5G 网络切片的理论框架与资源隔离机制研究

一、引言

移动通信技术不断发展，5G 网络凭借高速率、低时延、大容量等特性成为各行业数字化转型的关键推动技术，并且 5G 网络得支持像增强移动宽带（eMBB）、大规模机器类型通信（mMTC）和超可靠低时延通信（URLLC）这样多样化的应用场景，由于各场景对网络性能和资源需求差别很大，网络切片技术成为 5G 网络核心技术之一以满足多样化需求。

网络切片就是在共用的物理基础设施上以软件定义的手段把网络分成好多虚拟且相互独立的逻辑网络，不同业务需求下各个切片能被定制化配置从而有特定的服务质量保证，网络切片技术的关键是资源隔离机制，该机制能让不同切片的资源互不干扰进而保证切片的性能和安全性。

二、5G 网络切片的理论框架

2.1 网络切片的定义

网络切片是一种由无线接入网、核心网和传输网等部分构成的端到端逻辑网络，能给特定业务或者用户群体提供定制化网络服务，其每个切片网络功能、资源和管理策略都是独立的，可满足不同业务的差异化需求。

2.2 网络切片的架构

5G 网络切片架构主要有切片管理系统、网络功能虚拟化（NFV）基础设施和软件定义网络（SDN）控制器等部分，切片的生命周期管理由切片管理系统负责，像切片创建、删除、修改、监控之类的都在其管理范围内，虚拟网络功能（VNF）的运行环境由 NFV 基础设施提供，将网络功能软件化以后，网络资源就能灵活分配与管理了，网络的流量调度和资源分配由SDN 控制器负责，靠着集中式控制平面，网络智能化管理得以实现。

2.3 网络切片的关键技术

2.3.1 网络功能虚拟化（NFV）

传统网络设备功能（像路由器、交换机之类的）被 NFV 技术以软件形式在通用服务器上运行来实现，并且 NFV 让网络运营商能按照业务需求灵活部署配置网络功能从而提高网络灵活性和可扩展性。

2.3.2 软件定义网络（SDN）

网络的控制平面和数据平面被SDN 技术分离，网络由集中式的控制器统一管理调度，SDN 能让网络流量灵活转发、资源动态分配，从而提高网络性能和管理效率。

2.3.3 网络切片编排

网络切片编排按照业务需求与网络资源情况自动化地创建、部署并管理网络切片，网络运营商借助它能快速回应不同业务需求，提升网络服务质量与运营效率。

三、5G 网络切片的资源隔离机制

3.1 资源隔离的必要性

5G 网络里不同网络切片或许承载着有着不同优先级和不同安全要求的业务，若不同切片资源无法有效隔离就可能出现资源竞争和干扰从而影响切片性能与安全性，要保证网络切片正常运行资源隔离机制很关键。

3.2 资源隔离的方式

3.2.1 物理隔离

不同切片间资源的隔离可通过独立物理设备和链路的使用来达成，这就是物理隔离，其隔离效果佳、安全性强，但成本高、资源利用率低，军事通信、金融交易等对安全性和可靠性要求超高的业务适用物理隔离。

3.2.2 逻辑隔离

通过软件定义的方式，在共享的物理基础设施上实现不同切片间资源隔离就是逻辑隔离，多种技术手段如虚拟专用网络（VPN）、虚拟局域网（VLAN）、网络功能虚拟化（NFV）等能实现逻辑隔离，逻辑隔离成本低且资源利用率高，但是其可隔离效果相对较弱，需要靠严格的安全机制保障切片安全。

3.2.3 混合隔离

混合隔离这种方式是把物理隔离与逻辑隔离结合起来，在混合隔离时安全性和可靠性要求极高的业务可采用物理隔离，其他业务则可采用逻辑隔离，且混合隔离能在确保安全的提高资源利用率。

3.3 资源隔离机制的应用场景

不同应用场景适用不同资源隔离方式，像工业互联网领域，关键生产环节通信业务安全性和可靠性要求超高适用物理隔离方式，而非关键监测和管理业务适用逻辑隔离方式，智能交通领域也一样，自动驾驶车辆通信业务时延和可靠性要求极高，采用混合隔离方式才能确保通信稳定安全。

四、5G 网络切片资源隔离机制的挑战与解决方案

4.1 挑战

4.1.1 资源管理复杂度高

5G 网络切片得支持多样化业务需求且不同切片资源需求差异特大，这使得资源管理复杂度大增，如何合理分配管理资源、确保各切片性能和服务质量是个急需解决的问题。

4.1.2 安全风险

不同安全级别的业务可能由不同切片承载，得靠资源隔离机制保障切片间的安全，而实际应用时，技术漏洞不断变化，攻击手段也不断变化，网络切片就面临各种安全风险，像切片间非法访问、数据泄露这些。

4.1.3 兼容性问题

多种技术和标准被 5G 网络切片涉及，像 NFV、SDN、网络切片编排之类的，并且不同厂商设备和系统间也许会有兼容性问题，这会对网络切片的部署与运行产生影响。

4.2 解决方案

4.2.1 智能化资源管理

智能化的资源管理算法和策略被采用，像人工智能、机器学习这类技术能实现网络资源的动态分配与优化，并且在实时监测网络状态和业务需求后，资源分配会自动调整，从而提高资源利用率和切片性能。

4.2.2 多层次安全防护

安全防护体系要建得多层次，涵盖物理安全、网络安全、应用安全等方面，并且用上加密技术、访问控制技术、入侵检测技术等手段，网络切片的安全性才能有保障，要加强安全管理和监测，这样才能及时发现并处理安全事件。

4.2.3 标准化和互操作性

要统一并规范 5G 网络切片相关技术和标准就得加强不同厂商设备与系统的互操作性，制定统一接口标准和协议后不同切片就能实现互联互通协同工作。

五、结论

5G 网络切片技术是满足多样化业务需求的有效解决方案，本文对5G网络切片的理论框架和资源隔离机制深入探究并剖析不同隔离方式的特性与应用场景，对资源隔离机制面临的挑战及解决方案加以探讨，5G 网络大规模部署与应用之时，网络切片技术会持续发展完善且资源隔离机制也会愈发成熟可靠，将来，网络切片技术将在工业互联网、智能交通、智能家居等领域广泛应用以推动各行业数字化转型发展。

参考文献：

[1]邬贺铨.5G 网络切片技术[J].信息通信技术与政策,2018(11):1-5.

[2]王映民,孙韶辉,邓伟,等.5G 网络切片技术研究[J].电信科学,2017,33(11):1-8.

[3]赵慧玲,张海懿,汤瑞,等.5G 网络切片的关键技术与挑战[J].中兴通讯技术,2017,23(5):1-6.

[4]罗振东,唐雄燕,段晓东.5G网络切片的资源隔离与管理[J].电信科学,2018,34(11):1-7.

[5]肖善鹏,郭志恒,何云,等.5G 网络切片技术综述[J].通信学报,2018,39(12):1-15.白紫琪,1994 年 3 月，女，汉，鄂尔多斯市伊金霍洛旗,本科，工程技术——信息技术服务