5G網絡架構的重構與挑戰(zhàn)

【摘要】首先詳細闡述了面向5G網絡架構的沿革與SDN/NFV的引入，并對現有網絡采用解耦、抽象和重構的方法，提出了控制與轉發(fā)分離、控制集中化、可編程的移動通信網絡架構，最后分析闡述了水平網絡及開放性的新含義，網絡重構的趨勢、戰(zhàn)略目標、演進方向和目標架構，以及網絡架構重構的戰(zhàn)略意義和挑戰(zhàn)。

【關鍵詞】網絡架構；網絡重構；網絡演進

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000 中圖分類號：TN929.533 文獻標志碼：A 文章編號：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：李聰. 5G網絡架構的重構與挑戰(zhàn)[J]. 移動通信, 2017,42(1): 00-00.

On the Reconstruction and Challenge of 5G Network Architecture

LI Cong

(Shanghai Posts & Telecommunications Designing Consulting Institute Co., Ltd., Shanghai 200092, China)

[Abstract] The network is the core resource of the operators, and also the key to realize the strategic transformation.The network architecture determines the competitiveness and development potential of the network, so the innovation of network architecture is fundamental and strategic innovation, which is also the key to solve the problems facing the current network.

[Key words] network architecture; refactoring; network evolution

1 引言

5G（5th Generation，第五代移動通信系統(tǒng)）是一個端到端的生態(tài)通信系統(tǒng)，它將實現一個全連接和全移動的社會�，F有的傳統(tǒng)網絡是剛性固化的，傳統(tǒng)網絡往往更加關注網絡的底層傳送能力而忽略了網絡的能力向上層應用和業(yè)務開放，因此導致網絡缺少流程化的能力開放接口，業(yè)務很難靈活地調用網絡能力，這就導致承載網不能承載一些互聯網的業(yè)務和應用，而必須采用應用層專用的協(xié)議進行糾錯、應用加速和流量均衡等優(yōu)化設計。

此外，現有2G/3G/4G網絡更多地關注和加強技術從而局限在接入網及核心網上，而5G將會改變以往通信網絡格局，實現網絡的軟件和硬件的分離。5G架構的重構通過引入了NFV（Network Function Virtualization，網絡功能虛擬化）和SDN（Software Defined Network，軟件定義網絡），將淘汰傳統(tǒng)網絡建設復雜度非常高的“煙囪”架構，以充分展示基于SDN/NFV技術的創(chuàng)新型基礎設施環(huán)境在靈活組網和網絡安全方面的潛力[1]。為此，本文接下來將詳細闡述了面向5G網絡架構的沿革與SDN/NFV的引入，并探討5G網絡架構的重構及面臨的挑戰(zhàn)。

2 網絡重構及SDN/NFV的引入

2.1 網絡重構的演進方向

首先，網絡重構將把網絡運營從分散型向集約型演進，由于歷史原因，傳統(tǒng)電信運營商一般沿襲了自上而下的網絡組織和運行方式，各個省市的網絡運營商均獨立建設和運營基礎網絡，因此導致網絡利用率低下、端到端業(yè)務體驗較差。隨著互聯網的發(fā)展，網絡用戶對網絡的運營模式提出了更高的要求，因此網絡必須具有“統(tǒng)一集約規(guī)劃”、“統(tǒng)一集約建設”和“統(tǒng)一集約管控”三大特征。

其次，傳統(tǒng)網絡更多關注網絡底層的傳送能力，而對于承載網絡能力向上層應用和新業(yè)務的創(chuàng)新開發(fā)并無過多的考慮，因此缺乏標準化的業(yè)務開放接口，業(yè)務調度不靈活。未來的網絡架構必須要達到網絡能力接口標準化及開放的要求。

再次，在互聯網發(fā)展過程里，基于云計算來提供業(yè)務已成為大勢所趨，但是目前云和網之間缺乏靈活的握手互動機制，通常計算資源、存儲資源和網絡資源多是彼此之間獨立靜態(tài)配置，無法統(tǒng)一按需提供。未來的網絡架構必須向業(yè)務、IT和網絡云化以及基于DC（Data Center，數據中心）集中部署并以DC為網絡核心的云網融合轉變[2]。

最后，網絡要走向運營開發(fā)一體化，在現行的網絡運營模式下，廠家與運營商之間都是簡單的售賣方式，主要由“供給”決定“需求”，未來的網絡需要達到用戶對網絡的定制化要求，通過分離網絡的軟件與硬件，引入IT設備等多種手段達到由簡單的售賣到創(chuàng)新驅動發(fā)展的目的。

