78、基于SDN/NFV的网络切片技术：原理、架构与安全

lemon

于 2025-10-06 11:43:55 发布

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分类专栏：智能系统前沿洞察文章标签： SDN NFV 网络切片

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基于SDN/NFV的网络切片技术：原理、架构与安全

1. 网络切片的特性

网络切片具有多个关键特性，这些特性确保了网络能够根据不同租户的需求提供定制化、高效且安全的服务。
- 隔离性 ：可通过多种方式实现，如使用不同物理资源、在网络资源上实施虚拟化技术，或通过特定策略共享资源并定义每个租户的访问权限。
- 定制化 ：确保为租户提供满足其服务需求的资源。
- 可编程性 ：是网络切片的基本关键，通过开放的应用程序编程接口（APIs）以编程方式控制每个切片的资源。
- 端到端 ：使服务能够轻松地从服务提供商提供到最终用户。
- 弹性：与资源分配相关，允许在不显著影响本切片或其他切片服务的情况下实现所需的服务级别协议。
- 简化性 ：通过简化架构降低网络切片操作的复杂性，但需要在灵活性和成本削减简化之间找到平衡。

2. 网络切片架构

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(虚拟化基础设施层):::process --> B(网络切片实例层):::process
    B --> C(服务实例层):::process
    D(网络管理和编排层):::process --> A
    D --> B
    D --> C

3. 网络切片生命周期

每个网络切片都有一个生命周期，可分为四个阶段：
- 准备阶段 ：此时没有网络切片，但会评估切片的需求，准备其他必要条件，并创建必要的网络环境。
- 调试阶段 ：在此阶段结束时，网络切片将准备好运行，期间会分配所需的网络资源。
- 运行阶段 ：包括多个与网络切片相关的子任务：
- 激活：通过一些操作（如将流量转移到切片）激活网络切片。
- 监督：持续监督网络切片。
- 监控：不断监控网络切片的性能指标。
- 修改：进行重新配置和更改网络切片的拓扑以适应必要的需求。
- 停用：将网络切片从活跃服务中移除。
- 退役阶段 ：此阶段之后，网络切片不再存在，因为在此阶段将释放分配给网络切片的资源和设置。

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(准备阶段):::process --> B(调试阶段):::process
    B --> C(运行阶段):::process
    C --> D(退役阶段):::process
    C1(激活):::process --> C2(监督):::process
    C2 --> C3(监控):::process
    C3 --> C4(修改):::process
    C4 --> C5(停用):::process
    C1 --> C
    C2 --> C
    C3 --> C
    C4 --> C
    C5 --> C

4. 网络切片类型

网络切片根据用例可分为两类：
- 垂直网络切片 ：特定网络切片内的所有节点执行相似功能，基础设施资源在各种服务和应用程序之间共享以提高服务质量（QoS），根据每个服务或应用程序分离流量。
- 水平网络切片 ：基础设施资源被划分为水平层，设备可以在多个切片上运行，分离计算资源以提供容量扩展，流量通常在接入网络和终端设备之间进行端到端本地传输。

此外，网络切片还可分为静态网络切片和动态网络切片：
- 静态网络切片 ：切片集预先创建，设备只需指定要连接的切片。
- 动态网络切片 ：运营商定义切片设计并动态分配和优化资源以适应服务需求或切片条件。

5. 网络切片实现场景

5.1 单所有者，单控制器

在这种场景中，使用单个控制器来管理网络切片，每个控制器专注于安排特定类型的网络基础设施资源域的资源。通过北向API接口在SDN控制之上实现管理和协调任务。SDN控制器在此情况下充当网络切片编排器和管理器。然而，这种场景适用于有限范围的网络，因为一个控制器控制所有不同的网络切片，会导致性能问题，并且代表单点故障，影响网络任务的可靠性和可用性。

5.2 单所有者，多控制器

该场景支持一个SDN代理，通过该代理将网络基础设施划分为多个虚拟网络，通常由基础设施所有者控制SDN代理。多个虚拟租户可以使用此场景在基础设施上部署自己的SDN控制器来管理网络切片并保持它们之间的隔离。FlowVisor是实现此场景的重要管理程序软件之一，它作为SDN代理拦截数据层和控制层之间的消息，将基础设施划分为相互隔离的逻辑网络切片，基础设施与FlowVisor以及FlowVisor与控制器之间通过OpenFlow协议进行通信。

