基于SDN/NFV的演進(jìn)移動(dòng)核心網(wǎng)研究

夏 旭，毛聰杰，史 凡，孫震強(qiáng)，王 波

（1.中國(guó)電信股份有限公司北京研究院 北京100035；2.中國(guó)電信集團(tuán)公司 北京100032）

1 引言

近年來(lái)，軟件定義網(wǎng)絡(luò)和虛擬化（SDN/NFV）在全球范圍內(nèi)是一個(gè)備受關(guān)注的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)熱點(diǎn)，是繼TCP/IP 協(xié)議后網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的又一個(gè)重大創(chuàng)新。不管是從互聯(lián)網(wǎng)到電信業(yè)，還是從學(xué)術(shù)界到產(chǎn)業(yè)界，人們都在關(guān)注這項(xiàng)新技術(shù)會(huì)給信息通信網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)業(yè)帶來(lái)哪些影響。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和網(wǎng)絡(luò)帶寬的迅速發(fā)展，在新的應(yīng)用和協(xié)議接連不斷出現(xiàn)的情況下，為實(shí)現(xiàn)新應(yīng)用和協(xié)議的控制與管理，網(wǎng)絡(luò)需要具有靈活部署、快速升級(jí)等新的功能，同時(shí)需要以較低的成本來(lái)滿足網(wǎng)絡(luò)容量迅速增長(zhǎng)的需求；短信和話音等傳統(tǒng)業(yè)務(wù)的盈利在運(yùn)營(yíng)商整體盈利中的占比逐漸降低，需要開發(fā)網(wǎng)絡(luò)新的功能，使得運(yùn)營(yíng)商在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)浪潮中的發(fā)展更加有競(jìng)爭(zhēng)力；運(yùn)用軟件定義網(wǎng)絡(luò)和虛擬化技術(shù)，給移動(dòng)核心網(wǎng)帶來(lái)更大的彈性和綠色。為滿足上述訴求，具體的實(shí)現(xiàn)方式體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

①控制面網(wǎng)元網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，集中、云化部署；

②用戶面網(wǎng)元控制轉(zhuǎn)發(fā)分離，轉(zhuǎn)發(fā)功能根據(jù)業(yè)務(wù)需求部署；

③引入資源管理與編排功能，實(shí)現(xiàn)資源管理和網(wǎng)絡(luò)/業(yè)務(wù)編排；

④網(wǎng)關(guān)增強(qiáng)功能從網(wǎng)關(guān)中剝離，以業(yè)務(wù)鏈形式云化部署；

⑤面向應(yīng)用需求，向上提供開放的網(wǎng)絡(luò)能力調(diào)用接口。

2 移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際訴求

為順應(yīng)多網(wǎng)絡(luò)融合的需求及趨勢(shì)、支持多種無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接入能力，同時(shí)有效地降低運(yùn)營(yíng)商的CAPEX值和OPEX值，提出移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商對(duì)于移動(dòng)軟件網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的總體要求。

（1）網(wǎng)絡(luò)功能可以靈活升級(jí)

網(wǎng)絡(luò)功能可實(shí)現(xiàn)軟件化、組件化，網(wǎng)絡(luò)功能之間具有相對(duì)的獨(dú)立性，且網(wǎng)絡(luò)功能與硬件平臺(tái)松耦合。功能改進(jìn)及新功能的引入對(duì)硬件平臺(tái)的依賴性小，且具有較高的網(wǎng)絡(luò)改造效率。

（2）可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)增值

在保障用戶可靠的移動(dòng)數(shù)據(jù)連接的同時(shí)，通過提供差異化的數(shù)據(jù)連接質(zhì)量以及對(duì)流量數(shù)據(jù)進(jìn)行加工處理，可以實(shí)現(xiàn)新的網(wǎng)絡(luò)增值業(yè)務(wù)。

（3）較低的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和處理復(fù)雜度

為避免功能冗余、重復(fù)處理、流量迂回和流量的多次匯聚，需要簡(jiǎn)化IP 數(shù)據(jù)分組的封裝，提高數(shù)據(jù)處理的并行度，實(shí)現(xiàn)高效的轉(zhuǎn)發(fā)和路由。

（4）具有良好的可擴(kuò)展性

網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，要盡可能地減少瓶頸點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)容量可隨資源的增加呈線性增加。不需要改變網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌涂梢酝ㄟ^增加計(jì)算、存儲(chǔ)、網(wǎng)絡(luò)連接等資源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容。