2.2 SDN/NFV技術的引入

隨著通信技術的變革和發(fā)展，現有的網絡已經不再適應現在高速發(fā)展的高速率時代，網絡架構的重構將減少網絡的層級、轉移網絡核心節(jié)點，同時也會將網絡軟化，網絡流量收斂比減少，基于SDN/NFV的新架構是網絡重構的要方式，它以網絡控制與轉發(fā)及網絡軟硬件雙解耦為基本特征，全局性、革命性的架構重構。

從SDN和NFV的定義出發(fā)，一套整體的SDN解決方案包括數據層、控制層和應用層。控制器運用南向接口對設備進行控制，運用北向接口支持應用開發(fā)，為業(yè)務提供服務。

（1）數據層

在數據層平面，首先離不開物理網絡基礎設施。其次，網絡虛擬化是SDN的重要特性，主機Overlay方案（Host Tunnels）適合全虛擬化環(huán)境，消除基于硬件的網絡限制；網絡Overlay方案（Fabric tunnels）支持物理資源池，滿足轉發(fā)的高性能需求；如果是物理和虛擬并存的環(huán)境，適合混合Overlay方案。不同的IT環(huán)境選用適合的虛擬網絡方案。

（2）控制層

在控制層平面，運用發(fā)展控制器軟件或軟硬一體的控制器形態(tài)，包含開源控制器和商用控制器。統(tǒng)計指出，當前全世界供應商提出的控制器案例已大于25個。開源方案和供應商方案同步演進，依據客戶IT環(huán)境和需求，選擇最適當的方案。

（3）應用層

在應用層平面，包括4~7層的網絡服務，以及網絡關聯的管控和運行維護（M&O）功能�；�于SDN結構，網絡應用層是重點，一方面，網絡應用直接反映用戶及業(yè)務需求；另一方面，原有的網絡服務、管理和維護方案都亟待換代升級，以滿足SDN架構需求。網絡應用生態(tài)的多樣性、創(chuàng)造性都將無限龐大。當前為數眾多的SDN廠家、安全廠商在網絡應用層部署。根據客戶需求場景，基于SDN技術的解決方案可歸結為網絡功能虛擬化、網絡監(jiān)控和網絡安全，分別對應網絡生命周期中的網絡交付（網絡功能虛擬化）、網絡運行維護（監(jiān)控和安全）。

（3）深度進化：SDN在網絡基礎設施和網絡服務的各個層面彰顯價值

除了NFV，SDN開始影響到更深層的網絡監(jiān)控和網絡安全方案。SDN視角下的網絡監(jiān)控和安全，也必須綜合引入虛擬化、開放網絡架構、云計算等設計。比如，符合SDN時代的網絡產品打破封閉和專用的設備形態(tài)，是基于SDN和x86架構的可編程軟件。

（4）廣度進化：SDN在各種網絡情景和各類IT場景中進行全方位配置

按照網絡場景劃分，DCN、DCI、WAN、IPRAN等每個網絡場景的管理，都離不開網絡交付和網絡運維；按照IT環(huán)境劃分，物理、虛擬化、容器、云四大環(huán)境都離不開網絡的支撐。SDN需要為不同的網絡場景和IT環(huán)境提供相應的SDN解決方案。在數據和閉環(huán)的基礎上，面對巨大的網絡市場，打造更加智能化的網絡才是SDN的發(fā)展目標。網絡自動運營、智能化或自助監(jiān)管的網絡，把網絡操作人員從繁瑣的日常管理工作中解脫出來。僅通過很少、甚至無需人工干預，就能夠進行網絡搭建、配置、監(jiān)控、安全保護以及運維等工作。讓人把關鍵時間用于理解業(yè)務、優(yōu)化網絡，致力于讓網絡更好地為業(yè)務服務。網絡智能化的關鍵在網絡數據平臺，在此基礎上連續(xù)進行大量數據的收集，并對數據進行解析，逐步形成網絡配置和安全防御的策略、執(zhí)行網絡及安全策略，并持續(xù)收集反饋信息，這樣的過程再不斷地循環(huán)，實現網絡的自我學習、調整和保護[4]。

3 網絡架構水平化重構

3.1 網絡演進的目標架構

網絡的演進方向是基于面向新型互聯網應用的網絡架構，網絡將會由垂直架構向水平架構演進，其網絡首先應有簡潔的結構，網絡應減少網絡層級（一二干融合），不大于30 ms的傳輸網時延；網絡的種類、網元的數量和局站數明顯減少。其次網絡應具有敏捷性，網絡具備軟件編程、資源分鐘級快速配置擴展的能力。然后網絡還應具有開放性，它既能豐富便捷開放能力，又能主動適應應用。最后網絡還應具有很好的集約性，網絡能夠達到80%的網絡功能軟件化，可以統(tǒng)一部署，全部業(yè)務平臺實現云化，業(yè)務可以全網統(tǒng)一調度，可以滿足配置和端到端的運營[5]。為實現上述目標，未來的網絡架的目標構將由“基礎設施層”、“網絡功能層”和“協(xié)議編排層構成”，其功能視圖如圖1所示：

