CN117439890B - 5g专网的端到端切片网络系统 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例提供一种5G专网的端到端切片网络系统，包括全连接管理平台、工厂5G UPF、企业核心交换机、5G接入网元和工业内网；全连接管理平台分别与工厂5G UPF和企业核心交换机连接，工厂5G UPF与5G接入网元连接，企业核心交换机连接工业内网；工厂5G UPF与5G接入网元之间设置有VXLAN隧道，企业核心交换机与工厂5G UPF之间设置有VXLAN隧道群；工业内网规划的VLAN分别纳入TRUNK VLAN配置，且TRUNK VLAN与VXLAN隧道群进行绑定，从而能够实现端到端基于业务的虚拟企业专网切片，以及实现5G专网切片与企业内网切片融合管理功能，形成5G专网的端到端切片网络。

Description

5G专网的端到端切片网络系统
技术领域
本申请涉及互联网技术领域，特别涉及一种5G专网的端到端切片网络系统。
背景技术
随着以5G、大数据、云计算、区块链、人工智能等为代表的新一代信息技术加快普及与应用，数据已成为驱动经济社会发展的关键要素，正推动着实体经济发展模式、生产方式深刻变革。作为新基建的重要内容，5G和工业互联网正呈现出融合叠加、互促共进、倍增发展的创新态势。各企业在建设5G+工业互联网过程中，特别是对于生产要素的全面连接（以下简称“全连接”）过程中，往往需要构建基于业务的端到端虚拟专网。而目前电信运营商仅能提供5G空口侧的切片网络；企业内网侧可实现基于网络端口或者设备的物理切片，且与5G空口切片无法协同，从而无法实现端到端基于业务的虚拟企业专网切片。
因此，现有技术存在缺陷，有待改进与发展。
发明内容
本申请实施例提供一种5G专网的端到端切片网络系统，能够实现端到端基于业务的虚拟企业专网切片，以及实现5G专网切片与企业内网切片融合管理功能，形成5G专网的端到端切片网络。
本申请实施例提供一种5G专网的端到端切片网络系统，包括全连接管理平台、工厂5G UPF、企业核心交换机、5G接入网元和工业内网；
所述全连接管理平台通过有线网络接口分别与所述工厂5G UPF和所述企业核心交换机连接，所述工厂5G UPF通过空口方式与所述5G接入网元连接，所述企业核心交换机连接所述工业内网；
所述工厂5G UPF的N3接口与所述5G接入网元之间设置有VXLAN隧道，所述N3接口和所述5G接入网元分别为VTEP节点；
所述企业核心交换机的上行接口和下行接口均配置为TRUNK VLAN模式，且所述上行接口与所述工厂5G UPF的N6接口之间设置有VXLAN隧道群；
所述工业内网规划的VLAN分别纳入TRUNK VLAN配置，且TRUNK VLAN与所述VXLAN隧道群进行绑定；
所述VXLAN隧道包括第一VXLAN隧道和第二VXLAN隧道隧道，所述第一VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第一VLAN组成第一切片，实现5G专网内的工业设备与工业内网的工业设备形成端到端切片专网，所述第二VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第二VLAN组成第二切片，实现5G专网内工业现场的一个PLC与工业内网的一台主机形成端到端切片专网。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述5G接入网元包括5G工业网关/5G DTU和5G CPE。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述内网第一VLAN为所述第一VXLAN隧道接入的所述5G接入网元所属VLAN，所述第二VLAN为所述第二VXLAN隧道接入的所述5G接入网元所属VLAN。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述第一VXLAN隧道接入的所述5G接入网元为所述5G工业网关/5G DTU，所述第二VXLAN隧道接入的所述5G接入网元为所述5G CPE。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述全连接管理平台采用直接连接的方式与所述工厂5G UPF连接。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述全连接管理平台通过UPF网管平台与所述工厂5G UPF连接。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述全连接管理平台连接所述企业核心交换机的北向接口。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述全连接管理平台管理所述5G接入网元的方式有三种，包括通过 5G工业网关/5G DTU接入管理、 5G CPE 接入管理以及5G 终端设备直连接入管理。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述工厂5G UPF的N6接口为VTEP接口，所述企业核心交换机配置有VTEP接口。
