韩柳燕
中国移动通信研究院高级工程师，主要从事5G承载和同步方面的研究、量子信息等方面的技术研究与标准制定工作。
王敏学
中国移动通信研究院工程师，主要从事城域网管控和切片方面的研究。
张婷婷
中国移动通信研究院工程师，主要从事城域网管控和切片方面的研究。
张德朝
中国移动通信研究院技术经理，主要从事传送网和接入网方面的研究。
论文引用格式：
韩柳燕，王敏学，张婷婷，等. 面向5G承载的SPN技术及应用[J]. 信息通信技术与政策, 2020(5):6-10.
面向5G承载的SPN技术及应用
韩柳燕 王敏学 张婷婷 张德朝
（中国移动通信研究院，北京 100053）
摘要：介绍了面向5G承载的SPN架构、技术特点，以及SPN承载5G网络切片和MEC接口的技术方案。
关键词：5G承载；SPN；切片；MEC
1 引言
5G移动通信技术将成为推动社会数字化发展的驱动力，相对于4G技术，5G网络将面向多业务、多场景构建融合网络，数据速率需求进一步增长，在吞吐率、时延、连接数量、能耗等方面进一步显著提升了系统性能。5G将进一步拓展各种垂直行业应用，如智能制造业、能源行业、医疗行业、电力行业等。同时，垂直行业应用需求多样性催生出网络切片技术，运营商能够通过网络切片技术在一张物理网络或平台上构建多个专用、虚拟化、互相隔离的逻辑网络，来满足不同客户对网络能力的不同要求。SPN（切片分组网）作为新型的传输体系，能够满足多元化应用场景需求，其中5G移动承载为其主要应用场景。SPN全新的架构、多项关键技术及切片能力能够很好地满足5G移动承载的需求。
2 SPN概念及主要技术特点
SPN技术架构分层包括切片分组层（SPL）、切片通道层（SCL）、切片传送层（STL），以及时间/时钟同步功能模块和管理/控制功能模块（见图1）。切片分组层用于分组业务处理，提供对客户业务信号以及对客户业务的L2 VPN或L3 VPN，通过SR-TP、SR-BE、MPLS-TP隧道承载；切片通道层采用基于TDM时隙的MTN Path和MTN Section技术，提供硬管道交叉连接能力；切片传送层用于提供IEEE 802.3以太物理层编解码和光传输媒质处理。
图1 SPN技术架构
SPN的几大主要技术特点包括SDN集中管控、高效的以太组网、软硬网络切片、灵活的业务调度等。
（1）SDN集中管控：SPN基于集中管控的网络架构，提供网络的敏捷化和开放性能力，实现灵活可编程的柔性网络。SPN承载网络SDN是E2E SDN/NFV架构下的重要组成部分，上层由网络协同层实现与无线网、核心网等多网络域的协同，提供无缝的E2E资源管理呈现、业务发放能力。SDN控制器对承载网的能力进行抽象，屏蔽下层网络实现技术，实现跨域、跨厂商的协同组网，通过网络资源监控，对网络的资源进行实时闭环调度，最大化资源利用率。
（2）高效的以太组网：基于以太网产业链，构筑最低成本的大带宽组网能力，实现接入层50 GE/100 GE、汇聚核心层100 GE/200 GE的高速率端口。通过MTNGroup和DWDM技术对多端口进行绑定，实现灵活的带宽扩展能力，使单纤、单端口传输容量达到数T级别。
（3）软硬网络切片：承载网切片是实现E2E网络切片的重要基础，通过切片以太网TDM通道实现切片硬隔离；通过以太网包交换通道，实现基于SR的包交换通道；再通过QoS实现切片软隔离。支持按照用户需求修改逻辑切片网络属性，满足不同网络切片带宽、时延承载要求。
（4）灵活的业务调度：SPN通过灵活的隧道和寻址转发技术,实现点到点、点到多点、多点到多点业务的灵活匹配；通过SE寻址转发，实现基于L1的业务调度；通过MAC/MPLS寻址转发，实现基于L2的业务调度；通过IP寻址转发，实现基于L3的业务调度。
3 5G SPN网络切片
3.1 切片需求
5G网络将支持多种业务和应用场景，例如具有更高带宽、更低时延的增强移动宽带（eMBB）业务，海量用户连接的物联网（mMTC）业务，以及超高可靠性、超低时延的（uRLLC）业务等。“网络切片”是5G区别于4G的标志性技术之一，通过逻辑“专网”服务垂直行业，是运营商拓展行业客户、催生新型业务、提高网络价值的有力抓手。
目前，电力、媒体、银行、工业和交通等很多行业已经对网络切片提出了相应要求。网络需要端到端的切片来保障业务的差异化承载，基于切片的网络架构将是未来承载网的基础能力要求。