圖1 網絡架構的功能性視圖

網絡將圍繞SDN/NFV，加快網絡資源集約控制，減少專業(yè)網元和系統(tǒng)，突破專業(yè)界限，通過協(xié)同和編排層實現跨網的資源調度，基于統(tǒng)一的云資源池承載網絡、IT和業(yè)務平臺，簡化端到端運營模式，其未來網絡架構的專業(yè)網視圖如圖2所示：

圖2 網絡架構的專業(yè)網視圖

3.2 水平網絡架構及其開放性

隨著網絡功能及應用的改變，未來的網絡將會由垂直架構向水平架構演進，網絡協(xié)議也會由垂直協(xié)議棧向水平協(xié)議棧演進。網絡的開放能力是水平網絡架構的要點，開放性的目標網絡應具有統(tǒng)一標準、接口協(xié)議開放、多層面的API（Application Programming Interface，應用程序編程接口）的能力，最終使網絡從全開放到半開放再到內部應用，以便滿足各種不同專業(yè)和應用者，此外網絡還需具備支持較為復雜的異廠家環(huán)境應用和運營，如圖3所示：

圖3 網絡架構水平化示意圖

開放性的網絡還需要開放SDN/NFV的開源代碼，SDN/NFV的開源代碼的開發(fā)和維護正成為整個產業(yè)鏈的共同任務，現在國外已有運營商開始介入研究，大型運營商介入開源碼將有利于促進整個生態(tài)鏈的和諧發(fā)展，有利于吸引更多的開發(fā)者加入，開發(fā)出更加符合使用者需要的代碼。與此同時開放SDN與開源碼也同樣存在著挑戰(zhàn)，開放SDN主要缺乏強大的技術支撐，開源碼存在安全性的隱患，由于開發(fā)者可以對代碼進行修改，安全性也不容忽視，很容易被攻擊，此外不再有為特定的設備制定規(guī)范和相應的軟件，使其難以整合現有的實際環(huán)境，代碼的法定擁有者缺位，也就不能確保有專人負責對代碼的維護[2]。

3.3 核心網的網絡架構水平化

從2G時代的65 kbit·s-1的移動速率到4G時代的1 Gbit·s-1，移動速率的爆發(fā)式增長給移動核心網帶來了很大壓力，移動核心網也在這種大的通信變革中不斷創(chuàng)新、不斷適應及不斷演進。

到了4.5G面向5G時代的R14階段，3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴計劃）確定網絡將再次向分離式的核心網構架演進，目的是讓網絡用戶面功能擺脫“中心化”的約束，使其既可靈活部署于核心網，也可部署于接入網（或接近接入網），這就是核心網用戶面下沉，同時也保留了控制面功能的中心化。這一次核心網的演進將用戶面和控制面徹底分開，是“全分離式”架構，在“全分離式”構架下，SGW（Serving Gateway，服務網關）和PGW（Packet Data Network Gateway，分組數據網關）被分離為控制面和用戶面兩部分，如圖4所示，SGW分離為SGW-C（控制面）和SGW-U（用戶名），PGW分離為PGW-C和PGW-U，同樣，SGSN也被分離為控制面（SGSN-C）和用戶面（SGSN-U）。

圖4 “全分離式”水平構架示意圖

（1）大數據容量

5G時代，高清視頻、VR/AR等應用必然給網絡帶來超大數據流量，這不但給回傳帶來沉重負擔，而且對核心網集中處理能力也是挑戰(zhàn)，只能核心網用戶面下沉，從集中式向分布式演進。另外，將內容緩存于接入網，更接近用戶，還降低了時延。

（2）低時延

對于毫秒級的5G時延，水平化的網絡架構是一個必然的選擇。光纖傳播速度為200 km/ms，數據要在相距幾百公里以上的終端和核心網之間來回傳送，顯然是無法滿足5G毫秒級時延的。伴隨著用戶面與控制面分離、核心網下沉和分布而來的，是部署于接入網或接近接入網的分布式數據中心，并引入基于NFV的MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）。與NFV一樣，MEC也強調功能軟件化和平臺開放化，以提升網絡敏捷性、靈活性，加快部署和創(chuàng)新[4]。