（5）具有較高的資源利用率

具有資源互補(bǔ)性或峰谷互補(bǔ)性的網(wǎng)絡(luò)功能通過動(dòng)態(tài)的平臺(tái)共享，可以實(shí)現(xiàn)資源的節(jié)省和節(jié)能減排。網(wǎng)絡(luò)硬件資源可根據(jù)業(yè)務(wù)需求，動(dòng)態(tài)地進(jìn)行分配和調(diào)整。采用高性能專用設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)相對(duì)基礎(chǔ)且穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)能力。

3 SDN/NFV 定義的移動(dòng)核心網(wǎng)（EPC）

目前，多接入的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示。

基于SDN/NFV 重新構(gòu)建移動(dòng)核心控制網(wǎng)絡(luò)，首先需要分析現(xiàn)行WLAN、2G/3G、LTE 以及未來(lái)5G 核心網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)功能，整合抽象后再依據(jù)SDN/NFV的理念進(jìn)行設(shè)計(jì)?；赟DN/NFV的移動(dòng)核心控制網(wǎng)絡(luò)可以融合多種無(wú)線接入制式，實(shí)現(xiàn)核心控制功能，并提供話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，具體如圖2 所示。

圖2 右側(cè)為新型的虛擬化移動(dòng)分組核心網(wǎng)的示例，主要分為新型移動(dòng)分組核心網(wǎng)SDN 控制器、NFV 數(shù)據(jù)中心和統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備三大部分。

首先將移動(dòng)核心網(wǎng)網(wǎng)元的控制與轉(zhuǎn)發(fā)完全分離，剝離網(wǎng)元的控制功能，由控制面負(fù)責(zé)移動(dòng)性管理和會(huì)話管理，轉(zhuǎn)發(fā)面不再參與控制管理。新型移動(dòng)核心網(wǎng)SDN 控制器控制統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，移動(dòng)應(yīng)用協(xié)議層以及移動(dòng)應(yīng)用功能層通過SDN 控制器構(gòu)造控制邏輯，從而實(shí)現(xiàn)融合移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的基本應(yīng)用，并能夠支持多種接入方式。圖2 所示的PS APP 即為軟化后的MME、SGW-C、PGW-C、PCRF 等網(wǎng)元引入的新業(yè)務(wù)功能。新功能可作為SDN 控制器的應(yīng)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，建議它們與SDN 控制器之間的接口可參考ONF NBI 組的接口定義。使用虛擬化技術(shù)以實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)的核心網(wǎng)網(wǎng)元功能（如PGW-C、SGW-C、PCRF、MME、HSS），網(wǎng)元間以及與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)互通時(shí)，仍然采用標(biāo)準(zhǔn)的3GPP 規(guī)范接口。

圖1 多接入的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

圖2 基于SDN/NFV的移動(dòng)核心網(wǎng)絡(luò)

從2G/3G 分組域到4G/LTE 分組域，移動(dòng)分組域的演進(jìn)經(jīng)歷了控制面與用戶面的分離。EPC 中MME 負(fù)責(zé)處理信令面功能，SGW 和PGW 負(fù)責(zé)處理用戶面的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。設(shè)備的通用性較差，使得研發(fā)、測(cè)試、入網(wǎng)和運(yùn)維周期較長(zhǎng)，可擴(kuò)展性也不理想，且成本很難降低。傳統(tǒng)網(wǎng)關(guān)的設(shè)置有如下幾個(gè)方面。

①用戶數(shù)據(jù)流處理集中在PDN 出口網(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)設(shè)備功能繁雜，可擴(kuò)展性差。

②網(wǎng)關(guān)類設(shè)備控制面與轉(zhuǎn)發(fā)面高度耦合，不利于核心網(wǎng)平滑演進(jìn)；轉(zhuǎn)發(fā)面擴(kuò)容需求頻度高于控制面，緊耦合導(dǎo)致控制面和轉(zhuǎn)發(fā)面同步擴(kuò)容，設(shè)備更新周期短，導(dǎo)致復(fù)合成本增加。

③從eNodeB 到PGW，用戶數(shù)據(jù)均以O(shè)verlay的方式進(jìn)行傳輸，網(wǎng)絡(luò)資源過度供給造成了網(wǎng)絡(luò)資源的利用率較低；網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)很難識(shí)別用戶和業(yè)務(wù)的特征，而僅能根據(jù)上層傳遞的QoS 進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，網(wǎng)絡(luò)對(duì)數(shù)據(jù)流難以進(jìn)行精細(xì)的控制。

