基于SDN 與NFV 技術(shù)的第五代移動(dòng)通訊方法研究

陳虹旭， 劉清源， 李曉坤， 徐 龍， 董濰赫， 黃逸群

（1 黑龍江恒訊科技有限公司國家博士后科研工作站， 哈爾濱150090； 2 黑龍江大學(xué)， 哈爾濱150090）

0 引 言

隨著5G 時(shí)代的到來，通信量的激增和各種需求的不斷增加，給傳統(tǒng)的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)帶來了諸多挑戰(zhàn)［1］。 為解決“全網(wǎng)資源利用率低”、“網(wǎng)絡(luò)過于復(fù)雜”、“專用通訊硬件過于昂貴”等問題，使得5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)、部署和管理更加靈活高效［2－4］，本文提出了一種新的基于NFV（網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化）和SDN（軟件定義網(wǎng)絡(luò)）的5G 業(yè)務(wù)核心網(wǎng)絡(luò)管理架構(gòu)［5－7］。 在架構(gòu)中，服務(wù)管理層負(fù)責(zé)服務(wù)的管理和編制，基礎(chǔ)設(shè)施管理層和SDN 控制器負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)功能部署、工作負(fù)載分配、流量調(diào)度等［8－10］。 并且基于該架構(gòu)提出了一種最優(yōu)工作負(fù)載分配算法，可以提供分布式和按需的網(wǎng)絡(luò)功能部署、靈活的網(wǎng)絡(luò)功能編排和最優(yōu)的工作負(fù)載分配。

1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 基本5G 系統(tǒng)架構(gòu)

隨著5G 的普及，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)流量和移動(dòng)設(shè)備正在經(jīng)歷爆炸式的增長［11］。 為了適應(yīng)5G 通訊系統(tǒng)中的不同場(chǎng)景（如eMBB、URLLC 等）的要求，5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)將成為一個(gè)面向服務(wù)的網(wǎng)絡(luò)，為創(chuàng)建新的服務(wù)和新的應(yīng)用程序提供更大的靈活性［12－14］。

然而，傳統(tǒng)的移動(dòng)核心網(wǎng)是一個(gè)集成系統(tǒng)，它由互聯(lián)網(wǎng)元素、不同功能的模塊和專用硬件緊密耦合在一起。 由于缺乏靈活性、可伸縮性和可部署性，這種體系結(jié)構(gòu)不能滿足5G 時(shí)代用戶的各種需求［15－17］。

圖1 5G 核心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Diagram of 5G core network architecture

因此，為解決上述問題，人們提出了一種基于服務(wù)的5G 核心網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。 5G SBA進(jìn)一步將單片網(wǎng)絡(luò)元素劃分為更小的網(wǎng)絡(luò)功能單元（NFs）［18－20］，每個(gè)NF 負(fù)責(zé)一個(gè)任務(wù)，并可以獨(dú)立部署。 在該架構(gòu)中，所有移動(dòng)數(shù)據(jù)都必須通過核心網(wǎng)才能接入業(yè)務(wù)層。 由于5G 網(wǎng)絡(luò)超大的內(nèi)容流量，上述方法的速度無法達(dá)到預(yù)期效果［21－23］。 另外，5G預(yù)計(jì)支撐三大類應(yīng)用場(chǎng)景，即eMBB，URLLC 及mMTC，這需要不間斷和健壯的數(shù)據(jù)交換［24－26］。 例如，自動(dòng)駕駛和智能電網(wǎng)控制要求無線時(shí)延小于lms，這在目前的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中是無法保證的［27－29］。

1.2 改進(jìn)的5G 系統(tǒng)架構(gòu)

為了解決上述問題，本文提出了一種基于NFV和SDN 的5G 核心網(wǎng)絡(luò)管理和部署體系結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。 5G 服務(wù)門戶（5G service portal）為不同的用戶提供不同的服務(wù)入口。 服務(wù)管理層（service management layer）負(fù)責(zé)根據(jù)BSS（業(yè)務(wù)支撐系統(tǒng)）與OSS（運(yùn)營支撐系統(tǒng)）制定的策略編排和配置NF 模塊。 基礎(chǔ)設(shè)施管理層（infrastructure management layer）負(fù)責(zé)管理核心網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施。 該層中有兩種SDN 控制器，分別是負(fù)責(zé)NF 管理與協(xié)調(diào)的核心SDN 控制器（Core SDN Controller）和負(fù)責(zé)回程網(wǎng)絡(luò)中有效流量調(diào)度的流SDN 控制器（flow SDN controller）。 在SDN 控制器的控制下，5G 核心用戶和一些應(yīng)用程序可以作為mobile edge core（MEC）部署在邊緣服務(wù)器上，而控制層數(shù)據(jù)作為mobile cloud core（MCC）部署在云數(shù)據(jù)中心。 因此，需要快速響應(yīng)的數(shù)據(jù)可以在MEC 上進(jìn)行處理，并快速返回，以減少對(duì)核心網(wǎng)的占用，消除回程延遲。

