SDN/NFV推波助瀾　網路切片技術實現5G多元應用

因此，營運商可以透過雲端運算、軟體定義網路(SDN)，以及網路功能虛擬化(NFV)等工具，進行網路切片，將一個實體網路劃分成為多個對應不同應用服務情境之虛擬邏輯網路，為5G未來廣泛多元應用情境提供最優化、具動態性、安全性與彈性之服務。

愛立信(Ericsson)發在發展5G初期便對網路切片技術寄予厚望。隨後於2015年7月，愛立信與南韓電信(SK Telecom)簽署發展5G關鍵系統技術之合作備忘錄，關聯技術即包括核心網路與網路切片(Network Slicing)；2015年10月下旬，兩業者宣布於南韓首爾市盆唐區的SK Telecom的企業研發中心成功測驗、展示5G網路切片技術。

愛立信與南韓電信實現5G網路切片技術

在本次的展示中，南韓電信聯合愛立信部署以優化5G應用服務為目的之測試環境，採用基於NFV概念創建的虛擬化演進分組核心網路(virtualized Evolved Packet Core, vEPC)解決方案，包括Ericsson Regional Cloud Lab以及超大規模數據中心系統--HDS 8000，並利用單一實體網路切分為多重相異虛擬邏輯網路的網路切片技術，建構、對應不同使用族群所需相異的應用情境，包括大規模物聯網(Massive Internet of Things)、多視角(Multi-view)與擴增/虛擬實境(Augmented Reality/Virtual Reality)等面向未來5G之應用服務。

藉由網路切片技術，南韓電信得以不同的虛擬網路片段(Slices)中各自隔離並保護，進而解決了前述多個虛擬邏輯網路共享同一實體網路之挑戰。

諾基亞視網路切片為5G關鍵技術

對諾基亞(Nokia)而言，為解決傳統網路不夠靈活之問題，須要針對核心網路且該網路架構能自動且彈性地對無線網路進行動態調整，進而滿足日後5G發展下，多元、相異的服務，隨時間地點變化之流量、網路拓撲延伸與種種傳輸需求。

2015年9月，Nokia提出「可編程之5G網路架構」，強調該架構可以滿足上述多元服務針對延遲性、可靠性、網路傳輸吞吐量與移動性等需求；其中，可實現前述彈性化需求的技術，便是可在同一個基礎架構中建構多個獨立專屬虛擬子網路之網路切片概念，且每個切片可支持特定應用。

因此，網路切片技術有助於營運商在未來5G發展下，擴張、升級現有服務，並創建「網路即服務(Network as a Service)」之跨垂直應用行業，如製造業、汽車與醫療等新興聯網服務與商業模式，不僅能夠顯著提升個別行業運行效率，亦能增加營收來源。

網路切片滿足5G應用情境

未來5G應用不脫國際電信組織(ITU)所產闡述的三大使用情境軸向，包括增強型行動寬頻、超可靠且低延遲通訊、大規模機器型通訊，並且形塑出三種應用類型：行動寬頻(Mobile Broadband)、大規模物聯網/機器型通訊(Massive MTC)以及任務導向物聯網/機器型通訊(Mission-critical MTC)。

在5G網路架構發展過程當中，面對迥異的應用領域須具備高度彈性，靈活且多用途，以支應其各領域不同的特點與需求(圖1)。

圖1 5G網路應用情境劃分

也因此，5G網路切片技術的發展受到眾多大廠與ITU及下一代行動網路(NGMN)等國際組織的高度關注，除前述愛立信、諾基亞與南韓電信外，還包括日本NTT DOCOMO、德國的德國電信、中國最大營運商中國移動，以及系統設備大廠華為與中興等業者。其中，中國移動所提出的5G網路能力開放及網路切片管理與編排相關技術更寫入了《ITU 5G網路標準技術指導建議書》，對後續國際組織於5G之技術標準布局具重要意涵。