3.2 切片对接
如图2所示，5G网络为行业用户提供端到端切片时，切片对接包括无线接入网络、SPN网络、核心网络几个部分的对接。无线网、传输网、核心网之间的切片转发、对接只能在各个切片域可见的报文字段内选择可用切片对接标识，当前可见字段范围包括IP头和Ethernet头两部分，其中IP头内可能用于识别切片的字段为DSCP（差分服务代码点）和目的IP地址。
图2 无线网、传输网和核心网之间的切片对接
（1）DSCP：通常用于在无线、核心网和传输网络之间映射QoS标识符。尽管有些值（例如未分配的代码点）可用于网络切片互通标识，但可能导致QoS映射和网络切片映射的混乱。当前，DSCP字段本身支持数量有限且已有部分数值被在网络中分配使用，无法满足分片数量的要求。
（2）目的IP地址：可以在不同分片网络中分配不同的IP网段，目标IP地址可以用作网络片互通标识符。然而，目的IP地址需要参与到整个转发处理流程中，必需全网的统一规划，且部分切片场景无线/核心网的分片网络可以使用重复的IP地址，无法作为全局标识网络分片。
以太网报头内可能用于识别切片的字段为VLAN ID和VLAN PRI字段。
（1）VLAN ID：广泛地应用于无线接入网与传输网，以及传输网与核心网之间用于分片网络的接入节点和核心边缘节点之间的VPN业务，天然具备标识各个切片域的网络分片。VLAN ID标识仅在无线网、传输网和核心网之间对接接口的本地有效，无需全网统一规划，VLAN ID值可以重复使用。当前，对接接口可使用的有效范围为4K，可以满足当前网络分片规格的要求。
（2）VLAN PRI：主要用于标识以太报文的优先级，该优先级可由IP报文的DSCP优先级映射而生成，也可以由承载网本身进行优先级的映射设定。由于VLAN PRI字段已经在现网广泛使用，且只有8个优先级范围，用于标识切片显然无法满足分片数量的要求。
（3）QinQ：基于QinQ的两层VLAN ID方式，主要解决的是VLAN ID数量不足的场景，可支持的数量达4K×4K的范围，用于标识网络切片足够满足要求。但由于QinQ标识在无线网、承载网及核心网范围内不是天然属性，需要统一在各个分片域的设备均对其支持，而当前分片规格远小于QinQ可支持的范围。
基于以上分析，可使用VLAN ID+优先级（DSCP及VLAN PRI）作为转发面切片对接标识。无线侧基站通过NSSAI对切片业务进行识别，在将报文转发给传输SPN时，根据NSSAI与VLAN ID 的映射表配置VLAN ID，根据优先级映射表配置VLAN PRI以及IP DSCP；传输SPN网络接收到报文后，对端口+VLANID进行识别，查找其对应的L3 VPN，基于VLAN PRI以及IP DSCP配置隧道优先级并进行转发。传输SPN在PE网元会基于不同的L3 VPN，为报文配置VLAN和VLAN PRI/IP DSCP，然后将报文转发给核心网网元；核心网网元基于NSSAI与VLAN ID映射表进行NSSAI识别，基于优先级映射表实现核心网优先级的识别，进而实现核心网内部切片。
3.3 SPN切片方案
SPN技术支持软硬切片，切片可以基于不同层产生：基于SPL层的某一个VPN相关联，就形成了基于SPL层的传输切片；基于SCL层的MTN通道，就形成了基于SCL层的传输切片；与某个物理链路或WDM波长相关联，就形成了基于物理层的传输切片。基于物理层的传输切片主要是通过专用的物理链路或波长为大客户提供专线服务。
如果一个切片为单一用户所使用，这种切片被称之为独享切片。在独享切片被使用时，该用户的多种业务被映射到对应的传输切片；如果一个切片承载多个用户的同一个业务，或是多个用户的多个业务，这种切片被称之为共享切片。在共享切片被使用时，多个用户的同一个业务或是多个用户的多个业务被映射到同一个传输切片。综合SPN的能力，SPN切片承载可以考虑提供以下实现方式。
（1）独享硬切片：基站将其切片ID映射为一个独享的VLAN ID传给SPN，SPN对于这种VLAN ID，直接为其配置一条端到端独享的硬切片通道。这条硬切片通道可以提供TDM隔离、超低处理时延和带宽等各项性能保障（见图3）。
图3 独享硬切片方式
