云原生5G核心網(wǎng)相關(guān)技術(shù)展望

唐來賢，張家晟，郝立波，陳贊旺，朱 林

（中移互聯(lián)網(wǎng)有限公司，廣東 廣州 510640）

5G技術(shù)作為打開信息通信新領(lǐng)域的新一代技術(shù)，可以為構(gòu)件數(shù)字基礎(chǔ)設(shè)施、產(chǎn)業(yè)數(shù)字化轉(zhuǎn)型等工作提供核心支撐。近年來，5G技術(shù)與工業(yè)制造、醫(yī)療衛(wèi)生、電力傳輸、交通運(yùn)輸?shù)犬a(chǎn)業(yè)相結(jié)合，涌現(xiàn)出一大批優(yōu)秀案例。但是，由于設(shè)備點(diǎn)多面廣、資源的異構(gòu)特性、資源零散等因素的制約，從嚴(yán)格意義上講，云計(jì)算解決方案對(duì)于5G網(wǎng)絡(luò)并不適用，構(gòu)建更加靈活、敏捷、智能的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)5G與垂直行業(yè)應(yīng)用的優(yōu)化，是個(gè)亟待解決的問題[1-2]。

云計(jì)算技術(shù)發(fā)展至今已較為成熟，作為下一代云計(jì)算的技術(shù)內(nèi)核，云原生技術(shù)具備高度的故障自愈能力、毫秒級(jí)的彈性響應(yīng)、實(shí)現(xiàn)超量復(fù)制等特點(diǎn)，在推動(dòng)5G技術(shù)在行業(yè)內(nèi)的應(yīng)用等方面發(fā)揮了重要作用。

1 云原生的發(fā)展現(xiàn)狀與5GC

1.1 云原生的發(fā)展現(xiàn)狀

云原生是Matt Stine首先提出的概念，它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、工程管理方法等一系統(tǒng)技術(shù)的集合，不僅囊括了實(shí)現(xiàn)云原生的核心技術(shù)，也包括工程實(shí)踐的方法論。Matt Stine在《遷移到云原生架構(gòu)》一書中定義了云原生的特征：自服務(wù)、微服務(wù)、API協(xié)作、抗脆弱性等[3]。隨著Kubernetes技術(shù)、容器技術(shù)等新技術(shù)的廣泛應(yīng)用，云原生技術(shù)慢慢成熟，見圖1。

圖1 云原生架構(gòu)關(guān)鍵技術(shù)

云原生已在云計(jì)算領(lǐng)域和企業(yè)IT架構(gòu)內(nèi)得到一定應(yīng)用。從相關(guān)情況來看，目前應(yīng)用較多的技術(shù)主要有兩大方面：云原生底層技術(shù)和云原生編排及管理技術(shù)。

（1）云原生底層技術(shù)。容器云原生技術(shù)不斷發(fā)展，Docker與宿主機(jī)共享內(nèi)核導(dǎo)致Docker逃逸急需解決。安全容器以添加隔離層的方式為進(jìn)程分配獨(dú)立操作系統(tǒng)內(nèi)核。Serverless容器的出現(xiàn)為傳統(tǒng)應(yīng)用轉(zhuǎn)到FaaS平臺(tái)提供了幫助，有效處理了遷移成本與函數(shù)拆分等問題。采用專門的卸載硬件承載非業(yè)務(wù)負(fù)載組件，有效增強(qiáng)了容器負(fù)載性能和穩(wěn)定性。在裸金屬服務(wù)器上搭建容器服務(wù)成為部分用戶的選擇。云原生服務(wù)器的發(fā)展?jié)M足了部分用戶的高性能計(jì)算需求，且具有一定的云服務(wù)器的管理功能。

