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SDN及NFV 赋能5G网络架构的云化演进
日 期:2019-01-17   来源:中国电信股份有限公司北京研究院 李晨

移动通信与人们的工作和生活密切相关,而人们对于更高性能的移动通信网络的需求也在不断提升。第五代移动通信系统(5G),将能够提供可媲美光纤的数据传输速率,并且在端到端时延上达到“无感知”的程度。为了实现这样的性能要求,需要在网络重构的背景下考虑5G网络架构的演进趋势和策略。

基于SDN和NFV等前沿技术构筑的5G网络云化架构在提升网络灵活性、降低部署成本以及提升效率方面具有得天独厚的优势,使得SDN及NFV成为5G的关键技术之一。本文将基于5G典型业务场景,提出基于SDN及NFV技术的5G网络云化架构体系及演进策略。

典型应用场景驱动 5G网络架构云化演进

5G是发展科技创新及数字经济的战略性基础设施资源,其核心聚焦在移动互联网及移动物联网,解决的重点问题从人与人之间的互联延伸到人与物以及物与物的连接。从需求的角度来看,5G需要满足快速的移动数据流量增长,并具备海量的设备连接能力,同时需要灵活适应多样化的场景需求,有效实现业务内容及用户行为的智能感知与优化,从而为各类用户提供高品质的业务体验,最终真正实现“万物互联”。

5G典型的应用场景主要分为三大类:eMBB(增强移动宽带)、uRLLC(低时延高可靠)、mMTC(海量大连接)。

eMBB场景是指在现有移动宽带业务场景的基础上,为用户提供极致的通信体验,主要满足超高清视频、下一代社交网络、浸入式游戏、全息视频等移动互联网业务需求,随时随地(包括小区边缘、高速移动等恶劣环境和局部热点地区)为用户提供无缝的高速业务。

uRLLC场景包括各类延迟/时延高度敏感类型的业务应用,包括自动或辅助驾驶、AR(增强现实)、VR(虚拟现实)、触觉互联网、工业控制。如果网络时延较高,uRLLC类业务的正常运行就会受到影响,并会出现(工业)控制方面的误差。

mMTC场景主要面向智慧城市、环境监测、智慧农业、森林防火等以传感和数据采集为目标的应用场景,具有小数据包、低功耗、海量连接等特点。

丰富的业务场景使得5G网络在带宽、时延以及连接数量等方面为用户提供了全新的体验效果,同时也因为承载的业务种类繁多,业务特征不尽相同,对网络要求差异化明显等特点,必然导致传统网络面临巨大变革和挑战,包括网络功能、架构、资源、路由等多方面的定制化设计挑战。目前业界达成的普遍共识是5G网络将基于SDN/NFV技术、云计算技术来实现网络虚拟化、云化部署,5G网络云化部署将面临着用户面转发性能待提升、安全隔离技术待完善等方面的挑战。5G网络基于服务化架构设计,通过网络功能模块化、控制和转发分离等技术,实现网络按照不同业务需求快速部署、动态的扩缩容和网络切片的全生命周期管理,包括端到端网络切片的灵活构建、业务路由的灵活调度、网络资源的灵活分配以及跨域、跨平台、跨厂家、乃至跨运营商(漫游)的端到端业务提供等,这些都给5G网络运营和管理带来新的挑战。

网络重构为5G网络架构 演进指明方向

面对5G网络的种种挑战,如何充分考虑网络现状并结合各种新兴技术的特点来设计5G网络架构的演进策略是极其重要的环节,运营商的网络重构战略将作为重要的参考依据。以中国电信CTNet2025网络重构战略为例,其核心是基于SDN、NFV、云计算等关键技术推动网络架构重构,构建简洁、敏捷、集约、开放的网络新架构。CTNet2025目标架构是包含固网、移动网演进的统一架构。5G网络作为移动网络的演进,是CTNet2025网络重构的重要组成部分,也是CTNet2025目标网络架构全面落地的最佳机遇。

CTNet2025关于目标网络架构应具备的新特征给予了明确阐述。

简洁:网络的层级、种类、类型、数量和接口应尽量减少,降低运营和维护的复杂性和成本。

敏捷:网络提供软件编程能力,资源具备弹性的可伸缩的能力,便于网络和业务的快速部署和保障。

开放:网络能够形成丰富、便捷的开放能力,主动适应互联网应用所需。

集约:网络资源应能够统一规划、部署和端到端运营,改变分散、分域情况下高成本、低效率的状况。

 CTNet2025目标网络架构如图1所示,自下而上主要分为三个层面:网络基础设施层、网络功能层以及协同编排层。该网络架构的主要特点包括:基础设施资源实现归一化和标准化、网络功能实现软件化和虚拟化以及IT能力的业务化和平台化。

