基于SDN融合的虛擬化移動核心網絡研究

胡曉娟，張 園，夏 旭，鄧 桓

（中國電信股份有限公司北京研究院 北京 100035）

1 移動核心控制網絡目前面臨的問題

隨著智能手機的普及，移動業務呈現從以語音/短信業務為主的模式向以移動互聯網業務為主的模式的發展趨勢。而且移動互聯網產生的數據增長迅速，移動互聯網占全球互聯網流量的比例年增1.5倍，瀏覽、搜索、購物等業務逐步從PC轉向手機。移動互聯網的大數據時代已經到來。

移動網絡空口技術不斷刷新，無線接入網絡目前有多種制式，包括2G網絡、3G網絡及Wi-Fi接入等，國際國內運營商目前正關注LTE網絡的建設。無線側技術的演進勢必形成多種制式并存的無線接入網，相應核心網也需建設不同的網絡，而移動核心網絡的核心功能相似，一定程度上造成了網絡資源的重復建設，造成運營商CAPEX（capital expenditure）增加。

網絡運營方面，多種制式的網絡并存，提供類似的業務，而網絡運維部門需同時維護多張網絡，在運維人員、設備維保費用、網絡故障定位排查等方面提升了運營商的OPEX（operating expense）。

不同的無線技術造成多種制式網絡并存，各制式網絡縱向分布，相互封閉。同一用戶有可能同時是多種網絡的用戶，但用戶申請的業務、業務感受無法統一。目前的網絡雖然希望對第三方開放網絡能力，但復雜的網絡部署一直限制網絡能力開放的進程，造成運營商自營業務或者 SP/CP業務無法快速部署，無法與 OTT（over the top）業務抗衡。

在目前的網絡架構下，很難統籌部署網絡感知能力，無法感知網絡情況、用戶分布情況，也無法提升網絡智能進行自適應調整或策略部署，而智能管道能力是移動互聯網時代對移動核心網的重要需求。

在移動互聯網的大數據時代，對海量數據的處理能力是對移動核心網的另一個新需求，目前各自為政的封閉架構無法滿足資源統籌調度應對流量峰值的需求。

2 SDN架構介紹

SDN的概念為網絡創新帶來了新的契機，它最初起源于斯坦福大學提出的OpenFlow協議，應用于校園網絡，解決網絡創新和封閉設備體系之間的矛盾，后逐步推廣到商用網絡，至今已發展成為網絡領域研究的熱點。

2006年，由斯坦福大學主導的Clean Slate項目啟動，該項目希望創建一個全新的互聯網絡。Casado M博士提出的Ethane架構是SDN概念及OpenFlow技術的發展源頭，該架構構建了一個中央控制器，向基于流的以太網交換機下發策略，對流的準入及路由進行統一管控。

SDN是一種新型的網絡架構，SDN的精髓理念有2點：一是將網絡的控制平面及數據轉發平面進行分離；二是網絡集中控制，并具備可編程的能力。SDN架構如圖1所示。

在SDN架構中，網絡被劃分為3個層面，分別是應用層、控制層及基礎設施層。

圖1 SDN的網絡架構示意

其中，應用層包括各種不同的業務和應用；控制層主要負責處理數據平面資源的編排，維護網絡拓撲、狀態信息等；基礎設施層（數據轉發層）負責基于流表的數據處理、轉發和狀態收集。

基礎設施層為轉發面，是一個無智能的快速轉發設備，網絡的所有智能設備集中在網絡控制層，由控制器對轉發面進行轉發策略的調度和管理，支持運行在網絡控制器之上的不同業務。

目前在SDN技術中經常引入網絡虛擬化（network function virtualization，NFV）技術。網絡虛擬化通常指將網絡資源及網絡功能集成到一個單一的以軟件為基礎的管理實體的過程，即一個虛擬的網絡。通過虛擬化技術，不同的業務或者控制邏輯可以共享相同的物理基礎設施。

高校學生管理是一項較為復雜的工作，管理者要順應時代的發展趨勢，堅持以人為本，與時俱進。人本理念在高校學生管理中的運用，最根本的是要解決觀念問題，正確指導學生進行管理體制和方法的創新，要對理論知識進行深入的研討，還要在實踐中不斷的完善管理經驗，讓學生們轉變思想觀念，強化服務意識，逐步實現民主交流、平等溝通、和諧統一的校園生活環境。

軟件定義的網絡為網絡虛擬化提供了一個極具吸引力的平臺，因為所有的控制邏輯可以運行在控制器上，而不是物理的交換機上。而且OpenFlow提供了一類標準的接口用于安裝包的轉發規則，查詢流量統計信息和獲取拓撲狀態變化。建立在SDN技術上的虛擬化方案提供了一種有效的可擴展的虛擬化方法，可以對網絡化的交換機進行編程控制，同時，可以可擴展地實現虛擬網絡和物理網絡的映射。