（2）云原生編排及管理技術(shù)。編排與管理工具應(yīng)用于云計(jì)算方面，可以實(shí)現(xiàn)彈性伸縮和自動(dòng)化處理，因此云原生程序也有一定的擴(kuò)展性。需注意的是，服務(wù)網(wǎng)格屬于支持工作負(fù)載實(shí)例通信的管理層，它使得服務(wù)治理和業(yè)務(wù)邏輯之間的聯(lián)系更密切，使異構(gòu)系統(tǒng)處在統(tǒng)一模式下。與傳統(tǒng)微服務(wù)框架相比，服務(wù)網(wǎng)格具有諸多優(yōu)勢(shì)：通信線路數(shù)據(jù)觀察性強(qiáng)；目標(biāo)導(dǎo)向下的流量精確控制；微服務(wù)網(wǎng)絡(luò)安全性。無服務(wù)器實(shí)際上是一種架構(gòu)思想，它把基礎(chǔ)設(shè)施抽象成多種服務(wù)，并用API接口的形式供使用者調(diào)用，能做到按使用付費(fèi)，按需要伸縮。

1.2 云原生與5GC

5G具有增強(qiáng)移動(dòng)寬帶（eMBB）、低時(shí)延高可靠（uRLLC）、低功耗大連接（mMTC）三個(gè)業(yè)務(wù)場(chǎng)景。同時(shí)，3GPP在5G核心網(wǎng)規(guī)范中引入了無狀態(tài)、切片、MEC、SBA、CUPS等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更為靈活多樣的場(chǎng)景需求[4-5]。云原生關(guān)鍵技術(shù)和5GC在需求上、技術(shù)理念上存在高度的一致性（如圖2所示），云原生技術(shù)包含的微服務(wù)、服務(wù)網(wǎng)格、不可變基礎(chǔ)設(shè)施等與5G核心網(wǎng)架構(gòu)中的網(wǎng)絡(luò)切片、SBA、編排管理等高度匹配，采用云原生技術(shù)構(gòu)建5G核心網(wǎng)已成為主流運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商的選擇。

圖2 云原生關(guān)鍵技術(shù)和5GC在需求上、技術(shù)理念上存在高度一致性

2 云原生5G核心網(wǎng)相關(guān)技術(shù)展望

目前，云計(jì)算技術(shù)已被應(yīng)用于現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)中，如基于開放的編排標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)資源編排，基于OpenStack平臺(tái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)元虛擬化和快速部署等。但對(duì)5G時(shí)代的核心網(wǎng)需求而言，上述技術(shù)仍遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，在NGMN、ETSI等發(fā)布的5G白皮書中，通信運(yùn)營(yíng)商、設(shè)備商都表達(dá)出把云原生技術(shù)引入5GC中以實(shí)現(xiàn)需求的諸多愿景[6-7]。

2.1 邊緣計(jì)算技術(shù)

邊緣計(jì)算技術(shù)作為一種新型技術(shù)，促進(jìn)了5GC在多個(gè)行業(yè)的運(yùn)用，既可以滿足多種終端的高算力要求，同時(shí)也符合工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛的低時(shí)延場(chǎng)景要求[8]。該技術(shù)除具備云計(jì)算的特征外，還有其獨(dú)特的特征，如多碎片、資源點(diǎn)多面廣、較高的異構(gòu)性等，并且對(duì)算網(wǎng)協(xié)同的資源控制能力的要求更高，傳統(tǒng)的云計(jì)算解決方案很難滿足復(fù)雜性、不確定性、高動(dòng)態(tài)等要求，而將云原生運(yùn)用到邊緣計(jì)算平臺(tái)就能支持5GC落地各行各業(yè)。

將容器化技術(shù)運(yùn)用到邊緣計(jì)算平臺(tái)，可以使底層物理計(jì)算資源變得抽象化與軟件化，符合邊緣計(jì)算技術(shù)在數(shù)據(jù)協(xié)同、應(yīng)用管理協(xié)同等層面的需求。同時(shí)，容器技術(shù)具有標(biāo)準(zhǔn)的容器倉庫與格式，能為邊緣計(jì)算技術(shù)提供標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用分發(fā)，形成標(biāo)準(zhǔn)的控制接口，再配合云原生技術(shù)實(shí)現(xiàn)“云-邊-端”一體化，滿足多種設(shè)備超常規(guī)應(yīng)用分發(fā)功能。