國際標準組織標準力推5G Slice

早在2015年2月由NGMN所提出的「5G白皮書(5G White Paper)」針對未來5G網路架構設計的闡述，便將網路切片技術的概念納入其中。

在5G白皮書中，NGMN稱網路切片技術為「5G Slice」，可支持針對特定連結型態並利用特定方式處理C-/U-plane之通訊服務。

5G Slice可謂5G網路功能與特定無線接取技術(RAT)組合之集合，以支應特殊應用案例或商業模式。因此，在NGMN的設計中，網路切片技術「5G Slice」可跨越包含在雲端節點運行的軟體模組、支援在傳輸網路中針對功能進行特殊且靈活的配置、專用無線電配置或特定RAT，以及5G終端的配置等5G網路架構中的各個範疇領域。

由國際主要營運商所集結的NGMN對於5G Slice的思考主軸是：僅提供該應用情境/案例所需傳輸功能，其他功能皆非必要且可避免使用。

在NGMN白皮書中針對網路切片技術有所描述與定義之後，3GPP於2015年4月所提出的「新型態服務與市場技術的可行性分析報告(TR 22.891 v0.1.1)」中，亦討論了可滿足消費者與企業多元服務客製化需求，且針對網路、雲端與管理相關服務量身訂製，以滿足下世代5G通訊的各類網路需求與使用情境的網路切片技術。

在3GPP TR 22.891的技術報告之中，描述網路切片是邏輯網路功能的集合，可以支持特定應用情境的通訊服務要求。該技術應可基於所訂閱服務或終端，為滿足營運商需求，讓用戶端設備藉由特定的網路切片方式取得服務。

在整體網路架構上，網路切片主要分割核心網路，但不排除在實體層的無線接取網路(RAN)需要特定功能時進行設計，以支持不同網路切片資源的分割或多個切片。

由於未來5G應用服務的發展將以物聯網為提案主軸，促使新形態通訊市場更朝向垂直細分邁進，形成各類新興應用服務情境，進而促使對網路的需求更加多樣化。

也因此，為了能針對大規模垂直細分網路服務模式進行更有效率的處理，不同服務模式相互隔離之必要性因而提升；也就是說，包含網路內的設備、傳輸、接取和核心網路在網路切片技術下所形成的虛擬網路皆各自邏輯獨立，任一虛擬邏輯網路發生故障並不會影響其他虛擬邏輯網路。

為了明確掌握網路切片技術的可行性，在此份技術可行性分析報告中，3GPP便進一步提出了兩大需求規範方向：「潛在服務需求規範(Potential Service Requirements)」以及「潛在營運需求規範(Potential Operational Requirements)」。以確保在後續標準訂定的過程中，網路切片技術之發展能符合未來5G應用情境之需求。

隨後同年9月下旬，於義大利舉辦的ITU FG-IMT-2020會議中，與會者亦針對網路切片技術提出意見，其中亦討論SDN與NFV在5G網路架構發展以及網路切片技術的重要性。

SDN/NFV催化網路切片技術

在4G的時代，網路基礎架構主要以手機為終端裝置，藉由包含遠端無線電裝置(Remote Radio Unit, RRU)與基頻單元裝置(Base Band Unit, BBU)之無線接取網路(RAN)，以及多由系統設備業者提供專用設備的核心網路所組成。

然而，為了進行網路切片，便必須先將網路功能虛擬化(Network Function Virtualization)。

NFV透過將原專用網路設備如核心網路中策略和計費規則功能(Policy Charging And Rules Function, PCRF)、服務閘道器(Serving Gateway, SGW)、數據封包閘道器(Packet data Network Gateway, PGW)與移動管理實體(Mobility Management Entity, MME)等軟硬體功能，轉移至低成本且安裝容易、構築於行業標準的商用現成伺服器產品(Commercial Off-The-Shelf, COTS)之虛擬主機(Virtual Machines, VMs)上。換句話說，即是以現成符合行業標準的伺服器、存取與網路設備，取代過去在網路中的專用設備。而透過網路功能的虛擬化，原核心網部分可視為核心雲端(Core Cloud)，無線接取網路端則可稱為邊緣雲端(Edge Cloud)，兩者間藉由VMs，透過SDN相互連結。