基于SDN技術及NFV的理念，可以構建融合的、虛擬化的移動核心控制網絡。

3 基于SDN的虛擬化移動控制網絡架構

目前多制式的移動網絡架構如圖2所示。

基于SDN重新構建移動核心控制網絡，需要分析現行的2G/3G、Wi-Fi及未來LTE核心網網絡功能，整合抽象后依據SDN的理念進行設計。基于SDN的移動核心控制網絡可以融合多種無線接入制式，并可實現核心控制功能，提供語音、數據業務。基于SDN的虛擬化融合移動核心控制網絡架構如圖3所示。

圖3的網絡架構中包括4層，分別為接入層、轉發層、控制層及業務層。

接入層包括目前2G網絡、3G網絡、Wi-Fi網絡、LTE網絡及未來的無線接入網。在接入層及轉發層之間部署虛擬化的接入適配網元。接入適配網元北向與轉發層接口，采用標準接口；南向與各無線接入網絡接口，適配各接入制式，如無線側未來有新的接入制式，只需增強適配網元能力即可。

圖 2 現行多制式移動網絡架構示意

圖3 基于SDN的虛擬化的融合的移動核心控制網絡示意

轉發層在控制層的調度下，只負責轉發流量包。實現目前網絡中MGW、GGSN、PDSN、SGW/PGW的媒體轉發功能。現網移動軟交換網絡及LTE網絡已經實現了控制平面與媒體平面的分流，而且網絡已經實現IP化。上述現狀為基于SDN構建轉發層奠定了基礎，增強了實現的可行性。

控制層包括控制網元及數據庫網元。控制網元將實現移動網絡所有的控制功能，如呼叫控制、路由選擇、網絡感知、策略部署等功能，將涵蓋MSCe、SGSN、PDSN、MME、PCRF、DPI等網元的控制功能。數據庫網元實現業務數據的存儲、用戶數據的存儲、用戶接入認證、鑒權等功能。涵蓋現網HLR、HSS及AAA服務器等網絡功能。控制網元或者數據庫網元可以依據運營商網絡部署策略進行虛擬化，類似pool的概念，pool內網元進行負荷分擔，可以全網調度資源，提升控制層網元可擴展性，實現資源統籌調度。

控制層與轉發層間采用標準接口及標準協議。控制層與轉發層基于統一的硬件平臺，改善設備商設備間的互通性，提升設備部署的可擴展性，并為轉發層、控制層設備進行網絡設備虛擬化奠定基礎。

業務層為運營商自營的業務或者SP/CP提供的業務。通過與控制層的南向接口可與控制層協同，實現業務邏輯。控制層也可北向定義開放API，供SP/CP調用，豐富網絡業務。

4 架構優勢

基于SDN融合的虛擬化移動核心控制網絡在以下幾方面具有優勢。

（1）滿足大數據處理需求

移動互聯網業務同樣呈現數據量不均衡的問題，在特定的時間點有可能形成流量高峰。現行的網絡無法很好地解決該問題，當容量不足時，只能進行流量限制，造成用戶體驗下降。基于SDN的虛擬化移動核心控制網絡實現了全網資源的虛擬化，可全網調度資源，可以較好地解決流量高峰沖擊的問題。

（2）避免網絡重復建設

基于 SDN的融合移動控制網絡支持 2G/3G、LTE、Wi-Fi等多種無線接入方式，多種制式可共用統一的融合的核心網，避免各種制式的無線網絡建設多個核心網絡，有利于降低運營商的CAPEX及OPEX。

（3）提升網絡智能

SDN的架構特點是將控制和轉發分離，控制面具有可編程的能力。在所構建的移動核心控制網絡中，增加了網絡感知能力及策略控制能力，通過SDN架構傳遞給轉發層面，提升網絡智能，增強網絡的控制能力。

（4）快速部署業務

基于SDN的融合移動控制網絡有統一的硬件轉發平臺，便于設備商間網絡設備的互通，也有利于促進業務的快速調試及部署。另一方面，基于SDN的融合移動控制網絡，采用標準的接口及協議，同時簡化了核心網絡，有利于提升移動核心控制網絡能力的開放，同樣有利于業務快速部署。SDN控制面的可編程性，亦便于將新業務、新應用引入網絡。

5 結束語

本文介紹了目前移動網絡在移動互聯網時代面臨的問題，并提出一種基于SDN的融合的虛擬化移動核心控制網絡，隨后分析了新型網絡的優勢。所構建的網絡在業務提供、網絡智能提升方面具有獨特的優勢，后續將研究如何發揮上述新型網絡的優勢，將移動核心網打造成可管可控的高智能網絡。

1 McKeown N,Anderson T,Balakrishnan H,et al.OpenFlow:enabling innovation in campus networks.ACM Communications Review,2008(3)

2 OpenFlow.OpenFlow Switch Specication Version1.3.0 Implemented,2013

3 Koponen T,Casado M.Onix:a distributed control platform for large-scale production networks.Proceedings of OSDI,USENIX,Vancouver,BC,Canada,2010

4 Nicira.Network virtualization platform.http://nicira.xom/en/network-virtualization-platform,2012