SDN和NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用研究

湯曉金

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SDN和NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用研究

湯曉金

中國電信股份有限公司上海嘉定電信局，上海 201800

為貫徹落實網(wǎng)絡(luò)強國戰(zhàn)略，國家最近幾年一直加強對5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)以滿足客戶需求為導(dǎo)向，網(wǎng)速快、延時小。軟件定義網(wǎng)絡(luò)（SDN）和網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)（NFV）是5G移動網(wǎng)絡(luò)中的兩個關(guān)鍵技術(shù)。SDN是對網(wǎng)絡(luò)連接進行集中管理和調(diào)度，而NFV是利用軟件來操作硬件上的網(wǎng)絡(luò)功能。因此，為了深入了解SDN和NFV，分析了SDN和NFV的優(yōu)點、SDN和NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用以及SDN和NFV所面臨的挑戰(zhàn)。

SDN；NFV；5G；網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

1 SDN和NFV在5G移動通信中的研究現(xiàn)狀

改革開放以來我國發(fā)展日新月異，特別是移動通信的發(fā)展提高了人們的信息化水平。移動通信對于國民經(jīng)濟發(fā)展具有推動作用，而且國家已將網(wǎng)絡(luò)提高到發(fā)展戰(zhàn)略的層面。我國網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了2G、3G和4G，一步一步演進，通信速度和容量也一步一步提升，現(xiàn)在發(fā)展到了5G。5G對技術(shù)的要求更高，因此對移動互聯(lián)網(wǎng)來說又是一個新的挑戰(zhàn)，特別是5G移動通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)問題。將軟件定義網(wǎng)絡(luò)（software defined networking，SDN）、網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化（network function virtualization，NFV）應(yīng)用到5G移動網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)中，使網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)更加智能化、更能靈活適應(yīng)現(xiàn)代人對網(wǎng)絡(luò)的需求。目前對SDN和NFV的研究還處于初級階段，還需要進行進一步研究，開發(fā)出更多方便人們生活的功能。

2 SDN和NFV的定義和特點

SDN和NFV技術(shù)是最近幾年才提出來的新技術(shù)，是一種應(yīng)用在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)中的架構(gòu)。SDN可以通過軟件編程實現(xiàn)對通信網(wǎng)絡(luò)的控制，使這種類型的網(wǎng)絡(luò)操作起來更加靈活，而傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)并不具有這種功能。NFV的作用是將網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化，將網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和軟件分離開來。傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是專用型的，而NFV中網(wǎng)絡(luò)設(shè)備是通用型的。移動通信運營商可以借助此項技術(shù)對比較昂貴的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進行編程來開發(fā)網(wǎng)絡(luò)功能，這樣提高了運營商的成本。接下來一一介紹二者的特點。

2.1 SDN技術(shù)特點

利用軟件將網(wǎng)絡(luò)的控制和轉(zhuǎn)發(fā)功能分離開來是SDN最大的特點，從而實現(xiàn)集中控制，并根據(jù)需要對所需的資源進行分配和優(yōu)化。SDN具備開放的網(wǎng)絡(luò)接口，正是因為有開放的網(wǎng)絡(luò)接口以及通用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，所以使得網(wǎng)絡(luò)更加簡單，可以通過軟件自由調(diào)配網(wǎng)絡(luò)上的資源和開發(fā)一些自己需要的新業(yè)務(wù)。自由的開發(fā)環(huán)境，加快了新業(yè)務(wù)的形成，具有價值的新業(yè)務(wù)也更快地發(fā)展起來，促進社會的進步[1]。

