面向服務可保證的工業互聯網網絡切片
中國移動研究院
網絡改造技術篇/前沿技術/工廠外網改造
1 概述
1.1 背景
工業互聯網浪潮下，IT、CT和OT技術已經出現深度融合的趨勢。IT需向OT注入敏捷靈活的業務應用，例如工廠網絡如今普遍引入MES、SCADA等工業軟件系統；工業生產流程正在向數字化與信息化發展；基于大數據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注入可靠可管的網絡服務，例如CT需滿足工業網絡有線或無線等接入方式的多元化需求；需要SDN技術實現網絡靈活調度集中優化；需要NFV技術實現網絡設備資源共享和多生態應用等，以保障低時延、高可靠、確定性的工業內外網絡承載。
在垂直行業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，不同垂直行業存在多樣化的網絡接入方式以及協議標準。另一方面，不同的業務也對組網有著差異化的需求，例如VxLAN、L2TP等的各類隧需求、苛刻的端到端網絡時延需求、極高的安全性及數據隱私保護需求和端到端的貸款保障與定制化QoS需求。在新型的網絡需求背景下，運營商需化“管”為“保”，提供服務質量可保障的能力，張弛有度地經營共贏生態，促進行業健康有序發展。
1.2 實施目標
網絡切片是從運營商網絡中劃分出的一部分基礎設施資源以及網絡/業務功能實體形成的虛擬網絡及資源池。面向服務可保證的工業互聯網網絡切片解決方案可以為垂直行業用戶提供連接、帶寬、時延、安全、管理、可靠性等多樣化的網絡定制服務。
1.3 適用范圍
本方案利用網絡各層的物理和邏輯隔離技術來劃分網絡資源，為垂直行業提供質量可保障的基礎網絡服務，適用于各個垂直行業以及對網絡質量有特殊需求的場景，例如低時延以及確定性時延的工業運動控制場景、企業各分部之間高安全需求的專線場景以及組網方式靈活可變的柔性制造場景等。
1.4 在工業互聯網網絡體系架構中的位置
圖1 工業互聯網互聯示意圖
本解決方案主要涉及工業互聯網體系架構中的工廠外部網絡（互聯網/移動網/專用網絡），并涉及多方面的業務流程，例如，工廠云平臺與協作平臺、智能產品與工廠之間數據的安全傳輸問題；也可應用于智能工廠內部網絡，例如智能機器與工廠控制系統的交互、智能機器之間的交互、工廠控制系統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 業務端到端時延可保證
傳統業務聚焦帶寬保證，現階段承載網通過建設專網、流量優化調度和及時擴容的手段，滿足業務對帶寬的需求。在較高的帶寬需求之外，新型業務為給用戶提供極致的業務體驗，對網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化，從數十毫秒提高到數毫秒，已經成為IP承載網未來技術演進的重要需求之一 。在車聯網、遠程醫療等極端業務場景中，時延要求達到1毫秒以下，否則業務將無法正常運行，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化，是端到端時延敏感型業務質量衡量的新維度，也對網絡承載技術提出了更高的要求。工業控制、遠程醫療、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協作的基礎。
工業互聯網網絡發展的目標是低時延+高確定性，不僅要實現及時性，更要實現準時性。時延指標無法用設備轉發能力的堆疊實現，而是需要從設備轉發面、控制面的實時性，設備部署位置等維度綜合考慮和優化，這將是下一代承載網面臨的重要挑戰和技術難題之一。
圖2 工業互聯網網絡時延優化目標
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，流量的疏導和優化在匯聚式流量模型中呈現一定規律性，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務極致體驗的必然發展方向，流量模型更加扁平化、離散化；以信息為請求對象（ICN）有利于提高網絡使用效率。
網絡切片可以在提供專用網絡連接資源的同時，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 網絡及數據的安全
工業互聯網的趨勢下，工廠內網需要IP化進行互聯互通，部分數據會上傳至云端進行數據分析等。工廠網絡互聯互通為生產制造全流程自動化提供了網絡基礎，云網互聯為大數據分析優化生產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模式可以使車間網絡免受互聯網攻擊帶來的影響，全網IP化為工廠全網以及各子網之間的安全性提出了更高的要求；工業數據上傳至云端也帶來了數據被竊取及篡改的風險，需要更加可靠和安全的專用網絡傳輸機制也來保障工業數據的安全。