圖2 5G 核心網(wǎng)絡(luò)部署體系架構(gòu)圖Fig.2 Diagram of 5G core network dployment architecture

基于所提出的框架，本文完成了5G SBA 基于服務(wù)的“網(wǎng)絡(luò)切片編制與管理”框架的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，如圖3 所示。 利用OpenStack 實(shí)現(xiàn)虛擬平臺(tái)，通過虛擬基礎(chǔ)設(shè)施管理器（virtual infrastructure manager，VIM）對(duì)NFV 的計(jì)算、存儲(chǔ)進(jìn)行虛擬化。 NFV 由OpenStack 中的HEAT 模塊實(shí)現(xiàn)，該模塊可以對(duì)服務(wù)進(jìn)行部署和生命周期管理。 使用“Ansible”作為虛擬網(wǎng)絡(luò)功能管理模塊（virtualized network function management），用于配置、部署和編排高級(jí)任務(wù)。 在IP 傳輸網(wǎng)絡(luò)資源的管理和調(diào)度方面，利用ODL 作為SDN 控制器。 在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理并實(shí)現(xiàn)構(gòu)建多個(gè)虛擬租戶網(wǎng)絡(luò)（VTN）。

為了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片管理和編制功能，本文引入了網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng)（NOS）概念，如圖4 所示［30］。 NOS 主要包括：公共服務(wù)模塊（common services）、核心業(yè)務(wù)管理模塊（core orchestration and management）、驅(qū)動(dòng)管理模塊（Driver management）、刀片管理模塊（slice designer）和特定的“UI”模塊。 這些組件的功能和實(shí)現(xiàn)方法如下：

圖3 虛擬平臺(tái)架構(gòu)圖Fig.3 Virtual platform architecture diagram

圖4 NOS 模塊框架圖Fig.4 Block diagram of NOS module

1.2.1 公共服務(wù)模塊

Tenant Manager： 提供管理和授權(quán)身份驗(yàn)證控制的租戶信息。

（1）System Manager：提供切片管理與系統(tǒng)組件管理，包括注冊(cè)、更新和監(jiān)控。

（2）Catalogue：對(duì)切片編制管理的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行目錄化管理。

（3）TOSCA：利用Apache ARIA TOSCA 實(shí)現(xiàn)TOSCA 模型的編制器。

（4）API GW（API Gateway）：該組件支持面向?qū)ο蠓?wù)框架，提供API 管理、注冊(cè)、發(fā)布和協(xié)調(diào)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

（5）Driver Manager：提供驅(qū)動(dòng)管理。

1.2.2 核心業(yè)務(wù)管理模塊

該模塊負(fù)責(zé)核心業(yè)務(wù)流的監(jiān)控、配置和管理。

（6）Slice O＆M：提供端到端的網(wǎng)絡(luò)切片和配置管理。

（7）Plans Engine：該模塊負(fù)責(zé)設(shè)計(jì)網(wǎng)絡(luò)切片工作流模型。

（8）E2E Resource O＆M：該模塊負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)切片端到端的基礎(chǔ)設(shè)施資源管理。

（9）NFM module：對(duì)每個(gè)網(wǎng)絡(luò)功能進(jìn)行配置、生命周期管理和監(jiān)控

（10）The Driver layer：為SDN／NFV 組件提供多種適配器。

（11）The Slicing Designer：按需為用戶提供定制化網(wǎng)絡(luò)切片。

在此框架中，所有服務(wù)都在NFV 平臺(tái)上進(jìn)行，為NFs 提供了更加靈活的編排機(jī)制，并且在基礎(chǔ)設(shè)施管理層使用了兩個(gè)不同的SDN 控制器，從而實(shí)現(xiàn)了隨需應(yīng)變的部署、監(jiān)控和管理。 此外，回程網(wǎng)絡(luò)延遲問題也得到了解決，一些核心網(wǎng)絡(luò)功能可以交予MEC 處理，從而大大的降低了回程延遲。

2 算法

2.1 算法描述

根據(jù)上述框架描述，該管理框架通過啟動(dòng)或終止相關(guān)的NVFs，來支持靈活和動(dòng)態(tài)的服務(wù)遷移。 SDN控制器將根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)在遷移的收益和費(fèi)用之間進(jìn)行權(quán)衡，遷移決定因素（MDF）被定義為服務(wù)遷移的相對(duì)成本。 服務(wù)節(jié)點(diǎn)x 的MDF 是延遲、可用負(fù)載、帶寬、服務(wù)價(jià)格、信用函數(shù)。 如果將y 定義為之前的服務(wù)提供者（即遷移起點(diǎn)），MDF 可以表示為：

其中：Clat（x） 表示傳輸延遲，Cload（x） 表示服務(wù)器的容量，Cband（x，y）表示兩點(diǎn)間的最大帶寬，Ccre（x） 表示兩點(diǎn)間的回程延遲，Cpri（x） 為租用服務(wù)器的成本。