④大量策略須手工配置，難以達(dá)到最優(yōu)配置，因此需要不斷地進(jìn)行優(yōu)化，既增加了出錯(cuò)概率，也增加了管理復(fù)雜度，OPEX值難以降低。

因此，需要進(jìn)一步分離分組域網(wǎng)關(guān)中的控制功能與轉(zhuǎn)發(fā)功能，通過標(biāo)準(zhǔn)接口控制通用轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備的方式，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)分組域的移動(dòng)性管理、計(jì)費(fèi)、QoS 等功能，促使轉(zhuǎn)發(fā)面功能演進(jìn)及性能提升與移動(dòng)分組域本身的功能演進(jìn)去相關(guān)，在轉(zhuǎn)發(fā)功能層面促進(jìn)傳送網(wǎng)、移動(dòng)分組域及IP 承載網(wǎng)的融合和資源共享。按需在網(wǎng)絡(luò)中使用通用的轉(zhuǎn)發(fā)面，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)部署。

現(xiàn)有EPC 網(wǎng)絡(luò)之外的業(yè)務(wù)組織方式是松散的，每提供一項(xiàng)新的業(yè)務(wù)就需要在網(wǎng)絡(luò)外部增加相應(yīng)的業(yè)務(wù)網(wǎng)元，這在無(wú)形中增加了新功能部署的難度和資源的浪費(fèi)，維護(hù)復(fù)雜度也較高。虛擬化的數(shù)據(jù)中心以應(yīng)用實(shí)例的方式組織網(wǎng)絡(luò)資源。在虛擬機(jī)上實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)網(wǎng)元功能不僅可以滿足EPC 網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)需求，還可以按需分配為原則為EPC 網(wǎng)絡(luò)提供高可用性、高擴(kuò)展性的計(jì)算、存儲(chǔ)資源。虛擬化技術(shù)將各種物理資源抽象為邏輯上的資源，隱藏了設(shè)備在物理上的各種限制，為在更細(xì)粒度上進(jìn)行管理和應(yīng)用提供了可能性。

采用NFV 技術(shù)實(shí)現(xiàn)控制功能與業(yè)務(wù)功能，可以將現(xiàn)有的不同類型的多種專用設(shè)備類型統(tǒng)一放置在數(shù)據(jù)中心中，使用通用設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。此外，還可以進(jìn)一步對(duì)控制網(wǎng)元功能進(jìn)行分解，抽象出共同的原子功能模塊，通過子功能模塊的組合來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)有的網(wǎng)元功能。由編排器Orchestrator 根據(jù)網(wǎng)絡(luò)與業(yè)務(wù)需求，在數(shù)據(jù)中心中通過云管理系統(tǒng)CMS 按需進(jìn)行資源的申請(qǐng)，使用NFV 技術(shù)生成相應(yīng)的虛擬網(wǎng)絡(luò)功能，并通過SDN 控制器完成網(wǎng)絡(luò)功能轉(zhuǎn)發(fā)鏈與業(yè)務(wù)鏈編排的實(shí)現(xiàn)。基于NFV 技術(shù)的云數(shù)據(jù)中心包括數(shù)據(jù)中心管理網(wǎng)元和NFV 計(jì)算資源池，在數(shù)據(jù)中心中引入SDN 技術(shù)可以使數(shù)據(jù)中心更加高效地運(yùn)行，在實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸路徑優(yōu)化以及負(fù)載均衡方面都具有較大的優(yōu)勢(shì)，從而使得數(shù)據(jù)交換也更加迅速。

統(tǒng)一轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備是受控轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備，如圖2 所示的UGW，在新型移動(dòng)核心網(wǎng)SDN 控制器集中控制下，可以靈活充當(dāng)S-GW/PDN GW、SGSN/GGSN、WLAN AC 及BNG的轉(zhuǎn)發(fā)面等多種設(shè)備。在實(shí)際部署中，可以按照需要將其部署在網(wǎng)絡(luò)中的不同位置，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)部署。