结合网络重构明确的目标网络特征、体系架构,以及5G所提供的差异化体验的需求,可以预见云化的网络架构是5G的必然趋势。面向服务的5G云化网络架构涉及到无线网、核心网、承载网、边缘计算等多个层面,其中5G核心网的云化是最为关键一环。

如图2所示为基于服务化架构(SBA: Service-based architecture)的5G基础体系结构。

其特点之一为将核心网的传统网元按照网络功能划分为多个可被灵活调用的“微服务”模块,增加了网络功能配置的灵活性及开放能力。其二是实现了控制面与转发面分离,控制面可以集中部署、转发面可灵活按需下沉,满足分布式部署要求。当转发面下沉到靠近用户的边缘时,可实现本地分流功能,为用户提供超低时延的业务体验。

此外,网络切片作为5G网络的关键技术,为了满足多样化的业务需求,需要在统一的基础设施资源基础之上按需切分出多个满足不同服务等级的虚拟化网络实例,各个虚拟网络间实现资源共享以及安全隔离,并且3GPP中定义的网络切片管理功能包括通信业务管理、网络切片管理及网络切片子网管理,这些都依赖编排器及控制器等核心网络管理单元来实现网络资源的共享调度、网络实例的管理和配置的自动化下发等功能。

由此可见,5G网络架构的云化演进与网络重构的技术体系是一脉相承,不可分割的。5G网络需要实现底层资源的统一共享,网络功能的模块化,并基于不同场景需求进行灵活的功能模块组合,实现资源灵活调度,提升网络弹性,NFV技术的引入是优选方案。同时,在CU分离以及用户面的控制方面,SDN技术满足相关的技术需要。SDN/NFV也是网络重构体系中重要的技术手段,实现网络功能的按需定制、灵活开放,满足网络智能化需求。

SDN/NFV对5G网络架构 云化演进的价值体现

SDN是一种控制与转发分离并直接可编程的网络架构,其核心是将传统网络设备紧耦合的结构进行控制与转发分离,控制层面实现集中化部署,并通过灵活开放的可编程接口增加网络的“软化”能力。SDN架构可以与上层业务紧密结合,快速响应网络和应用的创新,另外控制的集中化能够实现网络资源的智能调度,简化运维,提高资源利用率。同时,通过标准化接口提供网络自动化开通和配置下发功能,大幅缩短业务开通时间。5G网络中引入SDN技术,能够快速实现控制与转发的分离,控制面的集中部署,转发资源的全局调度,通过可编程接口为后续5G网络的智慧化运维提供技术手段。SDN的典型架构分为应用层、控制层、数据转发层三个层面。

NFV的本质是实现软硬件资源的解耦及软件功能的抽象,依托于标准化的服务器、存储及网络设备等通用基础设施资源,利用虚拟化技术实现各种网络功能,来替代通信网络中的专用、封闭的网元,实现统一的开放逻辑架构。如图4所示为ETSI标准组织定义的NFV体系架构,其中的MANO网络管理和编排子系统是NFV体系的核心,根据业务需求通过对网络资源的自动编排,实现虚拟网元的自动部署、弹性伸缩、故障隔离等功能。NFV体系通过分层解耦的模式将5G网络中服务化模型的各个网元功能以APP的模式在统一的云化基础设施上运行,借助MANO还可以快速实现5G网络切片的功能,通过与传统网管的融合,提供集约运维和智能管理手段。

SDN与NFV两种技术在5G网络中的应用,相互之间不是竞争而是优势互补的关系。SDN侧重于网络架构的重新定义,并将控制平面与数据平面解耦。而NFV则侧重于对网元设备结构的重新定义,可以将网络服务从特定的硬件紧耦合关系中分离开来,为5G网络架构提供重要技术基础。两者将共同提升5G网络弹性,实现CT与IT的融合。同时,也应关注两种技术在技术成熟度、业务发展模式以及相应的人才体系建设和体制流程方面所面临的挑战,因地制宜,按需引入和推广。

基于SDN/NFV的5G网络云化架构

2018年6月,中国电信对外发布5G技术白皮书,提出了5G目标网络逻辑架构简称“三朵云”网络架构。“三朵云”架构满足未来的5G网络灵活、智能、融合和开放的特点,同时也是构建于SDN/NFV及网络云化的技术基础之上,“三朵云”包括接入云、控制云和转发云三个逻辑域,其结构如图5所示。

