5G网络架构的重构与挑战

溯溪而上

【摘要】首先详细阐述了面向5G网络架构的沿革与SDN/NFV的引入，并对现有网络采用解耦、抽象和重构的方法，提出了控制与转发分离、控制集中化、可编程的移动通信网络架构，最后分析阐述了水平网络及开放性的新含义，网络重构的趋势、战略目标、演进方向和目标架构，以及网络架构重构的战略意义和挑战。

【关键词】网络架构；网络重构；网络演进

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.2018.01.000      中图分类号：TN929.533      文献标志码：A      文章编号：1006-1010(2018)01-0000-00

引用格式：李聪. 5G网络架构的重构与挑战[J]. 移动通信, 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，第五代移动通信系统）是一个端到端的生态通信系统，它将实现一个全连接和全移动的社会。现有的传统网络是刚性固化的，传统网络往往更加关注网络的底层传送能力而忽略了网络的能力向上层应用和业务开放，因此导致网络缺少流程化的能力开放接口，业务很难灵活地调用网络能力，这就导致承载网不能承载一些互联网的业务和应用，而必须采用应用层专用的协议进行纠错、应用加速和流量均衡等优化设计。

此外，现有2G/3G/4G网络更多地关注和加强技术从而局限在接入网及核心网上，而5G将会改变以往通信网络格局，实现网络的软件和硬件的分离。5G架构的重构通过引入了NFV（Network Function Virtualization，网络功能虚拟化）和SDN（Software Defined Network，软件定义网络），将淘汰传统网络建设复杂度非常高的“烟囱”架构，以充分展示基于SDN/NFV技术的创新型基础设施环境在灵活组网和网络安全方面的潜力[1]。为此，本文接下来将详细阐述了面向5G网络架构的沿革与SDN/NFV的引入，并探讨5G网络架构的重构及面临的挑战。

2   网络重构及SDN/NFV的引入

2.1  网络重构的演进方向

首先，网络重构将把网络运营从分散型向集约型演进，由于历史原因，传统电信运营商一般沿袭了自上而下的网络组织和运行方式，各个省市的网络运营商均独立建设和运营基础网络，因此导致网络利用率低下、端到端业务体验较差。随着互联网的发展，网络用户对网络的运营模式提出了更高的要求，因此网络必须具有“统一集约规划”、“统一集约建设”和“统一集约管控”三大特征。

其次，传统网络更多关注网络底层的传送能力，而对于承载网络能力向上层应用和新业务的创新开发并无过多的考虑，因此缺乏标准化的业务开放接口，业务调度不灵活。未来的网络架构必须要达到网络能力接口标准化及开放的要求。

再次，在互联网发展过程里，基于云计算来提供业务已成为大势所趋，但是目前云和网之间缺乏灵活的握手互动机制，通常计算资源、存储资源和网络资源多是彼此之间独立静态配置，无法统一按需提供。未来的网络架构必须向业务、IT和网络云化以及基于DC（Data Center，数据中心）集中部署并以DC为网络核心的云网融合转变[2]。

最后，网络要走向运营开发一体化，在现行的网络运营模式下，厂家与运营商之间都是简单的售卖方式，主要由“供给”决定“需求”，未来的网络需要达到用户对网络的定制化要求，通过分离网络的软件与硬件，引入IT设备等多种手段达到由简单的售卖到创新驱动发展的目的。

2.2  SDN/NFV技术的引入

随着通信技术的变革和发展，现有的网络已经不再适应现在高速发展的高速率时代，网络架构的重构将减少网络的层级、转移网络核心节点，同时也会将网络软化，网络流量收敛比减少，基于SDN/NFV的新架构是网络重构的要方式，它以网络控制与转发及网络软硬件双解耦为基本特征，全局性、革命性的架构重构。

从SDN和NFV的定义出发，一套整体的SDN解决方案包括数据层、控制层和应用层。控制器运用南向接口对设备进行控制，运用北向接口支持应用开发，为业务提供服务。

（1）数据层

在数据层平面，首先离不开物理网络基础设施。其次，网络虚拟化是SDN的重要特性，主机Overlay方案（Host Tunnels）适合全虚拟化环境，消除基于硬件的网络限制；网络Overlay方案（Fabric tunnels）支持物理资源池，满足转发的高性能需求；如果是物理和虚拟并存的环境，适合混合Overlay方案。不同的IT环境选用适合的虚拟网络方案。