基于SDN的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中，云部署和資源管理是關(guān)鍵問題。本文建議在設(shè)計(jì)過程中使用開放協(xié)議，如OpenStack（Nova 和Neutron）。OpenStack 是一個(gè)云平臺(tái)管理的自由軟件和開放源代碼項(xiàng)目，Nova 是其中最重要的一個(gè)組件，這個(gè)組件能夠使用戶將應(yīng)用快速地部署在虛擬機(jī)上，并通過互聯(lián)網(wǎng)訪問虛擬磁盤鏡像。該組件是一個(gè)基于Web的控制界面，在此界面下安裝和部署虛擬機(jī)僅需要1 ～2 min。Neutron 是OpenStack的網(wǎng)絡(luò)組件，在接口設(shè)備之間提供網(wǎng)絡(luò)連接作為一種服務(wù)，這些接口設(shè)備主要依靠其他的OpenStack 服務(wù)（例如Nova）進(jìn)行管理。

使用OpenStack 可以快速地構(gòu)建一個(gè)全虛擬化的環(huán)境，這個(gè)環(huán)境可以是由多個(gè)相互連接的虛擬服務(wù)器組成，在處理冗余和解決規(guī)?；瘑栴}方面給用戶帶來(lái)了很大的方便。此外，靈活度是OpenStack的優(yōu)勢(shì)之一，用戶可以根據(jù)自己的需要建立基礎(chǔ)設(shè)施，輕松地增加集群規(guī)模。相比廠商的私有協(xié)議，OpenStack 在功能和成本上都具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

4 基于SDN/NFV 標(biāo)準(zhǔn)的進(jìn)展

在SDN/NFV 標(biāo)準(zhǔn)國(guó)際組織發(fā)展部分，IETF 成立了IRS 等工作小組，致力于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用開放架構(gòu)的研究，ITU SG13 成立了SDN 需求和架構(gòu)研究工作小組，BBF、OIF、ETSI 等組織也相繼宣布開展SDN的標(biāo) 準(zhǔn) 研 究 工 作。2009年12月，ONF 發(fā) 布OpenFlow 1.0 版，使得SDN 從學(xué)術(shù)研究層面推往產(chǎn)業(yè)化導(dǎo)向開發(fā)。截至目前，OpenFlow 從最先的1.0版、1.1 版、1.2 版，一路演進(jìn)到目前的1.3 版、1.4 版。作為領(lǐng)先的移動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)組織，3GPP 在2014年2月結(jié)束的SA 全會(huì)上宣布2014年6月開展SDN 在3GPP SA1/SA2/SA3/SA5的標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。作為3GPP的主要倡導(dǎo)者，中國(guó)電信從2013年11月就開始了SDN/NFV 在3GPP SA1 標(biāo)準(zhǔn)化上的立項(xiàng)工作，作為5G的關(guān)鍵技術(shù)，SDN/NFV 極有可能在3GPP R14 開啟標(biāo)準(zhǔn)化研究工作。3GPP SA1 已完成“靈活的移動(dòng)業(yè)務(wù)控制（Flexible Mobile Service Steering）”階段1的需求甄別工作，階段2的架構(gòu)性工作也已在SA2 立項(xiàng)，并展開了初步討論，預(yù)計(jì)在2015年7月之前完成。在國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)組織部分，中國(guó)電信參與了CCSA TC5WG9《移動(dòng)軟網(wǎng)絡(luò)需求及架構(gòu)（SAME）研究》報(bào)告的撰寫工作。SDN/NFV 國(guó)際/國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展見表1。

通過對(duì)關(guān)鍵問題的研究及方案的分析，有如下建議供參考。

①參考3GPP、IETF、NFV、ETSI 等組織相關(guān)進(jìn)展，對(duì)本報(bào)告中業(yè)務(wù)鏈的方案進(jìn)行更全面的完善，并進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化。

②虛擬化技術(shù)在分組網(wǎng)中的應(yīng)用方式及分組協(xié)議的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)“虛擬化友好”的分組核心網(wǎng)。

表1 SDN/NFV 國(guó)際/國(guó)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展

③網(wǎng)關(guān)的控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離后，功能的設(shè)計(jì)是關(guān)鍵。如何在控制和轉(zhuǎn)發(fā)分離后避免其間產(chǎn)生高的信令，是設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

SDN/NFV 已經(jīng)成為全球矚目的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)熱點(diǎn)，并逐漸從實(shí)驗(yàn)室走向產(chǎn)業(yè)化。本文主要探討在可預(yù)見的一段時(shí)間內(nèi)，SDN/NFV的應(yīng)用部署給電信網(wǎng)或者移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)架構(gòu)帶來(lái)的重大影響，持續(xù)研究如何發(fā)揮上述新型網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢(shì)，將移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)打造成可管可控的彈性和綠色網(wǎng)絡(luò)。

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