面向未來移動通信的核心網架構

摘要：出了一種基于虛擬化網絡和軟件定義網絡（SDN）的虛擬核心網架構，該架構簡化了核心網的接口和協議，融合了業務鏈的處理，還引入智能化管理模塊，可以支持未來移動網絡的自動化部署、自動配置、自優化、自愈等功能，從而更好地支持了5G復雜多變的不同場景。另外，該架構將核心網功能集成，將處理模塊和用戶上下文分開，從而能更好地支持核心網的分布式處理。

關鍵詞： 5G核心網；虛擬化；SDN；業務鏈；智能管理

Abstract： In this paper， a virtual core network architecture based on virtual network and software-defined network （SDN） is proposed. This architecture simplifies the interface and protocol of core network and integrates service chain management. This architecture also has an intelligent management module that supports future mobile network automation deployment， automatic configuration， self optimization， self-healing and other functions. In this way， it can better support the complex and changeable scenarios of 5G. In addition， this architecture integrates the functions of core network and separates the processing module and the user context in order to better support core network distributed processing.

5G core network； virtualization； SDN； service chain； intelligent management

面向未來移動通信的5G網絡將是一個支持更快速度、更短時延、更多用戶、更高速移動性的網絡，它將支持超密集網絡、超可靠通信及大規模機器終端的接入。5G網絡需求不僅僅對無線技術是個挑戰，對移動核心網同樣提出了更高的要求。

云計算、軟件定義網絡（SDN）等新技術是對IT產業的一次革命，它們同樣也為未來移動通信提供了新的可能和機遇。隨著云計算在IT界的興起，傳統電信運營商很快意識到該技術的優勢，并希望將它引入傳統電信網絡。電信運營商聯合設備制造商、IT廠商在歐洲電信標準化協會（ETSI）成立了網絡功能虛擬化（NFV）工作組，討論如何利用虛擬化技術在通用云計算平臺上實現傳統電信設備的功能。ETSI NFV定義了基于網絡虛擬化技術的管理和編排（MANO）架構[1]，使用該架構可方便地將電信網絡中物理網元虛擬化。

SDN技術則是對傳輸網絡的一次革命。在傳統交換機中，控制面和轉發面是緊耦合的。交換機行為的改變需要復雜的配置，有時甚至需要修改交換機軟件。SDN架構將現有傳輸網絡中的控制面和轉發面分離，使得底層架構對上層應用和網絡服務抽象為一個邏輯實體，管理人員可通過編寫應用程序（APP）控制轉發面的行為[2]。

除了上述的網絡虛擬化技術和SDN技術之外，業務鏈也是核心網演進的熱門技術之一。業務服務器是運營商用來對用戶數據流進行優化和提供增值業務的重要手段。在現有網絡中，業務服務器和底層傳輸網絡緊耦合，導致網絡配置不靈活，擴展性不好。業務服務器通常是插入到傳輸路徑上的，當加入新的業務服務器時需要對網絡拓撲做出改變。并且，為了簡化配置，業務服務器常常按固定順序串聯在傳輸路徑上，所有數據流都按事先設定的固定順序流經所有串聯的業務服務器，不管數據流是否需要被業務服務器處理。在這種架構中，業務鏈組合不靈活，增加或修改業務服務器配置復雜，不利于創新業務的開展[3]。

全球很多標準組織均已開始考慮如何將網絡虛擬化和SDN等新技術應用到移動網絡中。例如，開放式網絡基金會（ONF）的“Wireless & Mobile”工作組正在討論如何將SDN與移動網絡結合：利用SDN技術可將移動核心網中的用戶面轉發功能集成到支持SDN的交換機中實現。除此之外，中國通信標準化協會（CCSA）、IMT-2020等組織也有相關的討論。

然而，在當前的討論中，網絡虛擬化與移動網絡的結合常常只是簡單地將4G網絡的物理網元進行虛擬化。SDN與移動網絡的結合則傾向于簡單地將移動網絡中的公用數據網網關（PDN GW）、服務GW劃分為轉發功能和控制功能，并將轉發功能放到SDN架構中的交換機中實現，而控制功能則作為SDN 控制器上的應用，通過SDN控制器控制位于交換機中的轉發功能。這樣的結合除了將網元進行了虛擬化之外對4G核心網未做任何優化。