（2）控制层

在控制层平面，运用发展控制器软件或软硬一体的控制器形态，包含开源控制器和商用控制器。统计指出，当前全世界供应商提出的控制器案例已大于25个。开源方案和供应商方案同步演进，依据客户IT环境和需求，选择最适当的方案。

（3）应用层

在应用层平面，包括4~7层的网络服务，以及网络关联的管控和运行维护（M&O）功能。基于SDN结构，网络应用层是重点，一方面，网络应用直接反映用户及业务需求；另一方面，原有的网络服务、管理和维护方案都亟待换代升级，以满足SDN架构需求。网络应用生态的多样性、创造性都将无限庞大。当前为数众多的SDN厂家、安全厂商在网络应用层部署。根据客户需求场景，基于SDN技术的解决方案可归结为网络功能虚拟化、网络监控和网络安全，分别对应网络生命周期中的网络交付（网络功能虚拟化）、网络运行维护（监控和安全）。

（3）深度进化：SDN在网络基础设施和网络服务的各个层面彰显价值

除了NFV，SDN开始影响到更深层的网络监控和网络安全方案。SDN视角下的网络监控和安全，也必须综合引入虚拟化、开放网络架构、云计算等设计。比如，符合SDN时代的网络产品打破封闭和专用的设备形态，是基于SDN和x86架构的可编程软件。

（4）广度进化：SDN在各种网络情景和各类IT场景中进行全方位配置

按照网络场景划分，DCN、DCI、WAN、IPRAN等每个网络场景的管理，都离不开网络交付和网络运维；按照IT环境划分，物理、虚拟化、容器、云四大环境都离不开网络的支撑。SDN需要为不同的网络场景和IT环境提供相应的SDN解决方案。在数据和闭环的基础上，面对巨大的网络市场，打造更加智能化的网络才是SDN的发展目标。网络自动运营、智能化或自助监管的网络，把网络操作人员从繁琐的日常管理工作中解脱出来。仅通过很少、甚至无需人工干预，就能够进行网络搭建、配置、监控、安全保护以及运维等工作。让人把关键时间用于理解业务、优化网络，致力于让网络更好地为业务服务。网络智能化的关键在网络数据平台，在此基础上连续进行大量数据的收集，并对数据进行解析，逐步形成网络配置和安全防御的策略、执行网络及安全策略，并持续收集反馈信息，这样的过程再不断地循环，实现网络的自我学习、调整和保护[4]。

3   网络架构水平化重构

3.1  网络演进的目标架构

网络的演进方向是基于面向新型互联网应用的网络架构，网络将会由垂直架构向水平架构演进，其网络首先应有简洁的结构，网络应减少网络层级（一二干融合），不大于30 ms的传输网时延；网络的种类、网元的数量和局站数明显减少。其次网络应具有敏捷性，网络具备软件编程、资源分钟级快速配置扩展的能力。然后网络还应具有开放性，它既能丰富便捷开放能力，又能主动适应应用。最后网络还应具有很好的集约性，网络能够达到80%的网络功能软件化，可以统一部署，全部业务平台实现云化，业务可以全网统一调度，可以满足配置和端到端的运营[5]。为实现上述目标，未来的网络架的目标构将由“基础设施层”、“网络功能层”和“协议编排层构成”，其功能视图如图1所示：

图1    网络架构的功能性视图

网络将围绕SDN/NFV，加快网络资源集约控制，减少专业网元和系统，突破专业界限，通过协同和编排层实现跨网的资源调度，基于统一的云资源池承载网络、IT和业务平台，简化端到端运营模式，其未来网络架构的专业网视图如图2所示：

图2    网络架构的专业网视图

3.2  水平网络架构及其开放性

随着网络功能及应用的改变，未来的网络将会由垂直架构向水平架构演进，网络协议也会由垂直协议栈向水平协议栈演进。网络的开放能力是水平网络架构的要点，开放性的目标网络应具有统一标准、接口协议开放、多层面的API（Application Programming Interface，应用程序编程接口）的能力，最终使网络从全开放到半开放再到内部应用，以便满足各种不同专业和应用者，此外网络还需具备支持较为复杂的异厂家环境应用和运营，如图3所示：

