5G網路架構的重構與挑戰

最新 07-30

摘要首先詳細闡述了面向5G網路架構的沿革與SDN/NFV的引入，並對現有網路採用解耦、抽象和重構的方法，提出了控制與轉發分離、控制集中化、可編程的移動通信網路架構，最後分析闡述了水平網路及開放性的新含義，網路重構的趨勢、戰略目標、演進方向和目標架構，以及網路架構重構的戰略意義和挑戰。

關鍵詞網路架構；網路重構；網路演進

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

引用格式：李聰. 5G網路架構的重構與挑戰[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）是一個端到端的生態通信系統，它將實現一個全連接和全移動的社會。現有的傳統網路是剛性固化的，傳統網路往往更加關注網路的底層傳送能力而忽略了網路的能力向上層應用和業務開放，因此導致網路缺少流程化的能力開放介面，業務很難靈活地調用網路能力，這就導致承載網不能承載一些互聯網的業務和應用，而必須採用應用層專用的協議進行糾錯、應用加速和流量均衡等優化設計。

此外，現有2G/3G/4G網路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路格局，實現網路的軟體和硬體的分離。5G架構的重構通過引入了NFV（Network n Virtualization，網路功能虛擬化）和SDN（Software Defined Network，軟體定義網路），將淘汰傳統網路建設複雜度非常高的「煙囪」架構，以充分展示基於SDN/NFV技術的創新型基礎設施環境在靈活組網和網路安全方面的潛力[1]。為此，本文接下來將詳細闡述了面向5G網路架構的沿革與SDN/NFV的引入，並探討5G網路架構的重構及面臨的挑戰。

2 網路重構及SDN/NFV的引入

2.1 網路重構的演進方向

首先，網路重構將把網路運營從分散型向集約型演進，由於歷史原因，傳統電信運營商一般沿襲了自上而下的網路組織和運行方式，各個省市的網路運營商均獨立建設和運營基礎網路，因此導致網路利用率低下、端到端業務體驗較差。隨著互聯網的發展，網路用戶對網路的運營模式提出了更高的要求，因此網路必須具有「統一集約規劃」、「統一集約建設」和「統一集約管控」三大特徵。

其次，傳統網路更多關注網路底層的傳送能力，而對於承載網路能力向上層應用和新業務的創新開發並無過多的考慮，因此缺乏標準化的業務開放介面，業務調度不靈活。未來的網路架構必須要達到網路能力介面標準化及開放的要求。

再次，在互聯網發展過程里，基於雲計算來提供業務已成為大勢所趨，但是目前雲和網之間缺乏靈活的握手互動機制，通常計算資源、存儲資源和網路資源多是彼此之間獨立靜態配置，無法統一按需提供。未來的網路架構必須向業務、IT和網路雲化以及基於DC（Data Center，數據中心）集中部署並以DC為網路核心的雲網融合轉變[2]。

最後，網路要走向運營開發一體化，在現行的網路運營模式下，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」，未來的網路需要達到用戶對網路的定製化要求，通過分離網路的軟體與硬體，引入IT設備等多種手段達到由簡單的售賣到創新驅動發展的目的。

2.2 SDN/NFV技術的引入

隨著通信技術的變革和發展，現有的網路已經不再適應現在高速發展的高速率時代，網路架構的重構將減少網路的層級、轉移網路核心節點，同時也會將網路軟化，網路流量收斂比減少，基於SDN/NFV的新架構是網路重構的要方式，它以網路控制與轉發及網路軟硬體雙解耦為基本特徵，全局性、革命性的架構重構。

從SDN和NFV的定義出發，一套整體的SDN解決方案包括數據層、控制層和應用層。控制器運用南向介面對設備進行控制，運用北向介面支持應用開發，為業務提供服務。

（1）數據層

在數據層平面，首先離不開物理網路基礎設施。其次，網路虛擬化是SDN的重要特性，主機Overlay方案（Host Tunnels）適合全虛擬化環境，消除基於硬體的網路限制；網路Overlay方案（Fabric tunnels）支持物理資源池，滿足轉發的高性能需求；如果是物理和虛擬並存的環境，適合混合Overlay方案。不同的IT環境選用適合的虛擬網路方案。