5.3 多所有者，多控制器

此场景给予租户完全的自由，通过虚拟化层从基础设施层中选择所需的资源，为租户提供了灵活性。OpenVirteX网络虚拟化软件是实现这种情况的重要工具之一，尽管基础设施所有者保留对其SDN虚拟资源的控制权。

6. 网络切片安全

6.1 切片安全原则

网络切片的隔离特性是其最重要的特征，增强了网络切片架构的安全性和隐私性。一个网络切片不应影响其他切片，当特定切片受到攻击时，其他切片不受影响，且切片的状态信息不与其他切片共享。安全的基本目标包括机密性、完整性、可用性、认证和授权，在网络切片概念中的定义如下：
| 安全目标 | 描述 |
| — | — |
| 机密性 | 当数据包仅在同一切片或允许与之通信的切片内可用，且数据包内加载的信息仅对授权人员或最终用户可用时，实现网络切片的机密性。 |
| 完整性 | 意味着只有网络切片所有者能够更改应用程序、指定流、切片配置等。 |
| 可用性 | 表示基础设施按照MANO的约定或指定为网络段提供可用服务，要求NSMs和NFs始终保持可访问。 |
| 认证 | 验证连接到每个网络切片的人员和设备的真实性，以及与NFV管理和编排器（MANO）通信的验证和认证，以便仅由授权人员管理网络元素。 |
| 授权 | 指允许用户访问特定切片，每个切片的访问由切片所有者的管理进行控制，而基础设施提供商对网络切片管理和计费拥有完全控制权。 |

6.2 网络切片安全威胁及解决方案

6.3 网络切片安全研究

网络切片作为新一代网络中的重要概念，在满足不同用户需求和提高网络资源利用率方面具有巨大潜力。然而，为了确保其安全可靠地运行，需要深入研究和解决安全方面的问题。随着网络技术的不断发展，网络切片安全预计将在未来占据重要地位。

7. 网络切片技术优势总结

8. 不同实现场景对比

graph LR
    classDef process fill:#E5F6FF,stroke:#73A6FF,stroke-width:2px;
    A(单所有者，单控制器):::process --> B(简单管理):::process
    A --> C(单点故障):::process
    D(单所有者，多控制器):::process --> E(租户灵活):::process
    D --> F(管理复杂):::process
    G(多所有者，多控制器):::process --> H(租户自由):::process
    G --> I(协调复杂):::process

9. 安全威胁影响分析

网络切片面临的安全威胁对不同安全目标会产生不同程度的影响，以下表格总结了各威胁向量对主要安全目标的影响：
| 威胁向量 | 机密性 | 完整性 | 可用性 | 认证 | 授权 |
| — | — | — | — | — | — |
| 攻击切片 - 服务连接 | ✔ | ✔ | ✔ | | |
| 攻击切片 | ✔ | | | | |
| 攻击切片 - 资源层连接 | ✔ | ✔ | ✔ | | |
| 攻击切片管理 | ✔ | ✔ | ✔ | ✔ | |
| 攻击基础设施资源 | ✔ | ✔ | | | |

从表格中可以看出，不同的威胁向量对安全目标的影响各有侧重。例如，攻击切片 - 服务连接对机密性、完整性和可用性都有影响；而攻击切片主要影响机密性。了解这些影响有助于针对性地制定安全策略。

10. 未来发展展望

网络切片技术在新一代网络中已经展现出巨大的潜力，随着技术的不断发展，未来有望在以下几个方面取得进一步的突破：
- 更广泛的应用场景 ：随着5G、物联网等技术的普及，网络切片将在更多行业得到应用，如智能交通、工业互联网、医疗等领域，满足不同行业对网络的特殊需求。
- 安全技术的提升 ：针对网络切片面临的安全威胁，未来将有更多先进的安全技术出现，如更强大的加密算法、智能的入侵检测系统等，保障网络切片的安全运行。
- 自动化管理 ：借助人工智能和机器学习技术，实现网络切片的自动化管理和优化，提高管理效率和资源利用率。
- 标准和规范的完善 ：随着网络切片技术的发展，相关的标准和规范将不断完善，促进不同厂商之间的互操作性和兼容性。

网络切片技术作为现代网络发展的重要方向，虽然目前还面临一些挑战，但随着技术的进步和研究的深入，必将在未来的网络环境中发挥更加重要的作用。通过不断优化其特性、架构和安全机制，网络切片将为用户提供更加安全、高效、定制化的网络服务。