图3    网络架构水平化示意图

开放性的网络还需要开放SDN/NFV的开源代码，SDN/NFV的开源代码的开发和维护正成为整个产业链的共同任务，现在国外已有运营商开始介入研究，大型运营商介入开源码将有利于促进整个生态链的和谐发展，有利于吸引更多的开发者加入，开发出更加符合使用者需要的代码。与此同时开放SDN与开源码也同样存在着挑战，开放SDN主要缺乏强大的技术支撑，开源码存在安全性的隐患，由于开发者可以对代码进行修改，安全性也不容忽视，很容易被攻击，此外不再有为特定的设备制定规范和相应的软件，使其难以整合现有的实际环境，代码的法定拥有者缺位，也就不能确保有专人负责对代码的维护[2]。

3.3  核心网的网络架构水平化

从2G时代的65 kbit·s-1的移动速率到4G时代的1 Gbit·s-1，移动速率的爆发式增长给移动核心网带来了很大压力，移动核心网也在这种大的通信变革中不断创新、不断适应及不断演进。

到了4.5G面向5G时代的R14阶段，3GPP（3rd Generation Partnership Project，第三代合作伙伴计划）确定网络将再次向分离式的核心网构架演进，目的是让网络用户面功能摆脱“中心化”的约束，使其既可灵活部署于核心网，也可部署于接入网（或接近接入网），这就是核心网用户面下沉，同时也保留了控制面功能的中心化。这一次核心网的演进将用户面和控制面彻底分开，是“全分离式”架构，在“全分离式”构架下，SGW（Serving Gateway，服务网关）和PGW（Packet Data Network Gateway，分组数据网关）被分离为控制面和用户面两部分，如图4所示，SGW分离为SGW-C（控制面）和SGW-U（用户名），PGW分离为PGW-C和PGW-U，同样，SGSN也被分离为控制面（SGSN-C）和用户面（SGSN-U）。

图4    “全分离式”水平构架示意图

（1）大数据容量

5G时代，高清视频、VR/AR等应用必然给网络带来超大数据流量，这不但给回传带来沉重负担，而且对核心网集中处理能力也是挑战，只能核心网用户面下沉，从集中式向分布式演进。另外，将内容缓存于接入网，更接近用户，还降低了时延。

（2）低时延

对于毫秒级的5G时延，水平化的网络架构是一个必然的选择。光纤传播速度为200 km/ms，数据要在相距几百公里以上的终端和核心网之间来回传送，显然是无法满足5G毫秒级时延的。伴随着用户面与控制面分离、核心网下沉和分布而来的，是部署于接入网或接近接入网的分布式数据中心，并引入基于NFV的MEC（Mobile Edge Computing，移动边缘计算）。与NFV一样，MEC也强调功能软件化和平台开放化，以提升网络敏捷性、灵活性，加快部署和创新[4]。

在标准构架上，MEC和NFV看起来没有差别，但它们是有区别的，区别主要在应用服务平台和相关服务上。MEC根据无线接入网环境对NFV进行了优化，它将移动接入网与互联网业务深度融合，并将云计算和云存储下沉到边缘数据中心，加速内容分发和下载，且向第三方提供开放接口以驱动创新。有了MEC，PGW/SGW的用户面就下沉到了移动边缘节点，且由NFV VIM（虚拟基础设施管理）、SDN和Orchestrator（编排器）控制管理。　

　

（3）网络切片

另一个与MEC、SDN/NFV并行而来的是网络切片。所谓网络切片，就是运营商为了满足不同的商业应用场景需求，量身打造多个端到端的虚拟子网络。与2G/3G/4G单调的手机应用不同，5G面向万物联接，将应对不同的应用场景。因此，水平化的5G网络架构可以为不同的场景切出相应的虚拟子网络。

4   网络架构重构面临的挑战

传统网络时代，网络被动地响应业务上线、变更和故障处理的需求，基于经验解决各类网络问题，一套网络系统需要7x24小时待命。OpenFlow应用之后，流表控制的思想就赋予了细粒度控制网络数据的方式，也带来了全局控制的思想。经过每一个网络设备转发的流量，流经网络的全部流量，都可以通过流表的方式来定义，每一个包每一条流的动作，都可以被精细设置并控制[3]。