再者，容器技術(shù)和邊緣計(jì)算技術(shù)的結(jié)合也可增強(qiáng)工作負(fù)載環(huán)境的安全性，不但能為弱信號(hào)的恢復(fù)提供幫助，同時(shí)還能增強(qiáng)邊緣計(jì)算資源介入環(huán)境中的兼容性，使多異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)接入成為可能。

2.2 面向服務(wù)的5GC云原生核心網(wǎng)

該網(wǎng)包括云基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)營(yíng)管理系統(tǒng)、虛擬化基礎(chǔ)設(shè)施管理器和NG核心網(wǎng)四個(gè)要素，依托容器技術(shù)、服務(wù)網(wǎng)絡(luò)、云原生技術(shù)、云原生調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)的個(gè)性化服務(wù)、大規(guī)模定制需求。

2.3 基于云原生的輕量級(jí)5GC方案

為達(dá)到各行業(yè)用戶不同的組網(wǎng)要求，推出輕量級(jí)5GC是各運(yùn)營(yíng)商大力研究的重要技術(shù)，云原生借助自身多樣的調(diào)度方法與容器技術(shù)去切合5GC核心網(wǎng)功能定制化裁剪的需要，各領(lǐng)域客戶可按照需要對(duì)網(wǎng)元功能進(jìn)行定制開發(fā)、快速部署。

2.4 基于服務(wù)化架構(gòu)技術(shù)的業(yè)務(wù)方案

（1）網(wǎng)元功能被逐步分解。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)4G有固態(tài)柵極，可智能實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接，也可進(jìn)行靈活調(diào)整、多功能固定，網(wǎng)絡(luò)4G經(jīng)常使用EPC元素。但在5GC中，會(huì)將網(wǎng)絡(luò)元素從一個(gè)以上的領(lǐng)域通過API的挑戰(zhàn)，以不同的組合方式擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)，并在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)擴(kuò)大、升級(jí)自動(dòng)化服務(wù)。同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)接口也可自由連接到其他網(wǎng)絡(luò)上，靈活程度高，可適應(yīng)不同的傳輸方案。

（2）全面管理網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。網(wǎng)絡(luò)功能存儲(chǔ)（NRF）是5GC的重要組成部分，是非常靈活的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)管理工具，能在管理模式下實(shí)現(xiàn)注冊(cè)、升級(jí)等功能，用戶應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)時(shí)可實(shí)現(xiàn)信息調(diào)用與授權(quán)，也可在用戶關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)時(shí)自動(dòng)停止，從而使網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用變得更為快捷。

（3）通信網(wǎng)關(guān)協(xié)議。4G網(wǎng)絡(luò)采用EPC架構(gòu)，與網(wǎng)絡(luò)各部分間的通信協(xié)議包括SCTP、SS7協(xié)議、GTPv1協(xié)議。5GC以互聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)連接主要以專業(yè)接頭進(jìn)行連接，第三方可通過網(wǎng)絡(luò)和專業(yè)接口實(shí)現(xiàn)資料傳輸。

3 結(jié)束語

總而言之，云原生技術(shù)在開源技術(shù)的支持下不斷豐富和落地，并從容器技術(shù)、容器編排技術(shù)為核心的生態(tài)向微服務(wù)、自動(dòng)化運(yùn)維擴(kuò)展，當(dāng)前云原生技術(shù)用于5G核心網(wǎng)還處在起步階段，主要用于邊緣計(jì)算場(chǎng)景。相信隨著相關(guān)研究的深入和技術(shù)的進(jìn)步，必將實(shí)現(xiàn)5G核心網(wǎng)與各相關(guān)產(chǎn)業(yè)的深度結(jié)合，促成通信網(wǎng)真正實(shí)現(xiàn)智能、敏捷、開放、云網(wǎng)融合的轉(zhuǎn)型，助推各產(chǎn)業(yè)的智能化、快捷化發(fā)展。■