在本申请实施例所述的5G专网的端到端切片网络系统中，所述全连接管理平台用于给企业自主构建灵活的端到端网络切片，以实现一种基于5G专网与企业工业内网相结合的网络功能。
本申请实施例提供的5G专网的端到端切片网络系统，包括全连接管理平台、工厂5G UPF、企业核心交换机、5G接入网元和工业内网；全连接管理平台通过有线网络接口分别与工厂5G UPF和企业核心交换机连接，工厂5G UPF通过空口方式与5G接入网元连接，企业核心交换机连接工业内网；工厂5G UPF的N3接口与5G接入网元之间设置有VXLAN隧道，N3接口和5G接入网元分别为VTEP节点；企业核心交换机的上行接口和下行接口均配置为TRUNKVLAN模式，且上行接口与工厂5G UPF的N6接口之间设置有VXLAN隧道群；工业内网规划的VLAN分别纳入TRUNK VLAN配置，且TRUNK VLAN与VXLAN隧道群进行绑定；VXLAN隧道包括第一VXLAN隧道和第二VXLAN隧道隧道，第一VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第一VLAN组成第一切片，实现5G专网内的工业设备与工业内网的工业设备形成端到端切片专网，第二VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第二VLAN组成第二切片，实现5G专网内工业现场的一个PLC与工业内网的一台主机形成端到端切片专网。即本申请实施例通过构建5G接入网元切片和企业内网切片，形成5G专网的端到端切片网络，通过全连接管理平台统一管理工业现场5G核心网网元和工业现场网络，通过构建VXLAN隧道实现一种5G专网切片与企业内网切片融合管理的功能，以此实现5G全连接场景下端到端网络切片构建与管理。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本申请实施例提供的5G专网的端到端切片网络系统的网络拓扑图。
图2为本申请实施例提供的5G接入网元切片构建图。
图3为本申请实施例提供的企业内网切片构建图。
图4为本申请实施例提供的端到端切片网络形成示意图。
图5为本申请实施例提供的全连接管理平台构建5G专网的端到端切片网络系统的流程图。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。
本申请实施例提供一种5G专网的端到端切片网络系统。请参阅图1至图5，该5G专网的端到端切片网络系统包括全连接管理平台、工厂5G UPF、企业核心交换机、5G接入网元和工业内网。
其中，UPF即User Plane Function，用户平面功能。数据从基站到网络的路由转发是它的主要功能，是核心网里唯一的处理数据的模块，剩下的模块都是处理信令的，也就是做网络控制的。5G核心网是彻底的控制面与用户面分离，就是用户面模块仅仅处理数据，控制面模块仅仅负责实现网络管控。
其中，核心交换机并不是交换机的一种类型，而是放在核心层(网络主干部分)的交换机叫核心交换机。核心交换机应当全部采用模块化结构，必须拥有相当数量的插槽，具有强大的网络扩展能力，以保护原有的投资。模块化结构拥有更强劲的性能、更大的灵活性和可扩充性，可以根据现实或者未来的需要选择不同数量、不同速率和不同接口类型的模块，以适应千变万化的网络需求。
所述全连接管理平台通过有线网络接口分别与所述工厂5G UPF和所述企业核心交换机连接，所述工厂5G UPF通过空口方式与所述5G接入网元连接，所述企业核心交换机连接所述工业内网。
所述工厂5G UPF的N3接口与所述5G接入网元之间设置有VXLAN隧道，所述N3接口和所述5G接入网元分别为VTEP节点。
即构建5G UPF N3接口到5G接入网元的VXLAN隧道，其中5G UPF N3接口和5G接入网元分别是VTEP节点，如图2（5G接入网元切片构建图）所示。
其中，VXLAN(Virtual Extensible LAN)，是一种网络虚拟化技术，基于IP网络且采用“MAC in UDP”封装形式的二层 VPN 技术。试图改进大型云计算的部署时的扩展问题，可以说是对vlan的一种扩展。VXLAN 可以基于已有的服务提供商或企业IP网络，为分散的物理站点提供二层互联，并能够为不同的租户提供业务隔离。VXLAN技术通过建立VXLAN隧道,在现有网络架构上创建大量的虚拟可扩展局域网，不同的虚拟可扩展局域网使用VNI(VXLAN Network Identifier，虚拟可扩展局域网网络标识符)进行标识。
