视频技术系列：谈谈网络切片SPN技术创新和能力

作者，中国移动李琳，咪咕灯塔项目组

随着 3GPP 5G 非独立（NSA）和独立（SA）组网标准的正式冻结，相对 4G 网络，5G 在业务特性、核心网等多个方面将发生显著变化，三大业务场景（eMBB，mMTC和URLLC）对承载网提出新要求，中国移动为此创新提出了切片分组网（SPN，Slicing Packet Network），同时，咪咕汇 5G+8K 超高清直播也用到了承载网硬切片。本文将简述 SPN 在承载网切片传输的技术创新。

1. 5G 承载网络总体架构

“5G商用，承载先行”，5G 承载网络是为 5G 无线接入网和核心网提供网络连接的基础网络，不仅要为这些网络连接提供灵活调度、组网保护和管理控制等功能，还要提供带宽、时延、同步和可靠性等方面的性能保障，承载网整体转发组网架构见下图。

5G 承载网络转发面组网架构，引用自 IMT-2020(5G) 推进组承载工作组发布的《5G 承载需求分析》白皮书

5G 承载网络分为省干和城域两大部分：

城域接入层主要为前传、中传和回传提供网络连接；

城域的汇聚、核心层和省干层面不仅要为回传提供网络连接，还需对接核心网，为部分核心网元之间的接口提供网络连接。

切片是一种端到端的按需定制传输链路的技术，能保证业务对网络指标要求的前提下，同时保证业务之间的隔离性。端到端主要包括接入切片、承载网切片和核心网切片三大部分，SPN 是应用在中间承载网切片的技术体系。

2. SPN 承载网络

SPN 是上述 5G 承载网在前传、中传和回传上的主要技术方案，能够提供基于以太网技术的硬隔离和分组交换技术的软隔离。面向 5G 承载的 SPN 组网架构如下所示。

面向 5G 承载的 SPN 组网架构

SPN 承载业务数据，对接接入网和核心网，通过切片映射等方式拉通基站接入切片和核心网切片，从而提供端到端的切片服务。在介绍具体的创新技术方案之前，首先呈现 SPN 整体的技术栈如下图所示。

SPN 网络协议分层架构

SPN 网络协议架构主要包括：

切片分组层 SPL：使用 MPLS/SR-TP/SR-BE 路由技术，处理分组数据的路由，主要提供切片通道软隔离；

切片通道层 SCL：使用切片以太网技术（SE），处理切片中以太网通道的组网，实现传输时的通道硬隔离；

切片传送层 STL：切片的物理层编、解码，及 DWDM （Dense Wavelength Division Multiplexing）光传送处理，向上使用 FlexE 对接 SCL 层的 SE 技术；

此外，还有实现高精度时频同步，以及时钟同步的功能模块。接下来，将自下而上介绍每一层使用的技术及应用方式。

切片传送层 STL

STL 层负责提供网络接口，分为 OIF FlexE Group 链路接口、IEEE 802.3 以太网灰光接口（客户接入层）或 WDM 彩光接口（汇聚和核心层），其中，物理层光传输不算是新型关键技术，较为重要的是 FlexE 技术，即 Flex Ethernet 灵活以太网。

标准 Ethernet 与 FlexE 结构，引用自华为《灵活以太网技术白皮书 (2018版)》

简单而言，FlexE 把多个物理端口进行“捆绑合并”，形成一个虚拟的逻辑通道，并通过划分 Slot 分发的机制进行分时调度，以支持更高、灵活组合的业务速率，可视为标准以太网 + 时隙调度 Shim，解耦了 MAC 链路层和物理层介质。例如，客户业务速率是 400GE，但设备物理通道端口的速率是 25GE、100GE 或其它速率。那么，通过 FlexE 端口捆绑和时隙交叉技术，就能轻松实现业务带宽 25G->50G->100G->200G->400G->xT 的逐步演进。

切片通道层 SCL

SCL 层采用切片以太网（SE，Slicing Ethernet）技术，在下层 FlexE 技术基础上，为业务提供传输硬隔离通道。SE 将以太网切片从端口绑定级向网络转发技术扩展，在中间节点基于以太网码流进行交叉转发，例如使用 SE-XC 技术，省去了使用分组转发时拆包查路由的流程，大大降低了时延。

此外，基于 IEEE802.3 码块扩展，可以在 SCL 层转发侧或 FlexE 接入侧采用空闲（IDLE）帧替换，调整转发速率，实现切片以太网通道的 OAM 和保护能力。

