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SDN及NFV 賦能5G網絡架構的云化演進
日 期:2019-01-17   來源:中國電信股份有限公司北京研究院 李晨

移動通信與人們的工作和生活密切相關,而人們對于更高性能的移動通信網絡的需求也在不斷提升。第五代移動通信系統(5G),將能夠提供可媲美光纖的數據傳輸速率,并且在端到端時延上達到“無感知”的程度。為了實現這樣的性能要求,需要在網絡重構的背景下考慮5G網絡架構的演進趨勢和策略。

基于SDN和NFV等前沿技術構筑的5G網絡云化架構在提升網絡靈活性、降低部署成本以及提升效率方面具有得天獨厚的優勢,使得SDN及NFV成為5G的關鍵技術之一。本文將基于5G典型業務場景,提出基于SDN及NFV技術的5G網絡云化架構體系及演進策略。

典型應用場景驅動 5G網絡架構云化演進

5G是發展科技創新及數字經濟的戰略性基礎設施資源,其核心聚焦在移動互聯網及移動物聯網,解決的重點問題從人與人之間的互聯延伸到人與物以及物與物的連接。從需求的角度來看,5G需要滿足快速的移動數據流量增長,并具備海量的設備連接能力,同時需要靈活適應多樣化的場景需求,有效實現業務內容及用戶行為的智能感知與優化,從而為各類用戶提供高品質的業務體驗,最終真正實現“萬物互聯”。

5G典型的應用場景主要分為三大類:eMBB(增強移動寬帶)、uRLLC(低時延高可靠)、mMTC(海量大連接)。

eMBB場景是指在現有移動寬帶業務場景的基礎上,為用戶提供極致的通信體驗,主要滿足超高清視頻、下一代社交網絡、浸入式游戲、全息視頻等移動互聯網業務需求,隨時隨地(包括小區邊緣、高速移動等惡劣環境和局部熱點地區)為用戶提供無縫的高速業務。

uRLLC場景包括各類延遲/時延高度敏感類型的業務應用,包括自動或輔助駕駛、AR(增強現實)、VR(虛擬現實)、觸覺互聯網、工業控制。如果網絡時延較高,uRLLC類業務的正常運行就會受到影響,并會出現(工業)控制方面的誤差。

mMTC場景主要面向智慧城市、環境監測、智慧農業、森林防火等以傳感和數據采集為目標的應用場景,具有小數據包、低功耗、海量連接等特點。

豐富的業務場景使得5G網絡在帶寬、時延以及連接數量等方面為用戶提供了全新的體驗效果,同時也因為承載的業務種類繁多,業務特征不盡相同,對網絡要求差異化明顯等特點,必然導致傳統網絡面臨巨大變革和挑戰,包括網絡功能、架構、資源、路由等多方面的定制化設計挑戰。目前業界達成的普遍共識是5G網絡將基于SDN/NFV技術、云計算技術來實現網絡虛擬化、云化部署,5G網絡云化部署將面臨著用戶面轉發性能待提升、安全隔離技術待完善等方面的挑戰。5G網絡基于服務化架構設計,通過網絡功能模塊化、控制和轉發分離等技術,實現網絡按照不同業務需求快速部署、動態的擴縮容和網絡切片的全生命周期管理,包括端到端網絡切片的靈活構建、業務路由的靈活調度、網絡資源的靈活分配以及跨域、跨平臺、跨廠家、乃至跨運營商(漫游)的端到端業務提供等,這些都給5G網絡運營和管理帶來新的挑戰。

網絡重構為5G網絡架構 演進指明方向

面對5G網絡的種種挑戰,如何充分考慮網絡現狀并結合各種新興技術的特點來設計5G網絡架構的演進策略是極其重要的環節,運營商的網絡重構戰略將作為重要的參考依據。以中國電信CTNet2025網絡重構戰略為例,其核心是基于SDN、NFV、云計算等關鍵技術推動網絡架構重構,構建簡潔、敏捷、集約、開放的網絡新架構。CTNet2025目標架構是包含固網、移動網演進的統一架構。5G網絡作為移動網絡的演進,是CTNet2025網絡重構的重要組成部分,也是CTNet2025目標網絡架構全面落地的最佳機遇。

CTNet2025關于目標網絡架構應具備的新特征給予了明確闡述。

簡潔:網絡的層級、種類、類型、數量和接口應盡量減少,降低運營和維護的復雜性和成本。

敏捷:網絡提供軟件編程能力,資源具備彈性的可伸縮的能力,便于網絡和業務的快速部署和保障。

開放:網絡能夠形成豐富、便捷的開放能力,主動適應互聯網應用所需。

集約:網絡資源應能夠統一規劃、部署和端到端運營,改變分散、分域情況下高成本、低效率的狀況。

 CTNet2025目標網絡架構如圖1所示,自下而上主要分為三個層面:網絡基礎設施層、網絡功能層以及協同編排層。該網絡架構的主要特點包括:基礎設施資源實現歸一化和標準化、網絡功能實現軟件化和虛擬化以及IT能力的業務化和平臺化。

