(xiàn)匯聚式流量模型，以主機為請求對象效率最高，流量的疏導和優(yōu)化在匯聚式流量模型中呈現(xiàn)一定規(guī)律性，較為容易疏導。
泛在的邊緣計算促使流量模型離散化，泛在的計算/存儲資源是滿足未來業(yè)務極致體驗的必然發(fā)展方向，流量模型更加扁平化、離散化；以信息為請求對象（ICN）有利于提高網(wǎng)絡使用效率。
網(wǎng)絡切片可以在提供專用網(wǎng)絡連接資源的同時，也提供定制化的相應的計算和存儲資源，以滿足泛在計算新型的流量模型。
圖3 扁平、離散式的流量模型
2.3 網(wǎng)絡及數(shù)據(jù)的安全
工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)的趨勢下，工廠內(nèi)網(wǎng)需要IP化進行互聯(lián)互通，部分數(shù)據(jù)會上傳至云端進行數(shù)據(jù)分析等。工廠網(wǎng)絡互聯(lián)互通為生產(chǎn)制造全流程自動化提供了網(wǎng)絡基礎，云網(wǎng)互聯(lián)為大數(shù)據(jù)分析優(yōu)化生產(chǎn)效率等提供了存儲及計算資源，同時，也將會帶來一定的安全風險。原本工廠層級化的組網(wǎng)模式可以使車間網(wǎng)絡免受互聯(lián)網(wǎng)攻擊帶來的影響，全網(wǎng)IP化為工廠全網(wǎng)以及各子網(wǎng)之間的安全性提出了更高的要求；工業(yè)數(shù)據(jù)上傳至云端也帶來了數(shù)據(jù)被竊取及篡改的風險，需要更加可靠和安全的專用網(wǎng)絡傳輸機制也來保障工業(yè)數(shù)據(jù)的安全。
3 解決方案
3.1 方案介紹
網(wǎng)絡切片是從運營商網(wǎng)絡中劃分出的一部分基礎設施資源以及網(wǎng)絡/業(yè)務功能實體形成的虛擬網(wǎng)絡及資源池，滿足垂直行業(yè)用戶在連接、帶寬、時延、安全、管理、可靠性等多樣化定制需求。
在傳統(tǒng)網(wǎng)絡“盡力而為”的傳輸方式下，多種業(yè)務流數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡中混合傳輸，相互干擾，無法確切保證某種業(yè)務流的傳輸需求，如圖4。網(wǎng)絡切片可以將大網(wǎng)資源進行細粒度劃分和專用，為不同業(yè)務提供定制化的保證能力，如同不同業(yè)務都在各自的“專網(wǎng)”上傳輸，互不干擾，具有專用性、異構性和靈活性等特點，如圖5。
專用性：網(wǎng)絡切片實現(xiàn)網(wǎng)絡資源的高隔離性來保證業(yè)務間的專用性，并可以提供帶寬時延等指標的保證。
異構性：網(wǎng)絡切片可以兼容承載網(wǎng)各管理域，形成全網(wǎng)絡資源視圖，實現(xiàn)端到端編排。
靈活性：網(wǎng)絡切片具備隨業(yè)務需求變化而靈活調(diào)整的能力，提供可定制的業(yè)務要求和體驗。
圖4 不同業(yè)務在傳統(tǒng)網(wǎng)絡中大多采用盡力而為的方式進行承載
圖5 網(wǎng)絡切片為不同業(yè)務提供隔離性強的定制化的保證能力
在網(wǎng)絡切片服務中，運營商是典型的網(wǎng)絡切片提供商，擁有網(wǎng)絡基礎資源及該資源上承載的各類網(wǎng)絡/業(yè)務功能實體，基礎資源和實體是網(wǎng)絡切片的組成元素；網(wǎng)絡切片的租戶可以是虛擬運營商、行業(yè)用戶及個人用戶。通過運營商的切片管理系統(tǒng)，租戶可以根據(jù)自己對基礎資源及網(wǎng)絡/業(yè)務功能的要求申請定制化切片服務。
3.2 系統(tǒng)架構
系統(tǒng)架構包含了網(wǎng)絡切片編排器（NSO）、可用的切片相關技術管理、底層網(wǎng)絡資源和功能等部分，并且包含了網(wǎng)絡配置模型（NCM）和設備配置模型（DCM）等模型。切片提供者將網(wǎng)絡切片作為服務(NSaaS)傳遞給用戶，但是往往用戶可能需要不同的切片技術來實現(xiàn)相關功能，這就需要網(wǎng)絡切片的編排器來協(xié)同異構的底層網(wǎng)絡資源。