1 基于4G架構的核心網

虛擬化

在4G網絡架構中，核心網由一系列物理網元組成，這些物理網元間通過標準化的接口互相通信。4G網絡架構是控制面和用戶面分離的架構，其中移動管理實體（MME）、服務GPRS支持節點（SGSN）、歸屬簽約用戶服務器（HSS）、策略和計費規則功能（PCRF）等是控制面網元，負責用戶接入管理、鑒權、移動性管理、會話管理、策略控制等功能。服務網關（SGW）、PDN GW是用戶面網元，主要負責用戶數據包的轉發、隧道管理功能、地址管理等功能。盡管4G網絡架構是控制面和用戶面分離的架構，SGW和PDN GW中仍然有部分控制面的功能，這部分功能負責會話管理、IP地址分配、用戶面GTP隧道的建立等。

在核心網虛擬化時，最簡單的做法是將4G網絡架構的物理網元分別虛擬化，即在通用硬件（如x86）和軟件（如VmWare）平臺上分別實現MME、SGSN、HSS、PCRF等控制面網元的功能。將用戶面網元SGW和PDN GW拆分成GW控制面功能和GW轉發面功能，并將其中的GW轉發面功能集成到SDN交換設備中；SGW、PDN GW的控制面功能虛擬化為GW控制器。虛擬化的GW控制器通過SDN接口協議（如Open Flow協議）控制SDN交換設備中的GW轉發面。對應的架構如圖1所示。

在圖1中，GW控制器負責GW轉發面位置的選擇及一般隧道協議（GTP）隧道的建立。GW控制器接受MME/SGSN的會話建立請求，并選擇適合的OFS作為該會話的GW轉發面。GW 控制器分配GTP隧道信息，建立該會話的轉發表，并通過SDN 控制器將該轉發表發送給OFS。

在該架構中，GW 控制器與SGSN/MME間可采用現成的S4/S11接口進行通信，對4G架構和流程沒有影響。

2 核心網架構的進一步演進

2.1 集成的虛擬核心網架構

核心網虛擬化是建立在“不改變4G架構”的假設的基礎上的。但在4G架構設計之初，設計者假定網元是物理網元，4G架構的設計未針對虛擬化平臺做優化。在虛擬化平臺上，網元間的數據可共享，這可大大減少網元間的接口和信令交互，降低時延、提高效率。并且，在虛擬化平臺上，通過軟件實現核心網網元的功能，比之前既要設計硬件又要在該專用硬件平臺上設計軟件容易得多。軟件化可能會改變商業模式，一個集成的核心網軟件包是一種可能的實現方式。集成的核心網軟件包的優點是少了網元間的接口，簡化了流程，從而降低了時延和系統復雜度。

圖2所示為集成的虛擬化核心網。在圖中，上下文和簽約模塊保存用戶上下文以及用戶簽約數據，核心網控制功能（CCF）負責所有核心網控制面的功能，包括接入控制、認證、移動性管理、會話管理、策略管理等。各CCF間負荷分擔，移動用戶可以由任意CCF提供服務，而無需跨CCF的遷移。一個移動用戶的不同事務（如附著（ATTACH）、跟蹤區更新（TAU））可動態地由不同CCF為之提供服務，比如ATTACH時由CCF1服務，而TAU時由CCF2服務。在上下文共享域內，這樣的架構將不再需要傳統4G網絡中的跨MME切換和跟蹤區更新流程，也不再需要MME間的接口。負荷分擔的設計也比以前簡單，當一個CCF超負荷或宕機時，只需將后續的事務分配給其他CCF處理，而無需CCF間的用戶遷移過程。并且，由于將所有控制面功能集成到CCF中，單個事物的處理不再需要跨不同網元的交互，從而降低了核心網的信令處理時延。跨上下文共享域的移動或切換需要在兩個域間同步用戶上下文，該流程可利用類似4G中的跨MME的切換和跟蹤區更新流程，或者利用IT技術進行上下文同步，從而無需CCF間的接口。只要IT技術支持，最好將上下文共享域設置得足夠大，從而減少跨共享域的移動和切換，但共享域的大小受IT技術的限制。