切片分组层 SPL

SPL 层可实现对 IP、以太网、CBR 等业务的管道封装和寻址转发，提供 L2VPN、L3VPN、CBR 透传等多种业务类型承载能力。其中，最重要的创新是为了满足 5G 承载 L3 （网络层）灵活转发的需求，SPN 在 SPL 层采用 SDN 管控架构和分段路由（SR）。

分段路由（SR）与 MPLS 类似都是一种 “2.5 层” 的协议，通过在二层链路报文和三层 IP 报文之间嵌入标签转发标识的方式，避免三层路由查表的时间开销，大大降低传输网络的时延。与 MPLS 相比，SR 省去了复杂的链路状态同步协议，支持 SDN 集中下发标签路径和拓展 IGP 协议进行标签分发两种模式，分别对应 SR-TP 和 SR-BE。

SR-TP（Segment Routing Transport Profile）是基于 SDN 集中管控的、面向连接的隧道技术，集中化的控制器可以依据不同的路由策略计算和控制 SR-TP 路由，适用于面向连接的业务承载；

SR-BE（Segment Routing Best Effort）通过拓展 IGP 协议自动扩散 SR 节点标签生成，面向无连接的业务转发场景，可在 IGP 域内生成全互联的隧道连接，但基于 IGP 生成的路由转发通路，不能准确保证链路 QoS，也就是所谓 Best Effort 的由来。

分段路由 SR 转发示意图，数据包按照转发标签栈进行逐跳转发

直观理解，SR 技术是在入域节点提前标记好转发路径，例如快递公司知道北京到上海的快递经过苏州中转是最快的，那么在北京发往上海的所有快递上打上“北京->苏州->上海”的标签，那么快递就会按照出发标记的路径进行转发。在 SPL 层使用 SR 进行转发，可通过集中化 SDN 的方式，为业务数据定制特殊的路由通路（软隔离），保证业务的 SLA 需求。

此外，在 SPL 层还用了 MPLS-TP 技术，简化了 MPLS 协议，支持面向连接的端到端 OAM，与 SR 并列作为 L3 转发的候选方案。

小结

综上，SPN 以分层的技术架构，提供从最底层灰光/彩光的物理传输，到 FlexE 转发通道硬隔离，再到 SCL 层构建以太码流交叉为基础的转发组网，最后 SPL 层以 SR 为代表的多种软隔离路由方案，最终为业务提供不同组合形式的切分方案。

4. SPN 优势及 5G 切片的问题现状

上文已经提到 SPN 网络要支持 CBR 业务、L2VPN 和 L3VPN 等业务，可根据应用场景需要灵活选择业务映射路径，如下图所示。

SPN 业务路径映射

①/② + ④ + ⑧ 路径是兼容目前 3G/4G PTN 的多业务承载方案， ①/②/③ + ⑤/⑥ + ⑦ + ⑧/⑨是 SPN 支持的新业务承载方案。实际业务可按需根据对承载网前/中/回传链路的 SLA 需求和具体的组网方式，灵活配置业务路径。

再看，SPN 优势

业务按需选择软硬隔离特性，是全球已商用的 5G 承载系统中唯一既支持硬切片又支持软切片的传输技术，如下图。其中，TDM 交换通过切片以太网（SE）通道，在以太网实现 66B 码块的交叉通道，实现切片硬隔离；分组交换通过 MPLS-TP 或者 SR 和 QoS 机制，保证切片通路软隔离。

SPN 切片即服务特性。通过与接入和核心网之间的切片映射，拉通基站切片、SPN 切片、5G 核心网切片的整合系统，提供端到端切片服务。

当前，5G 切片的现状及问题

5G 承载网络 SPN 已支持切片，针对不同业务要求，提供软、硬隔离的切片通道，但目前仍有管理编排问题尚待解决；

SLA 全局监控和保障机制仍需增强。切片 SLA 需要全局监控、闭环保障，包括接入切片、SPN 切片和核心网切片三个环节，目前还缺乏有效端到端监控和动态调整的机制；

网络切片商用普及尚不成熟，不只要承载网 SPN 支持切片，还需要按上文所述在非实验环境下拉通无线、传输和核心网三个环节，整体实现切片流程后才能进一步普及商用；

切片调度编排能力，各子域实现参差不齐，核心网切片编排配置和管理领域相对完善，但仍需少量人工干预；

目前，单切片端到端业务流程已验证完善，能够为单应用特殊定制业务通路，例如咪咕汇通过打通无线端资源预留、承载网硬切片、核心网 UPF 专享实现了端到端 5G 网络切片“专享通道”，但是在大网中多切片的并发场景有待进一步支持，同时 4/5G 互操作、漫游等方案仍在推进。