因此，可以得到一個(gè)由所有服務(wù)節(jié)點(diǎn)的決定因素組成的矩陣。 通過設(shè)置各參數(shù)的權(quán)重系數(shù)，對(duì)矩陣進(jìn)行歸一化，得到各節(jié)點(diǎn)遷移的相對(duì)代價(jià)。 然后，選擇成本最小的節(jié)點(diǎn)作為服務(wù)提供者。

2.2 具體公式

1）MEC 耗能

假設(shè)MEC 耗能與工作量呈線性關(guān)系。設(shè)xi，j為應(yīng)用程序j 對(duì)MEC i 的請(qǐng)求速率（以秒為單位）。 因此，可以利用時(shí)間T 表示MEC 的耗能。

2）MEC 延遲

設(shè)vi，j為MEC i 對(duì)服務(wù)j 的相應(yīng)速率（以秒為單位），則可得到：

3）MCC 耗能

設(shè)yi，j，m為應(yīng)用j 從MEC i 到數(shù)據(jù)中心m 的耗能，μj，m為數(shù)據(jù)中心對(duì)應(yīng)用的響應(yīng)速率。 另設(shè)數(shù)據(jù)中心的空載功率和峰值功率為和則可得到：

4）MCC 延遲

5）回程網(wǎng)絡(luò)帶寬成本

回程網(wǎng)絡(luò)帶寬成本可按式（6）計(jì)算：

計(jì)算結(jié)果用美元／Mbps 表示。

6）回程延遲成本

因回程延遲通常會(huì)導(dǎo)致收入損失，但這是一種成本，可表示為：

計(jì)算結(jié)果用美元／ms 表示。

因此，最優(yōu)工作量分配問題可表示為系統(tǒng)總成本最小化問題，可由式（8）計(jì)算得出。

3 仿真實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

本文在Core（TM） i5－4210H CPU 16G RAM 的PC 機(jī)上，采用MATLAB 進(jìn)行了仿真。 仿真結(jié)果表明，本文提出的框架和算法在降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本方面是有效的。

圖5 顯示了邊緣服務(wù)器從10 增加到70 時(shí)，系統(tǒng)總成本能源價(jià)格的變化。 從中可以看出，當(dāng)邊緣服務(wù)器的能源價(jià)格較低時(shí)，該框架可以降低系統(tǒng)成本；當(dāng)邊緣服務(wù)器的能源價(jià)格過高時(shí)，由于所有的工作負(fù)載都將分配給MCC，所以框架的總成本與基線相同。

圖5 系統(tǒng)總成本Fig.5 Total system cost

圖6 與圖7 說明隨著分配給MECs 的工作數(shù)量hi的變化，回程延遲受到的影響。 由圖6 可見，當(dāng)邊緣服務(wù)器的成本更低時(shí)，更多的工作負(fù)載分配給了MECs。 隨著邊緣服務(wù)器成本的增加，MEC 上的工作負(fù)載處理減少到零，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)有較高的延遲時(shí)，分配給MECs 的工作更多，主要原因是MECs 更接近用戶，可以有效的減少延遲。

圖6 hi ＝10 時(shí)分配給MEC 的工作負(fù)載Fig.6 Workload assigned to MEC when hi ＝10

圖7 為hi從10 增加到70 時(shí)分配給MCC 的工作量，以及回程網(wǎng)絡(luò)帶寬成本的影響。 從圖中可以看出，隨著邊緣服務(wù)器成本的增加，MCC 處理的工作量也隨之增加。 與hi相同，當(dāng)分配給MCC 在回程網(wǎng)絡(luò)的帶寬價(jià)格比較高時(shí)，在MEC 上處理工作降低了系統(tǒng)成本。

圖7 hi ＝70 分配給MCC 的工作負(fù)載Fig.7 Workload assigned to MEC when hi ＝70

圖8 顯示了請(qǐng)求大小從1 Mb 增加到10 Mb 時(shí)的系統(tǒng)開銷。 由圖8 可見，即使采用比光纖連接更便宜的混合連接，所提出框架的系統(tǒng)成本也低于原成本。 另外，隨著request 大小的增加，所提出的方法和原方法之間的性能差距擴(kuò)大。 這是由于更大的request 帶來更多的回程成本，而MECs 可以降低由于分布式架構(gòu)的回程成本。

圖8 請(qǐng)求大小的影響Fig.8 Impact of request size

4 結(jié)束語

本文提出了一種新的SG 核心網(wǎng)絡(luò)SBA 管理體系結(jié)構(gòu)，并基于該結(jié)構(gòu)提出了一種最優(yōu)工作負(fù)載分配算法。 該框架結(jié)合SDN、NF V，可以提供分布式的、按需的網(wǎng)絡(luò)功能部署、服務(wù)保證的網(wǎng)絡(luò)切片、靈活的網(wǎng)絡(luò)功能編排和最優(yōu)的工作負(fù)載分配。 仿真結(jié)果表明，該框架和算法在降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行成本方面是有效的。