（2）控制層

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

（3）應用層

在應用層平面，包括4~7層的網路服務，以及網路關聯的管控和運行維護（M&O）功能。基於SDN結構，網路應用層是重點，一方面，網路應用直接反映用戶及業務需求；另一方面，原有的網路服務、管理和維護方案都亟待換代升級，以滿足SDN架構需求。網路應用生態的多樣性、創造性都將無限龐大。當前為數眾多的SDN廠家、安全廠商在網路應用層部署。根據客戶需求場景，基於SDN技術的解決方案可歸結為網路功能虛擬化、網路監控和網路安全，分別對應網路生命周期中的網路交付（網路功能虛擬化）、網路運行維護（監控和安全）。

（3）深度進化：SDN在網路基礎設施和網路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路監控和網路安全方案。SDN視角下的網路監控和安全，也必須綜合引入虛擬化、開放網路架構、雲計算等設計。比如，符合SDN時代的網路產品打破封閉和專用的設備形態，是基於SDN和x86架構的可編程軟體。

（4）廣度進化：SDN在各種網路情景和各類IT場景中進行全方位配置

按照網路場景劃分，DCN、DCI、WAN、IPRAN等每個網路場景的管理，都離不開網路交付和網路運維；按照IT環境劃分，物理、虛擬化、容器、雲四大環境都離不開網路的支撐。SDN需要為不同的網路場景和IT環境提供相應的SDN解決方案。在數據和閉環的基礎上，面對巨大的網路市場，打造更加智能化的網路才是SDN的發展目標。網路自動運營、智能化或自助監管的網路，把網路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，就能夠進行網路搭建、配置、監控、安全保護以及運維等工作。讓人把關鍵時間用於理解業務、優化網路，致力於讓網路更好地為業務服務。網路智能化的關鍵在網路數據平台，在此基礎上連續進行大量數據的收集，並對數據進行解析，逐步形成網路配置和安全防禦的策略、執行網路及安全策略，並持續收集反饋信息，這樣的過程再不斷地循環，實現網路的自我學習、調整和保護[4]。

3 網路架構水平化重構

3.1 網路演進的目標架構

網路的演進方向是基於面向新型互聯網應用的網路架構，網路將會由垂直架構向水平架構演進，其網路首先應有簡潔的結構，網路應減少網路層級（一二干融合），不大於30 ms的傳輸網時延；網路的種類、網元的數量和局站數明顯減少。其次網路應具有敏捷性，網路具備軟體編程、資源分鐘級快速配置擴展的能力。然後網路還應具有開放性，它既能豐富便捷開放能力，又能主動適應應用。最後網路還應具有很好的集約性，網路能夠達到80%的網路功能軟體化，可以統一部署，全部業務平台實現雲化，業務可以全網統一調度，可以滿足配置和端到端的運營[5]。為實現上述目標，未來的網路架的目標構將由「基礎設施層」、「網路功能層」和「協議編排層構成」，其功能視圖如圖1所示：

圖1 網路架構的功能性視圖

網路將圍繞SDN/NFV，加快網路資源集約控制，減少專業網元和系統，突破專業界限，通過協同和編排層實現跨網的資源調度，基於統一的雲資源池承載網路、IT和業務平台，簡化端到端運營模式，其未來網路架構的專業網視圖如圖2所示：

圖2 網路架構的專業網視圖

3.2 水平網路架構及其開放性

隨著網路功能及應用的改變，未來的網路將會由垂直架構向水平架構演進，網路協議也會由垂直協議棧向水平協議棧演進。網路的開放能力是水平網路架構的要點，開放性的目標網路應具有統一標準、介面協議開放、多層面的API（Application Programming Interface，應用程序編程介面）的能力，最終使網路從全開放到半開放再到內部應用，以便滿足各種不同專業和應用者，此外網路還需具備支持較為複雜的異廠家環境應用和運營，如圖3所示：