 基于SDN/NFV的5G网络架构由三个平面构成三朵云,主要包括智能开放的控制云,灵活的接入云以及高效低成本的转发云。此架构充分体现了SDN/NFV的控制与转发分离、控制平面集中化、转发功能分布下沉、软硬件解耦、软件功能虚拟化等特点。“三朵云”之间彼此配合,密不可分。 

控制云完成集中的策略控制、会话管理、移动性管理、策略管理、信息管理等流程,以及对于转发资源的全局调度,并支持面向业务的网络能力开放和按需的网络编排管理功能,实现全部或部分的会话控制、移动性管理和QoS保证定制网络与服务,并提供面向业务场景的网络能力开放接口,满足业务差异化需求,提供了在云化场景下的5G网络可管、可控、可运营的服务能力,提高业务部署效率。控制云以网络虚拟化技术为基础,通过模块化技术重新优化了网络功能之间的关系,实现了控制与转发分离、网络切片和网络功能虚拟化等,整个架构可以根据业务场景进行定制化裁剪和灵活部署。

接入云具备多拓扑形态、多层次类型、动态变化的特点,可针对各种业务场景选择集中式、分布式和分层式部署,可通过灵活的无线接入技术,实现高速率接入和无缝切换,提供极致的用户体验。接入云功能需求包括新型无线接入技术、灵活资源协同管理、跨制式系统深度融合、无线网络虚拟化、边缘计算与无线能力开放等。接入云将支持用户在多种应用场景和业务需求下的多种无线制式接入,并实现多种无线接入技术的高效融合,无线组网可基于集中式和分布式两种无线组网机制要求,适应各种类型的回传链路,并提供边缘计算能力。接入云能够实现更灵活的组网部署和更高效的无线资源管理。

转发云聚焦于数据流量的高速转发与处理。逻辑上,转发云包括了单纯高速转发单元以及各种业务使能单元。在5G网络的转发云中,业务使能单元与转发单元呈网状部署,一同接受控制云的路径管理控制。根据控制云的集中控制,基于用户业务需求,软件定义业务流转发路径,实现转发网元与业务使能网元的灵活选择。转发云配合控制云和接入云,实现业务汇聚转发功能,基于不同新业务的带宽和时延等需求,转发云在控制云的路径管理与资源调度下,实现增强移动宽带、海量连接、高可靠和低时延等不同业务数据流的高效转发与传输,保证业务端到端质量要求。从实现角度,转发云基于通用的基础资源硬件平台,可按需实现用户面下沉,并根据控制云下发的缓存策略实现热点内容的缓存,从而减少业务时延、减少移动网往外出口流量和改善用户体验。转发云在控制平面集中控制下,进行海量业务数据流的灵活路由转发,实现转发面高可靠、低时延、均负载的高效数据处理。

未来5G“三朵云”部署的基础是承载各类网元的DC资源池,可根据网络不同时期集中式或分布式部署要求,按需将5G相关网络单元部署在区域DC+核心DC+边缘DC+接入局所的DC资源池内,如图6所示。

区域DC  区域DC放置各专业目标期省级/全国骨干网络设备,可与现枢纽楼局点基本对应。一般可将现放置IP骨干网和大型骨干波分系统,及核心网设备的枢纽局点定位为目标区域DC。

核心DC  核心DC放置各专业目标期本地网核心层的网络设备,可与现核心机楼局点基本对应。一般可将现放置城域网CR、IPRAN ER等设备,及本地大中型OTN/DWDM波分系统设备的核心机楼局点定位为目标核心DC。

边缘DC  边缘DC放置各专业目标期本地网汇聚层的网络设备,可与现一般机楼局点基本对应。一般可将现放置城域网MSE/BRAS、IPRAN B等设备,且中继光缆资源丰富局点定位为目标边缘DC。

接入局所  接入局所放置各专业目标期接入层的网络设备,与本地网现接入局所保持一致。一般可将现设备间、远端模块、移动基站等末端接入局点,以及OLT/BBU/IPRAN A/汇聚交换机/汇聚传输设备等接入汇聚局点,统一定位为接入局所。

5G网络具有全新的网络架构,并以网络重构为基础,对于电信运营商而言,SDN/NFV技术的引入对于5G网络架构的云化演进是必然选择,随着5G云化相关关键技术的不断成熟和产业界需求的不断丰富,也为运营商提供了历史性机遇和发展前景。

同时,随着SDN/NFV的引入,运营商会更多关注新技术的发展对网络生产方式和组织架构的影响,通过5G与新技术的结合,推动5G产业的不断成熟,打造5G时代的网络新篇章。

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