5G 网络切片的虚拟资源管理

5G网络切片的虚拟资源管理5G网络切片的虚拟资源管理模型5G网络切片的虚拟资源管理模型网络功能虚拟化后的5G核心网络架构，为网络切片的实现提供了可行性保障；科学合理的虚拟资源管理方案，则为网络切片的可用性提供了支撑。资源管理的目的是为业务请求提供访问物理资源的接口；虚拟资源管理的目的是为各种虚拟网络功能寻找满足运行条件的虚拟化基础设施，并且通过对VNF的合理编排和调度，实现资源的优化分配，提高资源利用率和业务提供能力。因此5G网络切片的虚拟资源管理就是加入了5G特殊场景和服务需求的虚拟资源管理。5G网络切片的虚拟资源管理不能套用传统的虚拟资源管理方案，网络切片由运行在NFVI上的各类VNF构成，5G网络中的VNF和互联网中的VNF相比具有独有的特殊属性，具体表现如下：（1） 5G网络业务种类繁多，VNF的开发厂家将不仅仅局限于运营商，包括原有的设备制造商、第三方服务提供商等都可以开发各个功能的VNF。因此相对互联网络来说，5G网络VNF的异构性和性能差异性将更加明显；（2） 5G网络的移动属性决定了其VNF除了具有互联网的特点以外，不同的VNF对资源的需求具有很大的差别。例如以UDM、AUSF、NSSF等公用控制网络功能为例，该类VNF在网络中长期存在，对底层物理资源的需求不会在短时间内动态变化，呈现出资源需求固态化、静态化的特点；反而对于SMF、UPF等专用网络功能和第三方应用为例，该类VNF会根据不同的应用场景和业务，实时动态的产生资源需求，呈现出资源需求实时化、动态化特点；（3）5G网络需要支持低时延高可靠的uRLLC场景，在对VNF进行虚拟资源管理时，必须相对于互联网更加注重业务的提供时延。针对上述情况，在进行5G网络切片的虚拟资源管理方案时必须进行特殊的考虑，下文将会展开详细论述。在本小节中，首先建立5G网络切片的虚拟资源管理模型，如图1所示。

S求展功能层AISFAMFNSSFUPF役施层qo—&aS求展功能层AISFAMFNSSFUPF役施层qo—&a|i 物理基础设施 I虚拟资源管理层应用层图15G网络切片的虚拟资源管理模型5G网络切片的虚拟资源管理模型包括需求层、功能层、设施层、应用层和虚拟资源管理层五部分组成。其中虚拟资源管理层是进行资源管理的大脑和控制中枢，虚拟资源管理层也称为MANO层，面向需求层产生的服务请求，从功能层选择合适的VNF，并根据各VNF对资源的需求以及设施层可提供的资源状况，实现VNF在设施层上的映射和部署，由此构建应用层的各类网络切片。MANO系统主要由网络功能虚拟化编排器(NetworkFunctionVirtualizationOrchestrate,NFVO)、虚拟网络功能管理器(VirutalNetworkFunctionManage,VNFM)及虚拟化基础设施管理器(VirualInfrastructureManage,VIM)组成。(1)网络功能虚拟化编排器NFVO是NFV系统的编排器，负责网络服务的管理和NFV的全局资源管理。NFVO编排不同的VNF组成虚拟服务网络，并管理VNF与NFVI资源的关联和映射关系。一个NFVO可以同时管理多个VNFM和多个VIM[22]。NFVO功能体系如图2所示。

M化VKFNSNFVM：能限烦排功哉ft理誓理曾理tfsS1 Or*Vrdm Or*ViEMSVNFMVIML J\_J<_ _J图2NFVO功能体系架构OSS/

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BSSPR忙理功tfeVNFHfl柠理VNF配雹VNF性能fl?理VNF故障NS4命冏期怦刖NS性nNSat障tfenVNFNFVO业务如排与骨理 船阳住理功龍凤图|第盹1爭fll户停理1後理VNFN呂PNF背理业务编排与管理功能主要通过编排网络切片中VNF的组成以及VNF之间的顺序关系，来定义提供特定服务的虚拟网络拓扑结构。该功能包括：NS生命周期管理、NS性能管理、NS故障管理和VNF转发图管理等。资源编排与管理功能支持一个VIM域内或跨VIM域的资源编排，为业务编排提供资源管理上的支持。该功能主要包括基础设施资源管理和虚拟化资源管理两大类，也是本文的主要研究内容。通用管理功能包括：视图管理、策略管理、安全管理、多租户管理、软件镜像管理、VNF包管理、NS模板管理和PNF模板管理等。（2） 虚拟网络功能管理器VNFM除了包括传统的故障管理、配置管理、计费管理、性能管理和安全管理外，还包括将VNF在解耦的虚拟资源上安装、初始化、运行、扩缩容、升级、下线的端到端生命周期管理。每个VNF实例都有一个与之相关的VNFM，一个VNFM可以负责管理一个单独的VNF实例，或者多个相同或不同类型的VNF实例。（3） 虚拟化基础设施管理器VIM负责控制和管理NFVI所包含的虚拟资源，并提供给VNFM和NFVO调度使用。一个VIM可能被指定管理某一特定类型的NFVI资源（例如，仅管理计算资源/存储资源/网络资源），也可以管理多种NFVI资源。三、5G网络切片的虚拟资源管理过程从NFVO中的资源编排与管理功能可以看出，虚拟资源管理主要实现虚拟资源的编排、VNF资源管理、资源配额管理等功能。因此5G网络切片虚拟资源管理的主要目的是对VNF进行编排、部署、调度，以此使得总体业务时延和资源利用率最优网络切片的虚拟资源管理主要有如下几个关键阶段：（1）编排：对5G网络切片来说，其编排功能由NFVO中的业务编排与管理功能来实现，编排的主要目的是根据需求确定网络切片的VNF组成，以及各个VNF的执行顺序。在编排之前，首先NFVO根据业务需求，确定该网络切片所需VNF的功能、性能、类型，从功能层的虚拟网络功能资源库中选择符合要求的VNF；然后根据切片的功能和业务提供模式，对各个VNF之间的执行顺序进行编排，构成一个端到端的虚拟业务网，按需向用户提供服务。（2）部署:5G网络切片的部署功能由NFVO中的资源管理与编排功能实现，其主要目的是根据NFVI提供的底层物理资源情况，结合切片中各个VNF对资源的实际需求，完成VNF在底层物理资源的映射部署。部署的目标有两个：一是部署完成后，使底层物理网络的计算开销、传输带宽开销、存储开销最优；二是部署完成后，使网络切片的服务提供时延最优[2