考慮與4G系統的共存，CCF需與傳統4G網絡中的MME、SGW等網元接口，CCF與傳統網元間的接口可基于現有4G定義的接口協議進行通信，從而無需改變4G網絡。

圖2中的架構將所有核心網控制功能都集成到了CCF中，CCF劃分為多個模塊，如接入認證模塊、移動性管理模塊、會話管理模塊、隧道管理模塊、策略控制模塊、各種接口模塊（如與SDN控制器的接口、與傳統網絡網元的接口）等。

2.2 虛擬核心網中的業務鏈

IETF 業務鏈（SFC）工作組正在討論如何更靈活地支持業務鏈。SFC的最基本的目標是將業務鏈與網絡拓撲解耦。在IETF定義的架構中[4]，業務分類器對業務流進行分類和選擇業務鏈路徑，并且對業務流進行業務鏈封裝。業務鏈封裝（簡稱SFC封裝）不用于數據傳輸，數據的傳輸依靠外層包頭，這樣可將業務鏈與網絡拓撲解耦。增加新的業務服務器只需增加業務服務器到業務轉發器之間的鏈路，從而與其他業務服務器解耦（星形架構），也與傳輸網絡解耦。IETF定義的架構如圖3所示。

業務轉發器負責根據SFC封裝將數據包轉給相應的業務服務器，當業務服務器不支持SFC封裝時，SFC代理負責將SFC封裝解開并將原始數據包發送給業務服務器。

在未來運營商網絡中，我們可以設想：業務服務器將升級支持業務鏈，運營商的網絡中也會引入業務轉發器，用于將業務數據包轉發到業務服務器。

業務服務器可利用虛擬化技術，構建在通用平臺上，做成虛擬網元。而業務轉發器，更適合集成到OFS中。當然，業務服務器也可能會由于某種特殊需要（如性能），采用特殊的硬件實現。將業務轉發器集成到OFS上如圖4所示。

在具體部署時，CCF和業務服務器可能部署在不同的位置。比如，CCF可能部署在比較集中的位置，而業務服務器則可能會部署在靠近邊緣的地方。運營商根據運營商的網絡拓撲、需求等確定適合的部署方式。

2.3 多張網絡并存的核心網

5G的網絡需求具有多樣性，它將是可以滿足各種不同場景不同需求的網絡。它既要支持超密集網絡（UDN），又要支持海量連接（MTC）；既要支持超高速，又要支持超可靠性。并非每個5G的需求場景都需要同時支持所有的性能指標：有些場景只需要實時性，但無需高帶寬，有時甚至只需很低帶寬；有些場景需要很高的帶寬，但并不需要很高的可靠性，也不需要實時性；有的場景需要支持高速下的移動性，而有的場景根本無需支持移動性。對所有5G需求均用同一張網絡支持，對網絡的要求勢必很高，也不利于網絡性能優化。在現有的4G網絡架構中，為了支持不同場景，對網絡打了各種補丁。但到了5G，各種不同的需求變得越來越多、越來越高，在一張網絡上疊加對所有需求的支持變得越來越困難和不優化。

網絡虛擬化除了能給運營商帶來管理、方便部署等好處外，它還帶來了一個更大的好處——為未來運營商同時運營多張網絡帶來了可能。

在運營商現有的網絡中，部署一個新的網絡涉及到各物理網元的采購、網絡的組建和配置、網絡調試等環節，從招標開始到最后網絡建成往往需要幾個月時間，有時甚至更長。不僅僅時間長，設備成本也很高，并且維護一張新的網絡也是一項艱巨的任務。無論是從運營成本（OPEX）還是資本支出（CAPEX）角度上看，運營商同時部署多張專用網絡變成艱難和漫長的歷程。

利用網絡虛擬化技術，可以很方便地構建一張新的移動核心網。方便到只需將不同版本、不同功能的虛擬核心網網元的軟件及對網絡的需求告訴編排器即可，編排器根據需求自動為核心網分配硬件資源、加載核心網軟件、對核心網網元實例化，對核心網網元進行配置、分配網元間的鏈路，從而能快速組建一張新的核心網。比如，運營商可以為車聯網組建專門的移動網絡，也可以為遠程醫療組建專門的網絡。運營商可以將人人通信與物物通信分開，也可以為不同組織或公司的功能類似的網絡需求組建不同的網絡并為之服務，從而更好地相互隔離。多張核心網并存的未來網絡運營模式見圖5。