結合網絡重構明確的目標網絡特征、體系架構,以及5G所提供的差異化體驗的需求,可以預見云化的網絡架構是5G的必然趨勢。面向服務的5G云化網絡架構涉及到無線網、核心網、承載網、邊緣計算等多個層面,其中5G核心網的云化是最為關鍵一環。

如圖2所示為基于服務化架構(SBA: Service-based architecture)的5G基礎體系結構。

其特點之一為將核心網的傳統網元按照網絡功能劃分為多個可被靈活調用的“微服務”模塊,增加了網絡功能配置的靈活性及開放能力。其二是實現了控制面與轉發面分離,控制面可以集中部署、轉發面可靈活按需下沉,滿足分布式部署要求。當轉發面下沉到靠近用戶的邊緣時,可實現本地分流功能,為用戶提供超低時延的業務體驗。

此外,網絡切片作為5G網絡的關鍵技術,為了滿足多樣化的業務需求,需要在統一的基礎設施資源基礎之上按需切分出多個滿足不同服務等級的虛擬化網絡實例,各個虛擬網絡間實現資源共享以及安全隔離,并且3GPP中定義的網絡切片管理功能包括通信業務管理、網絡切片管理及網絡切片子網管理,這些都依賴編排器及控制器等核心網絡管理單元來實現網絡資源的共享調度、網絡實例的管理和配置的自動化下發等功能。

由此可見,5G網絡架構的云化演進與網絡重構的技術體系是一脈相承,不可分割的。5G網絡需要實現底層資源的統一共享,網絡功能的模塊化,并基于不同場景需求進行靈活的功能模塊組合,實現資源靈活調度,提升網絡彈性,NFV技術的引入是優選方案。同時,在CU分離以及用戶面的控制方面,SDN技術滿足相關的技術需要。SDN/NFV也是網絡重構體系中重要的技術手段,實現網絡功能的按需定制、靈活開放,滿足網絡智能化需求。

SDN/NFV對5G網絡架構 云化演進的價值體現

SDN是一種控制與轉發分離并直接可編程的網絡架構,其核心是將傳統網絡設備緊耦合的結構進行控制與轉發分離,控制層面實現集中化部署,并通過靈活開放的可編程接口增加網絡的“軟化”能力。SDN架構可以與上層業務緊密結合,快速響應網絡和應用的創新,另外控制的集中化能夠實現網絡資源的智能調度,簡化運維,提高資源利用率。同時,通過標準化接口提供網絡自動化開通和配置下發功能,大幅縮短業務開通時間。5G網絡中引入SDN技術,能夠快速實現控制與轉發的分離,控制面的集中部署,轉發資源的全局調度,通過可編程接口為后續5G網絡的智慧化運維提供技術手段。SDN的典型架構分為應用層、控制層、數據轉發層三個層面。

NFV的本質是實現軟硬件資源的解耦及軟件功能的抽象,依托于標準化的服務器、存儲及網絡設備等通用基礎設施資源,利用虛擬化技術實現各種網絡功能,來替代通信網絡中的專用、封閉的網元,實現統一的開放邏輯架構。如圖4所示為ETSI標準組織定義的NFV體系架構,其中的MANO網絡管理和編排子系統是NFV體系的核心,根據業務需求通過對網絡資源的自動編排,實現虛擬網元的自動部署、彈性伸縮、故障隔離等功能。NFV體系通過分層解耦的模式將5G網絡中服務化模型的各個網元功能以APP的模式在統一的云化基礎設施上運行,借助MANO還可以快速實現5G網絡切片的功能,通過與傳統網管的融合,提供集約運維和智能管理手段。

SDN與NFV兩種技術在5G網絡中的應用,相互之間不是競爭而是優勢互補的關系。SDN側重于網絡架構的重新定義,并將控制平面與數據平面解耦。而NFV則側重于對網元設備結構的重新定義,可以將網絡服務從特定的硬件緊耦合關系中分離開來,為5G網絡架構提供重要技術基礎。兩者將共同提升5G網絡彈性,實現CT與IT的融合。同時,也應關注兩種技術在技術成熟度、業務發展模式以及相應的人才體系建設和體制流程方面所面臨的挑戰,因地制宜,按需引入和推廣。

基于SDN/NFV的5G網絡云化架構

2018年6月,中國電信對外發布5G技術白皮書,提出了5G目標網絡邏輯架構簡稱“三朵云”網絡架構。“三朵云”架構滿足未來的5G網絡靈活、智能、融合和開放的特點,同時也是構建于SDN/NFV及網絡云化的技術基礎之上,“三朵云”包括接入云、控制云和轉發云三個邏輯域,其結構如圖5所示。