与此同时，网络的架构重构同样面临着挑战，需要有长远的战略规划，同时又要脚踏实地逐步推进网络演进路线。网络架构的重构对现有的网络组织架构、网络的规划建设和运维思路、生产流程和人才提出巨大挑战。

（1）组织架构方面：未来的网络设施将逐步达到标准化和归一化，除少数务必要采用特定的硬件设备和系统外，其余设备将大规模部署标准化和可云化的硬件设备，并与抽象层技术相结合，达到对于非云化部署,设备实现跨网、跨域、跨专业的端到端的资源管控和统一管理，这些都会对目前专业、行政区域管控的组织架构带来改变。

（2）运营能力方面：现有网络运营多是刚性固化的，网络扩容成本很高，扩容周期很长且系统复杂而封闭。未来的网络架构做到按需伸缩，通过SDN和NFV的跨域协同，真正实现云网的深度协同，对业务、IT和网络提出更高的挑战。

（3）人才队伍方面：现有设备厂商的技术人员大都是基于现网设备，未来SDN网络将忽略基础层硬件差异，因此需要加强设备厂家及运营商专业人员对软件的业务创新和开发能力，以及开源代码的控制能力。

除此之外，当前的SDN主要面临技术欠成熟和现网如何演进两大障碍，NFV主要面临技术欠成熟、现网如何演进和缺乏知识和经验三大障碍，这些也都会制约网络重构的进程。

面对以上诸多挑战，要实现网络架构重构，在组织架构方面，要打破专业界限，顺应技术发展；在运营能力方面，则需要加快建设快速响应、高效灵活的网络运用体系，加强网络的运营和管理；在人才队伍方面，则需要培养新一代网络技术人才，加强服务厂商与运营商之间的培训质量，做好组织架构，运营管理和人才队伍培养的协同工作。

5   结束语

本文提出了控制与转发分离、控制集中化、可编程的新的移动通信网络架构，分析阐述水平网络及开放性的新含义，网络重构的趋势、战略目标、演进方向和目标架构，以及网络架构重构的战略意义和挑战。相信通过网络的发展及应用，将会给人们带来更加智能化的生活体验，将来的网络将会开启通信网络更加灵活、开放、智能的新时代。

参考文献：

[1] 史凡,张成良. 基于SDN/NFV的电信网络架构重构探析[J]. 电信技术, 2016(6): 3~5.

[2] 李明燕. 电信网络架构技术创新-基于SDN/NFV的重构[J]. 青海师范大学学报, 2016(4): 3~4.

[3] 耿鹏飞. 中国电信网络重构SDN/NFV实践面临四大挑战[J]. 通信世界, 2016(3): 1~6.

[4] 余莉,张治中,程方. 第五代移动通信网络体系架构及其关键技术[J]. 重庆邮电大学学报, 2014(4): 4~10.

[5] 赵明宇,严学强. SDN和NFV在5G移动通信网络架构中的应用研究[J]. 移动通信, 2015,39(10): 5-6.

[6] 程思远,刘慧洋. 核心网虚拟化部署策略研究[J]. 数字通信世界, 2017(9): 85.

[7] 储犇. LTE下行分组调度算法研究与应用[D]. 北京: 北京邮电大学, 2014.

[8]刘瑛. NFV和SDN在云数据中心的协同部署[J]. 电信工程技术与标准化, 2016,29(11): 88-92.

[8] 张志宏,陶资,宋天极. 在800MHz频段进行C/L双模组网的策略浅析及实例测试[J]. 移动通信, 2017,41(11): 88-92.

[9] 付永振. 网络虚拟化技术在私有云资源池中的应用[J]. 互联网天地,2015(12): 53-58.

[10] 李晖晖,杨燕玲. 网络加速技术选择及部署方案研究[J]. 移动通信, 2013,37(12): 43-46. ★

作者简介

李聪：硕士毕业于长春理工大学，现任职于上海邮电设计咨询研究院有限公司，从事无线网规划和设计工作。