在標準構架上，MEC和NFV看起來沒有差別，但它們是有區(qū)別的，區(qū)別主要在應用服務平臺和相關服務上。MEC根據無線接入網環(huán)境對NFV進行了優(yōu)化，它將移動接入網與互聯網業(yè)務深度融合，并將云計算和云存儲下沉到邊緣數據中心，加速內容分發(fā)和下載，且向第三方提供開放接口以驅動創(chuàng)新。有了MEC，PGW/SGW的用戶面就下沉到了移動邊緣節(jié)點，且由NFV VIM（虛擬基礎設施管理）、SDN和Orchestrator（編排器）控制管理�！　�

（3）網絡切片

另一個與MEC、SDN/NFV并行而來的是網絡切片。所謂網絡切片，就是運營商為了滿足不同的商業(yè)應用場景需求，量身打造多個端到端的虛擬子網絡。與2G/3G/4G單調的手機應用不同，5G面向萬物聯接，將應對不同的應用場景。因此，水平化的5G網絡架構可以為不同的場景切出相應的虛擬子網絡。

4 網絡架構重構面臨的挑戰(zhàn)

傳統(tǒng)網絡時代，網絡被動地響應業(yè)務上線、變更和故障處理的需求，基于經驗解決各類網絡問題，一套網絡系統(tǒng)需要7x24小時待命。OpenFlow應用之后，流表控制的思想就賦予了細粒度控制網絡數據的方式，也帶來了全局控制的思想。經過每一個網絡設備轉發(fā)的流量，流經網絡的全部流量，都可以通過流表的方式來定義，每一個包每一條流的動作，都可以被精細設置并控制[3]。

與此同時，網絡的架構重構同樣面臨著挑戰(zhàn)，需要有長遠的戰(zhàn)略規(guī)劃，同時又要腳踏實地逐步推進網絡演進路線。網絡架構的重構對現有的網絡組織架構、網絡的規(guī)劃建設和運維思路、生產流程和人才提出巨大挑戰(zhàn)。

（1）組織架構方面：未來的網絡設施將逐步達到標準化和歸一化，除少數務必要采用特定的硬件設備和系統(tǒng)外，其余設備將大規(guī)模部署標準化和可云化的硬件設備，并與抽象層技術相結合，達到對于非云化部署,設備實現跨網、跨域、跨專業(yè)的端到端的資源管控和統(tǒng)一管理，這些都會對目前專業(yè)、行政區(qū)域管控的組織架構帶來改變。

（2）運營能力方面：現有網絡運營多是剛性固化的，網絡擴容成本很高，擴容周期很長且系統(tǒng)復雜而封閉。未來的網絡架構做到按需伸縮，通過SDN和NFV的跨域協(xié)同，真正實現云網的深度協(xié)同，對業(yè)務、IT和網絡提出更高的挑戰(zhàn)。

（3）人才隊伍方面：現有設備廠商的技術人員大都是基于現網設備，未來SDN網絡將忽略基礎層硬件差異，因此需要加強設備廠家及運營商專業(yè)人員對軟件的業(yè)務創(chuàng)新和開發(fā)能力，以及開源代碼的控制能力。

除此之外，當前的SDN主要面臨技術欠成熟和現網如何演進兩大障礙，NFV主要面臨技術欠成熟、現網如何演進和缺乏知識和經驗三大障礙，這些也都會制約網絡重構的進程。

面對以上諸多挑戰(zhàn)，要實現網絡架構重構，在組織架構方面，要打破專業(yè)界限，順應技術發(fā)展；在運營能力方面，則需要加快建設快速響應、高效靈活的網絡運用體系，加強網絡的運營和管理；在人才隊伍方面，則需要培養(yǎng)新一代網絡技術人才，加強服務廠商與運營商之間的培訓質量，做好組織架構，運營管理和人才隊伍培養(yǎng)的協(xié)同工作。

5 結束語

本文提出了控制與轉發(fā)分離、控制集中化、可編程的新的移動通信網絡架構，分析闡述水平網絡及開放性的新含義，網絡重構的趨勢、戰(zhàn)略目標、演進方向和目標架構，以及網絡架構重構的戰(zhàn)略意義和挑戰(zhàn)。相信通過網絡的發(fā)展及應用，將會給人們帶來更加智能化的生活體驗，將來的網絡將會開啟通信網絡更加靈活、開放、智能的新時代。

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作者簡介

李聰：碩士畢業(yè)于長春理工大學，現任職于上海郵電設計咨詢研究院有限公司，從事無線網規(guī)劃和設計工作。

作者：李聰 來源：《移動通信》2018年1月