 基于SDN/NFV的5G網絡架構由三個平面構成三朵云,主要包括智能開放的控制云,靈活的接入云以及高效低成本的轉發云。此架構充分體現了SDN/NFV的控制與轉發分離、控制平面集中化、轉發功能分布下沉、軟硬件解耦、軟件功能虛擬化等特點。“三朵云”之間彼此配合,密不可分?!?/span>

控制云完成集中的策略控制、會話管理、移動性管理、策略管理、信息管理等流程,以及對于轉發資源的全局調度,并支持面向業務的網絡能力開放和按需的網絡編排管理功能,實現全部或部分的會話控制、移動性管理和QoS保證定制網絡與服務,并提供面向業務場景的網絡能力開放接口,滿足業務差異化需求,提供了在云化場景下的5G網絡可管、可控、可運營的服務能力,提高業務部署效率??刂圃埔跃W絡虛擬化技術為基礎,通過模塊化技術重新優化了網絡功能之間的關系,實現了控制與轉發分離、網絡切片和網絡功能虛擬化等,整個架構可以根據業務場景進行定制化裁剪和靈活部署。

接入云具備多拓撲形態、多層次類型、動態變化的特點,可針對各種業務場景選擇集中式、分布式和分層式部署,可通過靈活的無線接入技術,實現高速率接入和無縫切換,提供極致的用戶體驗。接入云功能需求包括新型無線接入技術、靈活資源協同管理、跨制式系統深度融合、無線網絡虛擬化、邊緣計算與無線能力開放等。接入云將支持用戶在多種應用場景和業務需求下的多種無線制式接入,并實現多種無線接入技術的高效融合,無線組網可基于集中式和分布式兩種無線組網機制要求,適應各種類型的回傳鏈路,并提供邊緣計算能力。接入云能夠實現更靈活的組網部署和更高效的無線資源管理。

轉發云聚焦于數據流量的高速轉發與處理。邏輯上,轉發云包括了單純高速轉發單元以及各種業務使能單元。在5G網絡的轉發云中,業務使能單元與轉發單元呈網狀部署,一同接受控制云的路徑管理控制。根據控制云的集中控制,基于用戶業務需求,軟件定義業務流轉發路徑,實現轉發網元與業務使能網元的靈活選擇。轉發云配合控制云和接入云,實現業務匯聚轉發功能,基于不同新業務的帶寬和時延等需求,轉發云在控制云的路徑管理與資源調度下,實現增強移動寬帶、海量連接、高可靠和低時延等不同業務數據流的高效轉發與傳輸,保證業務端到端質量要求。從實現角度,轉發云基于通用的基礎資源硬件平臺,可按需實現用戶面下沉,并根據控制云下發的緩存策略實現熱點內容的緩存,從而減少業務時延、減少移動網往外出口流量和改善用戶體驗。轉發云在控制平面集中控制下,進行海量業務數據流的靈活路由轉發,實現轉發面高可靠、低時延、均負載的高效數據處理。

未來5G“三朵云”部署的基礎是承載各類網元的DC資源池,可根據網絡不同時期集中式或分布式部署要求,按需將5G相關網絡單元部署在區域DC+核心DC+邊緣DC+接入局所的DC資源池內,如圖6所示。

區域DC  區域DC放置各專業目標期省級/全國骨干網絡設備,可與現樞紐樓局點基本對應。一般可將現放置IP骨干網和大型骨干波分系統,及核心網設備的樞紐局點定位為目標區域DC。

核心DC  核心DC放置各專業目標期本地網核心層的網絡設備,可與現核心機樓局點基本對應。一般可將現放置城域網CR、IPRAN ER等設備,及本地大中型OTN/DWDM波分系統設備的核心機樓局點定位為目標核心DC。

邊緣DC  邊緣DC放置各專業目標期本地網匯聚層的網絡設備,可與現一般機樓局點基本對應。一般可將現放置城域網MSE/BRAS、IPRAN B等設備,且中繼光纜資源豐富局點定位為目標邊緣DC。

接入局所  接入局所放置各專業目標期接入層的網絡設備,與本地網現接入局所保持一致。一般可將現設備間、遠端模塊、移動基站等末端接入局點,以及OLT/BBU/IPRAN A/匯聚交換機/匯聚傳輸設備等接入匯聚局點,統一定位為接入局所。

5G網絡具有全新的網絡架構,并以網絡重構為基礎,對于電信運營商而言,SDN/NFV技術的引入對于5G網絡架構的云化演進是必然選擇,隨著5G云化相關關鍵技術的不斷成熟和產業界需求的不斷豐富,也為運營商提供了歷史性機遇和發展前景。

同時,隨著SDN/NFV的引入,運營商會更多關注新技術的發展對網絡生產方式和組織架構的影響,通過5G與新技術的結合,推動5G產業的不斷成熟,打造5G時代的網絡新篇章。

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