在圖5中，運營商同時運營了兩張虛擬核心網。虛擬核心網1是針對人人通信的網絡，而虛擬核心網2是針對物聯網的專用核心網。運營商利用專用網絡為物聯網終端服務，可針對物聯網的特征對網絡進行優化，如針對物聯網的海量連接需求優化，或物聯網的低移動性進行優化。不同的虛擬核心網共享基礎設施和轉發設備。

2.4 智能管理

網絡管理是運營商的重要成本之一，智能的網絡管理可以自動對網絡進行配置，對正在運行的網絡進行監控，并可根據網絡運行狀況對網絡進行調整，以達到最佳運行狀態。

自4G開始，自組織網絡（SON）技術的引入使得無線基站的配置和管理大大簡化。SON技術可實現鄰站的自動發現和配置，通過X2接口或S1接口交換基站配置相關信息，實現小區的自動配置、負荷分擔、自動優化和自愈等。

到了5G，NFV的引入使得多個并行的專用核心網絡成為可能和必然，核心網的配置和維護工作量將大大增加，因此，如何對網絡實行自動安裝、自動部署、自動配置和自動維護將變得更重要。

為了支持網絡智能管理，首先，網絡智能管理系統必須能收集正在運行的網絡的狀態信息，包括，各網元的負荷、容量、能力、部署位置、網絡拓撲等信息；其次，網絡智能管理系統還需收集空閑資源的情況，如可用計算能力、可用內存、以及可用資源的位置等。此外，網絡智能管理系統還會收集與業務相關的信息。在收集了這些信息之后，網絡智能管理系統對信息進行分析。對信息的分析有時需大數據處理中心進行處理，比如，對業務數據的分析需借助大數據處理中心。收集業務數據的目的是了解終端的行為模式，并據此對網絡進行優化，例如，可根據分析結果決定轉發面的位置和是否需要引入業務服務器對用戶數據流進行處理。網絡智能管理系統從虛擬核心網網元中收集各種狀態信息和業務信息，從NFV 編排器獲取空閑資源信息。

除了從網絡中收集各種信息，并對信息進行分析之外，網絡智能管理系統還需提供接口用于由運營商管理人員配置必要的信息，如策略信息或者可選的、新的網絡服務需求。策略信息包括網絡部署策略、優化策略等，網絡服務需求是來自企業、政府、虛擬運營商等大客戶的需求。網絡智能管理系統根據網絡狀態、可用資源、策略信息及可選的網絡服務需求做出網絡部署或優化決策。

圖6為未來核心網中的網絡智能管理系統，它集成在對象存儲/基本服務集運營支持系統（OSS/BSS）中，當然它也可以位于其他地方，比如作為一個虛擬服務器獨立運行。

3 結束語

文章結合網絡虛擬化、SDN、業務鏈等5G熱點技術對虛擬化的4G核心網進行了進一步簡化，提出了一種集成的虛擬化核心網架構，支持智能管理、業務鏈和多核心網并存。該核心網架構將核心網功能集成，將處理模塊和用戶上下文分開，從而能更好地支持核心網的分布式處理。集成的核心網還減少了接口，除了與傳統網絡的接口之外，在內部CCF間切換時無需傳遞數據，因此無需CCF間的接口。網絡智能管理模塊的引入使得網絡實現運維自動化，包括網絡自動化部署、配置、優化和故障處理。

參考文獻

[1] Network Function Virtualization （NFV） Management and Orchestration[EB/OL].http：//www.etsi.org/deliver/etsi_gs/NFV-MAN/001_099/001/01.01.01_60/gs_NFV-MAN001v010101p.pdf

[2] ONF： SDN Architecture Overview[EB/OL].https：//www.opennetworking.org/images/stories/downloads/sdn-resources/technical-reports/SDN-architecture-overview-1.0.pdf

[3] draft-ietf-sfc-problem-statement-10： Service Function Chaining Problem Statement [EB/OL]. http：//tools.ietf.org/pdf/draft-ietf-sfc-problem-statement-10.pdf

[4] draft-ietf-sfc-architecture-02： Service Chaining Function Architecture [EB/OL]. http：//tools.ietf.org/pdf/draft-ietf-sfc-architecture-02.pdf