3 解決方案
3.1 方案介紹
網絡切片是從運營商網絡中劃分出的一部分基礎設施資源以及網絡/業務功能實體形成的虛擬網絡及資源池，滿足垂直行業用戶在連接、帶寬、時延、安全、管理、可靠性等多樣化定制需求。
在傳統網絡“盡力而為”的傳輸方式下，多種業務流數據在網絡中混合傳輸，相互干擾，無法確切保證某種業務流的傳輸需求，如圖4。網絡切片可以將大網資源進行細粒度劃分和專用，為不同業務提供定制化的保證能力，如同不同業務都在各自的“專網”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：網絡切片實現網絡資源的高隔離性來保證業務間的專用性，并可以提供帶寬時延等指標的保證。
異構性：網絡切片可以兼容承載網各管理域，形成全網絡資源視圖，實現端到端編排。
靈活性：網絡切片具備隨業務需求變化而靈活調整的能力，提供可定制的業務要求和體驗。
圖4 不同業務在傳統網絡中大多采用盡力而為的方式進行承載
圖5 網絡切片為不同業務提供隔離性強的定制化的保證能力
在網絡切片服務中，運營商是典型的網絡切片提供商，擁有網絡基礎資源及該資源上承載的各類網絡/業務功能實體，基礎資源和實體是網絡切片的組成元素；網絡切片的租戶可以是虛擬運營商、行業用戶及個人用戶。通過運營商的切片管理系統，租戶可以根據自己對基礎資源及網絡/業務功能的要求申請定制化切片服務。
3.2 系統架構
系統架構包含了網絡切片編排器（NSO）、可用的切片相關技術管理、底層網絡資源和功能等部分，并且包含了網絡配置模型（NCM）和設備配置模型（DCM）等模型。切片提供者將網絡切片作為服務(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相關功能，這就需要網絡切片的編排器來協同異構的底層網絡資源。
圖6 網絡切片的編排架構
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務。該傳遞業務模型會被發送到網絡切片的編排器（NSO），并且和不同的技術來映射，進一步分解到網絡配置模型中。最終在網絡配置模型（NCM）中建立起相對應的底層設施和功能的參數，從而調用相應的底層資源建立起相應切片的服務。
3.3 網絡拓撲設計
網絡切片的建立及業務的訪問流程如圖7所示，主要包括參數映射、切片編排與分發、域管理控制等。參數映射模型提供將切片用戶的業務需求映射為具體網絡性能指標的依據，切片編排與分發器調用相應底層的連接與存儲資源來實現不同指標網絡切片的建立，域管理控制實現網絡切片的跨域傳輸。
圖7 網絡切片的建立及業務傳輸流程
3.4 功能設計
3.4.1 網絡切片的智能化配置
網絡切片實施的關鍵步驟是將用戶的實際需求映射為傳統網絡質量需求，例如將流暢清晰地播放視頻和語音，實現網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，從而使網絡切片提供商提供相應專用、隔離、服務可保證的網絡切片。并且，可以引入AI技術實現參數映射和迭代優化，更好的滿足用戶需求。
圖8 網絡切片的智能化配置
3.4.2 網絡切片的跨域管理
跨管理域編排實現端到端的網絡切片管理，滿足不同網絡拓撲、性能與功能的需求。網絡數據的傳輸過程中，不同的業務會由不同的方式或不同的網絡協議進行承載轉發。例如，分支機構向總部的業務請求，可能會經過2層VPN到3層路由等協議，分支機構向云發送業務請求，可能會經過無源光網絡到波分復用的轉換等。網絡切片需實現網絡各層級轉換的無縫銜接，保障業務數據流端到端的可識別性，從而提供專屬的網絡切片來進行承載和轉發。
圖9 網絡切片的跨域管理
3.4.3 計算資源與連接資源統籌調度和編排
網絡切片可以實現計算資源與連接資源統籌調度和編排，滿足垂直行業需求的網絡與計算資源一站式服務。傳統模式下，用戶需要分別向云服務提供者和互聯網服務提供者請求IaaS、PaaS、SaaS服務以及VPN、CDN等網絡服務。網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 網絡切片提供一站式服務
3.5 安全及可靠性
網絡切片技術的安全和可靠性在業界還有待討論，但網絡切片解決方案可以在一定程度的保障業務的安全性。網絡切片將網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絡通道但互不干擾，某一條或幾條業務流的傳輸失敗或某個網絡切片的傳輸異常不會對其他切片和業務造成影響，保障了業務的可靠性。同時，網絡切片還可以利用加密、隧道協議等技術來保證業務流的傳輸安全性，避免數據被竊取識別，保障了業務的安全性。