其中，VTEP（VXLAN Tunnel Endpoint）负责VXLAN报文的封装和解封装。每个VTEP具备两个接口，一个是本地桥接接口，负责原始以太帧接收和发送，另一个是IP接口，负责VTEP数据帧接收和发送。
所述企业核心交换机的上行接口和下行接口均配置为TRUNK VLAN模式，且所述上行接口与所述工厂5G UPF的N6接口之间设置有VXLAN隧道群。
其中，TRUNK VLAN是交换机VLAN功能的一种设置，是一种允许交换机某些端口可以转发多个VLAN数据的一种设置，一般交换机端口上设置该功能，该端口就可以允许指定的带某些VLAN ID的报文转发，不在指定范围内的VLAN报文不允许转发，即在TRUNK VLAN模式下，上行接口和下行接口允许指定的带某些VLAN ID的报文转发，不在指定范围内的VLAN报文不允许转发。其中，VXLAN隧道群即包括多个VXLAN隧道。
其中，如图3（企业内网切片构建图）所示，通过全连接管理平台，以netconf协议打通企业核心交换机管理层，为企业核心交换机的上行接口（S0）配置TRUNK VLAN模式，并与工厂5G UPF的N6接口之间配置VXLAN隧道群（multi-VXLAN）（上行VXLAN隧道配置）。
所述工业内网规划的VLAN分别纳入TRUNK VLAN配置，且TRUNK VLAN与所述VXLAN隧道群进行绑定。
其中，VLAN(Virtual Local Area Network)的中文名为“虚拟局域网”。虚拟局域网(VLAN)是一组逻辑上的设备和用户，这些设备和用户并不受物理位置的限制，可以根据功能、部门及应用等因素将它们组织起来，相互之间的通信就好像它们在同一个网段中一样，由此得名虚拟局域网。VLAN是一种比较新的技术，工作在OSI参考模型的第2层和第3层，一个VLAN就是一个广播域，VLAN之间的通信是通过第3层的路由器来完成的。与传统的局域网技术相比较，VLAN技术更加灵活，它具有以下优点: 网络设备的移动、添加和修改的管理开销减少；可以控制广播活动;可提高网络的安全性。在计算机网络中，一个二层网络可以被划分为多个不同的广播域，一个广播域对应了一个特定的用户组，默认情况下这些不同的广播域是相互隔离的。不同的广播域之间想要通信，需要通过一个或多个路由器。这样的一个广播域就称为VLAN。
其中，之所以要将TRUNK VLAN与VXLAN隧道群进行绑定（一一对应），是因为VXLAN隧道群配置中，需要将可以通过VXLAN隧道转发的VLAN进行一一指定，不指定的VLAN报文不允许通过VXLAN转发，例如VXLAN10对应vlan10，VXLAN11对应vlan11。
其中，如图3（企业内网切片构建图）所示，通过全连接管理平台，为企业核心交换机下行接口（S1）接口配置成TRUNK VLAN模式，即允许多个VLAN接入。通过工业内网规划的VLAN（即工业内网S3、S4接口VLAN），分别纳入TRUNK VLAN配置，并将TRUNK VLAN与VXLAN隧道群（multi-VXLAN）进行绑定（下行VLAN配置）。其中，图3中的S2接口为工业内网上行端口，也配置成TRUNK VLAN模式，并与S1接口同样配置，即与S1允许同样的VLAN接入。
所述VXLAN隧道包括第一VXLAN隧道和第二VXLAN隧道隧道，所述第一VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第一VLAN组成第一切片，实现5G专网内的工业设备与工业内网的工业设备形成端到端切片专网，所述第二VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第二VLAN组成第二切片，实现5G专网内工业现场的一个PLC与工业内网的一台主机形成端到端切片专网。
其中，基于以上5G接入网元切片、企业内网切片的构建，形成5G专网的端到端切片网络，如图4（端到端切片网络形成示意图）所示。其中，VLAN1业务通过5G内网的VXLAN1隧道（第一VXLAN隧道）、企业内网VXLAN隧道群（Mulit-vxlan隧道）和内网VLAN1（内网第一VLAN）共同构建成切片1（第一切片），该切片实现两个不同网络区域内（5G区域、内网区域）的两台工业设备形成端到端切片专网。VLAN2业务通过5G内网的VXLAN2隧道（第二VXLAN隧道）、VXLAN隧道群（企业内网Mulit-vxlan隧道）和内网VLAN2（内网第二VLAN）共同构建成切片2，该切片实现5G专网内工业现场的一个PLC与企业内网的一台主机形成端到端切片专网。
其中，日常维护过程中，只需要通过全连接管理平台，针对VXLAN进行构建、并对5G接入网元、企业内网接口VLAN进行动态调整，即可实现灵活组建端到端网络切片功能。
本申请实施例通过构建5G接入网元切片和企业内网切片，形成5G专网的端到端切片网络，通过全连接管理平台统一管理工业现场5G核心网网元和工业现场网络，通过构建VXLAN隧道实现一种5G专网切片与企业内网切片融合管理的功能，以此实现5G全连接场景下端到端网络切片构建与管理。