（2）共享集客硬切片+VPN隔离：基站将其切片ID映射为一个独享的VLAN ID传给SPN，SPN对于这种VLAN ID，为其配置一个独享的L3 VPN及一条SR隧道，但是这条隧道和其他切片隧道共享一个TDM Client通道，不为其配置独享的TDM切片。在共享的TDM切片中，不同的L3 VPN切片用户通过VPN隔离，通过CIR配置保障带宽（见图4）。
图4 共享集客硬切片+VPN隔离方式
（3）共享大网切片+VPN隔离：基站将其切片ID映射到一个独享的VLAN ID，SPN将其放入一个和eMBB共享的TDM Client通道，配置独享的L3 VPN。用户通过VPN隔离，通过CIR配置保障带宽（见图5）。
图5 共享大网切片+VPN隔离方式
4 SPN承载MEC场景分析
行业应用是5G的重要场景，5G的大带宽、低时延、切片等特性为其行业应用提供了基础，边缘计算也是融合应用的关键技术之一。5G核心网组网方式和位置发生变化，5G核心网控制面和用户面分离，5G核心网UPF会随着MEC下沉至园区、区县甚至接入层，部署位置灵活多变。MEC下沉之后还有灵活连接的需求，未来MEC之间会有东西向流量以满足垂直行业的移动性需求。这些势必要求网络提供不同颗粒业务的灵活调度的功能，而且随着互联的网络规模和流量的急剧增加，更需要网络提供有效的操作维护管理、保护、快速部署等能力的保障。SPN所具备的灵活连接、切片等能力适合于MEC下沉之后的互联和承载需求。
MEC城域内与移动回传位置一致，近期以N3/N4/N6/N9接口承载需求为主（见图6）。SPN可采用L3 VPN或L2 VPN承载。MEP上互联网接口可以采用SPN L2 VPN上联到最近的互联网络接入点。通过SPN承载，可以实现回传网络、MEC互联及上联场景的融合承载，方便整个网络的规划、开通、运维、优化。在SPN网络内部可以通过不同切片承载不同场景的业务。
图6 MEC涉及的接口类型
5 结束语
SPN基于光层、以太网层、IP层的高效融合理念，实现了L0~L3的多层次融合，可提供高可靠硬隔离的硬分片和弹性可扩展的软分片能力，具备在一张物理网络进行资源切片隔离的能力，形成的多个虚拟网络可为多种业务提供差异化的服务等级协议。随着5G网络开始建设，示范性业务逐步开展，SPN能为各种行业用户提供个性化的承载能力，满足MEC下沉之后的互联和承载需求，从而有力支撑5G业务的蓬勃发展。
参考文献
[1] 韩柳燕. 承载网络如何支持5G 发展[J]. 通信世界,2019(19): 42-43.
[2] IMT-2020(5G) 推进组. 5G 网络技术架构白皮书[R], 2015.
[3] 中国通信标准化协会. 切片分组网络(SPN)总体技术要求研究报告[R], 2018.
SPN technology and application for 5G transport
HAN Liuyan, WANG Minxue, ZHANG Tingting, ZHANG Dechao
（China Mobile Research Institute, Beijing 100053, China）
Abstract: This paper introduces the SPN architecture and technical features for 5G transport. It also analyzes the technical scheme of SPN-carrying 5G network slicing and MEC interconnecting.
Key words: 5G transport; SPN; slicing; MEC
本文刊于《信息通信技术与政策》2020年第5期
主办：中国信息通信研究院
《信息通信技术与政策》是工业和信息化部主管、中国信息通信研究院主办的专业学术期刊。本刊定位于“信息通信技术前沿的风向标，信息社会政策探究的思想库”，聚焦信息通信领域技术趋势、公共政策、 国家/产业/企业战略，发布前沿研究成果、焦点问题分析、热点政策解读等，推动5G、工业互联网、数字经济、人工智能、区块链、大数据、云计算等技术产业的创新与发展，引导国家技术战略选择与产业政策制定，搭建产、学、研、用 的高端学术交流平台。
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