2.2 NFV技術(shù)特點

對傳統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進行開發(fā)比較笨拙，網(wǎng)絡(luò)設(shè)備多且開發(fā)周期比較長，而NFV是利用軟件虛擬化操作一臺通用的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，這樣相比傳統(tǒng)的移動通信網(wǎng)更加節(jié)省成本，有利于在激烈市場競爭取得勝利。NFV將軟件和網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備分離開來，避免了每次安裝設(shè)備都要進行配置帶來的麻煩，使得網(wǎng)絡(luò)更具有彈性，可以按照用戶需要自由地對網(wǎng)絡(luò)進行增、刪、改、查等部署，靈活方便快捷，提高了網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量和效率。由于NFV開發(fā)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備功能方便、快捷、靈活，因此加快了網(wǎng)絡(luò)的創(chuàng)新。

總之，SDN和NFV之間相互獨立沒有必要依賴性，兩種技術(shù)的側(cè)重點不一樣。SDN側(cè)重的是控制、轉(zhuǎn)發(fā)分離，而NFV側(cè)重的是軟件部分。SDN技術(shù)采用集中控制方式有利于統(tǒng)一調(diào)度，而NFV采用通用服務(wù)器和虛擬化技術(shù)降低SDN的成本。

3 SDN和NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用

最近幾年，國家對5G的發(fā)展越來越重視，提出在2020年將5G全面商用，其中5G兩個關(guān)鍵技術(shù)SDN和NFV起到了關(guān)鍵作用。隨著人們對SDN和NFV研究的深入，總結(jié)出了它的架構(gòu)。接下來一一介紹SDN和NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用。

3.1 SDN在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用

圖1是SDN技術(shù)架構(gòu)圖。從圖1可知，SDN架構(gòu)分為三層，最底層是基礎(chǔ)設(shè)施層，中間層是控制層，最上層是應(yīng)用層?；A(chǔ)設(shè)施層包含網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等基礎(chǔ)設(shè)備。這些設(shè)備完成各類數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)，像計算機網(wǎng)絡(luò)各層一樣，底層永遠(yuǎn)是服務(wù)于上一層的，基礎(chǔ)設(shè)施層通過開放的接口服務(wù)于控制層。當(dāng)接收到傳來的信息和命令時，轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備就對傳來的相關(guān)數(shù)據(jù)進行分組轉(zhuǎn)發(fā)或者增、刪、改、查等操作。這種做法相比傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)降低了網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜度，同時還有利于開發(fā)者開發(fā)出適應(yīng)不同用戶口味的個性化網(wǎng)絡(luò)，從而加速網(wǎng)絡(luò)創(chuàng)新，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)虛擬化。

與基礎(chǔ)設(shè)施層的作用類似，控制層也為上層應(yīng)用層提供服務(wù)。服務(wù)信息來源于SDN基礎(chǔ)設(shè)施層的數(shù)據(jù)。信息上報以后，然后獲得設(shè)備狀況，控制層通過控制/數(shù)據(jù)平面接口向基礎(chǔ)設(shè)施層發(fā)送信息實現(xiàn)對基礎(chǔ)設(shè)施層的控制，即實現(xiàn)對整個移動網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的管理和控制。

應(yīng)用層是SDN的頂層，從圖1可以看出頂層主要是各類業(yè)務(wù)應(yīng)用，同理應(yīng)用層和控制層之間也存在交互的接口，通過軟件可以針對不同的用戶提供他們想要的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

圖1 SDN技術(shù)架構(gòu)圖

3.2 NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用

NFV的網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化主要講的是三種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，第一種是處理移動用戶在打電話時，對用戶發(fā)出的信息進行分析和轉(zhuǎn)發(fā)的設(shè)備；第二種是控制設(shè)備；第三種是用來發(fā)送處理信號的設(shè)備，例如基站、交換機等，而NFV在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)就是由這些設(shè)備組成的。如圖2所示，NFV的網(wǎng)絡(luò)管理和編排架構(gòu)主要分為三個部分：第一個部分是網(wǎng)絡(luò)功能，NFV提供了各種網(wǎng)絡(luò)功能；第二部分是虛擬機；第三部分是Hypervisor，這是一種軟件層，是NFV虛擬化的核心部分；第四部分則是標(biāo)準(zhǔn)服務(wù)器、標(biāo)準(zhǔn)交換設(shè)備以及標(biāo)準(zhǔn)存儲設(shè)備[2]。