在一些实施例中，所述5G接入网元包括5G工业网关/5G DTU和5G CPE。
在一些实施例中，所述内网第一VLAN为所述第一VXLAN隧道接入的所述5G接入网元所属VLAN，所述第二VLAN为所述第二VXLAN隧道接入的所述5G接入网元所属VLAN。
在一些实施例中，所述第一VXLAN隧道接入的所述5G接入网元为所述5G工业网关/5G DTU，所述第二VXLAN隧道接入的所述5G接入网元为所述5G CPE。
例如，如图4所示，配置VXLAN1（第一VXLAN隧道）接入的5G接入网元（5G DUT/工业网关）所属VLAN为VLAN1（内网第一VLAN）；配置VXLAN2（第二VXLAN隧道）接入的5G接入网元（5G CPE）所属VLAN为VLAN2（第二VLAN）。
在一些实施例中，所述全连接管理平台采用直接连接的方式与所述工厂5G UPF连接。
在一些实施例中，所述全连接管理平台通过UPF网管平台与所述工厂5G UPF连接。
其中，全连接管理平台与5G UPF可以采用直接连接的方式进行连接，如现场有UPF网管平台，全连接管理平台也可以直接连接UPF网管平台，通过UPF网管平台与所述工厂5GUPF连接。
其中，5G 网络在工厂内主要部署方式是混合专网，将原有在运营商 5G 核心网侧的用户面功能（UPF）下沉至企业内，供企业专用。该网络部署方式因建设成本适中，可满足业务数据不出企业的要求，是当前较为广泛采用的5G 网络部署方式，所以对企业来说，UPF设备监管异常重要。5G UPF自带网管平台，实现对网元的统一管控，同时向第三方平台开发相关的网关设备和设备运行信息，因此如企业现场有部署5G UPF自带网管平台，亦可直接管理，本申请此处不区分接入UPF网元本身或者UPF网管平台。
在一些实施例中，所述全连接管理平台连接所述企业核心交换机的北向接口。
其中，全连接管理平台连接企业核心交换机的北向接口，可实现基于NETCONF/SNMP方式的管理。
其中，北向接口(Northbound Interface)是为厂家或运营商进行接入和管理网络的接口，即向上提供的接口。网络中使用接口编程开发各种应用系统管理被管理对象，管理的方法是采集和分析被管理对象在运行中产生的各种数据。在电信网和NGN网络(下一代融合网络)中管理是分层实现的，可以将这种网络管理分成三层：应用层、数据处理层和数据管理层。其中应用层和数据处理层之间的数据交互定义有接口，由于应用层位于数据处理层之上，因此这种接口称之为北向接口。
在一些实施例中，所述全连接管理平台管理所述5G接入网元的方式有三种，包括通过 5G工业网关/5G DTU接入管理、 5G CPE 接入管理以及5G 终端设备直连接入管理。
在一些实施例中，所述工厂5G UPF的N6接口为VTEP接口，所述企业核心交换机配置有VTEP接口。
在一些实施例中，所述全连接管理平台用于给企业自主构建灵活的端到端网络切片，以实现一种基于5G专网与企业工业内网相结合的网络功能。
其中，日常维护过程中，只需要通过全连接管理平台，针对VXLAN进行构建、并对5G接入网元、企业内网接口VLAN进行动态调整，即可实现灵活组建端到端网络切片功能。
其中，本发明可以基于SDN控制器方式构建全连接管理平台，主要考虑已经实现工业内网SDN化的场景。
如图5所示，图5为全连接管理平台构建5G专网的端到端切片网络系统的流程图。
本发明没有改变现有5G空口侧的切片的结构而是基于运营商构建的5G空口切片，通过VXLAN协议构建一种灵活的二层虚拟切片技术，通过全连接管理平台统一进行调度管理，与企业内网VLXAN隧道与VLAN共同构建端到端的网络切片。主要优势有以下两点：
①、企业可通过全连接管理平台自主构建灵活的端到端网络切片，而不用通过运营商，真正通过全连接管理平台实现一种基于5G专网与企业内网相结合的网络即服务功能；
②、企业可构建5G专网与企业内网相结合的专网环境，实现云化PLC、远程采集与控制等对端到端网络有安全性、稳定性要求的场景应用。
上述所有可选技术方案，可以采用任意结合形成本申请的可选实施例，在此不再一一赘述。
具体实施时，本申请不受所描述的各个步骤的执行顺序的限制，在不产生冲突的情况下，某些步骤还可以采用其它顺序进行或者同时进行。