圖6 網(wǎng)絡切片的編排架構
用戶NST通過服務模型來請求NSaaS,該服務模型用用戶的語言來描述切片，通常為業(yè)務體驗類的語言。切片提供者（運營商）將用戶需求翻譯給服務傳遞模型，這個模型可以用來描述運營商怎么使用自己的資源來提供支持業(yè)務。該傳遞業(yè)務模型會被發(fā)送到網(wǎng)絡切片的編排器（NSO），并且和不同的技術來映射，進一步分解到網(wǎng)絡配置模型中。最終在網(wǎng)絡配置模型（NCM）中建立起相對應的底層設施和功能的參數(shù)，從而調(diào)用相應的底層資源建立起相應切片的服務。
3.3 網(wǎng)絡拓撲設計
網(wǎng)絡切片的建立及業(yè)務的訪問流程如圖7所示，主要包括參數(shù)映射、切片編排與分發(fā)、域管理控制等。參數(shù)映射模型提供將切片用戶的業(yè)務需求映射為具體網(wǎng)絡性能指標的依據(jù)，切片編排與分發(fā)器調(diào)用相應底層的連接與存儲資源來實現(xiàn)不同指標網(wǎng)絡切片的建立，域管理控制實現(xiàn)網(wǎng)絡切片的跨域傳輸。
圖7 網(wǎng)絡切片的建立及業(yè)務傳輸流程
3.4 功能設計
3.4.1 網(wǎng)絡切片的智能化配置
網(wǎng)絡切片實施的關鍵步驟是將用戶的實際需求映射為傳統(tǒng)網(wǎng)絡質(zhì)量需求，例如將流暢清晰地播放視頻和語音，實現(xiàn)網(wǎng)絡設備的即插即用以及保障7天24小時隨時在線等需求，映射為網(wǎng)絡的平均峰值帶寬、時延、抖動以及故障保護等指標，從而使網(wǎng)絡切片提供商提供相應專用、隔離、服務可保證的網(wǎng)絡切片。并且，可以引入AI技術實現(xiàn)參數(shù)映射和迭代優(yōu)化，更好的滿足用戶需求。
圖8 網(wǎng)絡切片的智能化配置
3.4.2 網(wǎng)絡切片的跨域管理
跨管理域編排實現(xiàn)端到端的網(wǎng)絡切片管理，滿足不同網(wǎng)絡拓撲、性能與功能的需求。網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸過程中，不同的業(yè)務會由不同的方式或不同的網(wǎng)絡協(xié)議進行承載轉(zhuǎn)發(fā)。例如，分支機構向總部的業(yè)務請求，可能會經(jīng)過2層VPN到3層路由等協(xié)議，分支機構向云發(fā)送業(yè)務請求，可能會經(jīng)過無源光網(wǎng)絡到波分復用的轉(zhuǎn)換等。網(wǎng)絡切片需實現(xiàn)網(wǎng)絡各層級轉(zhuǎn)換的無縫銜接，保障業(yè)務數(shù)據(jù)流端到端的可識別性，從而提供專屬的網(wǎng)絡切片來進行承載和轉(zhuǎn)發(fā)。
圖9 網(wǎng)絡切片的跨域管理
3.4.3 計算資源與連接資源統(tǒng)籌調(diào)度和編排
網(wǎng)絡切片可以實現(xiàn)計算資源與連接資源統(tǒng)籌調(diào)度和編排，滿足垂直行業(yè)需求的網(wǎng)絡與計算資源一站式服務。傳統(tǒng)模式下，用戶需要分別向云服務提供者和互聯(lián)網(wǎng)服務提供者請求IaaS、PaaS、SaaS服務以及VPN、CDN等網(wǎng)絡服務。網(wǎng)絡切片可以通過仲裁服務商提供給用戶集成式一體化的端到端的服務。
圖10 網(wǎng)絡切片提供一站式服務
3.5 安全及可靠性
網(wǎng)絡切片技術的安全和可靠性在業(yè)界還有待討論，但網(wǎng)絡切片解決方案可以在一定程度的保障業(yè)務的安全性。網(wǎng)絡切片將網(wǎng)絡各層資源進行物理和邏輯上的劃分，具有非常強的隔離性，各切片之間共享物理網(wǎng)絡通道但互不干擾，某一條或幾條業(yè)務流的傳輸失敗或某個網(wǎng)絡切片的傳輸異常不會對其他切片和業(yè)務造成影響，保障了業(yè)務的可靠性。同時，網(wǎng)絡切片還可以利用加密、隧道協(xié)議等技術來保證業(yè)務流的傳輸安全性，避免數(shù)據(jù)被竊取識別，保障了業(yè)務的安全性。