NFV是由通信運營商提出來的，因為運營商想解決傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備笨拙、復(fù)雜的現(xiàn)狀。NFV基于行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的x86服務(wù)器、存儲以及交換機等傳統(tǒng)設(shè)備，其架構(gòu)思路主要是抽象網(wǎng)絡(luò)功能、對網(wǎng)元功能進行分解、使網(wǎng)絡(luò)進行重構(gòu)等。

由SDN和NFV技術(shù)在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用可知其主要特性是將網(wǎng)絡(luò)功能從硬件設(shè)備中解除，從而開發(fā)網(wǎng)絡(luò)功能，但是由于受到傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備架構(gòu)影響，5G中的重構(gòu)、解耦以及策略管理等都有一定的難度，需要后來人不斷努力創(chuàng)新。

4 SDN和NFV面臨的挑戰(zhàn)

SDN和NFV兩大技術(shù)被公認(rèn)為是最具有潛力的技術(shù)，會對未來移動通信產(chǎn)生重大的影響。正是如此，SDN和NFV在關(guān)鍵技術(shù)、安全可靠方面等面臨諸多挑戰(zhàn)。

圖2 NFV技術(shù)架構(gòu)圖

由于SDN是開放性接口，因此容易造成安全性問題。目前我國缺少安全監(jiān)控機制，這些安全性問題存在于控制器、應(yīng)用層及底層存儲轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備之間。

5G網(wǎng)絡(luò)的傳輸速度空前提高，整個社會都期待它的呼之欲出。5G移動通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架是一個急需解決的問題。將SDN和NFV應(yīng)用于5G網(wǎng)絡(luò)中，優(yōu)化了5G通信網(wǎng)絡(luò)的架構(gòu)。

5 結(jié)論

5G移動網(wǎng)絡(luò)項目最近幾年一直是國家重點扶持的重要項目，也是整個社會關(guān)注的熱點，是滿足廣大人民的需求、滿足社會發(fā)展需要的技術(shù)。本文介紹了SDN和NFV技術(shù)在5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中的應(yīng)用。SDN和NFV的應(yīng)用將網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備和軟件分離開來，可以利用軟件通用的服務(wù)器進行編程，實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)資源配置，集中管控網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)，促進網(wǎng)絡(luò)資源的創(chuàng)新，提高傳輸速率和容量。研究結(jié)果表明，將SDN和NFV技術(shù)應(yīng)用于5G克服了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)中的許多缺點，能夠滿足未來人們對各種新增業(yè)務(wù)的需求，促進社會發(fā)展。

[1]安琪，劉艷萍，孫茜，等. 基于SDN與NFV的網(wǎng)絡(luò)切片架構(gòu)[J]. 電信科學(xué)，2016（11）：119-126.

[2]柴蓉，胡恂，李海鵬，等. 基于SDN的5G移動通信網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[J]. 重慶郵電大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（5）：569-576.

Application of SDN and NFV in 5G Mobile CommunicationNetwork Architecture

Tang Xiaojin

China Telecom Corporation Limited Shanghai Jiading Telecom Bureau, Shanghai 201800

In order to implement the strategy of building a strong nation on the Internet, the country has been strengthening the construction of 5G mobile communication networks in recent years. The 5G mobile communication network is oriented to meet customer needs, with fast speed and small delay. Software-defined networking (SDN) and network virtualization technology (NFV) are two key technologies in 5G mobile networks. SDN is the centralized management and scheduling of network connections, and NFV is the use of software to operate the network functions on the hardware. Therefore, in order to deeply understand SDN and NFV, the advantages of SDN and NFV, the application of SDN and NFV in the 5G mobile communication network architecture, and the challenges faced by SDN and NFV are analyzed.

SDN; NFV; 5G; network architecture

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