由上可知，本申请实施例提供的5G专网的端到端切片网络系统，包括全连接管理平台、工厂5G UPF、企业核心交换机、5G接入网元和工业内网；全连接管理平台通过有线网络接口分别与工厂5G UPF和企业核心交换机连接，工厂5G UPF通过空口方式与5G接入网元连接，企业核心交换机连接工业内网；工厂5G UPF的N3接口与5G接入网元之间设置有VXLAN隧道，N3接口和5G接入网元分别为VTEP节点；企业核心交换机的上行接口和下行接口均配置为TRUNK VLAN模式，且上行接口与工厂5G UPF的N6接口之间设置有VXLAN隧道群；工业内网规划的VLAN分别纳入TRUNK VLAN配置，且TRUNK VLAN与VXLAN隧道群进行绑定；VXLAN隧道包括第一VXLAN隧道和第二VXLAN隧道隧道，第一VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第一VLAN组成第一切片，实现5G专网内的工业设备与工业内网的工业设备形成端到端切片专网，第二VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第二VLAN组成第二切片，实现5G专网内工业现场的一个PLC与工业内网的一台主机形成端到端切片专网。即本申请实施例通过构建5G接入网元切片和企业内网切片，形成5G专网的端到端切片网络，通过全连接管理平台统一管理工业现场5G核心网网元和工业现场网络，通过构建VXLAN隧道实现一种5G专网切片与企业内网切片融合管理的功能，以此实现5G全连接场景下端到端网络切片构建与管理。
以上对本申请实施例所提供的5G专网的端到端切片网络系统进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，包括全连接管理平台、工厂5GUPF、企业核心交换机、5G接入网元和工业内网；
所述全连接管理平台通过有线网络接口分别与所述工厂5G UPF和所述企业核心交换机连接，所述工厂5G UPF通过空口方式与所述5G接入网元连接，所述企业核心交换机连接所述工业内网；
所述工厂5G UPF的N3接口与所述5G接入网元之间设置有VXLAN隧道，所述N3接口和所述5G接入网元分别为VTEP节点；
所述企业核心交换机的上行接口和下行接口均配置为TRUNK VLAN模式，且所述上行接口与所述工厂5G UPF的N6接口之间设置有VXLAN隧道群；
所述工业内网规划的VLAN分别纳入TRUNK VLAN配置，且TRUNK VLAN与所述VXLAN隧道群进行绑定；
所述VXLAN隧道包括第一VXLAN隧道和第二VXLAN隧道隧道，所述第一VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第一VLAN组成第一切片，实现5G专网内的工业设备与工业内网的工业设备形成端到端切片专网，所述第二VXLAN隧道、VXLAN隧道群和内网第二VLAN组成第二切片，实现5G专网内工业现场的一个PLC与工业内网的一台主机形成端到端切片专网。
2.如权利要求1所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述5G接入网元包括5G工业网关/5G DTU和5G CPE。
3.如权利要求2所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述内网第一VLAN为所述第一VXLAN隧道接入的所述5G接入网元所属VLAN，所述第二VLAN为所述第二VXLAN隧道接入的所述5G接入网元所属VLAN。
4.如权利要求3所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述第一VXLAN隧道接入的所述5G接入网元为所述5G工业网关/5G DTU，所述第二VXLAN隧道接入的所述5G接入网元为所述5G CPE。
5.如权利要求1所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述全连接管理平台采用直接连接的方式与所述工厂5G UPF连接。
6.如权利要求1所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述全连接管理平台通过UPF网管平台与所述工厂5G UPF连接。
7.如权利要求1所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述全连接管理平台连接所述企业核心交换机的北向接口。
8.如权利要求1所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述全连接管理平台管理所述5G接入网元的方式有三种，包括通过 5G工业网关/5G DTU接入管理、 5G CPE接入管理以及5G 终端设备直连接入管理。
9.如权利要求1所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述工厂5G UPF的N6接口为VTEP接口，所述企业核心交换机配置有VTEP接口。
10.如权利要求1所述的5G专网的端到端切片网络系统，其特征在于，所述全连接管理平台用于给企业自主构建灵活的端到端网络切片，以实现一种基于5G专网与企业工业内网相结合的网络功能。
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