圖3 網路架構水平化示意圖

開放性的網路還需要開放SDN/NFV的開源代碼，SDN/NFV的開源代碼的開發和維護正成為整個產業鏈的共同任務，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於促進整個生態鏈的和諧發展，有利於吸引更多的開發者加入，開發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，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，由於開發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範和相應的軟體，使其難以整合現有的實際環境，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 核心網的網路架構水平化

從2G時代的65 kbit·s-1的移動速率到4G時代的1 Gbit·s-1，移動速率的爆髮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，第三代合作夥伴計劃）確定網路將再次向分離式的核心網構架演進，目的是讓網路用戶面功能擺脫「中心化」的約束，使其既可靈活部署於核心網，也可部署於接入網（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等應用必然給網路帶來超大數據流量，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，只能核心網用戶面下沉，從集中式向分散式演進。另外，將內容緩存於接入網，更接近用戶，還降低了時延。

（2）低時延

對於毫秒級的5G時延，水平化的網路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，是部署於接入網或接近接入網的分散式數據中心，並引入基於NFV的MEC（Mobile Edge Computing，移動邊緣計算）。與NFV一樣，MEC也強調功能軟體化和平台開放化，以提升網路敏捷性、靈活性，加快部署和創新[4]。

在標準構架上，MEC和NFV看起來沒有差別，但它們是有區別的，區別主要在應用服務平台和相關服務上。MEC根據無線接入網環境對NFV進行了優化，它將移動接入網與互聯網業務深度融合，並將雲計算和雲存儲下沉到邊緣數據中心，加速內容分發和下載，且向第三方提供開放介面以驅動創新。有了MEC，PGW/SGW的用戶面就下沉到了移動邊緣節點，且由NFV VIM（虛擬基礎設施管理）、SDN和Orchestrator（編排器）控制管理。

（3）網路切片

另一個與MEC、SDN/NFV並行而來的是網路切片。所謂網路切片，就是運營商為了滿足不同的商業應用場景需求，量身打造多個端到端的虛擬子網路。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網路架構可以為不同的場景切出相應的虛擬子網路。

4 網路架構重構面臨的挑戰

傳統網路時代，網路被動地響應業務上線、變更和故障處理的需求，基於經驗解決各類網路問題，一套網路系統需要7x24小時待命。OpenFlow應用之後，流表控制的思想就賦予了細粒度控制網路數據的方式，也帶來了全局控制的思想。經過每一個網路設備轉發的流量，流經網路的全部流量，都可以通過流表的方式來定義，每一個包每一條流的動作，都可以被精細設置並控制[3]。

與此同時，網路的架構重構同樣面臨著挑戰，需要有長遠的戰略規劃，同時又要腳踏實地逐步推進網路演進路線。網路架構的重構對現有的網路組織架構、網路的規劃建設和運維思路、生產流程和人才提出巨大挑戰。

（1）組織架構方面：未來的網路設施將逐步達到標準化和歸一化，除少數務必要採用特定的硬體設備和系統外，其餘設備將大規模部署標準化和可雲化的硬體設備，並與抽象層技術相結合，達到對於非雲化部署,設備實現跨網、跨域、跨專業的端到端的資源管控和統一管理，這些都會對目前專業、行政區域管控的組織架構帶來改變。

（2）運營能力方面：現有網路運營多是剛性固化的，網路擴容成本很高，擴容周期很長且系統複雜而封閉。未來的網路架構做到按需伸縮，通過SDN和NFV的跨域協同，真正實現雲網的深度協同，對業務、IT和網路提出更高的挑戰。

（3）人才隊伍方面：現有設備廠商的技術人員大都是基於現網設備，未來SDN網路將忽略基礎層硬體差異，因此需要加強設備廠家及運營商專業人員對軟體的業務創新和開發能力，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，這些也都會制約網路重構的進程。

面對以上諸多挑戰，要實現網路架構重構，在組織架構方面，要打破專業界限，順應技術發展；在運營能力方面，則需要加快建設快速響應、高效靈活的網路運用體系，加強網路的運營和管理；在人才隊伍方面，則需要培養新一代網路技術人才，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的協同工作。

5 結束語

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

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