網路切片技術主要藉由SDN連結邊緣雲端與核心雲端的虛擬機器。在核心雲端裡頭具備虛擬化伺服器，伺服器中的虛擬機器監視器(Hypervisor)內建虛擬路由器(Virtual Router)及虛擬交換器(Virtual Switch)功能；SDN控制器(SDN Controller)的任務，是將每個核心雲端中的虛擬伺服器，與安裝於雲端資料中心的閘道器(DC G/W)經由MPLS L3 VPN路由器建構兩者之間的SDN通道(Tunnels)。當SDN控制器開始執行MPLS L3 VPN和SDN通道之間的匹配串連後，邊緣雲端可經由IP/MPLS骨幹網路與核心雲端建立連結，而針對特定應用的網路切片得以形成。

藉由雲端運算、NFV與SDN等軟硬體技術彼此間的交互作用，使5G網路得以用抽象的方式打造系統架構，進而提升網路靈活性，允許垂直化的系統得已被細分為多個片狀建構區塊，架構出可連結、程式化和虛擬化之網路型態；進而讓營運商利用網路切片作業，進行網路的虛擬化，並如前述般，將一實體網路針對不同使用情境需求，靈活分切為多個平行獨立且不牴觸之虛擬邏輯網路。

如此一來，營運商提供多元化的5G應用服務當下，得以最大限度地降低信令、將休眠週期最大化，並且為特定服務發送訊號當下可精簡資料傳輸。藉由SDN與NFV所支持的網路切片技術也讓端到端(E2E)的連結更具安全性，並且有利於營運商在成本與能耗方面的控制。

展望5G發展，其應用將以增強型行動寬頻應用、超可靠及低延遲通訊以及大量連結機器型通訊三主軸延伸，演化出多姿多彩面向高速行動寬頻、大規模物聯網與任務導向物聯網等概念的使用情境，例如以增強型行動寬頻為主要軸向，搭配超可靠且低延遲通訊後，相關應用包括3D/超高畫質(UHD)影像、擴增實境、自動駕駛汽車等；而搭配大規模機器型通訊，則形塑出智慧家庭、智慧建築甚至擴及智慧城市。在此態勢下，5G技術與基礎網路架構勢必須要隨之演化。

網路切片技術提升5G差異化服務

對未來5G服務的關鍵提供者─行動營運商而言，如何實現越來越垂直細分的應用服務，並且滿足5G應用情境所要求之可靠性、安全性、可用性、低延遲、傳輸速度、傳輸容量、連接數量以及覆蓋範圍等特性需求，將是首要挑戰。

憑藉傳統蜂巢式網路基礎架構，利用單一專用通訊及資訊設備或許能支應單一服務類型的網路；但是，面對多樣多變、需客製化的5G未來應用服務，傳統網路架構則難以彈性、具效率且符合使用者需求地進行擴展升級，無法靈活地調整以滿足新興應用需求，而最重要的是，依照傳統架構進行布建升級，將大幅提升營運商的成本。

因此，藉由雲端運算技術、SDN與NFV等網路虛擬化技術，可協助行動營運商打造各個網路切片，並透過網路功能虛擬化編排/協調平台(NFV Orchestration Platform)管理各個網路切片功能。

隨著物聯網、行動寬頻技術持續發展，用戶及客戶對服務之要求快速地朝多樣化及差異化方向邁進，因此在不影響行動營運商既有網路基礎設備的經濟效益情況下，為打造成本效率更佳，且具備面對多元應用服務，以低成本進行網路部署的解決方案，透過網路切片所建構的專用虛擬邏輯網路便是最佳選項之一。

行動營運商可利用網路切片為各類垂直產業客戶提供依據服務需求及裝置狀況，迅速且有效率之客製化5G應用服務；為滿足未來變化萬千的5G使用情境，亦針對客戶特定服務需求智慧化分配網路資源與系統容量、組合通訊技術類型，以提供相應的優化服務系統架構。

同時，在未來若部署新興5G無線接取技術，亦可靈活地擴展建構出全新型態應用情境，進而打造更多元創新的5G應用服務商業模式，實現「Network as a Service」之目標。

(本文作者為資策會MIC資深產業分析師)